LTE-R組呼業務無線承載方案研究

肖正杰

(通號通信信息集團有限公司，北京 100070)

1 概述

450 M 模擬移動系統從20 世紀80 年代末應用到鐵路行業，主要為語音通信設計，功能單一，無法承載列控信息，不能滿足列車運行控制系統安全信息傳輸的要求。為了滿足鐵路無線調度通信和列控信息無線承載的業務需求，1993 年國際鐵路聯盟UIC 借鑒GSM 標準的經驗，開始研究和試驗GSM-R 標準，并于2000 年將GSM-R 標準發布，同年，中華人民共和國鐵道部確定GSM-R 移動系統為我國鐵路無線通信的行業標準[1]。現在，由于公網GSM 市場的逐步萎縮，公網GSM 產業鏈對GSM 產品的支持會逐步減弱，這也會對鐵路GSM-R 市場產生重大影響。根據國際鐵路聯盟UIC 的規劃，2022 年左右，GSM-R 產品設備將逐步退出市場；同時隨著社會發展和技術進步，鐵路運營中產生許多新的信息服務需求，對移動寬帶化的需求越來越強烈；因此中國鐵路總公司希望利用公網LTE 技術，通過技術研究和現場試驗，形成一套滿足鐵路未來業務應用需要的LTE-R 通信標準，希望LTE-R 網絡既能繼承現有GSM-R 的業務應用，又能滿足未來鐵路業務移動寬帶化的需求[2]。

GSM-R 的組呼業務是鐵路調度通信的關鍵功能，LTE-R 網絡必須繼承該功能以實現網絡應用業務功能的平滑演進，如何在LTE-R 網絡實現組呼業務的無線承載，下面將對該問題進行討論和研究。

2 LTE-R組呼業務無線網絡總體架構

針對專網行業的應用場景，3GPP 組織在LTE R12 標準中對組呼通信業務的無線承載進行了深入的研究，并提出了GCSE 的解決方案，其總體架構如圖1 所示。LTE-R 借鑒該架構以實現相應的組呼業務功能。

圖1 LTE GCSE網絡組播業務無線網絡架構Fig.1 Wireless networking architectures of LTE GCSE network group call service

在GCSE 方案中，GCS-AS 組呼應用服務器用于支持語音點呼組呼、視頻點呼組呼、短數據等等應用層業務，實現對組用戶的管理和配置、點呼組呼等呼叫流程的控制等功能[3]。對于組呼業務，GCS-AS 的組播數據流通過LTE 網絡到達用戶終端，其無線承載路徑有兩種可能。

1）如果用戶終端UE 接收LTE 網絡無線空口的組播信號質量良好，組呼應用服務器GCS-AS 將通過MB2 接口將組播數據流下發到組播業務中心BM-SC，BM-SC 再將組呼數據轉發給多播業務網關MBMS-GW，MBMS-GW 根據MME 的相關信令，通過IP 組播的方式將媒體數據下發到相應的基站eNodeB，終端用戶UE 通過空口的多播信道接收組播媒體流。

2）在終端用戶UE 無法正常接收到LTE 網絡多播信號的情況下，為了實現組呼業務的連續性，組呼應用服務器GCS-AS 將通過LTE 網絡和通話組內不具備多播通道的終端用戶各自建立一個單播路徑，即通過SGi 接口，將組呼數據流通過S/P-GW 送到基站eNodeB，然后在空口通過普通的無線承載通道將業務數據流下發到相應的用戶終端[3]。

3 LTE-R組呼業務空口承載實現方案

在GCSE 網絡架構下實現組呼業務功能，難點在于如何在空口實現組呼業務的承載。由于無線通信的空口頻率資源非常緊張，如果在空口通過多播轉單播的方式實現組呼業務承載，這就要求給相應組呼小區下參與組呼的用戶終端各自分配一個無線承載通道，并且基站需要復制相應的組呼數據給每個終端用戶以實現組呼通信功能，因此如果組呼用戶很多，這將極大的消耗無線空口資源，同時基站處理組呼業務時的能力也隨著組呼數量和組內用戶數量的增加而快速下降[4]。因此，針對該問題，為了減少組呼業務對空口資源的占用，在空口實現點對多點的通信業務，3GPP 標準組織進行了長期深入研究，提出了基于LTE 的eMBMS 解決方案[5]。

在eMBMS 方案中，空口協議棧增加了專門的信道用于傳輸多播信令與業務，具體如圖2 所示[6]。在MAC 層，增加了多播控制信道MCCH 和多播業務信道MTCH 兩個邏輯信道，分別用于傳輸多播信令與多播業務；MAC 層的MCCH 與MTCH都映射到多播傳輸信道MCH 上，實現對多個多播業務的調度傳輸；物理層的PMCH 實現最終多播業務無線承載，將多播業務從空口發射出去。另外，MAC 層的BCCH（SIB13）用來廣播MCCH 的配置信息[7]。

當一個組呼會話建立時，都會產生一個帶有臨時移動組呼標記TMGI 的會話，臨時移動組呼標記TMGI 和基站的MTCH 信道具有對應關系。該會話由多播組播業務中心BM-SC 建立，網絡的MBMS-GW、MCE 等多播網元實體處理完相關業務流程后，將組呼業務的數據傳送給相應組呼區域的基站群。在空口，為了讓組內終端接收到組播業務數據，基站需要提前把多播業務對應的MCH 資源告知組內終端，以實現空口的點到多點傳輸，其大致流程如下。

圖2 LTE eMBMS空口信道Fig.2 LTE eMBMS Air interface channel

1） 基 站 通 過BCCH 的SIB13 廣 播 所 有MBSFN Area 的MCCH 配 置， 包 括MCCH 的 位置以及MCCH 的調制方式，組內所有的用戶終端收到BCCH 的SIB13 消息后，通過解析可以得到相應的MCCH 發送時頻位置。

2）MCCH 的MBSFN Area Configuration消息包含MCH 相關配置信息，包括用于指示每個MCH 的位置、調制編碼方式、每個MCH 調度復用的MTCH 信息等，組內終端在收到MCCH 相關消息后，通過解析就知道該組呼會話對應的MTCH所在的時頻資源，組內所有終端都可以在該無線時頻資源上接收到相應組播業務數據。這樣，一個組呼會話就可以在空口正常進行通信了[8]。

4 總結

LTE-R 組呼業務的無線承載方案借鑒LTE GCSE 網絡總體架構，通過利用無線空口的多播組播信道，對于單個組呼業務，基站只需要用一個無線資源就可將組呼數據傳輸給多個終端用戶，實現點到多點的業務傳輸，相較于空口的組播轉單播方案，可有效減少組呼業務對空口無線資源的占用。