【摘 要】通過對目前集群系統(tǒng)的局限性分析，結(jié)合寬帶化的發(fā)展，提出了在LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)集群調(diào)度的想法，并從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、時(shí)延、業(yè)務(wù)和移動性管理方面進(jìn)行研究，成功實(shí)現(xiàn)集群系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)局進(jìn)行測試，證實(shí)了集群在LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的可能性。

【關(guān)鍵詞】LTE eNodeB 集群

中圖分類號：TN929.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1006-1010（2014）-20-0033-05

Implementation of Trunking Communication in LTE Network

CHI Hai-xiang

（Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation CDMA

[Abstract] By analyzing the limitations of the trunking system， the implementation of trunked dispatching in LTE network is proposed combined with the development of broadband networks. Based on the research on the network architecture， time delay， business and mobility management， the trunking system is successfully tested in the laboratory and commercial bureau. The test results confirm the possibility of the implementation of trunking communication in LTE network.

[Key words]LTE eNodeB trunking communication

1 概述

集群通信是指揮調(diào)度的最有效工具，目前國際上也在積極開展寬帶多媒體數(shù)字集群的研究工作，如歐洲的TETRA系統(tǒng)和美國的P25（Project 25）系統(tǒng)。但是，由于現(xiàn)有窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)自身體制的限制，向?qū)拵Щ葸M(jìn)存在較多的困難，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也尚未制定，這為我國在該領(lǐng)域擺脫第二代系統(tǒng)面臨的落后和受制于人的局面提供了很好的機(jī)遇。

LTE是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，支持可變帶寬，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz；在20MHz帶寬下，下行峰值傳輸速率為100Mbps，上行峰值傳輸速率為50Mbps。LTE作為4G無線通信已經(jīng)得到全球范圍絕大部分運(yùn)營商的認(rèn)可和應(yīng)用，國內(nèi)的運(yùn)營商也已經(jīng)建設(shè)全國的LTE無線網(wǎng)絡(luò)。

在同時(shí)需要高速無線寬帶和集群功能的情況下，將面臨著同時(shí)建設(shè)無線集群網(wǎng)和無線LTE寬帶網(wǎng)的尷尬。而在付出巨大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用的同時(shí)，在使用上也將分離使用，造成效率低下并增加管理的難度。

本文的目的就是在LTE無線通信系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)4G無線集群調(diào)度功能，將集群網(wǎng)和LTE寬帶網(wǎng)絡(luò)合二為一，實(shí)現(xiàn)巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 LTE作為集群架構(gòu)的性能

對于集群系統(tǒng)，最重要的是可靠和及時(shí)，以便應(yīng)對緊急情況的發(fā)生。在可靠性方面，LTE系統(tǒng)依據(jù)3GPP的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行開發(fā)和生產(chǎn)，具有電信級的可靠性；對于集群呼叫的時(shí)延方面，LTE的控制面的時(shí)延僅有100ms，而用戶面的時(shí)延更是達(dá)到了5ms，是集群通信的理想載體。

LTE系統(tǒng)的時(shí)延加上集群的控制信令，使得在LTE集群網(wǎng)中呼叫建立時(shí)間將小于350ms、話權(quán)搶占時(shí)間小于250ms。由于目前集群系統(tǒng)的時(shí)延要求一般為不大于500ms，因此LTE在時(shí)延和可靠性要求方面能夠滿足集群的需求。

3 LTE集群的架構(gòu)

3.1 傳統(tǒng)集群的不足

傳統(tǒng)集群都是以語音為主的集群調(diào)度，按照發(fā)展的歷程可以分為一代集群、二代集群、三代集群和四代集群。一代集群是模擬的集群，語音不夠清晰以及保密性不好是一代集群的缺點(diǎn)；二代數(shù)字集群克服了一代集群的缺點(diǎn)，能夠傳送少量短數(shù)據(jù)，但無法滿足對大數(shù)據(jù)以及圖像方面的傳輸需求；三代集群主要是數(shù)據(jù)帶寬增加，可以達(dá)到3Mbps的速率，但在延遲和視頻傳輸方面略有不足；而如果能夠在LTE上實(shí)現(xiàn)集群業(yè)務(wù)，高達(dá)100Mbps的速率將根本性解決高清視頻傳送和可視化對講的需求。

3.2 集群業(yè)務(wù)架構(gòu)

LTE集群業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

集群核心網(wǎng)是LTE集群的核心，提供集群用戶群組和群組成員的注冊、集群用戶群組成員的本地信息及業(yè)務(wù)權(quán)限鑒別，執(zhí)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)費(fèi)功能。

集群核心網(wǎng)可以執(zhí)行集群用戶的呼叫處理，鑒別集群用戶的權(quán)限、判斷集群用戶的請求建立集群用戶的呼叫，接收上行鏈路來的集群用戶的語音包并分發(fā)到下行鏈路中去。

調(diào)度臺可以通過客戶端登錄到集群核心網(wǎng)服務(wù)器執(zhí)行調(diào)度管理工作。

對于空口，集群服務(wù)器負(fù)責(zé)動態(tài)管理群組；集群核心網(wǎng)與eNodeB之間的鏈路分成T1-C和T1-U接口，分別對應(yīng)集群控制面接口和集群用戶面接口。

3.3 LTE集群時(shí)延

在LTE集群架構(gòu)中，通過集群核心網(wǎng)直接連接基站設(shè)備，減少了中間設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)；由于取消了中間設(shè)備RNC（Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器），LTE無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化，減小了系統(tǒng)時(shí)延，從而滿足集群的實(shí)時(shí)性需求，也降低了建網(wǎng)成本和維護(hù)成本。endprint

由于LTE網(wǎng)絡(luò)擁有更低的時(shí)延和更高的速率，非常適合集群通信和高清視頻傳輸，因此將兩者合二為一，就可以實(shí)現(xiàn)可視化對講的全新集群業(yè)務(wù)。

根據(jù)LTE集群的實(shí)驗(yàn)測試，LTE集群的呼叫建立時(shí)間小于350ms，話權(quán)搶占時(shí)間小于250ms，優(yōu)于二代集群的性能，并可以提供實(shí)時(shí)的可視化對講業(yè)務(wù)。

由此可以看出，LTE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延可以滿足專業(yè)集群呼叫的要求，具有高清視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢，是非常有競爭力的新一代集群系統(tǒng)。

3.4 LTE集群業(yè)務(wù)

在LTE集群中，采用了共享信道的方式，而不是語音通話的專用信道方式，這樣可以在實(shí)現(xiàn)集群組呼的同時(shí)節(jié)省大量的無線資源。

通過共享信道的方式，在20MHz無線頻譜的帶寬下，1個(gè)小區(qū)可以實(shí)現(xiàn)最大200路的語音組呼或者7路的4MHz高清視頻的可視化組呼。

其主要功能如下：

（1）支持集群內(nèi)語音單呼和可視單呼：集群內(nèi)單呼是指UE按PPT發(fā)起的單呼，一對一呼叫，其他用戶不能聽到。

（2）支持集群內(nèi)語音組呼/可視組呼：組呼/可視組呼可以由組內(nèi)用戶終端發(fā)起。

（3）支持集群內(nèi)廣播語音呼叫/可視廣播呼叫：單工呼叫，只有發(fā)起者可以說話，其他人只能聽不能說。

（4）支持緊急呼叫：緊急呼叫場景下，發(fā)起終端在可配置的時(shí)間內(nèi)話權(quán)不可搶占，系統(tǒng)優(yōu)先保障緊急呼叫的資源。

（5）支持目前其余所有二代集群支持的業(yè)務(wù)功能。

3.5 LTE集群組呼用戶移動性管理

以舉例來說明移動性管理，假設(shè)集群群組A呼叫建立后，集群用戶UE A已經(jīng)呼叫集群用戶UE B，用戶UE A由eNodeB A（基站A）下小區(qū)覆蓋移動到eNodeB B下小區(qū)覆蓋。eNodeB A為UE A切換前所在基站，eNodeB B為UE A（集群終端A）切換后所在基站；PDS為集群核心網(wǎng)。

LTE集群組呼用戶移動性管理流程如圖2所示。

移動性管理步驟說明如下：

（1）UE A為群組A中的用戶，根據(jù)測量配置，通過上行的專用控制信道向eNodeB A上報(bào)測量配置。

（2）eNodeB A進(jìn)行切換判決。

（3）eNodeB A向控制面PDS發(fā)送切換請求消息，請求PDS進(jìn)行話權(quán)用戶的上行承載切換。

（4）控制面PDS向目標(biāo)eNodeB B發(fā)送切換請求消息，消息中攜帶有話權(quán)用戶的承載信息以及話權(quán)指示信息。

（5）eNodeB B收到控制面PDS的切換請求消息后，根據(jù)請求消息中的群組ID信息和承載信息，為話權(quán)用戶分配上行T-RAB承載資源（DTCH、DCCH）。

（6）eNodeB B向控制面PDS發(fā)送切換確認(rèn)消息。

（7）控制面PDS向源側(cè)eNodeB A發(fā)送切換命令Handover Command，告知eNodeB A目標(biāo)eNodeB B完成了切換資源準(zhǔn)備。

（8）eNodeB A收到切換命令Handover Command后，通過DCCH向終端發(fā)送RRC重配消息，通知終端把DTCH和DCCH切換到目標(biāo)eNodeB B。

（9）eNodeB A構(gòu)造包含SN信息的Status Transfer消息發(fā)送給控制面PDS，并等待控制面PDS的釋放命令T-RAB Release Command。

（10）終端收到RRC重配消息后，向目標(biāo)小區(qū)切換。

（11）控制面PDS向目標(biāo)eNodeB B發(fā)送包含SN信息的Status Transfer消息。

（12）終端成功切換到目標(biāo)小區(qū)，并向目標(biāo)小區(qū)發(fā)送RRC重配完成消息。

（13）eNodeB B收到終端的重配完成消息后，通過下行DCCH向終端發(fā)送PTTGroupCallConfig消息，消息中攜帶TTCH/TCCH資源信息，告知終端完成下行廣播承載切換。

（14）eNodeB B收到終端的重配完成消息后，向控制面PDS發(fā)送Handover Notify消息，通知PDS終端已成功切換到目標(biāo)小區(qū)。

（15）控制面PDS向eNodeB A發(fā)送T-RAB Release Command消息，通知源小區(qū)釋放話權(quán)用戶的上行承載T-RAB相關(guān)資源。

（16）eNodeB A對話權(quán)用戶的上行承載T-RAB相關(guān)資源（DTCH、DCCH）進(jìn)行釋放。

（17）eNodeB A向控制面PDS發(fā)送T-RAB Release Response消息，通知PDS源小區(qū)已經(jīng)釋放話權(quán)用戶的T-RAB相關(guān)資源。

4 系統(tǒng)調(diào)試和應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試應(yīng)用

通過前面的研究并將設(shè)備研發(fā)出來后，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證，如圖3所示。

通過在實(shí)驗(yàn)室搭建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，主要設(shè)備有1套LTE集群核心網(wǎng)、2個(gè)LTE基站eNodeB和3部集群終端。集群核心網(wǎng)和LTE基站eNodeB之間通過千兆以太網(wǎng)接口互聯(lián)；4G集群終端和eNodeB之間通過無線空口連接，同時(shí)需要制作GPS饋線的接頭，將饋線電纜的一端與GPS天線連接，另一端則連接到eNodeB基站上，將GPS天饋放在向上45°范圍內(nèi)無遮擋的地方進(jìn)行安裝。

設(shè)備正常運(yùn)行后，將放號后的3個(gè)4G集群終端進(jìn)行測試。

首先進(jìn)行可視化單呼，呼叫非?？旖?，可以實(shí)現(xiàn)可視化的呼叫，聲音宏亮、視頻清晰，約300ms就完成了起呼和接通；優(yōu)于語音集群的呼叫時(shí)延，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

接著進(jìn)行3個(gè)終端的可視化組呼，約300ms就完成了起呼和接通，話權(quán)搶占約200ms；可以實(shí)現(xiàn)可視化的呼叫，聲音宏亮、視頻流暢。

繼續(xù)進(jìn)行2個(gè)eNodeB之間的移動性切換測試，組呼建立后，其中1個(gè)終端從一個(gè)基站移到另一個(gè)基站，發(fā)生切換，在切換過程中語音沒有丟字的情況發(fā)生，視頻流暢，沒有卡頓或馬賽克的情況出現(xiàn)，在2個(gè)終端同時(shí)從一個(gè)基站移動到另一個(gè)基站時(shí)，語音、視頻以及其余業(yè)務(wù)測試也完全正常。endprint

以上測試說明在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，也滿足了集群通信的要求，下一步將在試驗(yàn)局進(jìn)行輕載測試。

4.2 LTE集群的應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)市場上在北京、鄭州、綏化等地開通了試驗(yàn)局。在試驗(yàn)局測試中，按照在實(shí)驗(yàn)室測試的流程再進(jìn)行了多次測試，集群業(yè)務(wù)呼叫正常，聲音清晰、視頻流暢，起叫時(shí)延小于300ms，話權(quán)搶占約200ms，略優(yōu)于目前傳統(tǒng)的二代集群的接續(xù)時(shí)延。

試驗(yàn)局現(xiàn)已運(yùn)行了3個(gè)月以上，沒有出現(xiàn)性能變化或故障的情況，這說明LTE集群系統(tǒng)在試驗(yàn)局中的應(yīng)用是成功的，目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)局的LTE集群系統(tǒng)運(yùn)行效果來看，集群終端能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的單呼、組呼和緊急呼叫等業(yè)務(wù)，集群終端在基站之間移動可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從后臺對核心網(wǎng)和基站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了可視化調(diào)度的要求，達(dá)到了LTE集群的目標(biāo)，并證明了集群在LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的可行性，從而在4G寬帶集群上，我國在該領(lǐng)域成為寬帶化集群的領(lǐng)跑者。

從發(fā)展的角度來看，LTE集群還有一些地方需要完善和改進(jìn)。由于時(shí)間關(guān)系，對于接收我國自己的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，目前還沒有在商用局進(jìn)行調(diào)試。

如果可能，后續(xù)LTE集群還需要和語音集群進(jìn)行兼容，以便可以保護(hù)業(yè)主在模擬和數(shù)字語音集群方面的投資，也為LTE集群帶來更廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 易睿得. LTE系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2012.

[2] 趙訓(xùn)威，林輝，張明，等. 3GPP長期演進(jìn)（LTE）系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

[3] 李正茂，王曉云. TD-LTE技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[4] 鄭祖輝. 數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008.

[5] 徐小濤. 數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[6] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

池海祥：碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)通信和信息專業(yè)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司三級主任高工，主要研究方向?yàn)長TE網(wǎng)絡(luò)和集群通信。endprint

以上測試說明在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，也滿足了集群通信的要求，下一步將在試驗(yàn)局進(jìn)行輕載測試。

4.2 LTE集群的應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)市場上在北京、鄭州、綏化等地開通了試驗(yàn)局。在試驗(yàn)局測試中，按照在實(shí)驗(yàn)室測試的流程再進(jìn)行了多次測試，集群業(yè)務(wù)呼叫正常，聲音清晰、視頻流暢，起叫時(shí)延小于300ms，話權(quán)搶占約200ms，略優(yōu)于目前傳統(tǒng)的二代集群的接續(xù)時(shí)延。

試驗(yàn)局現(xiàn)已運(yùn)行了3個(gè)月以上，沒有出現(xiàn)性能變化或故障的情況，這說明LTE集群系統(tǒng)在試驗(yàn)局中的應(yīng)用是成功的，目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)局的LTE集群系統(tǒng)運(yùn)行效果來看，集群終端能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的單呼、組呼和緊急呼叫等業(yè)務(wù)，集群終端在基站之間移動可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從后臺對核心網(wǎng)和基站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了可視化調(diào)度的要求，達(dá)到了LTE集群的目標(biāo)，并證明了集群在LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的可行性，從而在4G寬帶集群上，我國在該領(lǐng)域成為寬帶化集群的領(lǐng)跑者。

從發(fā)展的角度來看，LTE集群還有一些地方需要完善和改進(jìn)。由于時(shí)間關(guān)系，對于接收我國自己的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，目前還沒有在商用局進(jìn)行調(diào)試。

如果可能，后續(xù)LTE集群還需要和語音集群進(jìn)行兼容，以便可以保護(hù)業(yè)主在模擬和數(shù)字語音集群方面的投資，也為LTE集群帶來更廣闊的應(yīng)用空間。

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[6] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

池海祥：碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)通信和信息專業(yè)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司三級主任高工，主要研究方向?yàn)長TE網(wǎng)絡(luò)和集群通信。endprint

以上測試說明在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，也滿足了集群通信的要求，下一步將在試驗(yàn)局進(jìn)行輕載測試。

4.2 LTE集群的應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)市場上在北京、鄭州、綏化等地開通了試驗(yàn)局。在試驗(yàn)局測試中，按照在實(shí)驗(yàn)室測試的流程再進(jìn)行了多次測試，集群業(yè)務(wù)呼叫正常，聲音清晰、視頻流暢，起叫時(shí)延小于300ms，話權(quán)搶占約200ms，略優(yōu)于目前傳統(tǒng)的二代集群的接續(xù)時(shí)延。

試驗(yàn)局現(xiàn)已運(yùn)行了3個(gè)月以上，沒有出現(xiàn)性能變化或故障的情況，這說明LTE集群系統(tǒng)在試驗(yàn)局中的應(yīng)用是成功的，目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)局的LTE集群系統(tǒng)運(yùn)行效果來看，集群終端能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的單呼、組呼和緊急呼叫等業(yè)務(wù)，集群終端在基站之間移動可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從后臺對核心網(wǎng)和基站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了可視化調(diào)度的要求，達(dá)到了LTE集群的目標(biāo)，并證明了集群在LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的可行性，從而在4G寬帶集群上，我國在該領(lǐng)域成為寬帶化集群的領(lǐng)跑者。

從發(fā)展的角度來看，LTE集群還有一些地方需要完善和改進(jìn)。由于時(shí)間關(guān)系，對于接收我國自己的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，目前還沒有在商用局進(jìn)行調(diào)試。

如果可能，后續(xù)LTE集群還需要和語音集群進(jìn)行兼容，以便可以保護(hù)業(yè)主在模擬和數(shù)字語音集群方面的投資，也為LTE集群帶來更廣闊的應(yīng)用空間。

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池海祥：碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)通信和信息專業(yè)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司三級主任高工，主要研究方向?yàn)長TE網(wǎng)絡(luò)和集群通信。endprint