集群在LTE網絡上的實現

【摘 要】通過對目前集群系統的局限性分析，結合寬帶化的發展，提出了在LTE網絡上實現集群調度的想法，并從網絡架構、時延、業務和移動性管理方面進行研究，成功實現集群系統在實驗室和試驗局進行測試，證實了集群在LTE網絡上實現的可能性。

【關鍵詞】LTE eNodeB 集群

中圖分類號：TN929.52 文獻標識碼：B 文章編號：1006-1010（2014）-20-0033-05

Implementation of Trunking Communication in LTE Network

CHI Hai-xiang

（Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation CDMA

[Abstract] By analyzing the limitations of the trunking system， the implementation of trunked dispatching in LTE network is proposed combined with the development of broadband networks. Based on the research on the network architecture， time delay， business and mobility management， the trunking system is successfully tested in the laboratory and commercial bureau. The test results confirm the possibility of the implementation of trunking communication in LTE network.

[Key words]LTE eNodeB trunking communication

1 概述

集群通信是指揮調度的最有效工具，目前國際上也在積極開展寬帶多媒體數字集群的研究工作，如歐洲的TETRA系統和美國的P25（Project 25）系統。但是，由于現有窄帶數字集群系統自身體制的限制，向寬帶化演進存在較多的困難，相關標準也尚未制定，這為我國在該領域擺脫第二代系統面臨的落后和受制于人的局面提供了很好的機遇。

LTE是由3GPP組織制定的UMTS技術標準的長期演進，支持可變帶寬，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz；在20MHz帶寬下，下行峰值傳輸速率為100Mbps，上行峰值傳輸速率為50Mbps。LTE作為4G無線通信已經得到全球范圍絕大部分運營商的認可和應用，國內的運營商也已經建設全國的LTE無線網絡。

在同時需要高速無線寬帶和集群功能的情況下，將面臨著同時建設無線集群網和無線LTE寬帶網的尷尬。而在付出巨大網絡建設費用和維護費用的同時，在使用上也將分離使用，造成效率低下并增加管理的難度。

本文的目的就是在LTE無線通信系統上實現4G無線集群調度功能，將集群網和LTE寬帶網絡合二為一，實現巨大的社會效益和經濟效益。

2 LTE作為集群架構的性能

對于集群系統，最重要的是可靠和及時，以便應對緊急情況的發生。在可靠性方面，LTE系統依據3GPP的標準協議進行開發和生產，具有電信級的可靠性；對于集群呼叫的時延方面，LTE的控制面的時延僅有100ms，而用戶面的時延更是達到了5ms，是集群通信的理想載體。

LTE系統的時延加上集群的控制信令，使得在LTE集群網中呼叫建立時間將小于350ms、話權搶占時間小于250ms。由于目前集群系統的時延要求一般為不大于500ms，因此LTE在時延和可靠性要求方面能夠滿足集群的需求。

3 LTE集群的架構

3.1 傳統集群的不足

傳統集群都是以語音為主的集群調度，按照發展的歷程可以分為一代集群、二代集群、三代集群和四代集群。一代集群是模擬的集群，語音不夠清晰以及保密性不好是一代集群的缺點；二代數字集群克服了一代集群的缺點，能夠傳送少量短數據，但無法滿足對大數據以及圖像方面的傳輸需求；三代集群主要是數據帶寬增加，可以達到3Mbps的速率，但在延遲和視頻傳輸方面略有不足；而如果能夠在LTE上實現集群業務，高達100Mbps的速率將根本性解決高清視頻傳送和可視化對講的需求。

3.2 集群業務架構

LTE集群業務架構示意圖如圖1所示。

集群核心網是LTE集群的核心，提供集群用戶群組和群組成員的注冊、集群用戶群組成員的本地信息及業務權限鑒別，執行統計和計費功能。

集群核心網可以執行集群用戶的呼叫處理，鑒別集群用戶的權限、判斷集群用戶的請求建立集群用戶的呼叫，接收上行鏈路來的集群用戶的語音包并分發到下行鏈路中去。

調度臺可以通過客戶端登錄到集群核心網服務器執行調度管理工作。

對于空口，集群服務器負責動態管理群組；集群核心網與eNodeB之間的鏈路分成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。

3.3 LTE集群時延

在LTE集群架構中，通過集群核心網直接連接基站設備，減少了中間設備的轉發環節；由于取消了中間設備RNC（Radio Network Controller，無線網絡控制器），LTE無線網絡架構更加扁平化，減小了系統時延，從而滿足集群的實時性需求，也降低了建網成本和維護成本。endprint

由于LTE網絡擁有更低的時延和更高的速率，非常適合集群通信和高清視頻傳輸，因此將兩者合二為一，就可以實現可視化對講的全新集群業務。

根據LTE集群的實驗測試，LTE集群的呼叫建立時間小于350ms，話權搶占時間小于250ms，優于二代集群的性能，并可以提供實時的可視化對講業務。

由此可以看出，LTE網絡的時延可以滿足專業集群呼叫的要求，具有高清視頻傳輸的優勢，是非常有競爭力的新一代集群系統。

3.4 LTE集群業務

在LTE集群中，采用了共享信道的方式，而不是語音通話的專用信道方式，這樣可以在實現集群組呼的同時節省大量的無線資源。

通過共享信道的方式，在20MHz無線頻譜的帶寬下，1個小區可以實現最大200路的語音組呼或者7路的4MHz高清視頻的可視化組呼。

其主要功能如下：

（1）支持集群內語音單呼和可視單呼：集群內單呼是指UE按PPT發起的單呼，一對一呼叫，其他用戶不能聽到。

（2）支持集群內語音組呼/可視組呼：組呼/可視組呼可以由組內用戶終端發起。

（3）支持集群內廣播語音呼叫/可視廣播呼叫：單工呼叫，只有發起者可以說話，其他人只能聽不能說。

（4）支持緊急呼叫：緊急呼叫場景下，發起終端在可配置的時間內話權不可搶占，系統優先保障緊急呼叫的資源。

（5）支持目前其余所有二代集群支持的業務功能。

3.5 LTE集群組呼用戶移動性管理

以舉例來說明移動性管理，假設集群群組A呼叫建立后，集群用戶UE A已經呼叫集群用戶UE B，用戶UE A由eNodeB A（基站A）下小區覆蓋移動到eNodeB B下小區覆蓋。eNodeB A為UE A切換前所在基站，eNodeB B為UE A（集群終端A）切換后所在基站；PDS為集群核心網。

LTE集群組呼用戶移動性管理流程如圖2所示。

移動性管理步驟說明如下：

（1）UE A為群組A中的用戶，根據測量配置，通過上行的專用控制信道向eNodeB A上報測量配置。

（2）eNodeB A進行切換判決。

（3）eNodeB A向控制面PDS發送切換請求消息，請求PDS進行話權用戶的上行承載切換。

（4）控制面PDS向目標eNodeB B發送切換請求消息，消息中攜帶有話權用戶的承載信息以及話權指示信息。

（5）eNodeB B收到控制面PDS的切換請求消息后，根據請求消息中的群組ID信息和承載信息，為話權用戶分配上行T-RAB承載資源（DTCH、DCCH）。

（6）eNodeB B向控制面PDS發送切換確認消息。

（7）控制面PDS向源側eNodeB A發送切換命令Handover Command，告知eNodeB A目標eNodeB B完成了切換資源準備。

（8）eNodeB A收到切換命令Handover Command后，通過DCCH向終端發送RRC重配消息，通知終端把DTCH和DCCH切換到目標eNodeB B。

（9）eNodeB A構造包含SN信息的Status Transfer消息發送給控制面PDS，并等待控制面PDS的釋放命令T-RAB Release Command。

（10）終端收到RRC重配消息后，向目標小區切換。

（11）控制面PDS向目標eNodeB B發送包含SN信息的Status Transfer消息。

（12）終端成功切換到目標小區，并向目標小區發送RRC重配完成消息。

（13）eNodeB B收到終端的重配完成消息后，通過下行DCCH向終端發送PTTGroupCallConfig消息，消息中攜帶TTCH/TCCH資源信息，告知終端完成下行廣播承載切換。

（14）eNodeB B收到終端的重配完成消息后，向控制面PDS發送Handover Notify消息，通知PDS終端已成功切換到目標小區。

（15）控制面PDS向eNodeB A發送T-RAB Release Command消息，通知源小區釋放話權用戶的上行承載T-RAB相關資源。

（16）eNodeB A對話權用戶的上行承載T-RAB相關資源（DTCH、DCCH）進行釋放。

（17）eNodeB A向控制面PDS發送T-RAB Release Response消息，通知PDS源小區已經釋放話權用戶的T-RAB相關資源。

4 系統調試和應用

4.1 實驗室的調試應用

通過前面的研究并將設備研發出來后，開始進行實驗室的驗證，如圖3所示。

通過在實驗室搭建系統網絡，主要設備有1套LTE集群核心網、2個LTE基站eNodeB和3部集群終端。集群核心網和LTE基站eNodeB之間通過千兆以太網接口互聯；4G集群終端和eNodeB之間通過無線空口連接，同時需要制作GPS饋線的接頭，將饋線電纜的一端與GPS天線連接，另一端則連接到eNodeB基站上，將GPS天饋放在向上45°范圍內無遮擋的地方進行安裝。

設備正常運行后，將放號后的3個4G集群終端進行測試。

首先進行可視化單呼，呼叫非常快捷，可以實現可視化的呼叫，聲音宏亮、視頻清晰，約300ms就完成了起呼和接通；優于語音集群的呼叫時延，達到預期目標。

接著進行3個終端的可視化組呼，約300ms就完成了起呼和接通，話權搶占約200ms；可以實現可視化的呼叫，聲音宏亮、視頻流暢。

繼續進行2個eNodeB之間的移動性切換測試，組呼建立后，其中1個終端從一個基站移到另一個基站，發生切換，在切換過程中語音沒有丟字的情況發生，視頻流暢，沒有卡頓或馬賽克的情況出現，在2個終端同時從一個基站移動到另一個基站時，語音、視頻以及其余業務測試也完全正常。endprint

以上測試說明在實驗室環境下系統運行正常，達到了設計要求，也滿足了集群通信的要求，下一步將在試驗局進行輕載測試。

4.2 LTE集群的應用情況

目前，國內市場上在北京、鄭州、綏化等地開通了試驗局。在試驗局測試中，按照在實驗室測試的流程再進行了多次測試，集群業務呼叫正常，聲音清晰、視頻流暢，起叫時延小于300ms，話權搶占約200ms，略優于目前傳統的二代集群的接續時延。

試驗局現已運行了3個月以上，沒有出現性能變化或故障的情況，這說明LTE集群系統在試驗局中的應用是成功的，目前該系統運行穩定。

5 結論

從實驗室、試驗局的LTE集群系統運行效果來看，集群終端能夠實現可視化的單呼、組呼和緊急呼叫等業務，集群終端在基站之間移動可以實現平穩切換，整個系統可以實現從后臺對核心網和基站的實時監控，滿足了可視化調度的要求，達到了LTE集群的目標，并證明了集群在LTE網絡上實現的可行性，從而在4G寬帶集群上，我國在該領域成為寬帶化集群的領跑者。

從發展的角度來看，LTE集群還有一些地方需要完善和改進。由于時間關系，對于接收我國自己的GLONASS衛星系統，目前還沒有在商用局進行調試。

如果可能，后續LTE集群還需要和語音集群進行兼容，以便可以保護業主在模擬和數字語音集群方面的投資，也為LTE集群帶來更廣闊的應用空間。

參考文獻：

[1] 易睿得. LTE系統原理及應用[M]. 北京： 電子工業出版社， 2012.

[2] 趙訓威，林輝，張明，等. 3GPP長期演進（LTE）系統架構與技術規范[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

[3] 李正茂，王曉云. TD-LTE技術與標準[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

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

[5] 徐小濤. 數字集群移動通信系統原理與應用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[6] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

池海祥：碩士畢業于北京交通大學通信和信息專業，現任中興通訊股份有限公司三級主任高工，主要研究方向為LTE網絡和集群通信。endprint

以上測試說明在實驗室環境下系統運行正常，達到了設計要求，也滿足了集群通信的要求，下一步將在試驗局進行輕載測試。

4.2 LTE集群的應用情況

目前，國內市場上在北京、鄭州、綏化等地開通了試驗局。在試驗局測試中，按照在實驗室測試的流程再進行了多次測試，集群業務呼叫正常，聲音清晰、視頻流暢，起叫時延小于300ms，話權搶占約200ms，略優于目前傳統的二代集群的接續時延。

試驗局現已運行了3個月以上，沒有出現性能變化或故障的情況，這說明LTE集群系統在試驗局中的應用是成功的，目前該系統運行穩定。

5 結論

從實驗室、試驗局的LTE集群系統運行效果來看，集群終端能夠實現可視化的單呼、組呼和緊急呼叫等業務，集群終端在基站之間移動可以實現平穩切換，整個系統可以實現從后臺對核心網和基站的實時監控，滿足了可視化調度的要求，達到了LTE集群的目標，并證明了集群在LTE網絡上實現的可行性，從而在4G寬帶集群上，我國在該領域成為寬帶化集群的領跑者。

從發展的角度來看，LTE集群還有一些地方需要完善和改進。由于時間關系，對于接收我國自己的GLONASS衛星系統，目前還沒有在商用局進行調試。

如果可能，后續LTE集群還需要和語音集群進行兼容，以便可以保護業主在模擬和數字語音集群方面的投資，也為LTE集群帶來更廣闊的應用空間。

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[5] 徐小濤. 數字集群移動通信系統原理與應用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[6] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

池海祥：碩士畢業于北京交通大學通信和信息專業，現任中興通訊股份有限公司三級主任高工，主要研究方向為LTE網絡和集群通信。endprint

以上測試說明在實驗室環境下系統運行正常，達到了設計要求，也滿足了集群通信的要求，下一步將在試驗局進行輕載測試。

4.2 LTE集群的應用情況

目前，國內市場上在北京、鄭州、綏化等地開通了試驗局。在試驗局測試中，按照在實驗室測試的流程再進行了多次測試，集群業務呼叫正常，聲音清晰、視頻流暢，起叫時延小于300ms，話權搶占約200ms，略優于目前傳統的二代集群的接續時延。

試驗局現已運行了3個月以上，沒有出現性能變化或故障的情況，這說明LTE集群系統在試驗局中的應用是成功的，目前該系統運行穩定。

5 結論

從實驗室、試驗局的LTE集群系統運行效果來看，集群終端能夠實現可視化的單呼、組呼和緊急呼叫等業務，集群終端在基站之間移動可以實現平穩切換，整個系統可以實現從后臺對核心網和基站的實時監控，滿足了可視化調度的要求，達到了LTE集群的目標，并證明了集群在LTE網絡上實現的可行性，從而在4G寬帶集群上，我國在該領域成為寬帶化集群的領跑者。

從發展的角度來看，LTE集群還有一些地方需要完善和改進。由于時間關系，對于接收我國自己的GLONASS衛星系統，目前還沒有在商用局進行調試。

如果可能，后續LTE集群還需要和語音集群進行兼容，以便可以保護業主在模擬和數字語音集群方面的投資，也為LTE集群帶來更廣闊的應用空間。

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[5] 徐小濤. 數字集群移動通信系統原理與應用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[6] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

池海祥：碩士畢業于北京交通大學通信和信息專業，現任中興通訊股份有限公司三級主任高工，主要研究方向為LTE網絡和集群通信。endprint