寬帶集群系統(tǒng)中PIS數(shù)據(jù)傳輸方法的設(shè)計(jì)研究

候春輝，孫敬偉，康志杰

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

寬帶集群（Broardband Trunking Communication，B-TrunC）是基于寬帶無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，支持寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、語(yǔ)音和多媒體形式的集群指揮調(diào)度業(yè)務(wù)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)[1]。寬帶集群系統(tǒng)能夠很好地提供語(yǔ)音、視頻等通信服務(wù)，目前已經(jīng)在軌道交通、公共安全等垂直領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了生產(chǎn)效率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[2]。隨著B(niǎo)-TrunC系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范的發(fā)布，軌道交通專用無(wú)線集群系統(tǒng)采用B-TrunC制式取代泛歐集群無(wú)線電（Trans European Trunked Radio，TETRA）已成為行業(yè)共識(shí)[3]。乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）是地鐵中為乘客提供各類資訊的服務(wù)系統(tǒng)，依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，通過(guò)車站顯示終端和車載顯示終端向乘客發(fā)布導(dǎo)乘信息、運(yùn)營(yíng)信息、地鐵服務(wù)宣傳信息及商業(yè)廣告等內(nèi)容[4,5]。本文在寬帶集群系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了PIS數(shù)據(jù)傳輸方法，并通過(guò)模擬應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 總體架構(gòu)

寬帶集群系統(tǒng)由寬帶集群核心網(wǎng)（Trunking Core Network，TCN）、寬帶集群基站（T-eNB）、寬帶集群終端、業(yè)務(wù)管理臺(tái)、PIS業(yè)務(wù)服務(wù)器以及PIS終端組成，如圖1所示。

圖1 寬帶集群系統(tǒng)的總體架構(gòu)

TCN是提供寬帶集群業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，包含eMME、xGW、eHSS、TCF以及TMF這5個(gè)邏輯實(shí)體。集群核心網(wǎng)是整個(gè)寬帶集群系統(tǒng)的核心，不僅負(fù)責(zé)終端設(shè)備移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、用戶數(shù)據(jù)管理、接入控制、IP地址分配、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）控制以及分組數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)等長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）基本服務(wù)功能，而且為集群通信終端提供集群語(yǔ)音業(yè)務(wù)、集群多媒體業(yè)務(wù)、集群數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及集群補(bǔ)充業(yè)務(wù)等。

T-eNB通過(guò)S1-T接口連接集群核心網(wǎng)，支持集群終端接入、集群無(wú)線資源控制（Radio Resource Control，RRC）、集群尋呼、集群信道映射以及集群承載等功能。

集群終端通過(guò)集群Uu-T空中接口接入集群基站T-eNB，實(shí)現(xiàn)基于IP的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和集群業(yè)務(wù)。

業(yè)務(wù)管理臺(tái)通過(guò)內(nèi)部接口連接集群核心網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)的配置和管理，包括用戶、組簽約數(shù)據(jù)配置和TCF配置。

PIS業(yè)務(wù)服務(wù)器負(fù)責(zé)生成PIS音視頻業(yè)務(wù)的媒體數(shù)據(jù)包，并通過(guò)組播方式發(fā)送給集群核心網(wǎng)。

PIS展示終端用于接收PIS音視頻業(yè)務(wù)的媒體包，并通過(guò)視頻播放器完成PIS業(yè)務(wù)的展示。

2 設(shè)計(jì)原理

城市軌道交通中，PIS業(yè)務(wù)的典型特點(diǎn)是點(diǎn)到多點(diǎn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。承載音視頻信息的媒體數(shù)據(jù)由PIS業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)出，推送到分布在不同位置的PIS展示終端上，這些音視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)容是相同的[6]。基于以上特點(diǎn)，采用IP組播和空口組播相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

IP組播是在發(fā)送者和每個(gè)接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，如果一個(gè)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，只需復(fù)制一份相同的數(shù)據(jù)包，有效提高了數(shù)據(jù)傳送效率，減少了網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵的可能性[7]。組播解決了單播和廣播方式傳輸效率較低的問(wèn)題，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶請(qǐng)求特定信息時(shí)，組播源僅發(fā)送一次信息，組播路由器借助組播路由協(xié)議為組播數(shù)據(jù)包建立樹(shù)型路由，被傳遞的信息在盡可能遠(yuǎn)的分叉路口才開(kāi)始復(fù)制和分發(fā)。相同數(shù)據(jù)流的客戶端加入相同的組共享一條數(shù)據(jù)流，節(jié)省了服務(wù)器的負(fù)載。此外，由于組播協(xié)議是根據(jù)用戶的需要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)，因此服務(wù)端的服務(wù)總帶寬不受客戶接入端帶寬的限制。

空口組播是在集群系統(tǒng)中引入集群下行共享信道，用于傳輸集群點(diǎn)到多點(diǎn)的下行控制信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[8]。集群下行共享信道使用的空口資源是集群組成員共享的，基站下的所有集群組成員同時(shí)從共享信道上完成數(shù)據(jù)的接收，有效解決了通信系統(tǒng)中空口資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

3 PIS數(shù)據(jù)傳輸方法設(shè)計(jì)

基于PIS業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)用寬帶集群系統(tǒng)的集群終端注冊(cè)流程和群組呼叫流程。其中，PIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)主要涉及信令控制流程和數(shù)據(jù)傳輸路徑兩部分。由于本傳輸方案復(fù)用了集群組呼功能，因此僅需集群基站和集群終端支持普通的集群組呼功能即可滿足PIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆７桨笇?shí)現(xiàn)僅涉及集群核心網(wǎng)部分改動(dòng)，涉及的集群網(wǎng)元有業(yè)務(wù)管理臺(tái)、eHSS、TCF以及TMF。業(yè)務(wù)管理臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)集群核心網(wǎng)中PIS業(yè)務(wù)的配置功能，為系統(tǒng)操作員提供便捷高效的PIS業(yè)務(wù)管理方法；eHSS負(fù)責(zé)集群PIS終端和PIS群組的簽約數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)狀態(tài)的管理；TCF負(fù)責(zé)PIS終端注冊(cè)流程、PIS群組呼叫流程的發(fā)起；TMF負(fù)責(zé)PIS視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼和轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1 PIS業(yè)務(wù)信令流程

由于集群組呼需要由一個(gè)集群終端發(fā)起，因此需要為PIS業(yè)務(wù)分配一個(gè)PIS主叫終端。所有接收PIS數(shù)據(jù)的集群終端和PIS主叫終端都被分配到一個(gè)PIS群組中，PIS組呼由PIS主叫終端發(fā)起，組內(nèi)成員共享一個(gè)下行共享信道，以傳輸PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[9]。根據(jù)PIS業(yè)務(wù)觸發(fā)方式的不同，PIS業(yè)務(wù)的信令流程可以分為定時(shí)觸發(fā)模式和業(yè)務(wù)觸發(fā)模式。定時(shí)觸發(fā)模式的PIS業(yè)務(wù)建立流程如圖2所示。

圖2 定時(shí)觸發(fā)模式的PIS業(yè)務(wù)建立流程

首先，業(yè)務(wù)管理臺(tái)下發(fā)PIS業(yè)務(wù)的用戶配置信息，eHSS存儲(chǔ)PIS業(yè)務(wù)信息；其次，業(yè)務(wù)管理臺(tái)根據(jù)定時(shí)信息向TCF發(fā)起PIS業(yè)務(wù)使能指示，包含PIS主叫終端信息、PIS群組信息、PIS組播地址等；最后，TCF觸發(fā)PIS主叫終端的注冊(cè)流程和PIS組呼建立流程，建立PIS組播的下行共享信道。

業(yè)務(wù)觸發(fā)模式的PIS業(yè)務(wù)建立流程如圖3所示。

圖3 業(yè)務(wù)觸發(fā)模式的PIS業(yè)務(wù)建立流程

首先，業(yè)務(wù)管理臺(tái)下發(fā)PIS業(yè)務(wù)的用戶配置信息，eHSS存儲(chǔ)PIS業(yè)務(wù)信息；其次，業(yè)務(wù)管理臺(tái)向TCF發(fā)起PIS業(yè)務(wù)使能指示，包含PIS主叫終端信息、PIS群組信息以及PIS組播地址；再次，TCF觸發(fā)PIS主叫終端的注冊(cè)流程，向TMF發(fā)送PIS數(shù)據(jù)探測(cè)指示，TMF加入PIS多播組；從次，當(dāng)TMF探測(cè)到PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)PIS主叫終端發(fā)起PIS組呼建立流程，建立PIS組呼的下行共享信道；最后，如果一段時(shí)間內(nèi)未探測(cè)到PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，則觸發(fā)PIS組呼的釋放流程。

PIS業(yè)務(wù)釋放流程如圖4所示。

圖4 PIS業(yè)務(wù)釋放流程

首先，業(yè)務(wù)管理臺(tái)向TCF發(fā)起PIS業(yè)務(wù)停止指示；其次，TCF向TMF發(fā)送PIS數(shù)據(jù)探測(cè)取消指示，停止TMF的PIS組播數(shù)據(jù)探測(cè)；最后，TCF觸發(fā)PIS主叫終端的PIS組呼釋放流程和PIS主叫終端的注銷流程，刪除PIS業(yè)務(wù)信息。

3.2 PIS組播數(shù)據(jù)的傳輸路徑

PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由PIS業(yè)務(wù)服務(wù)器產(chǎn)生，經(jīng)TCN路由轉(zhuǎn)發(fā)到T-eNB，T-eNB通過(guò)空口下行共享信道將數(shù)據(jù)發(fā)送給PIS群組內(nèi)的所有集群終端，集群終端負(fù)責(zé)組播PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)給PIS展示終端[10]。PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的具體傳輸路徑如圖5所示。

圖5 PIS組播數(shù)據(jù)的傳輸路徑

傳輸路徑說(shuō)明：①PIS業(yè)務(wù)服務(wù)器通過(guò)IP組播方式將PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳遞給集群媒體網(wǎng)元TMF；②TMF根據(jù)集群組呼上下文將組播數(shù)據(jù)發(fā)送給xGW；③xGW根據(jù)集群業(yè)務(wù)承載上下文封裝組播Gtp-U數(shù)據(jù)，通過(guò)S1-T接口發(fā)送給T-eNB；④T-eNB映射PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到組呼下行共享信道，通過(guò)集群空口Uu-T傳遞給集群終端；⑤集群終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將PIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)組播給PIS展示終端。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，基于寬帶集群系統(tǒng)進(jìn)行了PIS數(shù)據(jù)傳輸功能的開(kāi)發(fā)。業(yè)務(wù)管理臺(tái)的PIS配置信息如圖6所示，其中包括PIS主叫用戶號(hào)碼、PIS群組號(hào)碼以及PIS組播地址等。

圖6 業(yè)務(wù)管理臺(tái)的PIS配置

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部集成測(cè)試后，模擬某地鐵項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景，搭建了PIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試環(huán)境，包括1臺(tái)PIS服務(wù)器、1套集群核心網(wǎng)以及兩個(gè)集群基站。同時(shí)，在每個(gè)集群基站下接入3臺(tái)集群終端列車接入單元（Train Access Unit，TAU），每個(gè)TAU下接入5個(gè)PIS展示終端。通過(guò)實(shí)際帶寬測(cè)試，整條傳輸鏈路中僅存在一份媒體流，有效節(jié)省了系統(tǒng)帶寬和空口資源。

5 結(jié) 論

通過(guò)復(fù)用集群系統(tǒng)中的組呼流程，結(jié)合城市軌道交通中PIS業(yè)務(wù)特點(diǎn)，利用IP組播、空口組播等關(guān)鍵技術(shù)在集群系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了PIS音視頻業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過(guò)地鐵項(xiàng)目模擬場(chǎng)景的業(yè)務(wù)測(cè)試，該方法有效節(jié)省了空口帶寬資源，提升了寬帶集群系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量，具有一定的可行性。