TD-LTE宽带数字集群核心网设计

2015-01-23吴志斌周昌盛

移动通信 2015年13期

关键词：板卡核心网宽带

吴志斌，周昌盛

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东广州 510310）

TD-LTE宽带数字集群核心网设计

吴志斌，周昌盛

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东广州 510310）

简要介绍了由工信部中国通信标准化协会（CCSA）提出并牵头制订的宽带数字集群（B-TrunC）标准，提出了遵循此标准的基于TD-LTE技术的宽带数字集群核心网实现方案，并对系统的主要功能进行了描述。

TD-LTE宽带数字集群核心网 eMME xGW eHSS TCF TMF

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.13.013

1 引言

集群通信系统作为专用移动通信系统在许多行业应用中发挥着重要作用。随着国民经济的快速发展，以话音为主的传统窄带集群系统难以满足对宽带数据和视频应用融合的调度要求。而随着3G、4G技术的商用，出现了基于POC（PPT Over Cellular，无线一键通）方式的公网宽带集群应用，这种方式虽然能满足一般的宽带集群应用，但无法满足实时性要求高、QoS有保障的行业、政务、应急指挥等应用。基于上述原因，由工信部中国通信标准化协会（CCSA）提出并牵头制订了宽带数字集群（B-TrunC）标准，而本文依据该标准提出了一种基于TD-LTE技术的宽带数字集群核心网的实现方案。

2 CCSA B-TrunC标准简介

2.1 标准体系

CCSA B-TrunC标准由工信部中国通信标准化协会提出并牵头制订，2012年11月开始制订基于TD-LTE的B-TrunC 标准，至2014年底完成了第一阶段标准的制订，包含如下标准：《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统总体技术要求（第一阶段）》；《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口技术要求（第一阶段）空中接口》；《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口技术要求（第一阶段）终端到集群核心网接口》；《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口技术要求（第一阶段）集群核心网到调度台接口》；《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口测试方法（第一阶段）空中接口》；《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口测试方法（第一阶段）终端到集群核心网接口》；《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口测试方法（第一阶段）集群核心网到调度台接口》。

2.2 系统架构

基于TD-LTE技术的专网宽带集群系统由终端、基站、集群核心网和调度台组成，如图1所示：

图1 TD-LTE专网宽带集群系统架构

2.3 集群核心网

CCSA B-TrunC 标准第一阶段未对核心网系统组成和接口进行标准化，只是定义了核心网逻辑组成，同时给出了几种典型的分解模型。

（1）集群核心网组成

按照CCSA B-TrunC标准的定义，集群核心网由eMME、xGW、eHSS、TCF、TMF这5个逻辑实体组成，这些逻辑实体根据实际部署可合设形成实际网元设备。

增强型移动性管理实体）：是在3GPP标准定义的MME基础上增强集群功能，包括集群NAS信令及其安全、xGW选择、集群承载管理、集群业务的移动性管理、接入控制和会话管理。

eHSS（Evolved Home Subscriber Server，增强型归属签约用户服务器）：是在3GPP标准定义的HSS基础上增强集群用户信息管理功能，包括集群用户签约信息、集群用户业务签约信息、集群组签约信息、集群用户安全信息、集群用户位置信息、集群用户状态和业务状态信息。

xGW（x Gateway，合设网关）：是在3GPP标准定义的合设网关SAE-GW基础上增强集群功能，包括集群承载建立、修改和删除、集群数据路由和转发、集群业务计费信息收集。

TCF（Trunking Control Function，集群控制功能）：负责集群业务的调度管理，主要功能有支持包括语音、视频、数据在内的多媒体集群业务调度、集群业务的鉴权和授权、注册和注销、集群呼叫的建立和释放、话权管理、集群组信息订阅及更新。

TMF（Trunking Media Function，集群媒体功能）：负责集群业务的数据传输，主要功能包括集群用户面管理、集群业务数据的路由和转发、集群业务数据的复制和分发、集群业务媒体编解码转换。

（2）集群核心网分解

CCSA B-TrunC标准给出了集群核心网的参考分解模型，有以下4种。

1）集群核心网分解1如图2所示，TMSE（Trunking Mobility Session Entity，集群移动性会话实体）：

图2 集群核心网分解1

2）集群核心网分解2如图3所示，SCC（Switch and Control Center，交换控制中心）。

3）集群核心网分解3如图4所示，TMME（Trunking Mobility Management Entity，集群移动管理单元），TGW（Trunking Gate way，集群网关）。

图4 集群核心网分解3

4）集群核心网分解4如图5所示，TCMFE（Trunking Control and Media Function Entity，集群控制和媒体功能实体）：

图5 集群核心网分解4

在具体应用中可选择其中一种分解模式进行设备研制和部署。

3 集群核心网实现

3.1 集群核心网主要功能和性能

（1）集群核心网主要功能要求

LTE宽带集群系统要求能够最大化地满足不同行业、不同组网场景的基本业务需求以及性能要求，应支持TD-LTE基本功能和集群业务功能。

1）TD-LTE基本功能

集群核心网支持TD-LTE基本功能，包括标识管理、节点选择、移动性管理、会话管理、用户数据管理、网络接入控制、分组数据路由和传送、无线资源管理、APN限制、IP地址管理、QoS控制、安全管理等功能。

2）集群业务需求

集群核心网支持的集群业务包括集群语音、集群多媒体、集群数据和集群补充业务，各业务详细要求如表1—表4所示：

表1 集群语音业务

表2 集群多媒体业务

表3 集群数据业务

表4 集群补充业务

（2）系统性能指标要求

系统性能指标要求如表5所示：

表5 系统性能指标要求

3.2 集群核心网硬件架构

集群核心网硬件上采用13U ATCA架构，具备电信级高可靠性，采用模块化设计，易于扩展，适用于大中规模网络，一共有4种类型的ATCA板卡：

（1）交换板

系统基本配置、固定槽位配置；主要用于ATCA机箱板间交换；配置为1:1主备工作模式；单板交换容量为224Gbps。

（2）路由处理板

运行业务路由服务；配置2个Cavium多核处理器；配置2个高容量交换芯片；提供所有的基于IP的对外接口，负责外部网络的连接，同时负责将外部信令和数据分发到指定板卡处理；最小配置时为可选，其它配置下必选；配置为1+1负荷分担工作模式。

（3）主控板

图6 分解2典型部署

系统基本配置；负责对机框设备的硬件和软件进行统一管理，包括板卡的角色管理；提供统一的设备OAM管理和北向接口；提供统一的存储服务；配置为1:1主备工作模式；提供数据库功能；提供eHSS FE（Front End，前端）功能。

（4）通用处理板

可根据需要灵活部署逻辑网元/软件模块，板卡角色和模块部署由主控卡负责管理；控制面处理板卡一般采用1:1主备工作模式，用户面处理板卡一般采用N+1冗余工作模式；可随意板卡新增、移除或更换，通用处理板卡不需要预先安装指定网元/模块的软件，板卡上电会根据主控板上配置的槽位角色自动加载软件，方便备品备件和故障维护。

（5）硬件配置

集群核心网部署可根据实际情况灵活配置，按照分解2进行网元动态部署的典型配置如图6所示，主控板、eMME采用1:1主备工作模式，SCC采用N-sharing负荷分担工作模式，xGW采用N+1冗余工作模式。

按照分解3进行控制面、用户面分离部署的典型配置如图7所示，控制面采用1:1主备工作模式，用户面采用N+1冗余工作模式。

3.3 集群核心网软件架构

图7 分解3典型部署

集群核心网软件体系构架采用统一通用软件平台。统一通用软件平台是基于电信级Linux（CGL）操作系统开发，为eMME、xGW、eHSS、TCF、TMF等应用软件提供各种通用的基础平台服务，包括Base服务、操作管理维护（OAM）服务、高可用性（HA）中间件、各种基础网络应用服务（如FTP、DHCP、NFS等）、各种设计框架（应用进程框架、内存块管理框架、通用编解码框架等），此外还提供强大的工具集以方便调试定位问题。

统一通用软件平台系统架构如图8所示：

图8 统一通用软件平台系统架构

（1）eMME应用子系统软件设计

eMME是移动管理实体，负责移动性和承载管理。eMME是在LTE标准MME基础上进行集群功能的增强。按照功能需求，eMME系统软件分为9个软件单元：GTP-C协议处理单元、S1AP协议处理单元、Diameter协议处理单元、SIP协议处理单元、用户控制单元、接入控制单元、NAS协议单元、移动性管理单元和会话管理单元，各单元之间的关系如图9所示：

图9 eMME软件单元关系图

（2）xGW应用子系统软件设计

xGW是合设网关实体，主要负责承载管理和数据路由与转发。xGW是在LTE标准SAE-GW基础上进行集群功能的增强。按照功能需求，xGW系统软件分为9个软件单元：会话管理单元、隧道管理单元、IP地址分配单元、策略控制单元、路由转发单元、GTP-C协议处理单元、GTP-U协议处理单元、SGi接口单元和RTP协议处理单元，各单元之间的关系如图10所示。

（3）eHSS应用子系统软件设计

eHSS是签约数据管理中心和鉴权中心。eHSS是基于LTE标准HSS软件改进而来。按照功能需求，eHSS软件分为5个软件单元：数据库操作单元、Diameter协议处理单元、用户/业务数据处理单元、鉴权单元、位置管理单元，各单元之间的关系如图11所示。

图10 xGW软件单元关系图

图11 HSS系统内部单元关系图

（4）TCF应用子系统软件设计

TCF负责集群业务的调度管理。TCF软件是在IMS软件架构上改进而来，方便异系统互联互通。按功能软件，TCF软件分为4个软件单元：呼叫会话控制单元、集群业务控制单元、调度单元、签约定位功能单元，各单元之间的关系如图12所示。

（5）TMF应用子系统软件设计

TMF负责集群业务的数据传输。TMF软件分为5个软件单元：SIP协议处理单元、媒体路由转发单元、媒体转换单元、媒体多点接入单元、组呼控制单元，各单元之间的关系如图13所示。

图13 TMF软件部件单元组成

4 结束语

本文给出了TD-LTE宽带数字集群核心网的一种中大规模组网的设计方案，该方案具备电信级高可靠性和高可用性，单板故障时保障业务连续性。软件采用模块化设计，可根据需要动态灵活部署，支持网元独立部署，控制面用户面分离部署，甚至基于多核的单板混合部署。业务板卡支持服务可配置，业务板卡上电时根据配置自动加载服务，无须安装，提升系统可维护性。该方案可以根据不同的应用场景进行部署与优化，满足大规模组网、车载机动组网、便携式或者升空等应用，可极大地提升能源、交通、市政管理、抢险救灾等行业指挥调度的能力。

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

[2] YD/T 2013-0931T. 基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统总体技术要求（第一阶段）[S]. 2013.

[3] YD/T 2014-1130T. 基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口技术要求（第一阶段）集群核心网到调度台接口[S]. 2014.

[4] YD/T 2014-1131T. 基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统接口技术要求（第一阶段）终端到集群核心网接口[S]. 2014.

[5] TDIA/TN-001.1 2013. TD-LTE宽带数字集群通信系统行业应用技术规范[S]. 2013.

[6] SJ/T11228-2000. 数字集群移动通信系统体制[S]. 2000.

[7] 郑祖辉,陆锦华,丁锐,等. 数字集群移动通信系统[M]. 3版. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[8] 3GPP TS 23.401. General Packet Radio Service (GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access[S]. 2010.

[9] 3GPP TS 36.413. Evolved Universal Terrestrial Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)[S]. 2010.

[10] IETF RFC 3261. 会话初始化协议[S]. 2002.

[11] IETF RFC 3966. 电话号码的Tel URI标识[S]. 2004.

[12] IETF RFC 3320. 信令压缩[S]. 2003.

Design of TD-LTE Broadband Digital Trunk Core Network

WU Zhi-bin, ZHOU Chang-sheng

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

The standard of broadband digital trunk (B-TrunC) proposed and formulated by China Communications Standards Association (CCSA) of Ministry of Industry and Information Technology (MIIT) was briefly introduced. The implementation scheme of broadband digital trunk core network based on TD-LTE technology was put forward and its main functions were described.

TD-LTE broadband digital trunk core network evolved Mobility Management Entity x Gateway evolved Home Subscriber Server Trunking Control Function Trunking Media Function

TN929.52

1006-1010(2015)13-0062-07

吴志斌,周昌盛. TD-LTE宽带数字集群核心网设计[J]. 移动通信, 2015,39(13): 62-68.

2015-03-31

刘文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

吴志斌：高级专家，毕业于西安电子科技大学，现任中国电子科技集团公司第七研究所副总工程师，主要从事移动通信系统总体及网络交换技术研究。