我国宽带集群通信技术标准演进

辛伟 宋得龙 李晓华 李佳

(1. 中国信息通信研究院技术与标准研究所,北京 100191;2.浪潮通信技术有限公司,北京 100094)

0 引言

宽带集群通信(Broadband Trunking Communication,B-TrunC)系统作为无线专用通信宽带化演进的典型系统,一方面要求其基于宽带无线通信技术,采用多媒体业务形式,以指挥调度功能为主,满足关键任务技术能力的要求;另一方面,需满足行业应用中多制式网络融合的高可控性、关键业务的高效性和极端场景下的高可用性等特殊需求,使得B-TrunC系统必须采用不同于公众移动通信的网络架构和关键技术。同时,即使是在同一行业内,也普遍存在多种制式网络并存、多种业务系统相互隔离的情况,因此需要B-TrunC系统支持宽窄融合、公专融合等发展方向,提供从窄带到宽带系统的过渡能力、更加安全可靠的宽带无线数据接入和多媒体集群调度能力、宽带与窄带无线通信系统的融合指挥调度能力以及公网与专网用户的融合通信能力,从而快速准确地处置突发事件。

2010年前后,我国提出了基于LTE技术的B-TrunC技术体制,多家设备商推出了B-TrunC私有化解决方案,但长期的实践经验表明,私有化解决方案只能一家供货,很难被市场和用户接受,市场规模小,产业发展受限。为了促进产业规模化健康可持续发展,中国信息通信研究院自2012年开始,牵头组织国内产、学、研、用各方,共同设计研发了基于LTE的B-TrunC系统,制定了B-TrunC标准,研发了B-TrunC SoC芯片、系列终端产品和系统设备,实现了B-TrunC广域多媒体指挥调度和应急保障功能。2016年,B-TrunC标准正式写入ITU-R M.2014-2标准修订稿中,成为ITU-R推荐的集群空中接口标准。

1 B-TrunC系统技术特征

B-TrunC是支持宽带数据传输及多媒体集群调度业务于一体的专网无线通信技术,在业务、功能和性能上具有以下典型技术特征[1-2]。

1.1 业务特征

语音业务: B-TrunC系统在语音业务方面能做到“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、调度台核查呼叫等。此外,B-TrunC系统还可以实现与公共交换电话网络、蜂窝移动通信网络以及其他数字集群通信系统的互联呼叫。

数据业务:B-TrunC系统不仅能承载尽力而为(Best Effort)类数据业务,还能够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,用户可以通过手持终端接收、发送和查询业务相关数据。

视频业务:行业人员利用B-TrunC系统进行指挥调度的过程中,不仅要“听得到”,还要“看得到”,B-TrunC系统可以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。

定位业务:用户终端支持全球定位系统、北斗、小区等多种位置格式上报,每个用户体验上报开关、周期、距离等参数灵活可配置,从而支持对终端各种精度的位置控制。

1.2 功能特征

多业务融合:新时期无线技术与应用互相促进,B-TrunC需求从语音发展到数据,进而有“百闻不如一见”的视频要求,甚至要求实现超越标清的高清视频。因此,B-TrunC系统需要提供语音调度、数据调度、视频调度等多种业务协同的融合调度功能。通过数据业务和视频业务能力弥补语音业务在准确性、可记录性方面的缺陷,从而实现全数字化、可视化、高度自动化、可记录、可追溯、事件驱动的指挥调度和协同作业能力。

指挥调度:B-TrunC系统配有专门、统一的指挥调度中心,根据事件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、遥晕/遥毙/复活、呼叫能力限制、繁忙排队、监控、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。

多行业共网管理:B-TrunC系统满足城市无线政务、公安、消防、医疗、城管、交通、环保等多行业部门共用网络的要求,各行业部门通过虚拟专用网络或独立的核心网进行独立的用户签约和业务管理,共享无线接入网和频谱资源。多行业共网不仅可以提高无线基础设施和频谱资源的利用效率,还可以实现高效的协同工作,满足跨地域、跨部门的大规模现代指挥调度的需求。

1.3 性能特征

快速接入能力:B-TrunC系统具有快速接入能力,组呼建立时间小于300 ms,话权抢占时间小于200 ms,可以实现快速的指挥调度。

更高的安全性和保密性:B-TrunC系统是针对行业应用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,B-TrunC系统提供了包括鉴权、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。

更高的可靠性:B-TrunC系统在网络可靠性方面有着更高的要求,要求具有故障弱化、单站集群和抗毁能力,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。B-TrunC终端还应该具有脱网直通的能力,使得在网络无法覆盖时,能够支持群组用户的脱网直通能力。

B-TrunC技术解决了模拟和窄带集群业务速率低、无线空口集群通信资源受限、集群专网尚无大规模组网能力、异构系统间缺少统一的指挥调度能力等方面的难点,实现了关键技术突破。目前,我国已建立完备的B-TrunC技术标准演进体系,形成包括国际标准、国家标准、行业标准、联盟标准等多项标准成果,标准演进过程分为3个阶段(见图1)。

图1 宽带集群B-TrunC标准演进体系

2 B-TrunC标准介绍

2.1 B-TrunC第一阶段标准

B-TrunC第一阶段标准[3-6]作为首个标准版本,定位本地组网,在兼容LTE R9的基础上,支持宽带数据业务,同时增强语音集群调度、短消息、多媒体集群调度业务,开放了终端(包括无线终端、调度台)与系统的接口,规范了终端与系统跨设备商的互联互通接口和功能性能要求,解决异厂家的终端和网络兼容问题,为用户提供更多的产品选择。B-TrunC第一阶段系列标准共包含22项标准,已于2015年发布。该版本标准允许核心网内部灵活部署,优先完成终端与基站、终端与集群核心网、调度台与集群核心网之间的互联互通,明确了相关的接口和功能性能要求,网络架构如图2所示。

图2 B-TrunC第一阶段标准网络架构

组呼是集群通信的基本业务,B-TrunC在LTE点对点传输的基础上增强了下行点对多点的传输,采用下行共享信道方式支持单小区点对多点的组播。定义了新的下行点到多点模式的集群专用逻辑信道。B-TrunC核心网是提供B-TrunC业务的网络,在现有LTE核心网架构的基础上,为了实现集群业务,创新地设计了集群控制功能体(Trunking Control Function,TCF)、集群媒体功能体(Trunking Media Function,TMF),并对LTE原有网元移动管理实体(Mobility Management Entity,MME)、服务网关(Serving GateWay,SGW)、分组数据网络网关(Packet Data Network GateWay,PGW)、归属用户服务器(Home Subscriber Server,HSS),进行功能增强设计,设计实现了增强的移动管理实体(evolved Mobility Management Entity,eMME)、综合网关(x Gateway,xGW)、增强的归属用户服务器(evolved Home Subscriber Server,eHSS)。B-TrunC核心网包括的5个逻辑网元根据实际部署可以合设形成实际网元设备。

2.2 B-TrunC第二阶段标准

B-TrunC第二阶段标准[7-10]在兼容第一阶段标准的基础上,支持区域和全国性大规模组网的切换和漫游,开放了核心网间、核心网到基站之间的接口协议。此外,B-TrunC第二阶段标准还支持政务、轨道交通、铁路等行业B-TrunC调度的新业务功能,进一步增强安全机制,并通过开放的核心网接口支持与窄带B-TrunC、PSTN、公众蜂窝移动通信网的互通。B-TrunC 第二阶段系列标准共包含40项,已于2019年发布。

随着B-TrunC系统应用范围的扩大,行业用户开始部署更多的核心网,核心网间的组网需求逐渐显现。为满足行业用户对规模组网和互联互通的迫切需求,B-TrunC第二阶段标准进一步开放了核心网间接口和基站与核心网间的S1接口,支持漫游场景和跨网、跨区域互通。

B-TrunC第二阶段系统由共用eHSS的多个B-TrunC核心网、LTE B-TrunC基站、LTE B-TrunC终端、调度台DC组成,网络架构如图3所示。与第一阶段相比,新的架构明确了B-TrunC核心网内部的组成,并将eHSS从逻辑上分为负责LTE数据签约管理的HSS和负责集群签约数据管理的集群归属用户服务器(Trunking Home Subscriber Server,THSS)两个单元,使数据库的架构设计更为清晰。

图3 B-TrunC第二阶段标准网络架构

为实现大规模组网场景下不同厂家设备间的互联互通,除了标准的S5、S10、S6a接口之外,还设计了如下集群扩展接口。

S1-T接口:B-TrunC基站与核心网之间的接口,除基本的S1接口功能外,还负责组呼上下文管理、组呼承载管理和B-TrunC移动性增强等。

TC1接口:TCF与eHSS之间的接口,基于Diameter协议,负责集群注册、集群鉴权和集群数据管理等。

TC2接口:控制面为TCF之间的接口,基于会话发起协议(Session Initiation Protocol,SIP);用户面为TMF之间的接口,基于实时传输协议(Real-time Transport Protocol,RTP),负责两个集群核心网之间的业务信令和数据传输。

上述接口的标准化使运营方在大规模组网时增加了对网络设备的可选择性,并通过归属地路由控制策略保证跨网时的业务一致性,为不同规模的设备制造商加入产业链扫除了障碍,有利于产业化推进。

B-TrunC第二阶段标准还增强了组呼空口加密特性,支持组呼下行点到多点传输的无线资源管理(Radio Resource Control,RRC)信令、非接入层(Non Access Stratum,NAS)信令的加密和完整性保护,以及下行点到多点业务数据的加密。

同时,B-TrunC第二阶段标准还支持根据行业的具体需求进行深度定制,已被轨道交通行业标准城市轨道交通车地综合通信系统(Long Term Evolution for Metro,LTE-M)采纳为集群调度的基础技术。在B-TrunC架构上增加了LTE-M应用层,两者之间采用松耦合,LTE-M业务流程如功能号查询、列车信息更新、转组通知等和现有的B-TrunC单呼、组呼、动态重组流程彼此独立,通过将B-TrunC过程和LTE-M业务过程进行关联,整合为一个完整的LTE-M端到端流程。此外,为了应对某些地铁项目地上、地下中心频率不同的场景,还支持异频测量以实现异频切换。

除了上述主要特性外,B-TrunC第二阶段标准还支持与窄带B-TrunC通过互联网关相连接,由网关负责两侧系统的协议转换、媒体路由、媒体格式转换等,可实现集中式控制或分布式控制,支持单呼、组呼、实时短数据等基本业务互通;支持多运营商核心网(Multi-Operator Core Network,MOCN)模式的基站共享组网,不同行业可以分别建设自己的B-TrunC核心网,通过不同的公共陆地移动网(Public Land Mobile Network,PLMN)区分,B-TrunC基站为多个核心网提供接入网服务,每个行业按配额获得一部分网络资源以节省投资;支持通过用户面可扩展消息传递和状态协议提供定位和多媒体消息业务(彩信)。

2.3 B-TrunC第三阶段标准

B-TrunC第三阶段标准重点研究向5G演进、移动物联网业务、宽窄网络融合和公专业务融合等关键技术。B-TrunC第三阶段物联网系列标准已完成制定,共包含6项标准,已于2019年发布。B-TrunC 5G标准在继承B-TrunC 4G功能和特性的同时,充分利用5G核心网的灵活性以及5G空口的高性能,为行业用户提供更丰富的集群业务、视频业务和数据业务,并达到更大的带宽,更快速灵活和高效的资源分配,更高的安全性,更强的可扩展性等业务能力。

B-TrunC第三阶段物联网标准,支持节能模式,尽量使终端保持在低功耗状态,满足了物联网终端低功耗的要求。在数据传输方面,B-TrunC系统支持用户面优化数据传输、控制面数据传输、Non-IP数据传输等多种方式。

B-TrunC 5G标准,在5G技术基础上,面向行业B-TrunC需求,设计完整的B-TrunC网络架构、高频谱效率的空口组播传输方式,低时延的B-TrunC业务协议栈,完善的B-TrunC组网和漫游机制、标准开放的网元间接口、优化的网络性能和更加丰富的多媒体调度业务。

依托B-TrunC第二阶段系统架构,在尽量保证原有5G核心网网元功能的基础上,增加支持集群功能的TCF、TMF、集群群组会话管理功能(Trunking Session Management Function,TSMF)、集群用户面功能(Trunking User Plane Function,TUPF)、集群统一数据管理(Trunking Unified Data Management,TUDM)集群网元,完成集群相关功能的实现,提出了全新的B-TrunC 5G系统组网架构(见图4)。

图4 B-TrunC 5G系统架构

B-TrunC第三阶段标准的制定,将推动行业无线专网宽带接入和B-TrunC技术标准向5G演进,为B-TrunC和应急通信规模化发展提供了坚实的标准依据,助力垂直行业向更加多样化的场景、更高的业务性能要求和全方位的安全保障方向演进。同时,充分考虑公网和专网的协同应用,宽带和窄带的融合发展,更好地实现行业宽带化、数字化和信息化。

3 结束语

我国B-TrunC系统在技术研究、标准推进、产品开发等方面均处于国际领先水平,并已广泛应用于公共安全、应急保障、无线政务、能源交通等多个重要领域,涵盖国内多个省、市、自治区,在国家多个重大事件和活动中发挥了重要的保障作用。此外,B-TrunC系统在20余个国家落地应用,取得了显著的经济和社会效益。推动了国家战略性基础设施的快速发展,实现了产业链全面自主可控,满足了行业无线专网宽带化发展需要,为我国B-TrunC产业自主创新和行业应用高质量发展发挥了重要作用。