集群在LTE网络上的实现

【摘 要】通过对目前集群系统的局限性分析，结合宽带化的发展，提出了在LTE网络上实现集群调度的想法，并从网络架构、时延、业务和移动性管理方面进行研究，成功实现集群系统在实验室和试验局进行测试，证实了集群在LTE网络上实现的可能性。

【关键词】LTE eNodeB 集群

中图分类号：TN929.52 文献标识码：B 文章编号：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

集群通信是指挥调度的最有效工具，目前国际上也在积极开展宽带多媒体数字集群的研究工作，如欧洲的TETRA系统和美国的P25（Project 25）系统。但是，由于现有窄带数字集群系统自身体制的限制，向宽带化演进存在较多的困难，相关标准也尚未制定，这为我国在该领域摆脱第二代系统面临的落后和受制于人的局面提供了很好的机遇。

LTE是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，支持可变带宽，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz；在20MHz带宽下，下行峰值传输速率为100Mbps，上行峰值传输速率为50Mbps。LTE作为4G无线通信已经得到全球范围绝大部分运营商的认可和应用，国内的运营商也已经建设全国的LTE无线网络。

在同时需要高速无线宽带和集群功能的情况下，将面临着同时建设无线集群网和无线LTE宽带网的尴尬。而在付出巨大网络建设费用和维护费用的同时，在使用上也将分离使用，造成效率低下并增加管理的难度。

本文的目的就是在LTE无线通信系统上实现4G无线集群调度功能，将集群网和LTE宽带网络合二为一，实现巨大的社会效益和经济效益。

2 LTE作为集群架构的性能

对于集群系统，最重要的是可靠和及时，以便应对紧急情况的发生。在可靠性方面，LTE系统依据3GPP的标准协议进行开发和生产，具有电信级的可靠性；对于集群呼叫的时延方面，LTE的控制面的时延仅有100ms，而用户面的时延更是达到了5ms，是集群通信的理想载体。

LTE系统的时延加上集群的控制信令，使得在LTE集群网中呼叫建立时间将小于350ms、话权抢占时间小于250ms。由于目前集群系统的时延要求一般为不大于500ms，因此LTE在时延和可靠性要求方面能够满足集群的需求。

3 LTE集群的架构

3.1 传统集群的不足

传统集群都是以语音为主的集群调度，按照发展的历程可以分为一代集群、二代集群、三代集群和四代集群。一代集群是模拟的集群，语音不够清晰以及保密性不好是一代集群的缺点；二代数字集群克服了一代集群的缺点，能够传送少量短数据，但无法满足对大数据以及图像方面的传输需求；三代集群主要是数据带宽增加，可以达到3Mbps的速率，但在延迟和视频传输方面略有不足；而如果能够在LTE上实现集群业务，高达100Mbps的速率将根本性解决高清视频传送和可视化对讲的需求。

3.2 集群业务架构

LTE集群业务架构示意图如图1所示。

集群核心网是LTE集群的核心，提供集群用户群组和群组成员的注册、集群用户群组成员的本地信息及业务权限鉴别，执行统计和计费功能。

集群核心网可以执行集群用户的呼叫处理，鉴别集群用户的权限、判断集群用户的请求建立集群用户的呼叫，接收上行链路来的集群用户的语音包并分发到下行链路中去。

调度台可以通过客户端登录到集群核心网服务器执行调度管理工作。

对于空口，集群服务器负责动态管理群组；集群核心网与eNodeB之间的链路分成T1-C和T1-U接口，分别对应集群控制面接口和集群用户面接口。

3.3 LTE集群时延

在LTE集群架构中，通过集群核心网直接连接基站设备，减少了中间设备的转发环节；由于取消了中间设备RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器），LTE无线网络架构更加扁平化，减小了系统时延，从而满足集群的实时性需求，也降低了建网成本和维护成本。endprint

由于LTE网络拥有更低的时延和更高的速率，非常适合集群通信和高清视频传输，因此将两者合二为一，就可以实现可视化对讲的全新集群业务。

根据LTE集群的实验测试，LTE集群的呼叫建立时间小于350ms，话权抢占时间小于250ms，优于二代集群的性能，并可以提供实时的可视化对讲业务。

由此可以看出，LTE网络的时延可以满足专业集群呼叫的要求，具有高清视频传输的优势，是非常有竞争力的新一代集群系统。

3.4 LTE集群业务

在LTE集群中，采用了共享信道的方式，而不是语音通话的专用信道方式，这样可以在实现集群组呼的同时节省大量的无线资源。

通过共享信道的方式，在20MHz无线频谱的带宽下，1个小区可以实现最大200路的语音组呼或者7路的4MHz高清视频的可视化组呼。

其主要功能如下：

（1）支持集群内语音单呼和可视单呼：集群内单呼是指UE按PPT发起的单呼，一对一呼叫，其他用户不能听到。

（2）支持集群内语音组呼/可视组呼：组呼/可视组呼可以由组内用户终端发起。

（3）支持集群内广播语音呼叫/可视广播呼叫：单工呼叫，只有发起者可以说话，其他人只能听不能说。

（4）支持紧急呼叫：紧急呼叫场景下，发起终端在可配置的时间内话权不可抢占，系统优先保障紧急呼叫的资源。

（5）支持目前其余所有二代集群支持的业务功能。

3.5 LTE集群组呼用户移动性管理

以举例来说明移动性管理，假设集群群组A呼叫建立后，集群用户UE A已经呼叫集群用户UE B，用户UE A由eNodeB A（基站A）下小区覆盖移动到eNodeB B下小区覆盖。eNodeB A为UE A切换前所在基站，eNodeB B为UE A（集群终端A）切换后所在基站；PDS为集群核心网。

LTE集群组呼用户移动性管理流程如图2所示。

移动性管理步骤说明如下：

（1）UE A为群组A中的用户，根据测量配置，通过上行的专用控制信道向eNodeB A上报测量配置。

（2）eNodeB A进行切换判决。

（3）eNodeB A向控制面PDS发送切换请求消息，请求PDS进行话权用户的上行承载切换。

（4）控制面PDS向目标eNodeB B发送切换请求消息，消息中携带有话权用户的承载信息以及话权指示信息。

（5）eNodeB B收到控制面PDS的切换请求消息后，根据请求消息中的群组ID信息和承载信息，为话权用户分配上行T-RAB承载资源（DTCH、DCCH）。

（6）eNodeB B向控制面PDS发送切换确认消息。

（7）控制面PDS向源侧eNodeB A发送切换命令Handover Command，告知eNodeB A目标eNodeB B完成了切换资源准备。

（8）eNodeB A收到切换命令Handover Command后，通过DCCH向终端发送RRC重配消息，通知终端把DTCH和DCCH切换到目标eNodeB B。

（9）eNodeB A构造包含SN信息的Status Transfer消息发送给控制面PDS，并等待控制面PDS的释放命令T-RAB Release Command。

（10）终端收到RRC重配消息后，向目标小区切换。

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

（12）终端成功切换到目标小区，并向目标小区发送RRC重配完成消息。

（13）eNodeB B收到终端的重配完成消息后，通过下行DCCH向终端发送PTTGroupCallConfig消息，消息中携带TTCH/TCCH资源信息，告知终端完成下行广播承载切换。

（14）eNodeB B收到终端的重配完成消息后，向控制面PDS发送Handover Notify消息，通知PDS终端已成功切换到目标小区。

（15）控制面PDS向eNodeB A发送T-RAB Release Command消息，通知源小区释放话权用户的上行承载T-RAB相关资源。

（16）eNodeB A对话权用户的上行承载T-RAB相关资源（DTCH、DCCH）进行释放。

（17）eNodeB A向控制面PDS发送T-RAB Release Response消息，通知PDS源小区已经释放话权用户的T-RAB相关资源。

4 系统调试和应用

4.1 实验室的调试应用

通过前面的研究并将设备研发出来后，开始进行实验室的验证，如图3所示。

通过在实验室搭建系统网络，主要设备有1套LTE集群核心网、2个LTE基站eNodeB和3部集群终端。集群核心网和LTE基站eNodeB之间通过千兆以太网接口互联；4G集群终端和eNodeB之间通过无线空口连接，同时需要制作GPS馈线的接头，将馈线电缆的一端与GPS天线连接，另一端则连接到eNodeB基站上，将GPS天馈放在向上45°范围内无遮挡的地方进行安装。

设备正常运行后，将放号后的3个4G集群终端进行测试。

首先进行可视化单呼，呼叫非常快捷，可以实现可视化的呼叫，声音宏亮、视频清晰，约300ms就完成了起呼和接通；优于语音集群的呼叫时延，达到预期目标。

接着进行3个终端的可视化组呼，约300ms就完成了起呼和接通，话权抢占约200ms；可以实现可视化的呼叫，声音宏亮、视频流畅。

继续进行2个eNodeB之间的移动性切换测试，组呼建立后，其中1个终端从一个基站移到另一个基站，发生切换，在切换过程中语音没有丢字的情况发生，视频流畅，没有卡顿或马赛克的情况出现，在2个终端同时从一个基站移动到另一个基站时，语音、视频以及其余业务测试也完全正常。endprint

以上测试说明在实验室环境下系统运行正常，达到了设计要求，也满足了集群通信的要求，下一步将在试验局进行轻载测试。

4.2 LTE集群的应用情况

目前，国内市场上在北京、郑州、绥化等地开通了试验局。在试验局测试中，按照在实验室测试的流程再进行了多次测试，集群业务呼叫正常，声音清晰、视频流畅，起叫时延小于300ms，话权抢占约200ms，略优于目前传统的二代集群的接续时延。

试验局现已运行了3个月以上，没有出现性能变化或故障的情况，这说明LTE集群系统在试验局中的应用是成功的，目前该系统运行稳定。

5 结论

从实验室、试验局的LTE集群系统运行效果来看，集群终端能够实现可视化的单呼、组呼和紧急呼叫等业务，集群终端在基站之间移动可以实现平稳切换，整个系统可以实现从后台对核心网和基站的实时监控，满足了可视化调度的要求，达到了LTE集群的目标，并证明了集群在LTE网络上实现的可行性，从而在4G宽带集群上，我国在该领域成为宽带化集群的领跑者。

从发展的角度来看，LTE集群还有一些地方需要完善和改进。由于时间关系，对于接收我国自己的GLONASS卫星系统，目前还没有在商用局进行调试。

如果可能，后续LTE集群还需要和语音集群进行兼容，以便可以保护业主在模拟和数字语音集群方面的投资，也为LTE集群带来更广阔的应用空间。

参考文献：

[1] 易睿得. LTE系统原理及应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[2] 赵训威，林辉，张明，等. 3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

[3] 李正茂，王晓云. TD-LTE技术与标准[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[4] 郑祖辉. 数字集群移动通信系统[M]. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[5] 徐小涛. 数字集群移动通信系统原理与应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[6] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

池海祥：硕士毕业于北京交通大学通信和信息专业，现任中兴通讯股份有限公司三级主任高工，主要研究方向为LTE网络和集群通信。endprint

以上测试说明在实验室环境下系统运行正常，达到了设计要求，也满足了集群通信的要求，下一步将在试验局进行轻载测试。

4.2 LTE集群的应用情况

目前，国内市场上在北京、郑州、绥化等地开通了试验局。在试验局测试中，按照在实验室测试的流程再进行了多次测试，集群业务呼叫正常，声音清晰、视频流畅，起叫时延小于300ms，话权抢占约200ms，略优于目前传统的二代集群的接续时延。

试验局现已运行了3个月以上，没有出现性能变化或故障的情况，这说明LTE集群系统在试验局中的应用是成功的，目前该系统运行稳定。

5 结论

从实验室、试验局的LTE集群系统运行效果来看，集群终端能够实现可视化的单呼、组呼和紧急呼叫等业务，集群终端在基站之间移动可以实现平稳切换，整个系统可以实现从后台对核心网和基站的实时监控，满足了可视化调度的要求，达到了LTE集群的目标，并证明了集群在LTE网络上实现的可行性，从而在4G宽带集群上，我国在该领域成为宽带化集群的领跑者。

从发展的角度来看，LTE集群还有一些地方需要完善和改进。由于时间关系，对于接收我国自己的GLONASS卫星系统，目前还没有在商用局进行调试。

如果可能，后续LTE集群还需要和语音集群进行兼容，以便可以保护业主在模拟和数字语音集群方面的投资，也为LTE集群带来更广阔的应用空间。

参考文献：

[1] 易睿得. LTE系统原理及应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[2] 赵训威，林辉，张明，等. 3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

[3] 李正茂，王晓云. TD-LTE技术与标准[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[4] 郑祖辉. 数字集群移动通信系统[M]. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[5] 徐小涛. 数字集群移动通信系统原理与应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[6] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

池海祥：硕士毕业于北京交通大学通信和信息专业，现任中兴通讯股份有限公司三级主任高工，主要研究方向为LTE网络和集群通信。endprint

以上测试说明在实验室环境下系统运行正常，达到了设计要求，也满足了集群通信的要求，下一步将在试验局进行轻载测试。

4.2 LTE集群的应用情况

目前，国内市场上在北京、郑州、绥化等地开通了试验局。在试验局测试中，按照在实验室测试的流程再进行了多次测试，集群业务呼叫正常，声音清晰、视频流畅，起叫时延小于300ms，话权抢占约200ms，略优于目前传统的二代集群的接续时延。

试验局现已运行了3个月以上，没有出现性能变化或故障的情况，这说明LTE集群系统在试验局中的应用是成功的，目前该系统运行稳定。

5 结论

从实验室、试验局的LTE集群系统运行效果来看，集群终端能够实现可视化的单呼、组呼和紧急呼叫等业务，集群终端在基站之间移动可以实现平稳切换，整个系统可以实现从后台对核心网和基站的实时监控，满足了可视化调度的要求，达到了LTE集群的目标，并证明了集群在LTE网络上实现的可行性，从而在4G宽带集群上，我国在该领域成为宽带化集群的领跑者。

从发展的角度来看，LTE集群还有一些地方需要完善和改进。由于时间关系，对于接收我国自己的GLONASS卫星系统，目前还没有在商用局进行调试。

如果可能，后续LTE集群还需要和语音集群进行兼容，以便可以保护业主在模拟和数字语音集群方面的投资，也为LTE集群带来更广阔的应用空间。

参考文献：

[1] 易睿得. LTE系统原理及应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[2] 赵训威，林辉，张明，等. 3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

[3] 李正茂，王晓云. TD-LTE技术与标准[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[4] 郑祖辉. 数字集群移动通信系统[M]. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[5] 徐小涛. 数字集群移动通信系统原理与应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[6] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

池海祥：硕士毕业于北京交通大学通信和信息专业，现任中兴通讯股份有限公司三级主任高工，主要研究方向为LTE网络和集群通信。endprint