基于LTE的寬帶數字集群通信系統的定距尋呼研究

楊波靖+魏蕾

摘 要：針對集群通信系統中定距尋呼必須使用地理位置系統輔助參與的問題，文中基于LTE技術上行同步、鏈路預算測距方法，通過途徑衰落和能量損耗加權系數計算，提出了一種集群通信系統架構下，基站與移動終端間的全新定距尋呼方法，并應用此方法在現有集群通信系統中進行實際部署和有效驗證。

關鍵詞：LTE；集群通信系統；上行同步；鏈路預算；定距尋呼

中圖分類號：TN929.52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

LTE（Long Term Evolution，LTE）通信標準是第四代移動通信技術與標準之一，是由我國自主研發的LTE技術，已經被3GPP組織定義為LTE主要組成部分[1]。國際無線電協商委員會（CCIR）將集群通信系統命名為“Trunking Communication System”，即我國統稱的集群移動通信系統，也可稱為集群通信系統或集群系統[2]。集群通信系統是專用的調度移動通信系統，該系統除了具備公眾蜂窩移動通信網所能提供的個人移動通信服務外，還能實現個人與群體間的任意通信，并可進行自主編控，保密性高，功能豐富[3]。近年來，隨著國內外大范圍推廣部署LTE商用網絡，集群通信系統也逐步從原有的2G/3G網絡升級為LTE網絡。由于集群通信系統的專用性和特殊性，在尋呼業務上有別于現有公網業務，尤其在組呼業務過程中，經常會使用定距尋呼業務。但現有技術主要依靠地理位置信息系統進行輔助測距尋呼，此舉擴大了系統冗余性，不利于業務的推廣實施。針對上述問題，本文提出了一種將LTE上行同步過程與鏈路預算加權算法相結合進行測距的方法，依據測距結果進行定距尋呼，并在現有集群通信系統上進行部署和實施。

1 集群通信系統及定距尋呼

1.1 集群通信系統

集群通信系統從移動公共網絡系統中衍生出來，不僅具備移動公共網絡的業務特性，還具有自身特性。主要包括應用側、網絡側、設備側三部分，集群通信系統結構如圖1所示。其應用側、網絡側、設備側的主要功能如下所示：

（1）應用側主要進行自動/人工調度業務的并發處理及相關集群業務的觸發；

（2）網絡側主要負責資源管理、移動性管理、接入管理及廣播業務管理；

（3）設備側主要為使用者終端和其他使用者提供集群通話服務及相關業務。

1.2 集群通信系統特征及應用

集群通信系統是為了滿足行業用戶指揮調度需求而開發的、面向特定行業應用的專用無線通信系統，集群系統中無線用戶可共享無線信道，以指揮調度為主體應用，是一種多用途、高效能的無線通信系統[4]。此外，該系統還具有特有的組呼、快速呼叫以及呼叫接續快、支持私密呼叫、支持組呼且共享下行鏈路組播接收、支持半雙工通信PTT（Push To Talk）等特性。

集群通信系統在政府部門、公共安全、通信電力、民航石油和軍隊等領域有著廣泛的應用。隨著技術的不斷拓展，出租、物流、物業管理和工廠制造也逐步轉向集群通信系統。因此，集群通信系統逐漸成為公眾移動通信之外的專用通信系統，然而LTE無線通信相對于集群通信業務還處于起步階段。

1.3 無線定距尋呼

從圖2可以看出，基站側通過對其接收范圍內所有終端進行測距，并估算出指定距離范圍內的終端列表，根據列表進行相關尋呼業務。定距尋呼業務在集群通信系統應用場景中非常重要。

2 基于上行同步和鏈路預算技術的測距設計思想

通常情況下，基站和終端之間的路徑估算需要借助地理位置定位系統才能定位物理位置，從而推算出路徑距離。但在實際應用中，集群通信系統和相關終端有可能提供地理定位功能。在該場景下，通過終端與基站之間上行同步過程和鏈路預算過程也能夠推算出基站和終端間的路徑距離[5]。

基于此設計方法，本文提出了通過上行同步鏈路預算加權過程測距方法，進行集群系統內定距尋呼。

基站、終端不支持地理位置系統定位測距，需要利用終端與基站間上行同步、鏈路預算過程進行測距估算。終端和基站間的上行同步過程主要利用物理隨機接入信道PRACH（Physical Random Access Channel，PRACH），隨機接入信號包括CP（Cyclic Prefix）、序列（Sequence）、GT（Guard Time）三部分[6]。隨機接入信號如圖3所示。

終端和基站間存在兩種隨機接入過程，基于競爭的隨機接入過程和非競爭隨機接入過程如圖4所示。

圖4中兩種接入過程的終端和基站間都傳遞周期的交互時頻信息。時頻信息包括終端和基站間傳輸調整時延和頻率衰減損耗等信息，基站和終端間的鏈路預算主要對兩者間的傳輸過程功率損耗進行預算，評估出路徑損耗、陰影衰落、人體損耗、穿透損耗。通過理論傳輸功率進行推導計算，得出終端和基站傳輸路徑的加權系數。

通過上行同步過程時頻信息能夠得到理論傳輸距離，結合通過鏈路預算得到的加權系數，可以最終得到實際終端和基站間的實時傳輸距離。

如果基站、終端不支持地理位置系統定位測距，集群調度中心向網絡側移動性管理實體發起臨時測距請求，并將需要測距的終端信息列表和基站信息一并下發。當移動性管理實體收到請求后進行有效性判斷，排除已不在指定基站下的終端，之后向指定eNodeB發起終端、基站測距請求，請求中包含終端信息列表。eNodeB收到測距請求后，進行上行同步和鏈路預算兩個過程并將最終計算結果即傳輸距離，返回到移動性管理實體。移動性管理實體收到終端基站間的傳輸距離后，將指定基站下實際使用終端的傳輸距離封裝成臨時地理信息，上報到應用側增強型歸屬用戶服務器，并通知集群調度中心完成測距請求。集群調度中心收到測距完成信息后對指定基站下實際使用的終端進行尋呼業務。

3 定距尋呼在集群系統中的部署和應用

結合上行同步、鏈路預算測距設計思想，在LTE寬帶數字集群通信系統下設計一種定距尋呼方法，并結合實際組網形式進行相關設計部署，具體實施步驟如下，整體方法如圖5所示。

應用側有線調度臺向集群調度中心發起定距尋呼請求，其中尋呼請求包括了eNodeB基站站點信息、尋呼距離范圍、尋呼次數、尋呼類型等。集群調度中心收到請求且權限核實通過后，通過應用側接口從移動性管理實體（MME）獲取當前指定基站下的所有終端列表。如果基站、終端支持地理位置定位測距，終端（UE、固定臺、車載臺、調度臺）和基站設備（eNodeB）將實際地理位置信息實時上報到應用側的增強型歸屬用戶服務器（eHSS）。增強型歸屬用戶服務器記錄各基站下支持地理位置定位的終端的具體地理位置信息。

集群調度中心根據獲得的終端列表逐一在增強型歸屬用戶服務器（eHSS）進行測距估算。若強型歸屬用戶服務器能夠對指定基站、指定終端進行測距估算，計算基站和終端間的傳輸距離，且兩者間傳輸距離在有線調度臺請求尋呼范圍內，則進行相關集群尋呼業務并發。如果強型歸屬用戶服務器無法估算傳輸距離，則將未定位設備列表返回到集群調度中心。

集群調度中心根據返回的終端列表，通過應用側接口向網絡側移動性管理實體（MME）進行臨時測距請求。請求包括基站站點信息與未定位終端列表信息。移動性管理實體收到請求后進行有效性判斷，剔除未定位終端列表中已經不在指定基站下的終端，而后向指定基站eNodeB發起終端、基站測距請求，請求包括待測距終端信息列表。eNodeB收到測距請求后，進行上行同步和鏈路預算兩個過程，并將最終計算得到的傳輸距離返回移動性管理實體。通過如下步驟實現上述功能：

（1）根據上行同步隨機接入過程中交互的時頻信息，利用傳輸時延推算理論傳輸距離；

（2）根據鏈路預算對基站、終端間傳輸過程的功率損耗進行預算，預算過程評估出路徑損耗、陰影衰落、人體損耗、穿透損耗參數；

（3）根據路徑損耗、陰影衰落、人體損耗、穿透損耗參數，通過理論傳輸功率進行推導計算，最終得到終端和基站傳輸路徑的加權系數；

（4）根據上行同步過程時頻信息能夠得到理論傳輸距離，結合通過鏈路估算得到的加權系數，最終計算得到終端和基站間的實際傳輸距離。

eNodeB逐一對測距終端信息列表進行終端和基站間實際傳輸距離測量。eNodeB測距完成后，將測距終端信息列表和其對應的實際傳輸距離發送到移動性管理實體。移動性管理實體收到eNodeB回應的測距信息后，將指定基站下實際使用終端的傳輸距離封裝成臨時地理信息并上報到應用側增強型歸屬用戶服務器，同時通知集群調度中心完成測距請求。

集群調度中心收到測距完成信息，并根據移動性管理實體回應的實際使用終端信息列表逐一在增強型歸屬用戶服務器（eHSS）進行測距估算。如兩者間傳輸距離在有線調度臺請求尋呼范圍內時，進行相關的集群尋呼業務并發。

4 結 語

通過將上行同步、鏈路預算測距方法的研究應用到集群通信系統中，文中設計了一種全新的定距尋呼方法并介紹了此方法的基本思想及實施部署方案，重點闡述了上行同步、鏈路預算關鍵技術，從而為集群通信系統提供一種高效、快速、安全的方法。此外，本次研究針對用戶多元化的需求可以提供有力的業務支撐，便于業務擴展。

參考文獻

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等.數字集群移動通信系統[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2] 董曉魯.我國數字集群通信發展的幾點考慮[J].電信網技術，2005（2）：19-22.

[3] 侯民術，趙國鋒.集群移動通信中直通模式的分析與研究[J].信息技術，2008（5）：56-159.

[4] 譚學治，孟維曉.寬帶無線多媒體集群系統方案與關鍵技術[J].移動通信，2014（1）：41-44.

[5] 楊波靖.集群通信系統的定距尋呼方法、集群通信系統及基站：中國，CN201210166700[P].2012-10.

[6] 3GPP，TS36.201，LTE physical layer. General description[S].Europe，3GPP，2012.