宽带数字集群技术与应用

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1、1 宽带数字集群技术与应用1. 需求集群通信是一种多用途、 高效能的无线指挥调度通信系统，广泛应用于政府机关、公安、机场、码头、厂矿企业、部队、轨道交通等领域。随着国民经济和社会的快速发展，公共安全、反恐应急、政务及城管、公共交通、部队指挥调度等领域对集群通信的要求越来越高，需求越来越广。这些需求主要有如下内容：（1）支持现场图像和视频采集；（2）多媒体数据传输；（3）视频指挥；（4）远程视频监控。传统的窄带集成技术已不能满足移动视频监控、多媒体集群指挥调度、 协同作业、城市应急联动等典型应用场景对宽带集群业务以及多媒体集群业务需求。如何跟随 3G/4G 移动通信，发展宽带、多媒体集群技术，已

2、成为业界的关注点。2. 发展趋势2.1 集群通信系统技术上的发展趋势当前，宽带化已经成为无线通信的发展趋势，宽带业务需求越来越显著。 随着 3G 移动通信技术的发展， LTE 的技术演进及网络的正式运营，移动通信进入了多媒体移动通信系统时代。 集群通信系统的发展相对迟缓， 但其演进方向也基本与公用移动通信相似，具体表现为（如图1 所示） ：（1）系统 IP 化：在 IP 网络架构下实现集群通信系统的控制、管理和传输；（2）业务多样化：包括话音业务、数据业务、图像业务、视频业务和基于地理信息服务（ GIS）等其它多媒体业务；（3）数据宽带化：从早期的带宽 25kHz、 速率 2.4kbps， 到

3、近期的带宽 5MHz、速率 25Mbps，并继续向更宽带宽、更高速率发展；（4）终端多模化：一部终端可以兼容多种模式，适应用户可在不同体制模2 式和不同环境下的使用需求。图 1 集群通信系统的发展趋势集群通信系统要向更高的多媒体移动通信系统发展，在技术上也需要有更高的要求：更大的信道容量，更高的频谱利用率，更好的传输性能，可伸缩、可配置的全 IP 无线多媒体网络架构以及丰富的宽带多媒体调度业务，且系统技术体制能实现平滑演进。2.2 3GPP 相关标准化课题研究动态目前 3GPP 和其它组织正在对任务型关键用户期望的LTE 的关键通信应用和未来业务应用开设了一些研究课题，主要包括：（1）LTE

4、群组通信体制实现（ 3GPP GCSE_LTE） 。研究目标是解决3GPP标准演进，以期支持基于LTE 的各种媒体（话音、视频、消息等）群组通信，允许应用层和 3GPP体制共同支持群组通信，具有相应的优先级处理、性能特性和资源使用效率；高效率多点传送业务的特殊要求，以补充当前LTE 广播能力（特别是视频流）。3GPP计划于 2014年底出版的 3GPP LTE 标准 Release 12中包括这些演进。3 （2）基于邻近的业务（ 3GPP ProSe ） 。研究目标是解决关键通信和商用通信的 LTE 直通模式或者邻近业务（设备对设备）的需求。这些业务包括发现机制，在网络覆盖外的直接通信能力和中

5、继能力，而后者只限制给关键通信使用。3GPP计划在 2014年底出版的 3GPP LTE标准 Release 12中包括这些演进。（3）公共安全网络的生存性。网络的生存性的一个主要体现是业务的降级能力。比如，网络中如果基站和核心网络之间的连接丢失，基站还可以提供按讲（PTT）话音服务和话音广播服务，使得在本地还可以使用无线电台。又如，可部署一个配备 LTE 基站（eNB）或一组 eNB 的移动指挥所， 方便地为超出 ProSe直通模式范围外的设备提供通信。移动指挥所的eNB 可以是一台不需连接到核心网的一台 eNB， 或者是没有回传链路但可互相连接的一组eNB 基站。3GPP SA将提出新的可

6、行性课题，作为引入一个题为“公共安全无EPC E-UTRAN 运行”的新研究项目的第一步，寻求解决LTE 网络的生存性，以及对公共安全和关键通信系统的适用性所担心的其他问题。3GPP计划在 2016 年底出版的 3GPP LTE标准 Release 13版中包含这一演进。（4）基于 LTE 的按讲（ PTT）话音应用标准及其向多媒体（话音，数据，视频等）的群组通信的演进。3GPP 认为创建一个与LTE 相连的通用的“LMR/PMR ”接口，是便于所有的现有标准和技术互相衔接和迁移的理想方式。为了点对多点高效传输和对LTE 网络的接口，需要对LTE 增强，这项工作预期在 3GPP中通过 GGCS

7、E-LTE 和 ProSe研究项目中标准化，在ETSI 中通过关键移动通信服务标准化。3. 基于 LTE的集群无线宽带通信技术3.1 宽带数字集群通信系统具有的特征与传统的窄带数字集群系统相比， 宽带数字集群应该有相似的功能需求和性能需求。在功能需求方面，在话音、数据、视频三个基本服务的基础上拓展宽带业务类型， 具有群呼、 直呼等快速指挥调度能力； 具有网络互联和脱网通信能力以及移动用户直通等； 在性能需求方面， 网络可靠性高， 具有强故障弱化和抗毁能力；支持大热点地区、热点时段的大话务量能力；呼叫建立时间短，单系统呼叫建立时间小于 300ms；网络安全性高，支持端到端加密；覆盖范围广，建网费

8、4 用低。其中，建立时间、网络可靠性和安全性是最重要的三个技术指标。然而，由于宽带数字集群基于全IP 构架，以宽带传输为特征，因此在数据应用和视频业务上具有显著的特征：（1）话音类业务包括：组呼 /可视组呼、单呼 /可视单呼、紧急呼叫等；（2）数据类业务包括：移动信息服务、高速数据查询、网络浏览、移动办公等。（3）视频类业务包括：现场图像上传、视频通话、视频会议、移动视频监控等。（4）GIS 服务：基于地理信息的定位服务、话音和视频等的调度业务。（5）基于互联网业务服务：群组通信、即时消息和呈现等。3.2 基于 TD-LTE技术的宽带数字集群通信系统方案TETRA 协会在考虑 TETRA 技术

9、的下一代演进路线，基本确定采用LTE。根据窄带数字集群系统的特征，宽带数字集群应该具有下列基本技术指标：（1）呼叫建立时间：小于300ms。（2）话权抢占时间：小于200ms。（3）单基站覆盖半径：市区13km，郊区 310km，农村 30km。（4）频谱利用率：上行2.5bps/Hz；下行 5bps/Hz。（5）带宽：支持可变带宽， 包括：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz。（6）峰值传输速率：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。目前，在 TD-LTE 技术移动通信技术的基础上，提出了多种宽带数字集群系统

10、技术方案，其中有代表性的是专网宽带数字集群系统和POC 宽带数字集群系统两种。3.3.1 专网宽带数字集群系统技术方案专网数字集群方案， 如图 2 所示，继承了传统窄带数字集群共享无线资源的特点，在网络侧和接入网侧增加与调度相关的功能实体，并对网络侧的 MME 和HSS相关功能实体进行适应性增强，在信令格式和流程上也进行了必要的改造。5 图 2 基于 TD-LTE技术的专网宽带数字集群通信系统网络结构图宽带无线接入网侧的基站eNB 增加无线集群调度功能（ RTDF）实体以支持集群业务， 即负责集群业务的相关处理，包括从增强型的 MME 接收集群控制信令，为终端分配无线资源 （如为接收业务数据流

11、的终端所在小区分配下行共享无线资源） ，以及将从服务网关 （S-GW）接收到的业务数据流传送到接收业务的终端等，并支持故障弱化功能， 用于当网络侧不能正常工作时，为用户提供基本的集群业务（如组呼、单呼、紧急呼叫等） 。宽带无线接入子系统支持大规模同频组网，以提高频谱利用率。3.3.2 POC 宽带数字集群系统技术方案POC宽带数字集群系统， 如图 3 所示，在 TD-LTE 的体系构架的基础上， 采用服务器客户端的方式实现，即在网络侧在网络侧增加集群调度服务器功能，在终端侧增加集群调度客服端功能， 相当于在移动通信网络叠加了一个集群服务子系统 PoC，如图 5 所示。PoC 客户端驻留在用户设

12、备上，用来接入PoC业务。PoC 服务器是 PoC业务的应用层网元实体，在网络中提供PoC 业务应用功能。SIP/IP 核包括若干 SIP 代理和 SIP 登记器，主要在 PoC客户端和服务器之间路由SIP 信令，并执行相关功能。6 图 3 基于 TD-LTE技术的专网宽带数字集群通信系统网络结构图3.3.3 两种技术方案初步比较专网宽带数字集群系统技术方案，继承了集群通信系统的技术特点，其关键在于终端侧需要有专用的宽带数字集群芯片，以便于研制、 生产集群用户手持终端，这需要产业链的支持， 目前国内厂家在专用芯片的开发和生产上应该不成问题。POC宽带数字集群系统技术方案， 在保持 TD-LTE

13、 体系构架的基础上， 通过增加集群调度服务功能， 实现集群调度通信， 虽然说这种方案可保持系统与移动通信技术融合和演进的能力， 但信道利用率不高， 在传输宽带业务情况下， 系统7 的用户容量难以满足要求。根据以往基于2G 移动通信技术构建集群应用系统的情况（实质上也是 POC 方案） ，应该说第一种方案应该更有应用前景，也更需要业界关注。3.3.4 基于 LTE宽带集群系统技术优势目前，无论是国家重大专项的项目指南，还是国内重要厂家的方案注意力，业界倾向于基于TD-LTE 发展宽带数字集群。另一方面LTE 也在不断演进。TD-LTE 技术具有自主知识产权，可得到国家大力支持，国内厂家的技术支持

14、。采用 OFDM 和 MIMO 技术，构建宽带数字集群具有下列优势：（1）在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行100Mbps 与上行 50Mbps 的峰值传输速率。（2）在全 IP 网络架构，网络结构扁平化，有效缩短控制面和用户面延迟。上下行链路使用同一频段， 无须对称频谱， 在频谱资源紧缺的情况下具有天然优势。（3）通过智能天线 /MIMO 技术可有效地提高无线频谱效率，使用智能天线时，上下行链路使用相同权值，无需分别计算，能有效降低处理复杂性。（4）上下行时隙灵活配比，支持非对称业务，能充分利用信道资源。（5）基站的接收和发送可以共用部分射频单元，在一定程度上降低了基站的制造成本。（6）

15、同频组网技术，可提频率利用率，在高宽带传输的情况下，更具有应用价值（7）终端中继，可延伸通信距离。（8）终端脱网直通。用户在紧急情况下，终端即开即用。4. 数据应用和视频业务传统的窄带数字集群的业务应用以实时强的组呼为显著特点。在宽带数字集群的业务应用中，实时性、高效性需要保持，在业务应用方面，则应向数据应用和视频业务应用扩展。 民用移动通信和互联网的结合在数据业务应用上越来越丰富，如 QQ、威信等，都具有群组服务的特征，这些非实时性的业务，可用作群组间的一般性通信沟通， 而在群组执行任务时可用专网集群特征的组呼服务实现8 指挥调度通信。 视频应用方面， 视频的组呼在很多场合有应用前景，比如可

16、以将多个现场的视频传到指挥中心（调度台） ，而用户终端则选取关注的某个现场的视频，且用户可切换到新的现场， 在视频中包括了话音流， 其中的话音组呼则应保持传统话音组呼的特点。 视频会议在应用中也有很多场合，这应该是宽带集群所包括的业务应用。 此外，将地理信息和音视频调度结合起来，也是宽带集群所应支持的业务服务。 因此，宽带数字集群系统的业务应用与传统的窄带数字集群相比，具有下列特点：（1）数据应用（基于IP 的服务） ：a） 移动办公；b） 数据文件（含视频文件）上传与下载；c） 浏览网络；d） 群组服务：话音、视频、即时消息、呈现。（2）视频服务：a） 视频单呼；b） 视频组呼调度；c） 视频会议；d） 视频监控与回传。（3）GIS 服务：通过将移动用户的位置信息（终端可集成北斗模块）上拉到调度台，显示用户的位置，且与单呼、组呼的通信业务操作结合，形成与传统调度台（指挥中心）有更好界面的操作、显示。5. 小结与建议根据本文综述内容，结论与建议如下：（1）集群技术向宽带多媒体发展，应采用基于LTE 的专网数字集群技术体制。（2）3GPP 对 LTE 的演进，未来的标准将会包含一些