GoTa 4G宽带多媒体集群系统的研究

摘要：在LTE系统中引入了群组预建立和邻区群组信息广播机制，使得集群终端在小区之间切换/移动无需和基站之间的信令交互而成为一种无缝切换过程，避免了切换过程中的信令交互和延迟；提出一种基于随机过程的群组呼叫建立过程的方法，使得话权申请的过程不依赖于信令链接，有效地提高了系统的性能。

关键词：集群；LTE系统；随机过程；切换；开放式集群架构

Abstract： The group pre-establishment mechanism and neighbor group information broadcast mechanism have been added to LTE systems. In new LTE systems， handover of trunk terminals between cells does not require any signaling between base stations. Handover is seamless and without delay. In this paper， we propose group call establishment based on a random procedure. This ensures that the process of granting a call request is not based on signal connection. This solution improves system performance.

Key words： trunk； LTE； RACH； handover； GoTa

集群通信系统，按照实现的技术原理，可以分成两大类：（1）专业集群系统有北美数字集群标准P25、陆上集群无线电（TETRA）和数字无线电标准（DMR）等。在这些集群系统中，空口协议栈和非接入层根据集群应用的特点和要求，有针对性地进行了设计。（2）基于个人无线通信系统的集群系统有基于码分多址（CDMA）的开放式集群架构（GoTa）系统和基于LTE的GoTa系统。这些无线集群技术的发展经历了从模拟到数字，从窄带数字集群到多媒体数字集群的过程。无线集群系统发展历程如图1所示。

窄带数字集群系统在语音集群业务的基础上可以提供有限的数字业务，以TETRA系统为例，一个载频的TETRA系统，具备28.8 kb/s的数据业务的承载能力，但是不支持视频，并且对增值业务的支持能力比较弱。

中兴通讯在CDMA系统的基础上，提出了GoTa集群通信系统，GoTa系统除了能够提供传统的集群业务以外，还继承了CDMA系统的能力，如群发短信、高清视频、3.1～4.9 Mb/s的数据承载能力等。

GoTa 4G系统，是在LTE系统的基础上，引入GoTa集群核心网调度子系统（DSS）的多媒体宽带集群系统。由于LTE系统的控制面所面对的对象是单个终端，因此，所有的控制流程，如呼叫的建立、被叫过程和切换过程，首先需要保证用户和基站/核心网建立可保证安全的通信链路，然后再执行相应的操作，如切换、业务呼叫等。这就给GoTa 4G带来两个负面影响：

（1）信令风暴。集群应用是一发多收的通信模式，在任何时刻，只允许一个用户拥有话权，其他的群组用户只能接收话权用户的数据。当大量的用户从一个小区切换到另外一个小区的时候，或者话权用户释放话权，群组中所有的非话权用户申请抢占话权的时候，如果这些用户处于非链接态，就会造成空口控制面的信令风暴。

（2）呼叫/话权抢占延迟性能。对于处于下行链路空闲周期（IDLE）状态的终端，根据个人通信系统的协议规范，必须先和基站/核心网建立通信链路，然后建立业务承载，终端才具备发送业务数据能力。这样的处理流程很难满足呼叫和话权抢占的系统延迟需求[1-4]。

为解决这两个问题，本文提出了两个应对方案：群组预建立和广播机制，保证非话权用户的小区间的无缝切换；呼叫/话权抢占随机过程。

这两种解决方案有效地解决了GoTa 4G系统的性能问题，达到并且超过了现有集群系统的性能指标。

1 GoTa 4G系统简介

为达到数字集群系统的IP化、数据宽带化和业务多样化的演进目标，本文提出了基于LTE的GoTa系统演进系统（GoTa 4G）。系统充分地继承了GoTa的优点和功能，引入了LTE系统的宽带、扁平化系统和全IP特性，并且进一步提出了核心网分离的组网策略。系统架构如图2所示。

GoTa 4G系统整体网络架构为扁平化组网架构，由4部分组成：

·LTE无线接口E-UTRAN

·演进的分组核心网（EPC）

·集群核心网调度子系统（DSS）

·集群终端

公网核心网LTE EPC为普通的符合标准协议规范的LTE核心网设备。在组网构成上，LTE EPC与集群的核心网隔离。当需要为终端提供普通的LTE业务服务时，需要布置LTE EPC相关设备。这种组网方式，遵循公网共用，专网隔离的总体原则。DSS系统功能与GoTa系统保持一致。

DSS系统主要目标客户是提供集群系统或业务的运营商。DSS系统由：集群调度服务器（PDS）、群组归属寄存器（PHR）和调度服务器（DAS）等组成。运营商通过配置PDS和PHR设备为集群用户提供集群调度服务，并提供集群业务的电信级鉴权、授权和计费服务。同时，运营商可以通过选配DAS设备，为集团用户提供调度台服务，为集团用户建立集群调度的虚拟专网。运营商还可以通过选配GoTa应用服务器（GAS）为客户提供行业定制业务。

集群服务器（PDS）执行集群群组呼叫（PTT）呼叫处理，如鉴别PTT用户、建立PTT呼叫、判断PTT请求；接收上行链路来的PTT语音包，并分发到下行链路。对于空口，PDS负责动态管理群组临时无线身份标识（T-RNTI），保证在整网里，激活的群组的组标识（Group ID）与T-RNTI一一对应。PDS媒体面（M-PDS）和基站（eNB）存在之间的链路接口分成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。为应对集群应用场景的寻呼、信令连接、承载建立和用户鉴权等过程，在eNB和用户终端（UE）之间需要保证在无线链路链接（RRC）信令上携带的网络侧的信元要能够区分出网络侧的信元是路由到移动管理中心（MME）还是路由到PDS。

GoTa 4G系统为有效地兼容LTE系统，在不改变LTE基带规范的前提下，增加了若干条逻辑信道，以支持集群业务和控制功能。

上述设计保证了GoTa 4G系统可以支持大规模的公网组网（支持GoTa 4G业务和普通LTE数据业务）和大规模专网模式。

2 群组预建立和邻区群组

信息广播机制

2.1 切换过程及在集群系统中存在

的问题

LTE系统中，终端在两个小区之间的切换流程如图3所示。当终端移动进切换区时，向服务小区所属的基站发送测量上报，基站根据终端的测量上报，确定终端切换的目标小区，并和目标小区交互切换相关的信令。切换相关的信令交互完成后，基站向终端发送切换命令（HO Command），终端执行目标小区的接入过程，建立无线链路，完成一次小区间的切换过程。

在集群系统中，由于是一组用户在通话，因此，当组内用户在一个小区内发生群体切换时，就会造成：

（1）处于IDLE状态的用户首先切换到连接（CONNECTION）状态，然后执行向目标小区的切换。

（2）在一个极端的时间内，目标小区需要处理终端切入的信令处理峰值。

这就会造成两个小区的信令风暴，直接表现出的现象是系统发生拥塞或者切换失败导致的掉话。例如，一辆大巴车上，群组用户集中分布且都处于非话权态（接收数据），当大巴车穿越两个小区的交叠区时，可能会出现如下场景：

（1）所有的用户都进入链接态，然后执行切换流程。建立链接态需要5条信令，切换测量控制需要2条信令，切换过程需要3条信令（不包括两个小区间基站设备交互的信令），因此需要在极短的时间内，产生n×13条信令。n为用户的个数，当n超过基站的处理能力以后（在每个传输时间间隔（TTI）内，基站能够调度的用户数是有限的），或者产生掉话，或者切换延迟增加。

（2）LTE系统中切换性能与非竞争随机接入资源相关，非竞争随机接入的资源是有限的，当在某一个时刻大量的用户发起切换流程时，会导致切换接纳拥塞。

2.2 群组预建立和邻区群组信息

广播机制描述

非话权态用户，接收下行群组公共业务信道，可以处于IDLE。对于处于非链接态的终端的小区间切换策略，执行小区重选过程，过程为：

（1）终端按照一定的规则周期性地检测服务小区和邻区的覆盖质量。

（2）当服务小区和邻区的覆盖质量满足一定条件时，终端自主地切换到目标小区，接收目标小区的广播消息而不用通知原服务小区。

群组非话权态用户，接收群组下行公共信道的数据，如果已经在邻区预建立了群组下行公共信道并且信道的相关配置信息能够被终端获取，那么终端也可以自主切换到目标小区接收群组下行数据，而不用和原服务小区进行信令交互。

具体的流程如下：

（1）当某群组内的用户在小区内分布时，如果处于工作状态（接收或者发送数据），那么则以一定的规则向基站上报状态。规则可以是基于覆盖的测量，也可以是周期的上报。

（2）基站接收到某群组的用户状态上报以后，认为这些用户具备向其邻区切换的潜在的可能性，因此，基站请求邻基站发送这个群组的下行数据，建立群组的下行承载。

（3）当邻基站完成群组的下行承载建立后，通知基站，并告知群组下行承载的相关参数配置。

（4）基站在小区内，向群组内用户广播邻基站的群组下行承载信息。

（5）当终端移动到两个小区间的切换区时，基于覆盖测量的结果，自行完成从服务小区向目标小区的切换，接收目标小区的下行群组数据，而无需原服务基站的参与和控制，完成无缝切换的流程（如图4所示）。

以话权用户和非话权用户在两个基站A/B间的切换流程为例，说明无缝切换的流程，如图5、图6所示。

话权UE切换流程如图5所示。集群群组呼叫建立后，此时UE A为群组A中话权用户，UE A由基站A下的小区移动到基站B下的小区。基站A为UE A切换前所在基站，基站B为UE A切换后所在基站。基站B下的小区之前已有非话权用户，并已建立群组A下行广播承载。

话权UE切换流程步骤如下：

步骤1，UE A为群组A中的用户，根据测量配置，向基站A上报测量配置。

步骤2，基站A进行切换判决。

步骤3-6，基站A通过控制面PDS，向基站B发送切换请求消息。基站A为话权用户UE A分配上下行承载资源，用于承载话权数据。资源配置完成后，基站B向PDS回切换请求响应（Handover Request Ack）消息。

步骤7-8，基站A向UE A发送切换命令（Handover Command）。UE A收到后，切换到基站B下的小区。

步骤9，UE A向基站发送切换完成（Handover Complete）消息，进而发送给控制面PDS。

步骤10-12，控制面PDS向基站A发送初始上下文释放命令（Initial Context Release Command）消息，通知基站释放UE A上下文信息。基站通知UE A释放相关承载资源。空口释放完成后，基站向控制面PDS回初始上下文释放完成命令（Initial Context Release Complete）响应消息。

非话权空闲态UE切换流程如图6所示。集群群组呼叫建立后，此时UE A为群组A中非话权用户，正在基站A下接收集群下行广播数据，UE A由基站A下小区移动到基站B下小区。基站A为UE A切换前所在基站，基站B为UE A切换后所在基站。基站B下小区之前已有非话权用户，已建立群组A下行广播承载。

在组呼过程中，基站A将服务小区及相关邻区为群组所建立的信道资源，通过集群控制信道（TCCH）信道周期性发送给UE A。UE A处于空闲状态接收集群业务，在移动过程中，根据广播消息（SIB）内容，依照重选准则进行测量，确定是否进行小区重选过程。当满足重选准则时，UE A发现TCCH下发信道信息包含目标小区信道资源。此时，UE根据TCCH信道内容，自行选择到基站B下的目标小区，在目标小区接收数据。

非话权空闲态UE切换流程的大致步骤如下：

（1）在组呼过程中，基站A将服务小区及相关邻区为群组所建立的信道资源，通过TCCH信道周期性广播发送。

（2）UE A根据测量信息，决定重选到基站B下的小区中。UE A读取TCCH信道广播信道资源，发现已有将要重选过去的目标小区信息。

（3）UE A自行重选至基站B下小区接收集群下行广播数据。

3 呼叫/话权抢占随机过程

3.1 基于LTE系统的集群系统呼叫/

话权抢占过程中存在的问题

根据传统的个人无线通信系统协议规范，一个终端，在具备和系统交互信息的能力之前必须和系统之间建立无线链路。相应的，对于处于IDLE状态的非话权用户（听用户），当需要发起呼叫或者抢占话权的时候，首先需要和系统之间建立无线链路，之后发送呼叫或者抢占话权信令，完成抢占过程。

由于集群系统是一对多的通话模式，当话权用户释放话权的时候，会有多个用户同时发起话权申请流程，而这些发起话权申请流程的用户中只能有一个用户能够获得话权，相应地，其他的发起话权申请的用户所建立的无线链路，都属于无效的链路。这种工作模式会带来如下方面的影响：

（1）某个时刻多个用户发起话权申请触发的链路建立过程会带来信令风暴，造成系统拥塞。

（2）无线链路的建立过程，是一个比较耗时的过程，以LTE系统为例，建立RRC链路，所需要的时间在50 ms ～ 80 ms之间（不包括鉴权），而集群系统要求群组建立延迟小于300 ms，话权抢占延迟小于150 ms。

3.2 基于LTE系统的集群系统呼叫/

话权抢占随机过程描述

在集群系统中，话权抢占或者呼叫流程，都是获取话权的过程，由于是多个用户同时抢占唯一的话权，因此，可以将此过程看成是一个随机的过程。

用户的呼叫/话权抢占信令在构建起和系统的通信链路之前，通过空口的随机接入过程的MSG3发送，基站将MSG3中所携带的呼叫/话权抢占信令转发给调度服务器，由调度服务器判决用户获得话权的能力。图7为话权申请流程示意图。图8为话权抢占流程示意图。

4 LTE宽带多媒体集群

系统呼叫和切换流程

性能分析

采用话权呼叫/抢占随机过程的性能延迟分析如表1所示。采用正常的话权呼叫/抢占过程的性能分析如表2所示。从分析结果看，延迟可以控制在110 ms。

由于邻区的群组下行承载已经预先建立并且在服务小区广播，因此，当非话权态用户从服务小区向目标小区切换过程中，无需和服务小区/目标小区执行切换相关的信令过程。随机话权抢占过程仅仅要求最终获得话权的用户和服务小区执行承载建立的信令交互过程，因此，优化了系统的信令负荷和性能指标。其中，基站设备间交互的信令减少n×2条，原服务小区空口信令减少n×11条（RRC建立5条，默认承载建立2条，测量控制2条，测量上报1条，HO Command 1条），目标小区空口信令减少n×2条，其中n为发起集体切换的集群用户数。

5 结束语

基于LTE系统的集群系统可实现多媒体宽带集群业务，但是直接照搬LTE的过程并不能满足集群业务的需求，并且由于集群业务的特殊性，会带来在LTE系统比较罕见或者概率较低的问题。

对现有的LTE系统的逻辑过程进行适当的改造，使其能够满足集群系统的性能需求，对实现多媒体宽带集群业务具有重要意义。

参考文献

[1] 3GPP TS36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Medium Access Control （MAC） protocol specification [S]. 2012.

[2] 3GPP TS36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical channels and modulation [S]. 2012.

[3] 3GPP TR 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical Layer Procedures [S]. 2012.

[4] 3GPP TR 36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）；Radio Resource Control （RRC） [S]. 2012.

作者简介

赵先明，哈尔滨工业大学通信与电子系统专业博士毕业；中兴通讯股份有限公司高级副总裁，哈尔滨工业大学兼职教授，中国科学技术大学博士生导师；长期从事移动通信系统的技术研究、应用开发与产业化工作；获国家科技进步一等奖、二等奖各1项；已发表学术论文2篇，出版专著1部。

徐云翔，中兴通讯无线经营部系统工程师；长期从事无线通信领域的研究和设计工作。

朱伏生，中兴通讯无线经营部政企网总工程师；长期从事无线通信产品，尤其是集群产品的研究和开发工作。