TD-LTE数字集群系统在无线政务网中的应用探讨.docx

td-lte数字集群系统在无线政务网中的应用探讨1. 前言随着社会经济与城市规模的发展，社会生活和经济发展的管理面临着严峻的挑战，对世界各地各级政府的管理水平、处理突发重大公共事件和应急救援能力提出了更高的要求。当前的政务网已经逐渐从固定办公网络向移动多媒体网络及宽带移动物联网发展，但这种演进区域发展不平稳，网络建设也存在很大的地区差异性。现在大多数地区基本实现了以有线网络为基础的政务网络，在一些经济较发达地区实现了以公网2g、3g为基础的无线网络接入，在一线城市如北京、天津开始了无线宽带政务物联网的建设试点。未来无线宽带政务网将随着试点的带动效应及无线宽带技术的成熟，应用范围越来越大。宽带无线政务网，除了具备较大的系统容量外，还要具备集群通信功能，以整合系统的方式管理城市运行，让城市中各个功能彼此资源共享、协调运作，建立统一的应急指挥信息系统基础网络平台，并在保障信息安全可靠的同时通过对视频、语音、数据的融合通信技术来支持城市各个方面工作的运行。目前工业和信息化部、发改委和“新一代宽带无线移动通信网”重大专项组把握“两化”融合的历史机遇，积极响应各行业部门对下一代集群系统的迫切需求，创造性地提出了“宽带多媒体集群系统”这一全新的概念，即我国专网通信产业直接跳过第二代数字集群，直接迈入第三代“宽带多媒体集群”时代，这一战略发展思路也得到了产业界的整体响应。计划在“十二五”期间，建立宽带多媒体集群系统的“产业链”和“创新链”，组建产业联盟，做大产业。宽带多媒体集群系统作为宽带无线接入领域中的重中之重，国家重大专项将对自主创新的宽带多媒体集群系统研发和产业化提供足够的经费支撑。2. 无线政务网特点和技术选择2.1 无线政务网特点无线政务网不同于公网，它的业务需求和特点对所采用的技术体制和设备水平提出了很高的要求。比如：无线政务网要能够支持大规模的指挥中心建设，支持大量的调度台系统；要能够实现快速和及时的通信，呼叫建立时间要求能够满足应急通信的要求；每个应急通话单位的数量要能够非常灵活，以实现应急单位十几个、几十个到几百个人通信指挥调度的要求；需要具有高级的指挥调度功能，如通播呼叫、通话组快速合并、动态重组、紧急呼叫、强插、强拆等功能。当然为了配合应急指挥，无线政务网除了语音呼叫之外，还需要支持相应的数据业务和应用。如为实时了解应急人员位置而需要开展的人员定位，就要求无线政务网中的手持台和车载台具有内置的gps接收功能，并能够根据需要智能地将位置信息传送回指挥中心，以确保指挥中心对应急人员的位置有准确的掌握。如为实现现场执法人员的对可疑人员或车辆的信息获取，需要系统和用户机支持具有多时隙分组数据业务，同时还需要支持wap push等功能，以便指挥机关将信息和指令下达给现场应急人员。这些都成为无线政务网的特殊要求。在公网市场上，3g大规模应用，lte预备商用，公网通信发展迅速。相比之下，大部分专网通信系统仍停留在语音业务时代，发展相对缓慢。单从每个用户的角度看，专网用户与公网用户在需求上、具体应用上都有着明显的区别。公网通信满足公众日常通信的需求，其有着频谱的利用率高、应用丰富、重用户体验等特点。而专网通信更多的则是满足政府、企业等用户对于安全、稳定、可靠等的需求。行业无线集群通信的未来趋势是一网多能的宽带多媒体集群系统。这里的多能不仅仅是指可以支持语音、数据和视频，更重要的是多业务、多系统的融合。同时，由于行业的应用特点或要求，对专网系统的在可靠性、易用性和安全性方面将会有更高的要求。2.2 无线政务网技术选择无线政务网的用户需求决定了其建设方案要求具有技术上的先进性、标准的开放性、可扩展性、充足带宽、高安全可靠性等特点。目前全球的无线政务网采用的无线技术多种多样，其中数字集群技术在全球的很多国家的政务网中都已经得到广泛应用，成熟的wlan无线局域网技术也是很多政府部门的重要选择方向，基于wimax和3g的无线政务网虽然没有规模化应用，但也做了很多研究，而随着lte的产品和方案的逐渐成熟，以及网络数据业务爆炸式的增长，lte这一目前最新的无线通信技术在在无线政务网中的优势越来越明显，基于lte的无线政务网已经开始建设并运行。 基于数字集群技术（tetra、iden和gsm-r等）目前发达国家政府和大型企业专网与公网并存，欧洲的德国、英国等国家都拥有基于tetra、gsm的专网，政府公共安全专网以及政府应急指挥专网也都采用数字集群技术。北京在2008年也建设完成了基于数字集群的无线政务系统，主要服务于市政府、公安、消防、城管、医疗和安全等政府部门，目前用户数已经达到36000多个。目前基于数字集群技术的专网技术方案已经比较成熟，应用也比较广泛，但数字集群系统终究是个窄带系统，能提供的带宽有限，主要用来满足语音指挥调度，适合一些带宽要求不高的政务专网。随着社会的不断发展，未来的政务系统对带宽的需求将越来越大，基于数字集群的专网在满足视频可视化指挥等新业务方面面临很大挑战，同时这些数字集群技术知识产权几乎完全由国外把控（具有国内知识产权的数字集群技术已经开发出来，但还没有规模商用），标准不开放，主要的设备供应商也基本被国外垄断，导致建网成本高昂，而且作为国家政府机构的专用网络，产品和技术上缺失“话语权”也给整个网络的安全运行和保密方便带来很大隐患。 基于wimax技术wimax作为3g的一种，虽然能提供较远的覆盖和较高的带宽，但本身协议标准的不完善、移动切换性能和整个产业链上的不成熟以及主流芯片和设备商的纷纷退出和缩减投入，使得wimax一直都没有得到较好的发展，频段也始终没有统一，而在我国更面临未能通过中国通信标准委员会审定的问题，目前在国内仅有很少量的基于wimax的固定宽带业务应用，移动wimax还没有应用，也没有用wimax构建无线政务专网的先例。 基于3g技术目前3g技术已经很成熟，网络覆盖较完善，但采用3g技术承载政务专网意味着政务数据传输需要与公众共享带宽，专网的带宽无法得到保障；同时一旦遇到突发事件导致公网通信拥堵或者中断时，专网也将面临瘫痪危险，无法正常运营，给救灾、减灾等应急处理造成严重影响；同时，专网所需要的组呼、群呼、广播呼叫、强插强拆等集群功能也是公网通信无法满足的。因此基于3g的专网不适合用来承载具有大数据量的业务，可以考虑作为网络备份使用。 基于wlan技术以wlan为核心的无线接入解决方案是对有限网络的重要补充和扩展，基于最新的802.11n标准已近可以提供超过300mbps的带宽（有效带宽150mbps左右），同时wlan具有部署灵活、延展性好，产业链成熟和维护方便等优势，但wlan在安全性、移动性、系统效率和抗干扰等方便具有明显的劣势，无法满足未来大中城市，跨部门、多业务融合的无线政务网的要求。 基于mcwill宽带多媒体集群技术mcwill是大唐电信旗下的北京信威通信自主研发的移动宽带无线接入（bwa）系统，也是scdma综合无线接入技术的宽带演进版。 mcwill是北京信威基于scdma衍生出来的宽带无线技术，由北京信威公司拥有知识产权。mcwill系统基于扁平化网络架构，采用智能天线、cs-ofdma、空间零陷、联合检测、动态信道分配、自适应调制等技术，以及快速呼叫建立、多媒体数据广播组播、优先级机制、无线虚拟专网等宽带共网集群技术，最大下行速率可以达到15mbps。目前已经获得授权频段为400mhz、1800mhz和3.3ghz，在电力、油田和煤矿中有很多应用。但目前mcwill基站和核心网产品基本上由北京信威一家在做，整个产业联盟中厂家数量较少（也缺乏实力强大厂家），且主要都是国内厂家，国际上的推广力度也不够，导致mcwill一直没有很好的普及起来，而且产品种类不是很丰富，尤其是终端领域配套产品比较匮乏，成熟度不是非常高，另外在无线政务网中也缺乏规模化的应用。 基于lte集群技术lte是目前最新的无线通信技术，全球已有大量的lte商用网络开始运营，中国的td-lte也已经在十多个城市开了实验局，商用网络的建设也将很快铺开。lte整个产业链很大，产品也在逐步成熟。lte能提供超高的上下行带宽给无线政务网提供了充足的保障，并且在开放性、数据安全性和演进方面也很完善。尤其是td-lte，作为我国具有自主知识产权，并主导和引领的最前沿移动通信技术之一，也将是未来移动通信发展的主流，目前从系统、芯片到各型终端，每个环节都有众多厂家提供方案。td-lte除了拥有频谱效率高，上下行带宽可灵活配置等技术优势外，同时也可以承载多样化高带宽服务，而且td-lte结构扁平化，做集群应用呼叫时延短以及建网成本低等特点特别适合专网。一直以来td-lte在专网通信中面临的频率问题也有了很大发展，目前国家无线管理局已经为北京和天津划分了1.4ghz频段的20m带宽用来发展td-lte专网，其中北京基于td-lte集群技术的无线政务网已于2012年5月建成并投入运行，天津的政务网也已经开建。需要说明的是基于td-lte数字集群的无线政务网，需要对td-lte的基站和核心网做二次开发以支持集群系统所需要的群呼、组呼、动态重组，强插强拆等功能，目前华为、中兴、普天等公司在中国通信标准化系统协会的主导下已经对基于td-lte的数字集群系统标准化做了大量的研究开发工作，并形成了很多专利。对以上几种技术进行比较和汇总如下：比较项gsm-rtetrawimax3gwlanmcwilllte带宽能力理论最大115kbit/s理论最大几百k（取决于信道带宽）理论最大70mbit/s 下行最大十几mbit/s有效速率超过100mbps下行最大15mbps下行超过100mbit/s，上行超过50mbit/s是否为宽带无线否否是是是是是漫游切换500km/h超过300km/h低速或游牧超过200km/h差120km/h超过300km/h产品与价值链成熟度成熟，但需要改频成熟不成熟成熟成熟一般成熟抗干扰能力强强中强弱强强技术架构复杂性高高高高低高高安全性高高中高低高高频率管制管制可定制管制，全球未确定统一频段管制公共管制管制应用场景铁路系统专网企业和政府专网公网或者企业专网（固定该应用）公网公网、专网公网、专网公网，专网我国是否具有知识产权否否否td-scdma开放是td-lte系统开放性和演进封闭系统封闭系统开放性技术，易演进开放性技术，易演进开放，可演进可演进开放性技术，易演进无线政务网选用何种技术路线除了技术因素外，还要从应用场景、承载业务、部署成本、知识产权及未来发展演进等多个角度综合考虑。随着目前政务专网的调度指挥已经由语音逐步发展到视频可视化模式，系统对带宽和安全可靠性提出了更高的要求，td-lte数字集群技术无疑是其最好的选择，再结合国家在通信技术发展战略层面的考虑，td-lte在中国必将得到大力的推动和发展，在无线政务网中的应用也将逐渐展开。3. td-lte数字集群系统的政务网应用方案 3.1 宽带数字集群通信系统特点集群通信系统以半双工方式通信，工作时通过即按即说（push to talk，ptt）键控制信道的获取和释放，信道利用率高，呼叫持续快；组内用户共享下行信道，资源利用率高。而且，集群通信系统可以通过话音加密保证通话的私密性和安全性；为高优先级用户或业务优先级分配信道；通过故障弱化功能保证紧急状态下的通信；通过动态重组实现灵活的多级别分组调度指挥功能。目前业内对于宽带数字集群通信系统的定义还没有形成最终的共识，但总的来说，宽带数字集群通信系统在业务、功能和性能需求上还应具有以下特征。 业务特征：宽带集群通信系统围绕“语音”、“数据”、“视频”这三个基本服务拓展宽带业务类型，包括：组呼/可视组呼、单呼/可视单呼、紧急呼叫等语音类业务；移动信息服务、告诉数据查询、网络浏览、移动办公、定位服务等数据类业务；视频会议、移动视频监控等视频业务。 功能特征：具有群呼、直呼等快速指挥调度能力；集语音、数据、图像和视频的多业务传输能力；具有网络互联和脱网通信能力，以支持直通或中断构建mesh网络。 性能特征：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，单系统花胶建立时间小于500ms；网络安全性高，支持端到端加密，覆盖范围广，建网费用低。其中，呼叫建立时间、网络可靠性和安全性是最重要的三个技术指标。系统支持业务如下表：基本业务单呼/可视单呼、组呼/可视组呼、广播呼叫/可视广播呼叫、分组数据业务、电话互联业务。补充业务基本补充业务话权管理、动态重组、调度区域选择、调度台强插/强拆、遥毙/复活、迟后进入、限时通话、缜密监听、优先呼叫、紧急呼叫、功能号寻址、缩位寻址/短号码呼叫，讲者识别/讲者识别限制、呼入/呼出限制、呼叫转移、呼叫显示、呼叫提示。可选补充业务调度台核查呼叫、环境侦听、计费通知、密钥遥毁。3.2 基于td-lte数字集群的无线政务网要解决关键问题td-lte作为最新的无线通信演进技术，具有很多优点，但无线政务网的业务需求和特点还是和公网存在很大的差异，这就要求td-lte系统必须做一些改变以实现集群通信功能，目前来看，基于td-lte 的数字集群需要解决实现集群通信的一系列关键技术如下： 下行信道共享技术为支持集群通信系统的组呼、广播呼叫，需实现点对多点的下行信道共享，即同一物理信道资源应能被小区内属于同一用户组的多个用户共享。此外多个被叫用户可能分布在不同的区域并在移动，系统要为每一个区域建立信令连接和共享业务信道，同时还要根据集群用户的移动，实时地变更所提供服务的区域，在集群用户所在的新区域建立信令连接和共享业务信道。需要在lte 的物理信道、逻辑信道结构基础上，研究定义新的信道映射、信道指配方式以支持下行信道共享。td-lte 系统设计针对的是单个用户的调度和数据传输，如果不实现下行信道共享，当组群内有大量用户同时接听时，必然需要对每一个用户都分配信道资源、调度控制和传输数据，这样会导致消耗大量接入网资源。特别是对于高速多媒体业务，这种方案将很难满足集群系统的要求。因此基于td-lte 的数字集群系统，需要对td-lte的物理层信道、相关物理层过程以及上下行链路的传输信令进行改进，并对mac 层的调度机制进行优化。主要是在td-lte 的物理层控制信道上增加组群的信令控制能力，并对共享信道增加对集群业务数据传输的优化设计。 上行信道抢占技术在一个集群呼叫过程中，同一时间只有一个用户能够获得话权成为讲话方，其他用户为接听方，为此，需要支持话权申请、话权抢占等功能。需对基于lte 的资源分配和调度技术进行深入研究，并进行必要的增强改造以实现这些功能。 快速呼叫建立技术与公众通信网相比，集群通信系统对呼叫接续时延有很高要求，需满足ptt“按键即讲”的要求。td-lte 系统由于采用扁平网络架构、优化的信令协议，其控制面和用户面时延与3g 相比已显著降低，但与集群通信对呼叫接续时延的要求相比还有一定差距，还需结合下行信道共享、上行信道抢占对lte 系统的改造，来分析研究优化接续流程，提高接续速度。因此可能需要对lte 的呼叫接续流程做修改以提高接续速度。 集群指挥调度技术集群通信系统需要提供较强的指挥调度功能，包括组呼、广播呼叫、强插/强拆、动态重组、迟后进入等集群系统所具备的特色功能。需要研究分析td-lte 的资源分配与呼叫信令，通过必要的修改以支持这些指挥调度功能。3.3 基于td-lte数字集群的无线政务网方案架构基于td-lte 的宽带多媒体集群系统功能实体和接口如下图所示。为了支持集群业务，将对enodeb、mme、p-gw 和hss 网元进行改进，增加相应的集群功能实体来实现集群。 e-nodeb 中增加了rtdf（radio trunking dispatch function，无线集群调度功能）实体，以实现调度和发送广播/寻呼消息，处理呼叫（单呼、组呼、广播呼叫）建立的信令，以及分配各小区中的信道（专有信道、组呼信道、广播呼叫信道、单呼信道）。同时为了支持故障弱化功能，rtdf 能够在enodeb 与网络设备失去联系时，处理本基站覆盖范围内用户的组呼业务请求 。 在mme 中引入了tdf (trunking dispatch function，集群调度功能) 实体，用于群组呼、广播呼叫和呼叫优先级控制等呼叫功能，以及其它集群业务和分组数据业务的接入和处理。tdf 包含了用户组id、组寻呼区域、用户优先级、调度员列表等信息。 pdn-gw 增加了tpf（trunking packet function，集群分组功能实体），来对组用户业务数据进行分发。 hss 增加了gpf (group profile function) 功能实体，来实现用户组信息（包括每个用户所属的组id 列表）的存储。提供集群业务用户和群组信息的存储和管理功能，为具有集群业务的用户进行开户、注销、业务的鉴权、授权和计费等。 d-gw（dispatch gateway，调度网关）用于提供专网系统中的有线调度台的接入，对专网内的群组/用户/呼叫等进行调度和管理，例如单呼、组呼、广播呼叫、强插强拆、动态重组、监听、录音、呼叫转接等调度功能，以及增加群组、删除群组、增加成员、删除成员等管理功能。同时，d-gw 还负责接入其他集群设备以及完成不同专网系统间的信令/接口转换。4. td-lte在无线政务网中的具体应用基于td-lte技术的宽带数字集群系统标准项目有力的推动了td-lte宽带数字集群的标准化进程，不仅有利于自主创新的产品迅速占领国内市场，打破国外公司在集群领域的垄断，更有利于把我国具有自主知识产品的td-lte推向更广阔的应用领域，对td-lte的商用化和产业化都有着十分重要的意义。目前建设完成的td-lte无线政务网应用已经涵盖了医疗卫生、交通运输、市政市容、能源环境、公共安全等服务、应急、城市管理等领域，并发挥了巨大额度作用。比如其在公安、消防及交通领域的应用，示意图如下：在此系统中，公安、交警、消防人员通过手持设备以及携带车载终端的巡逻车及无线指挥车连接到td-lte网络并与后方指挥中心建立联系，后方指挥人员通过td-lte系统可以远距离完成现场数据采集和分析、无线视频监控、数据控制、语音和可视化调度等，并对公安、交警和消防等部门的数据进行数据整合和统一指挥，充分保障大型活动的正常举行和突发事件的应急处理。目前已经运营或正在建设的td-lte无线政务网具体案例如下： 北京无线政务物联网2012年5月基于我国拥有自主知识产权的td-lte技术的北京政务物联数据专网建成并投入运行，此系统使用1.4ghz频段，采用bot模式建设，设备和解决方案供应商为中兴通讯和中国普天，是中国也是全球的第一个基于td-lte的政务网。目前二期扩容合同也已经签订，并计划在“十二五”期间完成所有专网工程建设，最终达到千余个基站的覆盖规模。北京建成的政务网，利用覆盖全市的