GoTa 4G寬帶多媒體集群系統的研究

摘要：在LTE系統中引入了群組預建立和鄰區群組信息廣播機制，使得集群終端在小區之間切換/移動無需和基站之間的信令交互而成為一種無縫切換過程，避免了切換過程中的信令交互和延遲；提出一種基于隨機過程的群組呼叫建立過程的方法，使得話權申請的過程不依賴于信令鏈接，有效地提高了系統的性能。

關鍵詞：集群；LTE系統；隨機過程；切換；開放式集群架構

Abstract： The group pre-establishment mechanism and neighbor group information broadcast mechanism have been added to LTE systems. In new LTE systems， handover of trunk terminals between cells does not require any signaling between base stations. Handover is seamless and without delay. In this paper， we propose group call establishment based on a random procedure. This ensures that the process of granting a call request is not based on signal connection. This solution improves system performance.

Key words： trunk； LTE； RACH； handover； GoTa

集群通信系統，按照實現的技術原理，可以分成兩大類：（1）專業集群系統有北美數字集群標準P25、陸上集群無線電（TETRA）和數字無線電標準（DMR）等。在這些集群系統中，空口協議棧和非接入層根據集群應用的特點和要求，有針對性地進行了設計。（2）基于個人無線通信系統的集群系統有基于碼分多址（CDMA）的開放式集群架構（GoTa）系統和基于LTE的GoTa系統。這些無線集群技術的發展經歷了從模擬到數字，從窄帶數字集群到多媒體數字集群的過程。無線集群系統發展歷程如圖1所示。

窄帶數字集群系統在語音集群業務的基礎上可以提供有限的數字業務，以TETRA系統為例，一個載頻的TETRA系統，具備28.8 kb/s的數據業務的承載能力，但是不支持視頻，并且對增值業務的支持能力比較弱。

中興通訊在CDMA系統的基礎上，提出了GoTa集群通信系統，GoTa系統除了能夠提供傳統的集群業務以外，還繼承了CDMA系統的能力，如群發短信、高清視頻、3.1～4.9 Mb/s的數據承載能力等。

GoTa 4G系統，是在LTE系統的基礎上，引入GoTa集群核心網調度子系統（DSS）的多媒體寬帶集群系統。由于LTE系統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/核心網建立可保證安全的通信鏈路，然后再執行相應的操作，如切換、業務呼叫等。這就給GoTa 4G帶來兩個負面影響：

（1）信令風暴。集群應用是一發多收的通信模式，在任何時刻，只允許一個用戶擁有話權，其他的群組用戶只能接收話權用戶的數據。當大量的用戶從一個小區切換到另外一個小區的時候，或者話權用戶釋放話權，群組中所有的非話權用戶申請搶占話權的時候，如果這些用戶處于非鏈接態，就會造成空口控制面的信令風暴。

（2）呼叫/話權搶占延遲性能。對于處于下行鏈路空閑周期（IDLE）狀態的終端，根據個人通信系統的協議規范，必須先和基站/核心網建立通信鏈路，然后建立業務承載，終端才具備發送業務數據能力。這樣的處理流程很難滿足呼叫和話權搶占的系統延遲需求[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，保證非話權用戶的小區間的無縫切換；呼叫/話權搶占隨機過程。

這兩種解決方案有效地解決了GoTa 4G系統的性能問題，達到并且超過了現有集群系統的性能指標。

1 GoTa 4G系統簡介

為達到數字集群系統的IP化、數據寬帶化和業務多樣化的演進目標，本文提出了基于LTE的GoTa系統演進系統（GoTa 4G）。系統充分地繼承了GoTa的優點和功能，引入了LTE系統的寬帶、扁平化系統和全IP特性，并且進一步提出了核心網分離的組網策略。系統架構如圖2所示。

GoTa 4G系統整體網絡架構為扁平化組網架構，由4部分組成：

·LTE無線接口E-UTRAN

·演進的分組核心網（EPC）

·集群核心網調度子系統（DSS）

·集群終端

公網核心網LTE EPC為普通的符合標準協議規范的LTE核心網設備。在組網構成上，LTE EPC與集群的核心網隔離。當需要為終端提供普通的LTE業務服務時，需要布置LTE EPC相關設備。這種組網方式，遵循公網共用，專網隔離的總體原則。DSS系統功能與GoTa系統保持一致。

DSS系統主要目標客戶是提供集群系統或業務的運營商。DSS系統由：集群調度服務器（PDS）、群組歸屬寄存器（PHR）和調度代理服務器（DAS）等組成。運營商通過配置PDS和PHR設備為集群用戶提供集群調度服務，并提供集群業務的電信級鑒權、授權和計費服務。同時，運營商可以通過選配DAS設備，為集團用戶提供調度臺服務，為集團用戶建立集群調度的虛擬專網。運營商還可以通過選配GoTa應用服務器（GAS）為客戶提供行業定制業務。

集群服務器（PDS）執行集群群組呼叫（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，并分發到下行鏈路。對于空口，PDS負責動態管理群組臨時無線身份標識（T-RNTI），保證在整網里，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）信令上攜帶的網絡側的信元要能夠區分出網絡側的信元是路由到移動管理中心（MME）還是路由到PDS。

GoTa 4G系統為有效地兼容LTE系統，在不改變LTE基帶規范的前提下，增加了若干條邏輯信道，以支持集群業務和控制功能。

上述設計保證了GoTa 4G系統可以支持大規模的公網組網（支持GoTa 4G業務和普通LTE數據業務）和大規模專網模式。

2 群組預建立和鄰區群組

信息廣播機制

2.1 切換過程及在集群系統中存在

的問題

LTE系統中，終端在兩個小區之間的切換流程如圖3所示。當終端移動進切換區時，向服務小區所屬的基站發送測量上報，基站根據終端的測量上報，確定終端切換的目標小區，并和目標小區交互切換相關的信令。切換相關的信令交互完成后，基站向終端發送切換命令（HO Command），終端執行目標小區的接入過程，建立無線鏈路，完成一次小區間的切換過程。

在集群系統中，由于是一組用戶在通話，因此，當組內用戶在一個小區內發生群體切換時，就會造成：

（1）處于IDLE狀態的用戶首先切換到連接（CONNECTION）狀態，然后執行向目標小區的切換。

（2）在一個極端的時間內，目標小區需要處理終端切入的信令處理峰值。

這就會造成兩個小區的信令風暴，直接表現出的現象是系統發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態（接收數據），當大巴車穿越兩個小區的交疊區時，可能會出現如下場景：

（1）所有的用戶都進入鏈接態，然后執行切換流程。建立鏈接態需要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（不包括兩個小區間基站設備交互的信令），因此需要在極短的時間內，產生n×13條信令。n為用戶的個數，當n超過基站的處理能力以后（在每個傳輸時間間隔（TTI）內，基站能夠調度的用戶數是有限的），或者產生掉話，或者切換延遲增加。

（2）LTE系統中切換性能與非競爭隨機接入資源相關，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 群組預建立和鄰區群組信息

廣播機制描述

非話權態用戶，接收下行群組公共業務信道，可以處于IDLE。對于處于非鏈接態的終端的小區間切換策略，執行小區重選過程，過程為：

（1）終端按照一定的規則周期性地檢測服務小區和鄰區的覆蓋質量。

（2）當服務小區和鄰區的覆蓋質量滿足一定條件時，終端自主地切換到目標小區，接收目標小區的廣播消息而不用通知原服務小區。

群組非話權態用戶，接收群組下行公共信道的數據，如果已經在鄰區預建立了群組下行公共信道并且信道的相關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接收群組下行數據，而不用和原服務小區進行信令交互。

具體的流程如下：

（1）當某群組內的用戶在小區內分布時，如果處于工作狀態（接收或者發送數據），那么則以一定的規則向基站上報狀態。規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上報以后，認為這些用戶具備向其鄰區切換的潛在的可能性，因此，基站請求鄰基站發送這個群組的下行數據，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參數配置。

（4）基站在小區內，向群組內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間的切換區時，基于覆蓋測量的結果，自行完成從服務小區向目標小區的切換，接收目標小區的下行群組數據，而無需原服務基站的參與和控制，完成無縫切換的流程（如圖4所示）。

以話權用戶和非話權用戶在兩個基站A/B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中話權用戶，UE A由基站A下的小區移動到基站B下的小區。基站A為UE A切換前所在基站，基站B為UE A切換后所在基站。基站B下的小區之前已有非話權用戶，并已建立群組A下行廣播承載。

話權UE切換流程步驟如下：

步驟1，UE A為群組A中的用戶，根據測量配置，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發送切換請求消息。基站A為話權用戶UE A分配上下行承載資源，用于承載話權數據。資源配置完成后，基站B向PDS回切換請求響應（Handover Request Ack）消息。

步驟7-8，基站A向UE A發送切換命令（Handover Command）。UE A收到后，切換到基站B下的小區。

步驟9，UE A向基站發送切換完成（Handover Complete）消息，進而發送給控制面PDS。

步驟10-12，控制面PDS向基站A發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釋放相關承載資源。空口釋放完成后，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。

非話權空閑態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中非話權用戶，正在基站A下接收集群下行廣播數據，UE A由基站A下小區移動到基站B下小區。基站A為UE A切換前所在基站，基站B為UE A切換后所在基站。基站B下小區之前已有非話權用戶，已建立群組A下行廣播承載。

在組呼過程中，基站A將服務小區及相關鄰區為群組所建立的信道資源，通過集群控制信道（TCCH）信道周期性發送給UE A。UE A處于空閑狀態接收集群業務，在移動過程中，根據廣播消息（SIB）內容，依照重選準則進行測量，確定是否進行小區重選過程。當滿足重選準則時，UE A發現TCCH下發信道信息包含目標小區信道資源。此時，UE根據TCCH信道內容，自行選擇到基站B下的目標小區，在目標小區接收數據。

非話權空閑態UE切換流程的大致步驟如下：

（1）在組呼過程中，基站A將服務小區及相關鄰區為群組所建立的信道資源，通過TCCH信道周期性廣播發送。

（2）UE A根據測量信息，決定重選到基站B下的小區中。UE A讀取TCCH信道廣播信道資源，發現已有將要重選過去的目標小區信息。

（3）UE A自行重選至基站B下小區接收集群下行廣播數據。

3 呼叫/話權搶占隨機過程

3.1 基于LTE系統的集群系統呼叫/

話權搶占過程中存在的問題

根據傳統的個人無線通信系統協議規范，一個終端，在具備和系統交互信息的能力之前必須和系統之間建立無線鏈路。相應的，對于處于IDLE狀態的非話權用戶（聽用戶），當需要發起呼叫或者搶占話權的時候，首先需要和系統之間建立無線鏈路，之后發送呼叫或者搶占話權信令，完成搶占過程。

由于集群系統是一對多的通話模式，當話權用戶釋放話權的時候，會有多個用戶同時發起話權申請流程，而這些發起話權申請流程的用戶中只能有一個用戶能夠獲得話權，相應地，其他的發起話權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起話權申請觸發的鏈路建立過程會帶來信令風暴，造成系統擁塞。

（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），而集群系統要求群組建立延遲小于300 ms，話權搶占延遲小于150 ms。

3.2 基于LTE系統的集群系統呼叫/

話權搶占隨機過程描述

在集群系統中，話權搶占或者呼叫流程，都是獲取話權的過程，由于是多個用戶同時搶占唯一的話權，因此，可以將此過程看成是一個隨機的過程。

用戶的呼叫/話權搶占信令在構建起和系統的通信鏈路之前，通過空口的隨機接入過程的MSG3發送，基站將MSG3中所攜帶的呼叫/話權搶占信令轉發給調度服務器，由調度服務器判決用戶獲得話權的能力。圖7為話權申請流程示意圖。圖8為話權搶占流程示意圖。

4 LTE寬帶多媒體集群

系統呼叫和切換流程

性能分析

采用話權呼叫/搶占隨機過程的性能延遲分析如表1所示。采用正常的話權呼叫/搶占過程的性能分析如表2所示。從分析結果看，延遲可以控制在110 ms。

由于鄰區的群組下行承載已經預先建立并且在服務小區廣播，因此，當非話權態用戶從服務小區向目標小區切換過程中，無需和服務小區/目標小區執行切換相關的信令過程。隨機話權搶占過程僅僅要求最終獲得話權的用戶和服務小區執行承載建立的信令交互過程，因此，優化了系統的信令負荷和性能指標。其中，基站設備間交互的信令減少n×2條，原服務小區空口信令減少n×11條（RRC建立5條，默認承載建立2條，測量控制2條，測量上報1條，HO Command 1條），目標小區空口信令減少n×2條，其中n為發起集體切換的集群用戶數。

5 結束語

基于LTE系統的集群系統可實現多媒體寬帶集群業務，但是直接照搬LTE的過程并不能滿足集群業務的需求，并且由于集群業務的特殊性，會帶來在LTE系統比較罕見或者概率較低的問題。

對現有的LTE系統的邏輯過程進行適當的改造，使其能夠滿足集群系統的性能需求，對實現多媒體寬帶集群業務具有重要意義。

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，哈爾濱工業大學通信與電子系統專業博士畢業；中興通訊股份有限公司高級副總裁，哈爾濱工業大學兼職教授，中國科學技術大學博士生導師；長期從事移動通信系統的技術研究、應用開發與產業化工作；獲國家科技進步一等獎、二等獎各1項；已發表學術論文2篇，出版專著1部。

徐云翔，中興通訊無線經營部系統工程師；長期從事無線通信領域的研究和設計工作。

朱伏生，中興通訊無線經營部政企網總工程師；長期從事無線通信產品，尤其是集群產品的研究和開發工作。