主頁（http://www.130131.com）：GoTa 4G寬帶多媒體集群系統(tǒng)的研究 集群通信系統(tǒng)，按照實現(xiàn)的技術(shù)原理，可以分成兩大類：（1）專業(yè)集群系統(tǒng)有北美數(shù)字集群標準P25、陸上集群無線電（TETRA）和數(shù)字無線電標準（DMR）等。在這些集群系統(tǒng)中，空口協(xié)議棧和非接入層根據(jù)集群應用的特點和要求，有針對性地進行了設(shè)計。（2）基于個人無線通信系統(tǒng)的集群系統(tǒng)有基于碼分多址（CDMA）的開放式集群架構(gòu)（GoTa）系統(tǒng)和基于LTE的GoTa系統(tǒng) 。這些無線集群技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，從窄帶數(shù)字集群到多媒體數(shù)字集群的過程。無線集群系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖1所示。圖1 無線集群系統(tǒng)發(fā)展歷程 窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)在語音集群業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上可以提供有限的數(shù)字業(yè)務(wù)，以TETRA系統(tǒng)為例，一個載頻的TETRA系統(tǒng)，具備28.8 kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載能力，但是不支持視頻，并且對增值業(yè)務(wù)的支持能力比較弱。 中興通訊在CDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了GoTa集群通信系統(tǒng)，GoTa系統(tǒng)除了能夠提供傳統(tǒng)的集群業(yè)務(wù)以外，還繼承了CDMA系統(tǒng)的能力，例如群發(fā)短信、高清視頻、3.1~4.9 Mb/s的數(shù)據(jù)承載能力等。 GoTa 4G系統(tǒng)，是在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入GoTa集群核心網(wǎng)調(diào)度子系統(tǒng)（DSS）的多媒體寬帶集群系統(tǒng)。由于LTE系統(tǒng)的控制面所面對的對象是單個終端，因此，所有的控制流程，如呼叫的建立、被叫過程和切換過程，首先需要保證用戶和基站/核心網(wǎng)建立可保證安全的通信鏈路，然后再執(zhí)行相應的操作，如切換、業(yè)務(wù)呼叫等。 這就給GoTa 4G帶來兩個負面影響： （1）信令風暴。集群應用是一發(fā)多收的通信模式，在任何時刻，只允許一個用戶擁有話權(quán)，其他的群組用戶只能接收話權(quán)用戶的數(shù)據(jù)。當大量的用戶從一個小區(qū)切換到另外一個小區(qū)的時候，或者話權(quán)用戶釋放話權(quán)，群組中所有的非話權(quán)用戶申請搶占話權(quán)的時候，如這些用戶處于非鏈接態(tài)，就會造成空口控制面的信令風暴。 （2）呼叫/話權(quán)搶占延遲性能。對于處于下行鏈路空閑周期（IDLE）狀態(tài)的終端，根據(jù)個人通信系統(tǒng)的協(xié)議規(guī)范，必須先和基站/核心網(wǎng)建立通信鏈路，然后建立業(yè)務(wù)承載，終端才具備發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能力。這樣的處理流程很難滿足呼叫和話權(quán)搶占的系統(tǒng)延遲需求[1-4]。 為解決這兩個問題，本文提出了兩個應對方案：群組預建立和廣播機制，保證非話權(quán)用戶的小區(qū)間的無縫切換；呼叫/話權(quán)搶占隨機過程。 這兩種解決方案有效地解決了GoTa 4G系統(tǒng)的性能問題，達到并且超過了現(xiàn)有集群系統(tǒng)的性能指標。 1 GoTa 4G系統(tǒng)簡介為達到數(shù)字集群系統(tǒng)的IP化、數(shù)據(jù)寬帶化和業(yè)務(wù)多樣化的演進目標，本文提出了基于LTE的GoTa系統(tǒng)演進系統(tǒng)（GoTa 4G）。系統(tǒng)充分地繼承了GoTa的優(yōu)點和功能，引入了LTE系統(tǒng)的寬帶、扁平化系統(tǒng)和全IP特性，并且進一步提出了核心網(wǎng)分離的組網(wǎng)策略。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。 圖2 GoTa 4G系統(tǒng)架構(gòu) GoTa 4G系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為扁平化組網(wǎng)架構(gòu)，由4部分組成： *LTE無線接口E-UTRAN *演進的分組核心網(wǎng)（EPC） *集群核心網(wǎng)調(diào)度子系統(tǒng)（DSS） *集群終端 公網(wǎng)核心網(wǎng)LTE EPC為普通的符合標準協(xié)議規(guī)范的LTE核心網(wǎng)設(shè)備。在組網(wǎng)構(gòu)成上，LTE EPC與集群的核心網(wǎng)隔離。當需要為終端提供普通的LTE業(yè)務(wù)服務(wù)時，需要布置LTE EPC相關(guān)設(shè)備。這種組網(wǎng)方式，遵循公網(wǎng)共用，專網(wǎng)隔離的總體原則。DSS系統(tǒng)功能與GoTa系統(tǒng)保持一致。 DSS系統(tǒng)主要目標客戶是提供集群系統(tǒng)或業(yè)務(wù)的運營商。DSS系統(tǒng)由：集群調(diào)度服務(wù)器（PDS）、群組歸屬寄存器（PHR）和調(diào)度代理服務(wù)器（DAS）等組成。運營商通過配置PDS和PHR設(shè)備為集群用戶提供集群調(diào)度服務(wù)，并提供集群業(yè)務(wù)的電信級鑒權(quán)、授權(quán)和計費服務(wù)。同時，運營商可以通過選配DAS設(shè)備，為集團用戶提供調(diào)度臺服務(wù)，為集團用戶建立集群調(diào)度的虛擬專網(wǎng)。運營商還可以通過選配GoTa應用服務(wù)器（GAS）為客戶提供行業(yè)定制業(yè)務(wù)。 集群服務(wù)器（PDS）執(zhí)行集群群組呼叫（PTT）呼叫處理，如鑒別PTT用戶、建立PTT呼叫、判斷PTT請求；接收上行鏈路來的PTT語音包，并分發(fā)到下行鏈路。對于空口，PDS負責動態(tài)管理群組臨時無線身份標識（T-RNTI），保證在整網(wǎng)里，激活的群組的組標識（Group ID）與T-RNTI一一對應。PDS媒體面（M-PDS）和基站（eNB）存在之間的鏈路接口分成T1-C和T1-U接口，分別對應集群控制面接口和集群用戶面接口。為應對集群應用場景的尋呼、信令連接、承載建立和用戶鑒權(quán)等過程，在eNB和用戶終端（UE）之間需要保證在無線鏈路鏈接（RRC）信令上攜帶的網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信元要能夠區(qū)分出網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信元是路由到移動管理中心（MME）還是路由到PDS。 GoTa 4G系統(tǒng)為有效地兼容LTE系統(tǒng)，在不改變LTE基帶規(guī)范的前提下，增加了若干條邏輯信道，以支持集群業(yè)務(wù)和控制功能。 上述設(shè)計保證了GoTa 4G系統(tǒng)可以支持大規(guī)模的公網(wǎng)組網(wǎng)（支持GoTa 4G業(yè)務(wù)和普通LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）和大規(guī)模專網(wǎng)模式。 2 群組預建立和鄰區(qū)群組信息廣播機制2.1 切換過程及在集群系統(tǒng)中存在的問題LTE系統(tǒng)中，終端在兩個小區(qū)之間的切換流程如圖3所示。當終端移動進切換區(qū)時，向服務(wù)小區(qū)所屬的基站發(fā)送測量上報，基站根據(jù)終端的測量上報，確定終端切換的目標小區(qū)，并和目標小區(qū)交互切換相關(guān)的信令。切換相關(guān)的信令交互完成后，基站向終端發(fā)送切換命令（HO Command），終端執(zhí)行目標小區(qū)的接入過程，建立無線鏈路，完成一次小區(qū)間的切換過程。 圖3 個人無線通信系統(tǒng)小區(qū)間切換流程 在集群系統(tǒng)中，由于是一組用戶在通話，因此，當組內(nèi)用戶在一個小區(qū)內(nèi)發(fā)生群體切換時，就會造成： （1）處于IDLE狀態(tài)的用戶首先切換到連接（CONNECTION）狀態(tài)，然后執(zhí)行向目標小區(qū)的切換。 （2）在一個極端的時間內(nèi)，目標小區(qū)需要處理終端切入的信令處理峰值。 這就會造成兩個小區(qū)的信令風暴，直接表現(xiàn)出的現(xiàn)象是系統(tǒng)發(fā)生擁塞或者切換失敗導致的掉話。例如，一輛大巴車上，群組用戶集中分布且都處于非話權(quán)態(tài)（接收數(shù)據(jù)），當大巴車穿越兩個小區(qū)的交疊區(qū)時，可能會出現(xiàn)如下場景： （1）所有的用戶都進入鏈接態(tài)，然后執(zhí)行切換流程。建立鏈接態(tài)需要5條信令，切換測量控制需要2條信令，切換過程需要3條信令（不包括兩個小區(qū)間基站設(shè)備交互的信令），因此需要在極短的時間內(nèi)，產(chǎn)生n×13條信令。n為用戶的個數(shù)，當n超過基站的處理能力以后（在每個傳輸時間間隔（TTI）內(nèi)，基站能夠調(diào)度的用戶數(shù)是有限的），或者產(chǎn)生掉話，或者切換延遲增加。 （2）LTE系統(tǒng)中切換性能與非競爭隨機接入資源相關(guān)，非競爭隨機接入的資源是有限的，當在某一個時刻大量的用戶發(fā)起切換流程時，會導致切換接納擁塞。 2.2 群組預建立和鄰區(qū)群組信息廣播機制描述非話權(quán)態(tài)用戶，接收下行群組公共業(yè)務(wù)信道，可以處于IDLE。對于處于非鏈接態(tài)的終端的小區(qū)間切換策略，執(zhí)行小區(qū)重選過程，基本過程為：（1）終端按照一定的規(guī)則周期性地檢測服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的覆蓋質(zhì)量。 （2）當服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的覆蓋質(zhì)量滿足一定條件時，終端自主地切換到目標小區(qū)，接收目標小區(qū)的廣播消息而不用通知原服務(wù)小區(qū)。 群組非話權(quán)態(tài)用戶，接收群組下行公共信道的數(shù)據(jù)，如果已經(jīng)在鄰區(qū)預建立了群組下行公共信道并且信道的相關(guān)配置信息能夠被終端獲取，那么終端也可以自主切換到目標小區(qū)接收群組下行數(shù)據(jù)，而不用和原服務(wù)小區(qū)進行信令交互。 具體的流程如下： （1）當某群組內(nèi)的用戶在小區(qū)內(nèi)分布時，如果處于工作狀態(tài)（接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)），那么則以一定的規(guī)則向基站上報狀態(tài)。這個規(guī)則可以是基于覆蓋的測量，也可以是周期的上報。 （2）基站接收到某群組的用戶狀態(tài)上報以后，認為這些用戶具備向其鄰區(qū)切換的潛在的可能性，因此，基站請求鄰基站發(fā)送這個群組的下行數(shù)據(jù)，建立群組的下行承載。 （3）當鄰基站完成群組的下行承載建立后，通知基站，并告知群組下行承載的相關(guān)參數(shù)配置。 （4）基站在小區(qū)內(nèi)，向群組內(nèi)用戶廣播鄰基站的群組下行承載信息。 （5）當終端移動到兩個小區(qū)間的切換區(qū)時，基于覆蓋測量的結(jié)果，自行完成從服務(wù)小區(qū)向目標小區(qū)的切換，接收目標小區(qū)的下行群組數(shù)據(jù)，而無需原服務(wù)基站的參與和控制，完成無縫切換的流程，流程如圖4所示。  圖4 基于群組預建立和廣播機制的小區(qū)間無縫切換流程 以話權(quán)用戶和非話權(quán)用戶在兩個基站A/B之間的切換流程為例，說明無縫切換的流程，如圖5、圖6所示。 話權(quán)UE切換流程如圖5所示。集群群組呼叫建立后，此時UE A為群組A中話權(quán)用戶，UE A由基站A下的小區(qū)覆蓋移動到基站B下的小區(qū)覆蓋�；続為UE A切換前所在基站，基站B為UE A切換后所在基站�；綛下的小區(qū)之前已有非話權(quán)用戶，并已建立群組A下行廣播承載。  圖5 話權(quán)UE切換流程（下行廣播資源已建立） 話權(quán)UE切換流程步驟如下： 步驟1，UE A為群組A中的用戶，根據(jù)測量配置，向基站A上報測量配置。 步驟2，基站A進行切換判決。 步驟3~6，基站A通過控制面PDS，向基站B發(fā)送切換請求消息�；続為話權(quán)用戶UE A分配上下行承載資源，用于承載話權(quán)數(shù)據(jù)。資源配置完成后，基站B向控制面PDS回切換請求響應（Handover Request Ack）消息。 步驟7~8，基站A向UE A發(fā)送切換命令（Handover Command）消息。UE A收到后，切換到基站B下的小區(qū)。 步驟9，UE A向基站發(fā)送切換完成（Handover Complete）消息，進而發(fā)送給控制面PDS。 步驟10~12，控制面PDS向基站A發(fā)送初始上下文釋放命令（Initial Context Release Command）消息，通知基站釋放UE A上下文信息。基站通知UE A釋放相關(guān)承載資源�？湛卺尫磐瓿珊�，基站向控制面PDS回初始上下文釋放完成命令（Initial Context Release Complete）響應消息。 非話權(quán)空閑態(tài)UE切換流程如圖6所示。集群群組呼叫建立后，此時UE A為群組A中非話權(quán)用戶，正在基站A下接收集群下行廣播數(shù)據(jù)，UE A由基站A下小區(qū)覆蓋移動到基站B下小區(qū)覆蓋�；続為UE A切換前所在基站，基站B為UE A切換后所在基站�；綛下小區(qū)之前已有非話權(quán)用戶，已建立群組A下行廣播承載。  圖6 非話權(quán)空閑態(tài)UE切換流程（下行廣播資源已建立） 在組呼過程中，基站A將服務(wù)小區(qū)及相關(guān)鄰區(qū)為群組所建立的信道資源，通過集群控制信道（TCCH）信道周期性發(fā)送給UE A。UE A處于空閑狀態(tài)接收集群業(yè)務(wù)，在移動過程中，根據(jù)廣播消息（SIB）內(nèi)容，依照重選準則進行測量，確定是否進行小區(qū)重選過程。當滿足重選準則時，UE A發(fā)現(xiàn)TCCH下發(fā)信道信息包含目標小區(qū)信道資源。此時，UE直接根據(jù)TCCH信道內(nèi)容，自行選擇到基站B下的目標小區(qū)，在目標小區(qū)接收數(shù)據(jù)。 非話權(quán)空閑態(tài)UE切換流程的大致步驟如下： （1）在組呼過程中，基站A將服務(wù)小區(qū)及相關(guān)鄰區(qū)為群組所建立的信道資源，通過TCCH信道周期性廣播發(fā)送。 （2）UE A根據(jù)測量信息，決定重選到基站B下的小區(qū)中。UE A讀取TCCH信道廣播信道資源，發(fā)現(xiàn)已有將要重選過去的目標小區(qū)信息。 （3）UE A自行重選至基站B下小區(qū)接收集群下行廣播數(shù)據(jù)。 3 呼叫/話權(quán)搶占隨機過程3.1 基于LTE系統(tǒng)的集群系統(tǒng)呼叫/話權(quán)搶占過程中存在的問題根據(jù)傳統(tǒng)的個人無線通信系統(tǒng)協(xié)議規(guī)范，一個終端，在具備和系統(tǒng)交互信息的能力之前必須和系統(tǒng)之間建立無線鏈路。相應的，對于處于IDLE狀態(tài)的非話權(quán)用戶（聽用戶），當需要發(fā)起呼叫或者搶占話權(quán)的時候，首先需要和系統(tǒng)之間建立無線鏈路，之后發(fā)送呼叫或者搶占話權(quán)信令，完成搶占過程。由于集群系統(tǒng)是一對多的通話模式，當話權(quán)用戶釋放話權(quán)的時候，會有多個用戶同時發(fā)起話權(quán)申請流程，而這些發(fā)起話權(quán)申請流程的用戶中只能有一個用戶能夠獲得話權(quán)，相應地，其他的發(fā)起話權(quán)申請的用戶所建立的無線鏈路，都屬于無效的鏈路。這種工作模式會帶來如下方面的影響： （1）某個時刻多個用戶發(fā)起話權(quán)申請觸發(fā)的鏈路建立過程會帶來信令風暴，造成系統(tǒng)擁塞。 （2）無線鏈路的建立過程，是一個比較耗時的過程，以LTE系統(tǒng)為例，建立RRC鏈路，所需要的時間在50 ms ~ 80 ms之間（不包括鑒權(quán)），而集群系統(tǒng)要求群組建立延遲小于300 ms，話權(quán)搶占延遲小于150 ms。 3.2 基于LTE系統(tǒng)的集群系統(tǒng)呼叫/話權(quán)搶占隨機過程描述在集群系統(tǒng)中，話權(quán)搶占或者呼叫流程，都是獲取話權(quán)的過程，由于是多個用戶同時搶占唯一的話權(quán)，因此，可以將此過程看成是一個隨機過程。用戶的呼叫/話權(quán)搶占信令在構(gòu)建起和系統(tǒng)的通信鏈路之前，通過空口的隨機接入過程的MSG3發(fā)送，基站將MSG3中所攜帶的呼叫/話權(quán)搶占信令轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度服務(wù)器，由調(diào)度服務(wù)器判決用戶獲得話權(quán)的能力。圖7為話權(quán)申請流程示意圖。圖8為話權(quán)搶占流程示意圖。  圖7 話權(quán)申請流程示意圖  圖8 話權(quán)搶占流程示意圖 4 LTE寬帶多媒體集群系統(tǒng)呼叫和切換流程性能分析采用話權(quán)呼叫/搶占隨機過程的性能延遲分析如表1所示。采用正常的話權(quán)呼叫/搶占過程的性能分析如表2所示。從分析結(jié)果看，延遲可以控制在110 ms。表1 話權(quán)呼叫/搶占隨機過程性能分析
5 結(jié)束語基于LTE系統(tǒng)的集群系統(tǒng)可實現(xiàn)多媒體寬帶集群業(yè)務(wù)，但是直接照搬LTE的過程并不能滿足集群業(yè)務(wù)的需求，并且由于集群業(yè)務(wù)的特殊性，會帶來在LTE系統(tǒng)比較罕見或者概率較低的問題。對現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)的邏輯過程進行適當?shù)母脑�，使其能夠滿足集群系統(tǒng)的性能需求，對實現(xiàn)多媒體寬帶集群業(yè)務(wù)具有重要意義。 參考文獻 [1] 3GPP TS36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification [S]. 2012. [2] 3GPP TS36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation [S]. 2012. [3] 3GPP TR 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Layer Procedures [S]. 2012. [4] 3GPP TR 36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC) [S]. 2012. 作者簡介 趙先明，哈爾濱工業(yè)大學通信與電子系統(tǒng)專業(yè)工學博士畢業(yè)；中興通訊股份有限公司高級副總裁，哈爾濱工業(yè)大學兼職教授，中國科學技術(shù)大學博士生導師；長期從事移動通信系統(tǒng)的技術(shù)研究、應用開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作；獲國家科技進步一等獎、二等獎各1項；已發(fā)表學術(shù)論文2篇，出版專著1部。 徐云翔，中興通訊無線經(jīng)營部系統(tǒng)工程師；長期從事無線通信領(lǐng)域的研究和設(shè)計工作。 朱伏生，中興通訊無線經(jīng)營部政企網(wǎng)總工程師；長期從事無線通信產(chǎn)品，尤其是集群產(chǎn)品的研究和開發(fā)工作。 (中國集群通信網(wǎng) | 責任編輯：陳曉亮) |
