LTE宽带集群的系统架构及业务分析
LTE宽带集群专网的行业应用
LTE宽带集群专网的行业应用作者：王仑来源：《移动通信》2014年第01期王仑普天信息技术研究院有限公司政务网产品部总经理1 LTE宽带集群专网建设的必要性集群通信系统是为了满足行业用户指挥调度需求而开发、面向特定行业应用的专用无线通信系统。
第一代集群系统是模拟集群通信系统，第二代集群系统是窄带数字集群通信系统。
随着移动互联网的飞速发展以及全球无线城市的大规模建设，宽带化成为整个无线通信的发展趋势。
LTE宽带集群系统正是以TD-LTE为核心技术，将TD-LTE技术的高速率、大带宽与数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点进行融合，是新一代宽带多媒体数字集群系统，支持更为丰富的多媒体业务类型。
需要指出的是，LTE宽带集群与传统的窄带集群之间，并不是绝对的竞争关系，而是可以互相依托，互为补充。
在一定时期内，传统的窄带集群以频段低、覆盖远、产业链成熟为优势，仍不失为一种高效的语音集群解决方案。
宽窄带集群的融合组网，可充分兼顾窄带集群的低成本、广覆盖与宽带集群的多媒体、高速率优势，帮助客户节省投资，在成本、容量与质量之间取得最佳的平衡。
目前三大运营商已经拿到了LTE牌照，LTE公网预计很快就会投入规模化运营。
届时LTE公网是否会对LTE宽带集群专网的发展形成冲击？我们的观点是，从业务需求与QoS保障来讲，LTE公网还是无法替代LTE专网的作用。
首先，公网的安全性、可靠性与专网不存在可比性。
在遇到突发、紧急事件时，公网的容量瓶颈与脆弱性已经在很多案例中有所体现。
针对某些至关重要的行业，采用公网的无线通道，如果数据传输过程中出现问题也很难进行端到端的定位。
其次，公网用户的业务模型以下行（如：浏览网页、看视频、文件下载）为主，因此公网运营商在信道资源配置、网络规划优化方面，会重点倾向于下行业务，一般会采用1：3的上下行配比，上行的信道资源很少，还会被公网用户占用一部分，留给专网应用的上行带宽就更少了。
基于TD-LTE 1.8GHz宽带集群系统的研究
技术Special TechnologyI G I T C W 专题86DIGITCW2021.010 引言集群是一种用途范围广、效能高的半双工通信方式，随着国内民航业的快速发展，空管对调度、多指令并行、信息及时处理等服务的需求与标准也在不断提升，因此需要将更加先进的无线通信技术引入民航通信领域。
1.8GHz 无线宽带集群系统采用TD-LTE （Time Division Duplex-Long Term Evolution ，分时长期演进）无线通信技术，具备速率快、网络时延低、可靠性高、组网灵活等优点，适用于数据、多媒体通信、语音等业务。
1 T D-LTE 1.8GHz宽带集群系统概况图1 1.8GHz 宽带集群系统拓扑无线专网宽带集群系统通过采用频段区间为1785-1905MHz 的1.8GHz 专用频段进行通信，其架构主要由核心网eCNS 、操作维护中心eOMC 、行业业务应用软件系统eAPP 、基站eNodeB 、智能调度台eDC 组成[1]。
用户手持终端eUE 产生的业务数据经专网基站实时上传至核心网，由核心网与服务器协同处理转发，完成集群语音、视频监控与调度、数据作业等功能[2]，同时可通过网管系统实现网元监控与管理。
该系统于网络安全性、可靠性、可扩展性等方面具备极强的技术优点，目前正逐步应用于民航运输领域。
1.1 核心网eCNSeCNS 作为无线集群系统的核心网设备，其部署采用集中方式，可实现与基站、网管、服务器之间的互联互通，提供鉴权管理、数字集群、会话及移动性管控一系列相关业务。
通过自定义端口Tx 、Rx 、Gi 和eAPP 系统外接，完成集群系统的调度功能；经公开接口S1和基站相连，完成网元间的数据及信令交互；通过自定义操作维护接口与网管eOMC 通信，实现对核心网的操作维护。
eCNS 软件采用分布式结构，可实现配置、故障、性能、设备、安全等管理，完成对子系统的实时监控。
1.2 专网操作维护中心eOMCeOMC 用于操作维护系统中的网元设备，主要实现网元的告警及性能监控、配置下发、文件查询等功能。
LTE基本原理和系统架构
LTE基本原理和系统架构
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RRC功能
• 广播由非接入层（核心网）提供的信息
• 广播与接入层相关的信息
• 建立、维持及释放UE和UTRAN之间的一个RRC连接
• 建立、重配置及释放无线承载
• 分配、重配置及释放用于RRC连接的无线资源
LTE基本原理和系统架构
LTE基本原理和系统架构
目
录
LTE网络概述
LTE网络基本架构
LTE关键技术
LTE业务流程
LTE现状
LTE基本原理和系统架构
2
无线通讯系统的发展
1G的模拟时代。最早的移动商用系统；语音业务 2G数字时代。安全性极大提升；从小众走向大众；数据业务开
始出现 ➢ 不同制式，GSM / CDMA / PHS… ➢ 2G是一个难以置信的巨大成功，实现了难以想象的便利通讯，
LTE基本原理和系统架构
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L2 --- MAC层
逻辑信道到传输信道的映射 逻辑信道数据的复用/解复用 空口调度 是L2的核心协议层和发动机 每用户一个数据MAC 调度器每小区一个
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RRC功能划分
LTE中RRC子层功能与原有UTRAN系统中的RRC功能 相同，包括有系统信息广播、寻呼、建立释放维 护RRC连接等。RRC的状态为RRC_IDLE和 RRC_CONNECTED两类
✓ 降低传输时延 ✓ 用户面时延小于5ms ✓ 控制面时延小于100ms
建网成本
带宽需求
✓ 1.4MHz~20MHz ✓ 可变带宽
数据速率
移动性支持
LTE系统架构及优势分析
LTE系统架构及优势分析摘要主要介绍LTE的关键技术,并分析LTE的技术优势。
关键词LTE;OFDM;MIMO;SC-FDMA;SDR;全IP当前,全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势, 移动通信行业的竞争极为激烈。
为了应对WiMAX标准的市场竞争,维持在移动通信行业中的竞争力和主导地位,3GPP在2004年11月启动了长期演进计划(LTE),以实现3G 技术向B3G和4G的平滑过渡。
LTE是3GPP移动网络技术体系的最新标准,LTE 的问世将进一步增强3GPP相对于其他移动通信技术的竞争优势。
LTE的无线接入网络名为演进型UMTS陆地无线接入网络(E-UTRAN),它可以显著提高用户吞吐量和扇区容量,降低用户可感知的时延,从而大幅提升用户的移动通信体验。
随着互联网协议(IP)成为各类业务的承载协议,LTE还将支持基于IP的业务,确保端到端服务质量(QoS)。
在这种网络上,语音业务主要为IP电话(V oIP),以便更好地和其他多媒体业务融合在一起。
1LTE关键技术1.1OFDMOFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而该技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。
这样,每个子信道是相对平坦的,即使总的信道是非平坦的。
同时在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。
OFDM与一般的频分复用的主要差别在于:它的不同载波的频谱可以相互交叠,因此可以得到最佳的频谱利用率,同时,接收端只要采用正交解调的方法就可以恢复出有用的信息信号。
1.2SC-FDMASC-FDMA技术是一种单载波多用户接入技术,它的实现比OFDM/OFDMA 简单,但性能逊于OFDM/OFDMA。
相对于OFDM/OFDMA,SC-FDMA具有较低的PAPR。
完整版LTE网络架构
LTE 的网络架构2014-01-13 10:45:27|分类：LTE |举报|字号订阅1、系统架构：LTE 采用扁平化、 IP 化的网络架构，E-UTRAN 用 E-NodeB 取代原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP 传输，经过IMS 承载综合业务，原UTRAN 的 CS 域业务均可由LTE 网络的 PS 域承载。
E-UTRAN ，由 eNB 构成；EPC (Evolved Packet Core)，由MME（Mobility Management Entity），S-GW（Serving Gateway ）以及 P-GW （PDN Gateway ）构成。
E-UTRAN 主要的开放接口包括：S1 接口：连接E-UTRAN 与 CN；X2 接口：实现E-NodeB 之间的互联；LTE-Uu 接口： E-UTRAN 的无线接口；2、系统网元：网元功能：2.1 eNB主要功能包括空中接口的phy 、mac 、rlc 、rrc各层实体，用户通信过程中的控制面和用户面的建立，管理和释放；以及部分无线资源管理rrm方面的功能。
无线资源管理（RRM ）；用户数据流IP 头压缩和加密；UE 附着时 MME 选择功能；用户面数据向Serving GW的路由功能；寻呼信息的调换和发送功能（源自 MME 和 O&M 的）广播信息的调换和发送功能；用于搬动性和调换的测量和测量报告配置功能。
基于 AMBR 和 MBR 的上行承载级速率整型。
上行传输层数据包的分类标示2.2 MMENAS 信令， NAS 信令安全；认证；游览追踪区列表管理；3GPP 接入网络之间核心网节点之间搬动性信令；悠闲模式 UE 的可达性；选择 PDN GW和Serving GW；MME 改变时的 MME 选择功能；2G 、3G 切换时选择SGSN ；承载管理功能（包括专用承载的建立）；2.3 S-GWeNodeB 之间切换时当地搬动性锚点和3GPP 之间搬动性锚点；在网络触发建立初始承载过程中，缓存下行数据包；数据包的路由 [SGW 可以连接多个PDN] 和转发；切换过程中，进行数据的前转；上下行传输层数据包的分类标示；在游览时，实现基于UE ， PDN 和 QCI 粒度的上下行计费；合法性监听；2.4 P-GW基于单个用户的数据包过滤；UE IP 地址分配；上下行传输层数据包的分类标示；上下行服务级的计费（基于 SDF ，也许基于当地策略）；上下行服务级的门控；上下行服务级增强，对每个SDF 进行策略和整形；基于 AMBR 的下行速率整形基于MBR 的下行速率整上下行承载的绑定；合法性监听；3、系统接口：3.1 S1 接口S1 用户平面接口位于E-NodeB 和 S-GW 传输网络层建立在IP 传输之上， UDP/IP 之上的之间，用户平面协议伐以以下图所示，GTP-U 用来携带用户平面的PDU 。
基于LTE的宽带集群通信系统简介
员 持 续 占用 上 行 信 道 的 时 间 限 制 一 定 时 间 。 系 统 管 理 员 能修改 限 制时 间 。 优 先 级 — — 系 统 根 据 集 群 业 务 的 优 先 级 进 行
调 整 。 业 务 优 先 级 由业 务 类 型 、 主 叫和被 叫优先 级 、 组优 先级 等 ， 依 据 策略决 定 。 多 通 话 组 扫 描 — — 多 通 话 组 扫 描 功 能 允 许 用 户作 为 多个通 话组 的成 员 ， 在某个 组 呼 的同 时 ， 接 收 非 当前组 的其 他通 话组 的 呼叫 。
报告、 呼 叫保 持／ 恢复、 呼 叫禁 止 、 呼 叫等 待 、 呼 叫 转 移 。
４ ＴＤ— ＬＴＥ 技 术 的 优 缺 点
４． １ 优 点
占用 话 权 ， 可释 放本 次组 呼 呼叫 。空 闲时长 可配 置 。 动 态 重 组 — — 经 授 权 的 调 度 员 或 系 统 管 理 员
控 日期 。 通 过 实 际 使 用 ， 该 工 具运 行稳 定 ， 可 实 现 实 时按交 易渠 道并 区 分 盟 市监 控 实 时交 易 情 况 ， 及 时
度员 ） 只 能接 听 ， 不 能讲话 。
广 播 短 消 息 — — 终 端 或 调 度 台 向 某 一 区 域 内 所有 用户 发送 点对 多 点 短 消 息 ， 在 信 息 传 送 时 无 需
接收 端确 认 。 组播 短 消息 ——
终端 或 调度 台某个 组 内的所
有用 户发 送点 对 多点 短 消 息 ， 在 信 息 传 送 时无 需 接
强 插 —— 具有 强 插权 限的 调度 台插入 到 一个 正 在进 行 的组呼 中 ， 并 获得 话语 权 。 紧急 呼 叫 —— 紧 急 呼 叫 时 一 种 具 有 最 高 优 先
LTE网络架构及UE行为分析
LTE网络架构及UE行为分析LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信技术，提供了更高的数据传输速率、更小的延迟和更好的网络容量。
LTE网络架构主要包括以下几个部分：UE（User Equipment）、eNodeB、EPC（Evolved Packet Core）、MME（Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）、PGW（PDN Gateway）等。
UE是LTE网络的终端设备，例如智能手机、平板电脑等。
UE通过与eNodeB（即基站）的无线接入连接到LTE网络。
eNodeB是LTE网络的无线接入节点，负责与UE进行无线通信，并将数据传输到核心网络。
每个eNodeB负责一个或多个小区（cell）的覆盖范围。
EPC是LTE网络的核心网络，主要包括MME、SGW和PGW三个重要的组件。
MME（Mobility Management Entity）是EPC的控制平面元素，负责处理UE的位置管理、会话管理等任务。
MME还负责与HSS（Home Subscriber Server）进行用户鉴权、获取用户配置文件等操作。
SGW（Serving Gateway）是EPC的用户面元素，负责处理UE与PDN （Packet Data Network）之间的数据传输。
当UE从一个小区切换到另一个小区时，数据传输会通过不同的SGW进行。
PGW（PDN Gateway）是EPC的用户面元素，负责连接LTE网络与外部网络，例如互联网。
PGW还处理所有与PDN相关的事务，例如用户的IP 地址分配、终端设备与外部网络之间的数据转发等。
UE在LTE网络中有一些典型的行为。
首先，当UE打开时，它会尝试与附近的eNodeB建立连接，进行初始接入过程。
在初始接入过程中，UE 和eNodeB之间进行身份验证、配置交换等操作。
UE还会周期性地发送位置更新消息给MME，以便网络能够追踪UE的位置。
TD-LTE 宽带数字集群通信系统
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、企业生产等领域，尤其可以在应对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，集群通信系统也经历了从第一代模拟集群通信系统，到第二代窄带数字集群通信系统的发展历程。
第二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的集群通信系统，其代表有：欧洲电信标准协会（ETSI）的陆上集群无线电系统 TETRA（Terrestrial Trunked Radio）、美国 Motorola 的综合数字增强网络 iDEN（Integrated Digital Enhanced Networks）系统、我国的基于 CDMA 技术的开放式集群架构 GoTa （Global open Trunking architecture）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方面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，不仅要求“听得到”，还要求“看得见”，促使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。
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LTE宽带集群的系统架构及业务分析
作者：张东瑞孙小婷
来源：《数字技术与应用》2013年第07期
摘要：本文回顾了集群通信系统的发展历程，分析了集群通信系统现状和发展趋势，介绍了一种LTE宽带数字集群通信的系统架构，描述了LTE集群系统所能支持的多媒体业务全景图。
关键词：LTE 宽带数字集群多媒体业务
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0022-02
1 引言
集群通信系统[1]，是指由多个用户共用一组无线信道并动态地使用这些信道的移动通信系统。
数字集群通信在全球大规模的开展[2]始于20世纪90年代中期，至今数字集群通信系统已广泛的应用到社会生活得各个领域，如铁路轨道交通、机场调度和大型体育通信保障等。
当前国内外实现商业的窄带数字集群系统，无论在数据传输能力方面还是多媒体业务的支持能力方面，都有很大的不足。
随着公网中接入技术的飞速发展，LTE已经能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率，借助公众网络中LTE技术，集群通信将迎来宽带化。
宽带数字集群通信系统基于宽带移动通信技术，以多媒体集群业务形式，提供指挥调度功能的专用移动通信系统。
它可以实现具备语音调度、数据调度、视频调度等多种业务协同的融合调度能力。
2 集群通信系统的发展历程
随着移动互联网的飞速发展，人们对移动通信质量的要求也逐渐提高，宽带化已经成为了移动通信的主要发展趋势[3]。
图1给出了集群通信系统的发展历程。
集群通信系统在技术上也将向系统宽带化、业务多样化、网络IP化、标准归一化的方向发展，以满足越来越丰富的各种应用需求。
当前数字集群技术应用已经日趋成熟，其中在我国已广泛商用的数字通信系统主要有欧洲电信标准协会的路上集群无线电系统TETRA、美国Motorola的综合数字增强网络iDEN、我国基于CDMA技术开发的GoTa和基于GSM技术的GT800系统[4]。
虽然这几种集群通信系统在我国市场得到较为广泛的应用，但是由于它们采用的是第二、第三代移动通信技术，无法做到全面满足集群系统用户诸如高清视频传输业务的需求，数字集群通信系统正朝着第四代迈进。
LTE是各主流无线通信技术标准演进的一致方向。
3 LTE集群概述
3.1 LTE集群系统架构
LTE集群通信系统是由终端、宽带无线接入子系统、网络子系统、信息调度子系统和操作维护子系统组成[5]。
图2为LTE集群通信系统网络结构拓扑图。
终端包括用户终端和调度台两种，用户终端包括手持式终端、车载台和固定台等；调度台则包括有线调度台和无线调度台两种。
用户终端和无线调度台是通过空中接口的方式与宽带无线接入子系统相连接，有线调度台则是通过有线连接的方式与网络子系统相连接的。
宽带无线接入子系统是由增强型基站（E-eNodeB）组成。
eNodeB在LTE系统基站（eNodeB）基础上增加了无线集群调度功能模块以支持集群业务。
网络子系统由增强型移动管理实体（eMME）、增强型归属签约用户服务器（eHSS）、服务网关（S-GW）、分组数据网络网关（P-GW）以及调度网关（D-GW）等组成，用于完成集群用户的呼叫控制、集群调度及集群用户的数据管理等功能。
信息调度子系统主要实现信息资源共享交换、应用集成、业务流程控制、网络管理安全认证等功能，主要为行业应用提供可视化操作，实现动态管理功能。
操作维护子系统进行集群用户的开户、销户及用户业务权限的更改等操作。
操作维护子系统从业务划分上有五个功能部件：安全管理、配置管理、故障管理、性能管理和其它管理。
（见图2）
3.2 LTE集群系统的优势
LTE宽带集群系统与现有的宽带集群相比有如下几大优势：
（1）高带宽：下行100Mbps，上行50Mbps的传输速率，包括数据、语音都可以通过这个通道进行传输，非常有利于军用信息化。
（2）高频谱利用率：采用OFDM调制方式和MIMO技术，具有较高的频谱利用率。
（3）呼叫时延短：呼叫时延等语音技术指标与窄带集群相当，控制面的时延达到100ms内，用户面时延达到5ms内。
通过进一步优化系统架构，使时延进一步减小，完全可以满足呼叫时延要求；（4）高覆盖：在1.8GHz的频段，基站覆盖范围可达4公里，实现视频传输；（5）高安全：LTE系统提供加密管理器和解密网关的软硬接口，并在协议栈中预留加密密钥传输的通道，可以终端双向鉴权、空口加密和端到端加密功能。
4 LTE集群业务类型分析
LTE集群通信系统中的业务主要包括：语音业务，大数据业务，视频业务等。
语音业务是专网指挥调度功能中最重要的手段和最依赖的沟通方式。
语音业务方面的要求是拥有快速的指挥调度能力，实现单呼、组呼、紧急呼叫、优先级呼叫、调度台核查呼叫等业务功能。
数据业
务具有高实时性和易操作性。
实现数据调度功能，需要承载两类数据业务，即承载尽力而为的数据业务和实时控制类的数据业务。
视频图像直接客观地反映了各类事件的真实信息，也是调度指挥人员对现场情况正确判断和指定行动方案不可缺少的重要依据。
宽带数字集群通信系统主要承载交互型视频业务，包括现场图像上传、视频通话、视频回传、视频监控等。
宽带集群系统的视频业务主要有业务类型丰富、高实时大数据量、多场景应用和高安全防护等特点。
针对以上业务特征，设计出了LTE集群通信系统中整个业务全景图，如图3所示，其中各个部分的功能如下：
BCC（业务控制中心）：对专网各项业务进行集中控制，包括用户/群组管理、会话管理、Qos管理。
主要完成语言、视频、录音录像的信令控制面流程处理。
BDC（业务数据中心）：由BCC控制，完成语音、视频业务媒体数据的处理（转码、混音）和分发，短数据业务的控制和维护，用户面的相关操作等。
其中BCC和BDC组成的服务器称为UBP（统一业务平台）。
调度台：完成专网各项业务应用的对外呈现与用户控制，提供对外接口供开发行业调度台。
主要提供调度台以及调度与业务集成的界面，完成调度台各项调度功能、视频监控功能，完成调度台的状态显示和告警显示功能。
录音录像设备：存储网络中的语音、视频通话记录与媒体数据的事件回放、审计。
完成录音、录像的数据存储，提供录音、录像查询和回放功能。
互联互通网关：完成与PSTN、Tetra网络、3G网络、IMS系统的互联互通。
终端业务应用：完成语音、视频、短信、GIS等各类业务的接入，包括专网移动终端、固定摄像头。
5 结语
随着集群用户种类的多元化发展，不同的用户对不同类型的业务突显出不同的需求。
当前集群系统正经历由窄带数字集群系统向宽带集群系统的演进，在此背景下，本文首先对集群系统的发展历程进行了分析，指出了集群通信系统与LTE融合将是发展趋势，随后对LTE网络下宽带集群通信系统进行相关的概述，最后分析了LTE集群业务类型。
随着LTE的逐步成熟和商用，集群通信系统也将借助LTE网络强大的数据传输能力实现向宽带化、IP化的演进，从而为用户提供更为快捷、可靠、丰富的集群通信业务。
参考文献
[1]郑祖辉，陆锦华.数字集群移动通信系统[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]Zhang Yinghua， Langfang. The Application of Digital Trunking Communication in Fire Wireless Communications. IEEE Journal on， 2011： 104-106.
[3]陈圆.基于LTE的宽带集群系统演进路线及关键技术研究[J].电信科学，2012年第11期.
[4]李瑞红，王进.几种数字集群通信系统性能分析[J].移动通信，2008（3）：54-58.
[5]华为技术有限公司.基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统的研究.。