我國寬帶集群通信技術標準演進

辛偉 宋得龍 李曉華 李佳

(1. 中國信息通信研究院技術與標準研究所,北京 100191;2.浪潮通信技術有限公司,北京 100094)

0 引言

寬帶集群通信(Broadband Trunking Communication,B-TrunC)系統作為無線專用通信寬帶化演進的典型系統,一方面要求其基于寬帶無線通信技術,采用多媒體業務形式,以指揮調度功能為主,滿足關鍵任務技術能力的要求;另一方面,需滿足行業應用中多制式網絡融合的高可控性、關鍵業務的高效性和極端場景下的高可用性等特殊需求,使得B-TrunC系統必須采用不同于公眾移動通信的網絡架構和關鍵技術。同時,即使是在同一行業內,也普遍存在多種制式網絡并存、多種業務系統相互隔離的情況,因此需要B-TrunC系統支持寬窄融合、公專融合等發展方向,提供從窄帶到寬帶系統的過渡能力、更加安全可靠的寬帶無線數據接入和多媒體集群調度能力、寬帶與窄帶無線通信系統的融合指揮調度能力以及公網與專網用戶的融合通信能力,從而快速準確地處置突發事件。

2010年前后,我國提出了基于LTE技術的B-TrunC技術體制,多家設備商推出了B-TrunC私有化解決方案,但長期的實踐經驗表明,私有化解決方案只能一家供貨,很難被市場和用戶接受,市場規模小,產業發展受限。為了促進產業規?；】悼沙掷m發展,中國信息通信研究院自2012年開始,牽頭組織國內產、學、研、用各方,共同設計研發了基于LTE的B-TrunC系統,制定了B-TrunC標準,研發了B-TrunC SoC芯片、系列終端產品和系統設備,實現了B-TrunC廣域多媒體指揮調度和應急保障功能。2016年,B-TrunC標準正式寫入ITU-R M.2014-2標準修訂稿中,成為ITU-R推薦的集群空中接口標準。

1 B-TrunC系統技術特征

B-TrunC是支持寬帶數據傳輸及多媒體集群調度業務于一體的專網無線通信技術,在業務、功能和性能上具有以下典型技術特征[1-2]。

1.1 業務特征

語音業務: B-TrunC系統在語音業務方面能做到“一呼百應”,具有快速指揮調度能力,實現單呼、組呼、全呼、廣播呼叫、緊急呼叫、優先級呼叫、調度臺核查呼叫等。此外,B-TrunC系統還可以實現與公共交換電話網絡、蜂窩移動通信網絡以及其他數字集群通信系統的互聯呼叫。

數據業務:B-TrunC系統不僅能承載盡力而為(Best Effort)類數據業務,還能夠承載實時控制類數據業務,以實現數據調度功能。例如,在指揮調度過程中,用戶可以通過手持終端接收、發送和查詢業務相關數據。

視頻業務:行業人員利用B-TrunC系統進行指揮調度的過程中,不僅要“聽得到”,還要“看得到”,B-TrunC系統可以承載各種交互型視頻業務,包括現場圖像上傳、視頻通話、視頻回傳、視頻監控等。

定位業務:用戶終端支持全球定位系統、北斗、小區等多種位置格式上報,每個用戶體驗上報開關、周期、距離等參數靈活可配置,從而支持對終端各種精度的位置控制。

1.2 功能特征

多業務融合:新時期無線技術與應用互相促進,B-TrunC需求從語音發展到數據,進而有“百聞不如一見”的視頻要求,甚至要求實現超越標清的高清視頻。因此,B-TrunC系統需要提供語音調度、數據調度、視頻調度等多種業務協同的融合調度功能。通過數據業務和視頻業務能力彌補語音業務在準確性、可記錄性方面的缺陷,從而實現全數字化、可視化、高度自動化、可記錄、可追溯、事件驅動的指揮調度和協同作業能力。

指揮調度:B-TrunC系統配有專門、統一的指揮調度中心,根據事件現場人員反饋的情況,通過有線或無線調度臺實現區域呼叫、通話限時、動態重組、遲后進入、遙暈/遙斃/復活、呼叫能力限制、繁忙排隊、監控、環境偵聽、強拆、強插、錄音/錄像等多種操作。此外,指揮調度中心還可以為調度臺設置管理級別,實現分級調度管理。

多行業共網管理:B-TrunC系統滿足城市無線政務、公安、消防、醫療、城管、交通、環保等多行業部門共用網絡的要求,各行業部門通過虛擬專用網絡或獨立的核心網進行獨立的用戶簽約和業務管理,共享無線接入網和頻譜資源。多行業共網不僅可以提高無線基礎設施和頻譜資源的利用效率,還可以實現高效的協同工作,滿足跨地域、跨部門的大規?，F代指揮調度的需求。

1.3 性能特征

快速接入能力:B-TrunC系統具有快速接入能力,組呼建立時間小于300 ms,話權搶占時間小于200 ms,可以實現快速的指揮調度。

更高的安全性和保密性:B-TrunC系統是針對行業應用而設計的專用指揮調度通信系統,對網絡和信息傳輸的安全性和保密性要求較高,尤其是政府、公安、軍隊等國家安全部門或強力機構使用的集群網絡,一定要防止遭受惡意攻擊以及信息被截獲或篡改等。因此,B-TrunC系統提供了包括鑒權、空口加密以及端到端加密在內的一整套完備的安全機制,來解決其所面臨的諸多安全威脅。

更高的可靠性:B-TrunC系統在網絡可靠性方面有著更高的要求,要求具有故障弱化、單站集群和抗毀能力,以提供應對各種自然災害或突發事件的應急指揮通信能力。B-TrunC終端還應該具有脫網直通的能力,使得在網絡無法覆蓋時,能夠支持群組用戶的脫網直通能力。

B-TrunC技術解決了模擬和窄帶集群業務速率低、無線空口集群通信資源受限、集群專網尚無大規模組網能力、異構系統間缺少統一的指揮調度能力等方面的難點,實現了關鍵技術突破。目前,我國已建立完備的B-TrunC技術標準演進體系,形成包括國際標準、國家標準、行業標準、聯盟標準等多項標準成果,標準演進過程分為3個階段(見圖1)。

圖1 寬帶集群B-TrunC標準演進體系

2 B-TrunC標準介紹

2.1 B-TrunC第一階段標準

B-TrunC第一階段標準[3-6]作為首個標準版本,定位本地組網,在兼容LTE R9的基礎上,支持寬帶數據業務,同時增強語音集群調度、短消息、多媒體集群調度業務,開放了終端(包括無線終端、調度臺)與系統的接口,規范了終端與系統跨設備商的互聯互通接口和功能性能要求,解決異廠家的終端和網絡兼容問題,為用戶提供更多的產品選擇。B-TrunC第一階段系列標準共包含22項標準,已于2015年發布。該版本標準允許核心網內部靈活部署,優先完成終端與基站、終端與集群核心網、調度臺與集群核心網之間的互聯互通,明確了相關的接口和功能性能要求,網絡架構如圖2所示。

圖2 B-TrunC第一階段標準網絡架構

組呼是集群通信的基本業務,B-TrunC在LTE點對點傳輸的基礎上增強了下行點對多點的傳輸,采用下行共享信道方式支持單小區點對多點的組播。定義了新的下行點到多點模式的集群專用邏輯信道。B-TrunC核心網是提供B-TrunC業務的網絡,在現有LTE核心網架構的基礎上,為了實現集群業務,創新地設計了集群控制功能體(Trunking Control Function,TCF)、集群媒體功能體(Trunking Media Function,TMF),并對LTE原有網元移動管理實體(Mobility Management Entity,MME)、服務網關(Serving GateWay,SGW)、分組數據網絡網關(Packet Data Network GateWay,PGW)、歸屬用戶服務器(Home Subscriber Server,HSS),進行功能增強設計,設計實現了增強的移動管理實體(evolved Mobility Management Entity,eMME)、綜合網關(x Gateway,xGW)、增強的歸屬用戶服務器(evolved Home Subscriber Server,eHSS)。B-TrunC核心網包括的5個邏輯網元根據實際部署可以合設形成實際網元設備。

2.2 B-TrunC第二階段標準

B-TrunC第二階段標準[7-10]在兼容第一階段標準的基礎上,支持區域和全國性大規模組網的切換和漫游,開放了核心網間、核心網到基站之間的接口協議。此外,B-TrunC第二階段標準還支持政務、軌道交通、鐵路等行業B-TrunC調度的新業務功能,進一步增強安全機制,并通過開放的核心網接口支持與窄帶B-TrunC、PSTN、公眾蜂窩移動通信網的互通。B-TrunC 第二階段系列標準共包含40項,已于2019年發布。

隨著B-TrunC系統應用范圍的擴大,行業用戶開始部署更多的核心網,核心網間的組網需求逐漸顯現。為滿足行業用戶對規模組網和互聯互通的迫切需求,B-TrunC第二階段標準進一步開放了核心網間接口和基站與核心網間的S1接口,支持漫游場景和跨網、跨區域互通。

B-TrunC第二階段系統由共用eHSS的多個B-TrunC核心網、LTE B-TrunC基站、LTE B-TrunC終端、調度臺DC組成,網絡架構如圖3所示。與第一階段相比,新的架構明確了B-TrunC核心網內部的組成,并將eHSS從邏輯上分為負責LTE數據簽約管理的HSS和負責集群簽約數據管理的集群歸屬用戶服務器(Trunking Home Subscriber Server,THSS)兩個單元,使數據庫的架構設計更為清晰。

圖3 B-TrunC第二階段標準網絡架構

為實現大規模組網場景下不同廠家設備間的互聯互通,除了標準的S5、S10、S6a接口之外,還設計了如下集群擴展接口。

S1-T接口:B-TrunC基站與核心網之間的接口,除基本的S1接口功能外,還負責組呼上下文管理、組呼承載管理和B-TrunC移動性增強等。

TC1接口:TCF與eHSS之間的接口,基于Diameter協議,負責集群注冊、集群鑒權和集群數據管理等。

TC2接口:控制面為TCF之間的接口,基于會話發起協議(Session Initiation Protocol,SIP);用戶面為TMF之間的接口,基于實時傳輸協議(Real-time Transport Protocol,RTP),負責兩個集群核心網之間的業務信令和數據傳輸。

上述接口的標準化使運營方在大規模組網時增加了對網絡設備的可選擇性,并通過歸屬地路由控制策略保證跨網時的業務一致性,為不同規模的設備制造商加入產業鏈掃除了障礙,有利于產業化推進。

B-TrunC第二階段標準還增強了組呼空口加密特性,支持組呼下行點到多點傳輸的無線資源管理(Radio Resource Control,RRC)信令、非接入層(Non Access Stratum,NAS)信令的加密和完整性保護,以及下行點到多點業務數據的加密。

同時,B-TrunC第二階段標準還支持根據行業的具體需求進行深度定制,已被軌道交通行業標準城市軌道交通車地綜合通信系統(Long Term Evolution for Metro,LTE-M)采納為集群調度的基礎技術。在B-TrunC架構上增加了LTE-M應用層,兩者之間采用松耦合,LTE-M業務流程如功能號查詢、列車信息更新、轉組通知等和現有的B-TrunC單呼、組呼、動態重組流程彼此獨立,通過將B-TrunC過程和LTE-M業務過程進行關聯,整合為一個完整的LTE-M端到端流程。此外,為了應對某些地鐵項目地上、地下中心頻率不同的場景,還支持異頻測量以實現異頻切換。

除了上述主要特性外,B-TrunC第二階段標準還支持與窄帶B-TrunC通過互聯網關相連接,由網關負責兩側系統的協議轉換、媒體路由、媒體格式轉換等,可實現集中式控制或分布式控制,支持單呼、組呼、實時短數據等基本業務互通;支持多運營商核心網(Multi-Operator Core Network,MOCN)模式的基站共享組網,不同行業可以分別建設自己的B-TrunC核心網,通過不同的公共陸地移動網(Public Land Mobile Network,PLMN)區分,B-TrunC基站為多個核心網提供接入網服務,每個行業按配額獲得一部分網絡資源以節省投資;支持通過用戶面可擴展消息傳遞和狀態協議提供定位和多媒體消息業務(彩信)。

2.3 B-TrunC第三階段標準

B-TrunC第三階段標準重點研究向5G演進、移動物聯網業務、寬窄網絡融合和公專業務融合等關鍵技術。B-TrunC第三階段物聯網系列標準已完成制定,共包含6項標準,已于2019年發布。B-TrunC 5G標準在繼承B-TrunC 4G功能和特性的同時,充分利用5G核心網的靈活性以及5G空口的高性能,為行業用戶提供更豐富的集群業務、視頻業務和數據業務,并達到更大的帶寬,更快速靈活和高效的資源分配,更高的安全性,更強的可擴展性等業務能力。

B-TrunC第三階段物聯網標準,支持節能模式,盡量使終端保持在低功耗狀態,滿足了物聯網終端低功耗的要求。在數據傳輸方面,B-TrunC系統支持用戶面優化數據傳輸、控制面數據傳輸、Non-IP數據傳輸等多種方式。

B-TrunC 5G標準,在5G技術基礎上,面向行業B-TrunC需求,設計完整的B-TrunC網絡架構、高頻譜效率的空口組播傳輸方式,低時延的B-TrunC業務協議棧,完善的B-TrunC組網和漫游機制、標準開放的網元間接口、優化的網絡性能和更加豐富的多媒體調度業務。

依托B-TrunC第二階段系統架構,在盡量保證原有5G核心網網元功能的基礎上,增加支持集群功能的TCF、TMF、集群群組會話管理功能(Trunking Session Management Function,TSMF)、集群用戶面功能(Trunking User Plane Function,TUPF)、集群統一數據管理(Trunking Unified Data Management,TUDM)集群網元,完成集群相關功能的實現,提出了全新的B-TrunC 5G系統組網架構(見圖4)。

圖4 B-TrunC 5G系統架構

B-TrunC第三階段標準的制定,將推動行業無線專網寬帶接入和B-TrunC技術標準向5G演進,為B-TrunC和應急通信規?；l展提供了堅實的標準依據,助力垂直行業向更加多樣化的場景、更高的業務性能要求和全方位的安全保障方向演進。同時,充分考慮公網和專網的協同應用,寬帶和窄帶的融合發展,更好地實現行業寬帶化、數字化和信息化。

3 結束語

我國B-TrunC系統在技術研究、標準推進、產品開發等方面均處于國際領先水平,并已廣泛應用于公共安全、應急保障、無線政務、能源交通等多個重要領域,涵蓋國內多個省、市、自治區,在國家多個重大事件和活動中發揮了重要的保障作用。此外,B-TrunC系統在20余個國家落地應用,取得了顯著的經濟和社會效益。推動了國家戰略性基礎設施的快速發展,實現了產業鏈全面自主可控,滿足了行業無線專網寬帶化發展需要,為我國B-TrunC產業自主創新和行業應用高質量發展發揮了重要作用。