基于LTE的宽带集群系统演进路线及关键技术研究

陈 园

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 引言

集群通信系统，是指由多个用户共用一组无线信道并动态地使用这些信道的移动通信系统。集群通信系统主要用于调度通信，它包括模拟集群通信系统和数字集群通信系统。从20世纪60年代到现在，集群通信从模拟系统发展到数字系统，并在公共事业、应急通信、交通、物流等多个行业得到了广泛应用。

虽然市场需求依然迫切，但当前从国内和国际集群通信系统的发展来看，集群通信系统的发展远远落后于公共蜂窝宽带接入网的发展。其原因既有产业链较为薄弱，也包括数据传输能力和多媒体支持能力弱的因素，同时政府对于频率资源的管制趋严也间接限制了集群通信系统的发展。

随着蜂窝宽带接入技术的飞速发展，LTE已经能够提供下行为100 Mbit/s、上行为50 Mbit/s的峰值速率，借助LTE技术，集群通信将迎来宽带化的的最好契机。在此背景下，本文首先对宽带集群系统演进的技术路线进行了分析，指出了集群通信系统与LTE融合将是发展趋势，随后对LTE网络下宽带集群通信系统涉及的一系列关键技术进行了研究和分析。

2 宽带集群通信系统技术演进路线探讨

2.1 集群系统发展历程

图1给出了集群通信系统的发展历程以及各阶段集群通信系统的典型特征。

当前集群系统正经历由窄带数字集群系统向宽带集群系统的演进，宽带集群通信系统应可支持“话音+视频”的单呼、组呼等调度方式[1]，并具备较强的数据传输能力，能够实现文件共享、网络浏览、图像回传、视频会议、视频监控等功能。同时系统性能应得到提升：支持大话务量能力，呼叫建立时间降低。

2.2 宽带集群系统技术演进路径

从蜂窝宽带接入技术及集群通信系统的发展历程来看，集群系统由窄带系统向宽带系统演进共有3种路径。

·路径1：蜂窝宽带接入网络上叠加集群应用，即集群通信系统借助蜂窝宽带接入网络的网络能力，实现集群系统的宽带化，在2G/3G时代，典型的例子就是 QChat。

·路径2：通过对蜂窝宽带接入网络增强实现集群功能，即对蜂窝宽带接入网络根据集群通信的业务特征进行改造升级支持集群业务，在2G/3G时代，典型的例子是GOTA。

·路径3：集群系统自身的升级换代，即对原有的集群通信系统进行升级，支持宽带业务。目前业界在集群系统增强方面也有一些案例，如Tetra2系统，但由于集群系统产业链较弱，相关标准发展相对滞后。

2.3 宽带集群系统技术演进路径比较

表1从组网方式、数据传输能力、建网模式、产业链支持程度、组网成本的角度出发，对3种演进方式做了比较。

表1 3种演进路径对比

通过表1的分析，结合集群通信发展的现状发现，路径3在产业链的支持方面较弱，同时数据传输能力方面尚不能满足宽带集群系统的要求；路径2在产业链支持力度上较弱，对网络标准改动大，不同设备厂商间互通难度非常大；而路径1将蜂窝宽带接入网络与集群通信相融合，可借助蜂窝宽带接入网络的高数据传输能力，对网络标准改动小，能够获得较强的产业链支持。另外由于依托于蜂窝宽带接入网络，既可采用专网的组网方式，向对专业性要求较高的客户提供服务；也可采用公网的组网方式，向公众及对专业性要求一般的客户提供基础集群服务。随着LTE技术的逐步商用，可以预见，路径1——将LTE网络与集群通信相叠加，是宽带集群系统演进的趋势。以下将对采用叠加方式的基于LTE的宽带集群系统涉及的关键技术进行分析和探讨。

3 采用叠加方式的LTE宽带集群系统关键技术及应用建议

对于路径1，目前业界较为常见的方式是将基于VoIP的类PoC应用叠加在蜂窝宽带接入网分组域上，这种方式的优势是组网成本低，同时易于与其他基于分组域的视频、数据类业务进行融合。以中国电信QChat制式为例，当前QChat制式是叠加在Ev-Do Rev.A网络上的VoIP应用，通过一系列的网络优化措施，系统性能能够满足集群通信系统的要求。以下将说明在LTE网络下，该方式涉及的关键技术及其应用建议。

3.1 LTE宽带集群系统呼叫时延分析及优化建议

3.1.1 呼叫时延构成

在LTE网络中，集群呼叫时延主要由以下部分构成。

·TItoC：终端从 idle转为 connected的时延（包括主被叫）。

·Tb：空口建立时延（包括主被叫）。

·Tp：平均寻呼时延。这部分时延主要取决于DRX寻呼周期，寻呼周期越小，被叫的寻呼时延越小。

·终端的处理时延：包括主被叫（定义为Tu）以及SIP信令的传输及处理时延（定义为Ts）。

3.1.2 呼叫时延优化建议及估算

LTE网络中集群呼叫时延优化建议如下。

·TItoC、Tb由LTE技术体制决定，以FDD为例，TItoC约为35 ms[2],与2G/3G网络相比，LTE网络中TItoC已经大大缩短；Tb约为60 ms[2]。这两部分由LTE技术体制决定。考虑到投入/产出比，不建议进一步采取优化措施。

·Tp优化的主要措施是在保证终端续航能力的前提下，设置合理的寻呼周期。为获得最小寻呼时延，同时考虑到终端的续航能力问题，可将集群终端寻呼周期设置为320 ms,Tp=160 ms。

·Ts、Tu这两部分时延受终端性能、网络性能影响较大，因此这两部分时延需要通过提升网络传输质量以及终端性能实现。一般来说，根据经验值Ts=200 ms,Tu=100 ms。

因此可得到总体时延=TItoC×2+Tb×2+Tp+Tu×2+Ts=750 ms。能够基本满足专业集群客户的要求，同时如果运营商提高网络质量，强化终端性能，时延还将进一步缩小。

3.2 LTE宽带集群系统容量分析及容量提升方案建议

3.2.1 系统容量

LTE中集群通信系统容量可参考VoIP业务，表2给出FDD-LTE系统VoIP业务的容量[2]。

表2 FDD-LTE系统VoIP业务容量

可以看出，虽然LTE相对于3G网络在系统容量上有了较大提升（以QChat为例，单载扇承载约40个用户），但对于小范围区域内集中了大量用户的情形（如重大赛事调度任务），容量仍显不足。

3.2.2 系统容量提升方案

集群业务的特征是半双工，对于群组呼叫而言，同一时间只有一部终端有上行数据，其他所有终端均为下行数据，因此多播技术特别适用于解决小范围区域内集中了大量用户的容量问题，图2给出了基于EMBMS和LTE的宽带集群通信系统架构[3]。

在大群组组呼的情况下，对于上行数据（讲话，获取话权）采用单播，对于下行数据采用多播技术。基于EMBMS和LTE的宽带集群通信系统可重用EPC网元，同时需对相应网元在标准EMBMS的基础上，针对集群业务做一定增强，主要要求如下。

·PDN GW：能够根据业务类型区分是多播业务还是单播业务，以决定数据流向（SGW或BM-SC）。

·BM-SC：需要为每个多播群组配置多播的区域，即多播涉及的eNode B，该区域可以静态配置，也可以根据终端附着的情况动态生成。在实际应用中，由于动态多播会造成无线资源的浪费，从投入/产出比的角度考虑，建议使用静态配置。

·MME：需要获得终端的签约信息以及终端所属的集群业务群组信息。这些信息可以通过HSS增强获得，也可以向集群应用获得。

表3 基于LTE的集群通信系统QCI建议

·eNode B：支持MBSFN传输，可以通过优化MBMS控制信道的修改周期和重复周期改进集群通信系统性能。

基于集群通信业务的特性，通过引入多播技术，能够大大提升系统容量 （理论上无穷大）。但在实际部署过程中，为避免网络资源的浪费，建议可针对特殊场景的需求（如大型集会的通信保障）单独配置固定多播区域和群组。

3.3 QoS保障机制在LTE宽带集群系统中的应用建议

3.3.1 QoS参数选择建议

EPC系统中，不同的QoS等级需要不同类型的承载来提供。其中QCI是最重要的QoS参数。QCI是一个QoS级别的标号，它同时应用于GBR和Non-GBR承载，用于指定访问节点内定义的控制承载级分组转发方式 (如调度权重、接纳门限、队列管理门限、链路层协议配置等)，这些都由运营商预先配置到接入网节点中[4]。在接口上使用QCI而不是传输一组QoS参数，主要是为了减少接口上的控制信令数据传输量，并且在多厂商互连环境和漫游环境中使得不同设备/系统间的互连互通更加容易。

对于基于LTE网络承载的集群业务，建议使用表3所示的 QCI。

3.3.2 网络侧发起的专用承载建立

在2G/3G网络中，业务的QoS资源申请往往由终端发起，存在QoS资源被盗用的风险。而在LTE网络中，结合PCC架构，可实现网络侧发起专用承载，如图3所示。使用该特性，便于运营商的QoS策略管控与调整以及减少客户端开发的难度。

4 结束语

集群通信系统在公共事业、物流、交通等领域有着广泛的应用，但由于产业链薄弱，政府频率管制等原因，造成了集群通信系统发展远远滞后于蜂窝宽带接入网络。当前集群系统正经历由窄带数字集群系统向宽带集群系统的演进，本文在对3种演进路径进行分析的基础上，指出与LTE网络叠加将是宽带集群通信系统的最佳演进路线，并给出了该演进路线涉及的关键技术以及应用建议，包括呼叫时延的分析和优化建议、系统容量分析及容量提升方案建议以及QoS保障机制在LTE宽带集群系统中的应用建议。随着LTE的逐步成熟和商用，集群通信系统也将借助LTE网络强大的数据传输能力实现向宽带化、IP化的演进，从而为用户提供更为快捷、可靠、丰富的集群通信业务。

1 CCSA SR 122-2012.基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统的研究,2012

2 3GPP TR 36.912.Feasibility Study for Further Advancements for E-UTRA(LTE-Advanced),2011

3 3GPP TS 36.440.General Aspects and Principles for Interfaces SupportingMultimediaBroadcastMulticastService(MBMS)Within E-UTRAN,2012

4 3GPP TS 23.203.Policy and Charging Control Architecture,2011