基于LTE的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)的定距尋呼研究

楊波靖+魏蕾

摘 要：針對(duì)集群通信系統(tǒng)中定距尋呼必須使用地理位置系統(tǒng)輔助參與的問(wèn)題，文中基于LTE技術(shù)上行同步、鏈路預(yù)算測(cè)距方法，通過(guò)途徑衰落和能量損耗加權(quán)系數(shù)計(jì)算，提出了一種集群通信系統(tǒng)架構(gòu)下，基站與移動(dòng)終端間的全新定距尋呼方法，并應(yīng)用此方法在現(xiàn)有集群通信系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際部署和有效驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：LTE；集群通信系統(tǒng)；上行同步；鏈路預(yù)算；定距尋呼

中圖分類號(hào)：TN929.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

LTE（Long Term Evolution，LTE）通信標(biāo)準(zhǔn)是第四代移動(dòng)通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)之一，是由我國(guó)自主研發(fā)的LTE技術(shù)，已經(jīng)被3GPP組織定義為L(zhǎng)TE主要組成部分[1]。國(guó)際無(wú)線電協(xié)商委員會(huì)（CCIR）將集群通信系統(tǒng)命名為“Trunking Communication System”，即我國(guó)統(tǒng)稱的集群移動(dòng)通信系統(tǒng)，也可稱為集群通信系統(tǒng)或集群系統(tǒng)[2]。集群通信系統(tǒng)是專用的調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了具備公眾蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)所能提供的個(gè)人移動(dòng)通信服務(wù)外，還能實(shí)現(xiàn)個(gè)人與群體間的任意通信，并可進(jìn)行自主編控，保密性高，功能豐富[3]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外大范圍推廣部署LTE商用網(wǎng)絡(luò)，集群通信系統(tǒng)也逐步從原有的2G/3G網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)。由于集群通信系統(tǒng)的專用性和特殊性，在尋呼業(yè)務(wù)上有別于現(xiàn)有公網(wǎng)業(yè)務(wù)，尤其在組呼業(yè)務(wù)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)使用定距尋呼業(yè)務(wù)。但現(xiàn)有技術(shù)主要依靠地理位置信息系統(tǒng)進(jìn)行輔助測(cè)距尋呼，此舉擴(kuò)大了系統(tǒng)冗余性，不利于業(yè)務(wù)的推廣實(shí)施。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種將LTE上行同步過(guò)程與鏈路預(yù)算加權(quán)算法相結(jié)合進(jìn)行測(cè)距的方法，依據(jù)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行定距尋呼，并在現(xiàn)有集群通信系統(tǒng)上進(jìn)行部署和實(shí)施。

1 集群通信系統(tǒng)及定距尋呼

1.1 集群通信系統(tǒng)

集群通信系統(tǒng)從移動(dòng)公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中衍生出來(lái)，不僅具備移動(dòng)公共網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)特性，還具有自身特性。主要包括應(yīng)用側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)、設(shè)備側(cè)三部分，集群通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其應(yīng)用側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)、設(shè)備側(cè)的主要功能如下所示：

（1）應(yīng)用側(cè)主要進(jìn)行自動(dòng)/人工調(diào)度業(yè)務(wù)的并發(fā)處理及相關(guān)集群業(yè)務(wù)的觸發(fā)；

（2）網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要負(fù)責(zé)資源管理、移動(dòng)性管理、接入管理及廣播業(yè)務(wù)管理；

（3）設(shè)備側(cè)主要為使用者終端和其他使用者提供集群通話服務(wù)及相關(guān)業(yè)務(wù)。

1.2 集群通信系統(tǒng)特征及應(yīng)用

集群通信系統(tǒng)是為了滿足行業(yè)用戶指揮調(diào)度需求而開(kāi)發(fā)的、面向特定行業(yè)應(yīng)用的專用無(wú)線通信系統(tǒng)，集群系統(tǒng)中無(wú)線用戶可共享無(wú)線信道，以指揮調(diào)度為主體應(yīng)用，是一種多用途、高效能的無(wú)線通信系統(tǒng)[4]。此外，該系統(tǒng)還具有特有的組呼、快速呼叫以及呼叫接續(xù)快、支持私密呼叫、支持組呼且共享下行鏈路組播接收、支持半雙工通信PTT（Push To Talk）等特性。

集群通信系統(tǒng)在政府部門、公共安全、通信電力、民航石油和軍隊(duì)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷拓展，出租、物流、物業(yè)管理和工廠制造也逐步轉(zhuǎn)向集群通信系統(tǒng)。因此，集群通信系統(tǒng)逐漸成為公眾移動(dòng)通信之外的專用通信系統(tǒng)，然而LTE無(wú)線通信相對(duì)于集群通信業(yè)務(wù)還處于起步階段。

1.3 無(wú)線定距尋呼

從圖2可以看出，基站側(cè)通過(guò)對(duì)其接收范圍內(nèi)所有終端進(jìn)行測(cè)距，并估算出指定距離范圍內(nèi)的終端列表，根據(jù)列表進(jìn)行相關(guān)尋呼業(yè)務(wù)。定距尋呼業(yè)務(wù)在集群通信系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景中非常重要。

2 基于上行同步和鏈路預(yù)算技術(shù)的測(cè)距設(shè)計(jì)思想

通常情況下，基站和終端之間的路徑估算需要借助地理位置定位系統(tǒng)才能定位物理位置，從而推算出路徑距離。但在實(shí)際應(yīng)用中，集群通信系統(tǒng)和相關(guān)終端有可能提供地理定位功能。在該場(chǎng)景下，通過(guò)終端與基站之間上行同步過(guò)程和鏈路預(yù)算過(guò)程也能夠推算出基站和終端間的路徑距離[5]。

基于此設(shè)計(jì)方法，本文提出了通過(guò)上行同步鏈路預(yù)算加權(quán)過(guò)程測(cè)距方法，進(jìn)行集群系統(tǒng)內(nèi)定距尋呼。

基站、終端不支持地理位置系統(tǒng)定位測(cè)距，需要利用終端與基站間上行同步、鏈路預(yù)算過(guò)程進(jìn)行測(cè)距估算。終端和基站間的上行同步過(guò)程主要利用物理隨機(jī)接入信道PRACH（Physical Random Access Channel，PRACH），隨機(jī)接入信號(hào)包括CP（Cyclic Prefix）、序列（Sequence）、GT（Guard Time）三部分[6]。隨機(jī)接入信號(hào)如圖3所示。

終端和基站間存在兩種隨機(jī)接入過(guò)程，基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程和非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過(guò)程如圖4所示。

圖4中兩種接入過(guò)程的終端和基站間都傳遞周期的交互時(shí)頻信息。時(shí)頻信息包括終端和基站間傳輸調(diào)整時(shí)延和頻率衰減損耗等信息，基站和終端間的鏈路預(yù)算主要對(duì)兩者間的傳輸過(guò)程功率損耗進(jìn)行預(yù)算，評(píng)估出路徑損耗、陰影衰落、人體損耗、穿透損耗。通過(guò)理論傳輸功率進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，得出終端和基站傳輸路徑的加權(quán)系數(shù)。

通過(guò)上行同步過(guò)程時(shí)頻信息能夠得到理論傳輸距離，結(jié)合通過(guò)鏈路預(yù)算得到的加權(quán)系數(shù)，可以最終得到實(shí)際終端和基站間的實(shí)時(shí)傳輸距離。

如果基站、終端不支持地理位置系統(tǒng)定位測(cè)距，集群調(diào)度中心向網(wǎng)絡(luò)側(cè)移動(dòng)性管理實(shí)體發(fā)起臨時(shí)測(cè)距請(qǐng)求，并將需要測(cè)距的終端信息列表和基站信息一并下發(fā)。當(dāng)移動(dòng)性管理實(shí)體收到請(qǐng)求后進(jìn)行有效性判斷，排除已不在指定基站下的終端，之后向指定eNodeB發(fā)起終端、基站測(cè)距請(qǐng)求，請(qǐng)求中包含終端信息列表。eNodeB收到測(cè)距請(qǐng)求后，進(jìn)行上行同步和鏈路預(yù)算兩個(gè)過(guò)程并將最終計(jì)算結(jié)果即傳輸距離，返回到移動(dòng)性管理實(shí)體。移動(dòng)性管理實(shí)體收到終端基站間的傳輸距離后，將指定基站下實(shí)際使用終端的傳輸距離封裝成臨時(shí)地理信息，上報(bào)到應(yīng)用側(cè)增強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器，并通知集群調(diào)度中心完成測(cè)距請(qǐng)求。集群調(diào)度中心收到測(cè)距完成信息后對(duì)指定基站下實(shí)際使用的終端進(jìn)行尋呼業(yè)務(wù)。

3 定距尋呼在集群系統(tǒng)中的部署和應(yīng)用

結(jié)合上行同步、鏈路預(yù)算測(cè)距設(shè)計(jì)思想，在LTE寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)下設(shè)計(jì)一種定距尋呼方法，并結(jié)合實(shí)際組網(wǎng)形式進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)部署，具體實(shí)施步驟如下，整體方法如圖5所示。

應(yīng)用側(cè)有線調(diào)度臺(tái)向集群調(diào)度中心發(fā)起定距尋呼請(qǐng)求，其中尋呼請(qǐng)求包括了eNodeB基站站點(diǎn)信息、尋呼距離范圍、尋呼次數(shù)、尋呼類型等。集群調(diào)度中心收到請(qǐng)求且權(quán)限核實(shí)通過(guò)后，通過(guò)應(yīng)用側(cè)接口從移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）獲取當(dāng)前指定基站下的所有終端列表。如果基站、終端支持地理位置定位測(cè)距，終端（UE、固定臺(tái)、車載臺(tái)、調(diào)度臺(tái)）和基站設(shè)備（eNodeB）將實(shí)際地理位置信息實(shí)時(shí)上報(bào)到應(yīng)用側(cè)的增強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器（eHSS）。增強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器記錄各基站下支持地理位置定位的終端的具體地理位置信息。

集群調(diào)度中心根據(jù)獲得的終端列表逐一在增強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器（eHSS）進(jìn)行測(cè)距估算。若強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器能夠?qū)χ付ɑ尽⒅付ńK端進(jìn)行測(cè)距估算，計(jì)算基站和終端間的傳輸距離，且兩者間傳輸距離在有線調(diào)度臺(tái)請(qǐng)求尋呼范圍內(nèi)，則進(jìn)行相關(guān)集群尋呼業(yè)務(wù)并發(fā)。如果強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器無(wú)法估算傳輸距離，則將未定位設(shè)備列表返回到集群調(diào)度中心。

集群調(diào)度中心根據(jù)返回的終端列表，通過(guò)應(yīng)用側(cè)接口向網(wǎng)絡(luò)側(cè)移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）進(jìn)行臨時(shí)測(cè)距請(qǐng)求。請(qǐng)求包括基站站點(diǎn)信息與未定位終端列表信息。移動(dòng)性管理實(shí)體收到請(qǐng)求后進(jìn)行有效性判斷，剔除未定位終端列表中已經(jīng)不在指定基站下的終端，而后向指定基站eNodeB發(fā)起終端、基站測(cè)距請(qǐng)求，請(qǐng)求包括待測(cè)距終端信息列表。eNodeB收到測(cè)距請(qǐng)求后，進(jìn)行上行同步和鏈路預(yù)算兩個(gè)過(guò)程，并將最終計(jì)算得到的傳輸距離返回移動(dòng)性管理實(shí)體。通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)上述功能：

（1）根據(jù)上行同步隨機(jī)接入過(guò)程中交互的時(shí)頻信息，利用傳輸時(shí)延推算理論傳輸距離；

（2）根據(jù)鏈路預(yù)算對(duì)基站、終端間傳輸過(guò)程的功率損耗進(jìn)行預(yù)算，預(yù)算過(guò)程評(píng)估出路徑損耗、陰影衰落、人體損耗、穿透損耗參數(shù)；

（3）根據(jù)路徑損耗、陰影衰落、人體損耗、穿透損耗參數(shù)，通過(guò)理論傳輸功率進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，最終得到終端和基站傳輸路徑的加權(quán)系數(shù)；

（4）根據(jù)上行同步過(guò)程時(shí)頻信息能夠得到理論傳輸距離，結(jié)合通過(guò)鏈路估算得到的加權(quán)系數(shù)，最終計(jì)算得到終端和基站間的實(shí)際傳輸距離。

eNodeB逐一對(duì)測(cè)距終端信息列表進(jìn)行終端和基站間實(shí)際傳輸距離測(cè)量。eNodeB測(cè)距完成后，將測(cè)距終端信息列表和其對(duì)應(yīng)的實(shí)際傳輸距離發(fā)送到移動(dòng)性管理實(shí)體。移動(dòng)性管理實(shí)體收到eNodeB回應(yīng)的測(cè)距信息后，將指定基站下實(shí)際使用終端的傳輸距離封裝成臨時(shí)地理信息并上報(bào)到應(yīng)用側(cè)增強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器，同時(shí)通知集群調(diào)度中心完成測(cè)距請(qǐng)求。

集群調(diào)度中心收到測(cè)距完成信息，并根據(jù)移動(dòng)性管理實(shí)體回應(yīng)的實(shí)際使用終端信息列表逐一在增強(qiáng)型歸屬用戶服務(wù)器（eHSS）進(jìn)行測(cè)距估算。如兩者間傳輸距離在有線調(diào)度臺(tái)請(qǐng)求尋呼范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行相關(guān)的集群尋呼業(yè)務(wù)并發(fā)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)將上行同步、鏈路預(yù)算測(cè)距方法的研究應(yīng)用到集群通信系統(tǒng)中，文中設(shè)計(jì)了一種全新的定距尋呼方法并介紹了此方法的基本思想及實(shí)施部署方案，重點(diǎn)闡述了上行同步、鏈路預(yù)算關(guān)鍵技術(shù)，從而為集群通信系統(tǒng)提供一種高效、快速、安全的方法。此外，本次研究針對(duì)用戶多元化的需求可以提供有力的業(yè)務(wù)支撐，便于業(yè)務(wù)擴(kuò)展。

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