基于LTE的寬帶集群系統演進路線及關鍵技術研究

陳 園

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

集群通信系統，是指由多個用戶共用一組無線信道并動態地使用這些信道的移動通信系統。集群通信系統主要用于調度通信，它包括模擬集群通信系統和數字集群通信系統。從20世紀60年代到現在，集群通信從模擬系統發展到數字系統，并在公共事業、應急通信、交通、物流等多個行業得到了廣泛應用。

雖然市場需求依然迫切，但當前從國內和國際集群通信系統的發展來看，集群通信系統的發展遠遠落后于公共蜂窩寬帶接入網的發展。其原因既有產業鏈較為薄弱，也包括數據傳輸能力和多媒體支持能力弱的因素，同時政府對于頻率資源的管制趨嚴也間接限制了集群通信系統的發展。

隨著蜂窩寬帶接入技術的飛速發展，LTE已經能夠提供下行為100 Mbit/s、上行為50 Mbit/s的峰值速率，借助LTE技術，集群通信將迎來寬帶化的的最好契機。在此背景下，本文首先對寬帶集群系統演進的技術路線進行了分析，指出了集群通信系統與LTE融合將是發展趨勢，隨后對LTE網絡下寬帶集群通信系統涉及的一系列關鍵技術進行了研究和分析。

2 寬帶集群通信系統技術演進路線探討

2.1 集群系統發展歷程

圖1給出了集群通信系統的發展歷程以及各階段集群通信系統的典型特征。

當前集群系統正經歷由窄帶數字集群系統向寬帶集群系統的演進，寬帶集群通信系統應可支持“話音+視頻”的單呼、組呼等調度方式[1]，并具備較強的數據傳輸能力，能夠實現文件共享、網絡瀏覽、圖像回傳、視頻會議、視頻監控等功能。同時系統性能應得到提升：支持大話務量能力，呼叫建立時間降低。

2.2 寬帶集群系統技術演進路徑

從蜂窩寬帶接入技術及集群通信系統的發展歷程來看，集群系統由窄帶系統向寬帶系統演進共有3種路徑。

·路徑1：蜂窩寬帶接入網絡上疊加集群應用，即集群通信系統借助蜂窩寬帶接入網絡的網絡能力，實現集群系統的寬帶化，在2G/3G時代，典型的例子就是 QChat。

·路徑2：通過對蜂窩寬帶接入網絡增強實現集群功能，即對蜂窩寬帶接入網絡根據集群通信的業務特征進行改造升級支持集群業務，在2G/3G時代，典型的例子是GOTA。

·路徑3：集群系統自身的升級換代，即對原有的集群通信系統進行升級，支持寬帶業務。目前業界在集群系統增強方面也有一些案例，如Tetra2系統，但由于集群系統產業鏈較弱，相關標準發展相對滯后。

2.3 寬帶集群系統技術演進路徑比較

表1從組網方式、數據傳輸能力、建網模式、產業鏈支持程度、組網成本的角度出發，對3種演進方式做了比較。

表1 3種演進路徑對比

通過表1的分析，結合集群通信發展的現狀發現，路徑3在產業鏈的支持方面較弱，同時數據傳輸能力方面尚不能滿足寬帶集群系統的要求；路徑2在產業鏈支持力度上較弱，對網絡標準改動大，不同設備廠商間互通難度非常大；而路徑1將蜂窩寬帶接入網絡與集群通信相融合，可借助蜂窩寬帶接入網絡的高數據傳輸能力，對網絡標準改動小，能夠獲得較強的產業鏈支持。另外由于依托于蜂窩寬帶接入網絡，既可采用專網的組網方式，向對專業性要求較高的客戶提供服務；也可采用公網的組網方式，向公眾及對專業性要求一般的客戶提供基礎集群服務。隨著LTE技術的逐步商用，可以預見，路徑1——將LTE網絡與集群通信相疊加，是寬帶集群系統演進的趨勢。以下將對采用疊加方式的基于LTE的寬帶集群系統涉及的關鍵技術進行分析和探討。

3 采用疊加方式的LTE寬帶集群系統關鍵技術及應用建議

對于路徑1，目前業界較為常見的方式是將基于VoIP的類PoC應用疊加在蜂窩寬帶接入網分組域上，這種方式的優勢是組網成本低，同時易于與其他基于分組域的視頻、數據類業務進行融合。以中國電信QChat制式為例，當前QChat制式是疊加在Ev-Do Rev.A網絡上的VoIP應用，通過一系列的網絡優化措施，系統性能能夠滿足集群通信系統的要求。以下將說明在LTE網絡下，該方式涉及的關鍵技術及其應用建議。

3.1 LTE寬帶集群系統呼叫時延分析及優化建議

3.1.1 呼叫時延構成

在LTE網絡中，集群呼叫時延主要由以下部分構成。

·TItoC：終端從 idle轉為 connected的時延（包括主被叫）。

·Tb：空口建立時延（包括主被叫）。

·Tp：平均尋呼時延。這部分時延主要取決于DRX尋呼周期，尋呼周期越小，被叫的尋呼時延越小。

·終端的處理時延：包括主被叫（定義為Tu）以及SIP信令的傳輸及處理時延（定義為Ts）。

3.1.2 呼叫時延優化建議及估算

LTE網絡中集群呼叫時延優化建議如下。

·TItoC、Tb由LTE技術體制決定，以FDD為例，TItoC約為35 ms[2],與2G/3G網絡相比，LTE網絡中TItoC已經大大縮短；Tb約為60 ms[2]。這兩部分由LTE技術體制決定。考慮到投入/產出比，不建議進一步采取優化措施。

·Tp優化的主要措施是在保證終端續航能力的前提下，設置合理的尋呼周期。為獲得最小尋呼時延，同時考慮到終端的續航能力問題，可將集群終端尋呼周期設置為320 ms,Tp=160 ms。

·Ts、Tu這兩部分時延受終端性能、網絡性能影響較大，因此這兩部分時延需要通過提升網絡傳輸質量以及終端性能實現。一般來說，根據經驗值Ts=200 ms,Tu=100 ms。

因此可得到總體時延=TItoC×2+Tb×2+Tp+Tu×2+Ts=750 ms。能夠基本滿足專業集群客戶的要求，同時如果運營商提高網絡質量，強化終端性能，時延還將進一步縮小。

3.2 LTE寬帶集群系統容量分析及容量提升方案建議

3.2.1 系統容量

LTE中集群通信系統容量可參考VoIP業務，表2給出FDD-LTE系統VoIP業務的容量[2]。

表2 FDD-LTE系統VoIP業務容量

可以看出，雖然LTE相對于3G網絡在系統容量上有了較大提升（以QChat為例，單載扇承載約40個用戶），但對于小范圍區域內集中了大量用戶的情形（如重大賽事調度任務），容量仍顯不足。

3.2.2 系統容量提升方案

集群業務的特征是半雙工，對于群組呼叫而言，同一時間只有一部終端有上行數據，其他所有終端均為下行數據，因此多播技術特別適用于解決小范圍區域內集中了大量用戶的容量問題，圖2給出了基于EMBMS和LTE的寬帶集群通信系統架構[3]。

在大群組組呼的情況下，對于上行數據（講話，獲取話權）采用單播，對于下行數據采用多播技術。基于EMBMS和LTE的寬帶集群通信系統可重用EPC網元，同時需對相應網元在標準EMBMS的基礎上，針對集群業務做一定增強，主要要求如下。

·PDN GW：能夠根據業務類型區分是多播業務還是單播業務，以決定數據流向（SGW或BM-SC）。

·BM-SC：需要為每個多播群組配置多播的區域，即多播涉及的eNode B，該區域可以靜態配置，也可以根據終端附著的情況動態生成。在實際應用中，由于動態多播會造成無線資源的浪費，從投入/產出比的角度考慮，建議使用靜態配置。

·MME：需要獲得終端的簽約信息以及終端所屬的集群業務群組信息。這些信息可以通過HSS增強獲得，也可以向集群應用獲得。

表3 基于LTE的集群通信系統QCI建議

·eNode B：支持MBSFN傳輸，可以通過優化MBMS控制信道的修改周期和重復周期改進集群通信系統性能。

基于集群通信業務的特性，通過引入多播技術，能夠大大提升系統容量 （理論上無窮大）。但在實際部署過程中，為避免網絡資源的浪費，建議可針對特殊場景的需求（如大型集會的通信保障）單獨配置固定多播區域和群組。

3.3 QoS保障機制在LTE寬帶集群系統中的應用建議

3.3.1 QoS參數選擇建議

EPC系統中，不同的QoS等級需要不同類型的承載來提供。其中QCI是最重要的QoS參數。QCI是一個QoS級別的標號，它同時應用于GBR和Non-GBR承載，用于指定訪問節點內定義的控制承載級分組轉發方式 (如調度權重、接納門限、隊列管理門限、鏈路層協議配置等)，這些都由運營商預先配置到接入網節點中[4]。在接口上使用QCI而不是傳輸一組QoS參數，主要是為了減少接口上的控制信令數據傳輸量，并且在多廠商互連環境和漫游環境中使得不同設備/系統間的互連互通更加容易。

對于基于LTE網絡承載的集群業務，建議使用表3所示的 QCI。

3.3.2 網絡側發起的專用承載建立

在2G/3G網絡中，業務的QoS資源申請往往由終端發起，存在QoS資源被盜用的風險。而在LTE網絡中，結合PCC架構，可實現網絡側發起專用承載，如圖3所示。使用該特性，便于運營商的QoS策略管控與調整以及減少客戶端開發的難度。

4 結束語

集群通信系統在公共事業、物流、交通等領域有著廣泛的應用，但由于產業鏈薄弱，政府頻率管制等原因，造成了集群通信系統發展遠遠滯后于蜂窩寬帶接入網絡。當前集群系統正經歷由窄帶數字集群系統向寬帶集群系統的演進，本文在對3種演進路徑進行分析的基礎上，指出與LTE網絡疊加將是寬帶集群通信系統的最佳演進路線，并給出了該演進路線涉及的關鍵技術以及應用建議，包括呼叫時延的分析和優化建議、系統容量分析及容量提升方案建議以及QoS保障機制在LTE寬帶集群系統中的應用建議。隨著LTE的逐步成熟和商用，集群通信系統也將借助LTE網絡強大的數據傳輸能力實現向寬帶化、IP化的演進，從而為用戶提供更為快捷、可靠、豐富的集群通信業務。

1 CCSA SR 122-2012.基于TD-LTE的寬帶數字集群通信系統的研究,2012

2 3GPP TR 36.912.Feasibility Study for Further Advancements for E-UTRA(LTE-Advanced),2011

3 3GPP TS 36.440.General Aspects and Principles for Interfaces SupportingMultimediaBroadcastMulticastService(MBMS)Within E-UTRAN,2012

4 3GPP TS 23.203.Policy and Charging Control Architecture,2011