LTE-R組呼業(yè)務(wù)無線承載方案研究

肖正杰

(通號通信信息集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

450 M 模擬移動系統(tǒng)從20 世紀(jì)80 年代末應(yīng)用到鐵路行業(yè)，主要為語音通信設(shè)計，功能單一，無法承載列控信息，不能滿足列車運(yùn)行控制系統(tǒng)安全信息傳輸?shù)囊蟆榱藵M足鐵路無線調(diào)度通信和列控信息無線承載的業(yè)務(wù)需求，1993 年國際鐵路聯(lián)盟UIC 借鑒GSM 標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗，開始研究和試驗GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)，并于2000 年將GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，同年，中華人民共和國鐵道部確定GSM-R 移動系統(tǒng)為我國鐵路無線通信的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]?，F(xiàn)在，由于公網(wǎng)GSM 市場的逐步萎縮，公網(wǎng)GSM 產(chǎn)業(yè)鏈對GSM 產(chǎn)品的支持會逐步減弱，這也會對鐵路GSM-R 市場產(chǎn)生重大影響。根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟UIC 的規(guī)劃，2022 年左右，GSM-R 產(chǎn)品設(shè)備將逐步退出市場；同時隨著社會發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，鐵路運(yùn)營中產(chǎn)生許多新的信息服務(wù)需求，對移動寬帶化的需求越來越強(qiáng)烈；因此中國鐵路總公司希望利用公網(wǎng)LTE 技術(shù)，通過技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗，形成一套滿足鐵路未來業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的LTE-R 通信標(biāo)準(zhǔn)，希望LTE-R 網(wǎng)絡(luò)既能繼承現(xiàn)有GSM-R 的業(yè)務(wù)應(yīng)用，又能滿足未來鐵路業(yè)務(wù)移動寬帶化的需求[2]。

GSM-R 的組呼業(yè)務(wù)是鐵路調(diào)度通信的關(guān)鍵功能，LTE-R 網(wǎng)絡(luò)必須繼承該功能以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)功能的平滑演進(jìn)，如何在LTE-R 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)組呼業(yè)務(wù)的無線承載，下面將對該問題進(jìn)行討論和研究。

2 LTE-R組呼業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

針對專網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用場景，3GPP 組織在LTE R12 標(biāo)準(zhǔn)中對組呼通信業(yè)務(wù)的無線承載進(jìn)行了深入的研究，并提出了GCSE 的解決方案，其總體架構(gòu)如圖1 所示。LTE-R 借鑒該架構(gòu)以實現(xiàn)相應(yīng)的組呼業(yè)務(wù)功能。

圖1 LTE GCSE網(wǎng)絡(luò)組播業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Wireless networking architectures of LTE GCSE network group call service

在GCSE 方案中，GCS-AS 組呼應(yīng)用服務(wù)器用于支持語音點呼組呼、視頻點呼組呼、短數(shù)據(jù)等等應(yīng)用層業(yè)務(wù)，實現(xiàn)對組用戶的管理和配置、點呼組呼等呼叫流程的控制等功能[3]。對于組呼業(yè)務(wù)，GCS-AS 的組播數(shù)據(jù)流通過LTE 網(wǎng)絡(luò)到達(dá)用戶終端，其無線承載路徑有兩種可能。

1）如果用戶終端UE 接收LTE 網(wǎng)絡(luò)無線空口的組播信號質(zhì)量良好，組呼應(yīng)用服務(wù)器GCS-AS 將通過MB2 接口將組播數(shù)據(jù)流下發(fā)到組播業(yè)務(wù)中心BM-SC，BM-SC 再將組呼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給多播業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)MBMS-GW，MBMS-GW 根據(jù)MME 的相關(guān)信令，通過IP 組播的方式將媒體數(shù)據(jù)下發(fā)到相應(yīng)的基站eNodeB，終端用戶UE 通過空口的多播信道接收組播媒體流。

2）在終端用戶UE 無法正常接收到LTE 網(wǎng)絡(luò)多播信號的情況下，為了實現(xiàn)組呼業(yè)務(wù)的連續(xù)性，組呼應(yīng)用服務(wù)器GCS-AS 將通過LTE 網(wǎng)絡(luò)和通話組內(nèi)不具備多播通道的終端用戶各自建立一個單播路徑，即通過SGi 接口，將組呼數(shù)據(jù)流通過S/P-GW 送到基站eNodeB，然后在空口通過普通的無線承載通道將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流下發(fā)到相應(yīng)的用戶終端[3]。

3 LTE-R組呼業(yè)務(wù)空口承載實現(xiàn)方案

在GCSE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下實現(xiàn)組呼業(yè)務(wù)功能，難點在于如何在空口實現(xiàn)組呼業(yè)務(wù)的承載。由于無線通信的空口頻率資源非常緊張，如果在空口通過多播轉(zhuǎn)單播的方式實現(xiàn)組呼業(yè)務(wù)承載，這就要求給相應(yīng)組呼小區(qū)下參與組呼的用戶終端各自分配一個無線承載通道，并且基站需要復(fù)制相應(yīng)的組呼數(shù)據(jù)給每個終端用戶以實現(xiàn)組呼通信功能，因此如果組呼用戶很多，這將極大的消耗無線空口資源，同時基站處理組呼業(yè)務(wù)時的能力也隨著組呼數(shù)量和組內(nèi)用戶數(shù)量的增加而快速下降[4]。因此，針對該問題，為了減少組呼業(yè)務(wù)對空口資源的占用，在空口實現(xiàn)點對多點的通信業(yè)務(wù)，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行了長期深入研究，提出了基于LTE 的eMBMS 解決方案[5]。

在eMBMS 方案中，空口協(xié)議棧增加了專門的信道用于傳輸多播信令與業(yè)務(wù)，具體如圖2 所示[6]。在MAC 層，增加了多播控制信道MCCH 和多播業(yè)務(wù)信道MTCH 兩個邏輯信道，分別用于傳輸多播信令與多播業(yè)務(wù)；MAC 層的MCCH 與MTCH都映射到多播傳輸信道MCH 上，實現(xiàn)對多個多播業(yè)務(wù)的調(diào)度傳輸；物理層的PMCH 實現(xiàn)最終多播業(yè)務(wù)無線承載，將多播業(yè)務(wù)從空口發(fā)射出去。另外，MAC 層的BCCH（SIB13）用來廣播MCCH 的配置信息[7]。

當(dāng)一個組呼會話建立時，都會產(chǎn)生一個帶有臨時移動組呼標(biāo)記TMGI 的會話，臨時移動組呼標(biāo)記TMGI 和基站的MTCH 信道具有對應(yīng)關(guān)系。該會話由多播組播業(yè)務(wù)中心BM-SC 建立，網(wǎng)絡(luò)的MBMS-GW、MCE 等多播網(wǎng)元實體處理完相關(guān)業(yè)務(wù)流程后，將組呼業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳送給相應(yīng)組呼區(qū)域的基站群。在空口，為了讓組內(nèi)終端接收到組播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，基站需要提前把多播業(yè)務(wù)對應(yīng)的MCH 資源告知組內(nèi)終端，以實現(xiàn)空口的點到多點傳輸，其大致流程如下。

圖2 LTE eMBMS空口信道Fig.2 LTE eMBMS Air interface channel

1） 基 站 通 過BCCH 的SIB13 廣 播 所 有MBSFN Area 的MCCH 配 置， 包 括MCCH 的 位置以及MCCH 的調(diào)制方式，組內(nèi)所有的用戶終端收到BCCH 的SIB13 消息后，通過解析可以得到相應(yīng)的MCCH 發(fā)送時頻位置。

2）MCCH 的MBSFN Area Configuration消息包含MCH 相關(guān)配置信息，包括用于指示每個MCH 的位置、調(diào)制編碼方式、每個MCH 調(diào)度復(fù)用的MTCH 信息等，組內(nèi)終端在收到MCCH 相關(guān)消息后，通過解析就知道該組呼會話對應(yīng)的MTCH所在的時頻資源，組內(nèi)所有終端都可以在該無線時頻資源上接收到相應(yīng)組播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這樣，一個組呼會話就可以在空口正常進(jìn)行通信了[8]。

4 總結(jié)

LTE-R 組呼業(yè)務(wù)的無線承載方案借鑒LTE GCSE 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，通過利用無線空口的多播組播信道，對于單個組呼業(yè)務(wù)，基站只需要用一個無線資源就可將組呼數(shù)據(jù)傳輸給多個終端用戶，實現(xiàn)點到多點的業(yè)務(wù)傳輸，相較于空口的組播轉(zhuǎn)單播方案，可有效減少組呼業(yè)務(wù)對空口無線資源的占用。