TDLTE宽带数字集群通信系统-论文.docx

TD-LTE宽带数字集群通信系统1. 集群通信系统的现状和发展趋势集群通信系统是为了满足行业指挥调度需求而开发的，面向行业应用的专用无线通信系统。由于集群通信系统主要侧重于指挥调度通信，其应用可遍及公共安全、交通运输、公共事业、特种通信、企业生产等应用，尤其可以在应用突发事件和自然灾害的过程中发挥优势。 与公众移动通信系统类似，集群通信系统的经历了从第一代窄带数字集群通信系统是当前国际、国内市场上应用最广泛饿集群通信系统，其代表有：欧洲电信标准协会（ETSI）的路上集群无线电系统TETRA、美国Motorola的综合数字增强网络iDEN系统、我国的基于CDMA技术的开放式集群架构GoTa系统和基于GSM技术的GT800系统。与公众移动通信系统的高速发展相比，无论在数据传输能力还是多媒体业务支持能力方面，目前的窄带数字集群通信系统都比较落后。以TETRA系统的最新演进TEDS(TETRA Enhanced Data Service，TETRA增强数据业务)为例，在最理想情况下也仅能支持518kbps的峰值传输速率。随着无线高速数据业务的飞速发展，集群通信系统对宽带多媒体业务的需求也日益显著，行业人员在应用集群通信系统进行指挥调度的过程中，不仅要“听得到”，还要求“看得见”，促进集群通信系统向数据宽带化、业务多样化、终端多模化、系统IP化的发展方向迈进，其具体表现形式主要体现在高速数据和视频的传输，以及构建于此基础之上的各种应用，包括多媒体集群调度、协同作业、移动视频监控、城市应急联动等方面。例如，公安要求集群通信系统鞥能够支持现场图像和视频采集。多媒体数据广播。视频指挥等；石油化工行业要求集群通信系统能够支持远程视频监控等。可以说，数字集群通信系统将进入一个崭新的宽带数字集群通信时代。宽带数字集群通信系统更可以定义为基于宽带数字集群通信系统时代。宽带数字集群通信系统更可以定义为基于宽带无线通信技术，以多媒体集群业务形式，提供指挥调度功能的专用无线通信系统。它的特点是具备语音调度、数据调度、视频调度等多种业务系统的融合调度能力。2. 宽带数字集群通信系统典型特征宽带数字集群通信系统在业务、功能和性能上具有以下典型特征：（1） 业务特征l 语音业务宽带数字集群通信系统在语音业务方面要做到“一呼百应”，具有快速指挥调度能力，实现单呼、组呼、全呼、广播呼叫、紧急呼叫、优先级呼叫、调度台核查呼叫；此外，宽带数字集群通信系统还要实现与PSTN、蜂窝移动通信网络（如GSM,CDMA,3G、LTE等），以及其他数字集群通信系统（如TETRA、IDEN、GoTa、GT800）的互联呼叫。l 数据业务宽带数字集群通信系统不仅要承载尽力而为（BE）类数据业务，还要承载实时控制类数据业务，以实现数据调度功能。例如，在指挥调度过程中个用户可以通过手持终端接收、发送和查询业务相关数据；调度台也可以向用户批量下发文字指令，然后用户根据结果对指令进行恢复和确认。由于实时控制类数据业务对时延和可靠性要求很高，因此在进行系统设计时需要提供强有力的Qos保证。l 视频业务随着宽带无线通信技术的和告诉数据业务的飞速发展，集群通信系统对宽带多媒体业务的需求日益增强。行业人员利用集群通信系统进行指挥调度的过程中，不仅要“听得到见”，还要“看得见”，因此宽带数字集群通信系统要承载各种交互型视频业务，包括现场图像上传、视频通话、视频回传、视频监控等。因此，在进行宽带数字集群通信系统设计时要考虑视频编解码、视频传输与无线资源管理三者之间的协同。（2） 功能特征l 多业务融合新时期无线技术与应用互相促进，集群通信的需求从语音发展到数据，进而有“百闻不如一见”的视频要求，深圳要求实现超越标清的高清视频。因此，宽带数字集群通信系统需要提供语音调度、数据调度、视频调度等多种业务系统的融合调度功能。通过数据业务和视频业务弥补语音业务在准确性、科技路性方面的缺陷，从而实现全数字化、可视化、高度自动化、可记录及可追溯、时间驱动的指挥调度和系统作业能力。l 指挥调度宽带数字集群同系统需配备有专门、统一的指挥调度中心，根据时间现场人员反馈的情况，通过有线或无线调度台实现区域呼叫、通话限时、动态重组、迟后进入、遥毙/复活、呼叫能力限制、繁忙排队、监听、环境侦听、强拆、强插、录音/录像等多种操作。此外，指挥调度中心还可以为调度台设置管理级别，实现分级调度管理。l 分层管理宽带数字集群通信系统应该满足指挥调度分级管理的要求，实现指挥调度中心多级分层调度。上级指挥中心应该能够同步指挥其下各级指挥中心，随时调取下级指挥中心的监控图像、语音、数据，甚至远程控制下级指挥中心的操作。通过统一管理。分级调度的方式不仅可以提高调度效率，还可以实现高效系统工作，满足跨地域、跨部门的大规模现代指挥调度的需求。（3） 性能特征l 快速接入能力宽带数字集群通信系统应该具有快速介入能力，在系统设计时，如果有必要，可以牺牲系统高容量和低级别业务为来确保系统的关键性能指标。宽带数字集群通信系统对呼叫建立时间有严格要求。，一般要求业务中断的呼叫建立时间小于500ms，话权抢占时间小于200ms，以实现快速的指挥调度。l 更多安全性和保密性宽带数字集群通信系统是针对行业应而设计的专用指挥调度通信系统，对网络和信息传输的安全性和保密性要求较高，尤其是政府、公安、军队、公共安全等国家安全部门或强力机构使用的集群网络，一定要防止遭受恶意攻击以及信息被截获或篡改等。因此，跨带数字集群通信系统应能够提供包括鉴权、空口加密以及端到端加密在内的一整套完备的安全机制，来解决其所面临的诸多安全威胁。l 更高的可靠性宽带数字集群通信系统在网络可靠性方面有着更高的要求，要求具有强故障弱化、单站集成和抗毁能力，以提供应对各种自然灾害或突发事件的应急指挥通信能力。宽带数字集群终端还应该具有脱网直通以及构建Mesh网络等的能力，是的在网络无法覆盖时，能够支持群组用户的脱网直通能力。3. 技术选择宽带数字集群通信系统可以基于不同的宽带无线通信技术实现，首先LTE技术是3GPP大力发展的新一代宽带无线通信技术，属于国际4G标准。它采用OFDM和MIMO技术作为其无线网络演进的标准，在20M频谱带宽下能够提供下行100Mbps和上行50Mbps的峰值传输速率；LTE系统采用全IP网络架构，网络结构扁平化，有效的缩短了控制面和用户面时延；LTE系统的下行频谱效率为5bits/Hz，上行频谱效率为2.5bits/Hz，相比3G系统提高了近2-4倍；此外，LTE系统还支持良好的移动性，要求移动速率达到120km/h-350km/h时移动终端与网络保持连接，确保其不掉线。而LTE技术中的TD-LTE相对FDD LTE来说，又具有其独特的优势，比如TD-LTE系统的上下行链路无须使用成对的频谱，这样可以方便的使用和配置LTE-FDD系统不能使用的零散频段，能有效的提高频谱利用率，在频谱资源紧缺的情况下具有天然优势；TD-LTE系统在线支持不对称业务方便具有很大灵活性，可以根据业务类型林谷配置TDD帧的上下行配比，相对比FDD系统可有效避免信道资源浪费；在使用智能天线时，LTE系统的上下行联盟路可以使用相同的权值，无需分别计算，能有效降低移动终端的处理复杂性；TD-LTE系统中个，由于上下行信道一致，基站的接收和发送更可以公用该部分射频单元，在一定给程度上降低了基站的制造成本。此外，TD-LTE及时是我国自主创新的TD-SCDMA的演进技术，是未来宽带移动通信的主流标准之一，也是移动通信与宽带无线计入融合的典范。TD-LTE宽带集群通信系统不仅可以承载TD-LTE系统高速率、大宽带等诸多优点，与现有集群通信系统相比具有更大的信道容量、更高的频谱利用率、更强的抗干扰能力和更好的传输性能，满足现代集群通信网络在容量、带宽、传输速率和频谱利用率等方面的需求，而且在系统该研发的自主性方面具有其他宽带通信技术不可比拟的优势。目前美国联邦通信委员会FCC在“国家宽带计划”中明确指出，用于商用的高700MHz D频段要使用跟国际标准空口协议，以实现与现有国家安公共安全网络的兼容，并支持公共安全频段的用户的漫游和高优先级访问，而最合适的标准是LTE。国际上应用最广泛的TETRA数字集群通信系统在后续演进上也考虑采用LTE技术。由此可以看出，选择LTE技术发展宽带数字集群通信系统是具有先进性和可行性的。4. LTE集群关键技术基于LTE 的数字集群需要解决实现集群通信的一系列关键技术：l 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。l 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。l 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。l 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。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。eNodeB 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