LTE-R组呼业务无线承载方案研究

肖正杰

(通号通信信息集团有限公司，北京 100070)

1 概述

450 M 模拟移动系统从20 世纪80 年代末应用到铁路行业，主要为语音通信设计，功能单一，无法承载列控信息，不能满足列车运行控制系统安全信息传输的要求。为了满足铁路无线调度通信和列控信息无线承载的业务需求，1993 年国际铁路联盟UIC 借鉴GSM 标准的经验，开始研究和试验GSM-R 标准，并于2000 年将GSM-R 标准发布，同年，中华人民共和国铁道部确定GSM-R 移动系统为我国铁路无线通信的行业标准[1]。现在，由于公网GSM 市场的逐步萎缩，公网GSM 产业链对GSM 产品的支持会逐步减弱，这也会对铁路GSM-R 市场产生重大影响。根据国际铁路联盟UIC 的规划，2022 年左右，GSM-R 产品设备将逐步退出市场；同时随着社会发展和技术进步，铁路运营中产生许多新的信息服务需求，对移动宽带化的需求越来越强烈；因此中国铁路总公司希望利用公网LTE 技术，通过技术研究和现场试验，形成一套满足铁路未来业务应用需要的LTE-R 通信标准，希望LTE-R 网络既能继承现有GSM-R 的业务应用，又能满足未来铁路业务移动宽带化的需求[2]。

GSM-R 的组呼业务是铁路调度通信的关键功能，LTE-R 网络必须继承该功能以实现网络应用业务功能的平滑演进，如何在LTE-R 网络实现组呼业务的无线承载，下面将对该问题进行讨论和研究。

2 LTE-R组呼业务无线网络总体架构

针对专网行业的应用场景，3GPP 组织在LTE R12 标准中对组呼通信业务的无线承载进行了深入的研究，并提出了GCSE 的解决方案，其总体架构如图1 所示。LTE-R 借鉴该架构以实现相应的组呼业务功能。

图1 LTE GCSE网络组播业务无线网络架构Fig.1 Wireless networking architectures of LTE GCSE network group call service

在GCSE 方案中，GCS-AS 组呼应用服务器用于支持语音点呼组呼、视频点呼组呼、短数据等等应用层业务，实现对组用户的管理和配置、点呼组呼等呼叫流程的控制等功能[3]。对于组呼业务，GCS-AS 的组播数据流通过LTE 网络到达用户终端，其无线承载路径有两种可能。

1）如果用户终端UE 接收LTE 网络无线空口的组播信号质量良好，组呼应用服务器GCS-AS 将通过MB2 接口将组播数据流下发到组播业务中心BM-SC，BM-SC 再将组呼数据转发给多播业务网关MBMS-GW，MBMS-GW 根据MME 的相关信令，通过IP 组播的方式将媒体数据下发到相应的基站eNodeB，终端用户UE 通过空口的多播信道接收组播媒体流。

2）在终端用户UE 无法正常接收到LTE 网络多播信号的情况下，为了实现组呼业务的连续性，组呼应用服务器GCS-AS 将通过LTE 网络和通话组内不具备多播通道的终端用户各自建立一个单播路径，即通过SGi 接口，将组呼数据流通过S/P-GW 送到基站eNodeB，然后在空口通过普通的无线承载通道将业务数据流下发到相应的用户终端[3]。

3 LTE-R组呼业务空口承载实现方案

在GCSE 网络架构下实现组呼业务功能，难点在于如何在空口实现组呼业务的承载。由于无线通信的空口频率资源非常紧张，如果在空口通过多播转单播的方式实现组呼业务承载，这就要求给相应组呼小区下参与组呼的用户终端各自分配一个无线承载通道，并且基站需要复制相应的组呼数据给每个终端用户以实现组呼通信功能，因此如果组呼用户很多，这将极大的消耗无线空口资源，同时基站处理组呼业务时的能力也随着组呼数量和组内用户数量的增加而快速下降[4]。因此，针对该问题，为了减少组呼业务对空口资源的占用，在空口实现点对多点的通信业务，3GPP 标准组织进行了长期深入研究，提出了基于LTE 的eMBMS 解决方案[5]。

在eMBMS 方案中，空口协议栈增加了专门的信道用于传输多播信令与业务，具体如图2 所示[6]。在MAC 层，增加了多播控制信道MCCH 和多播业务信道MTCH 两个逻辑信道，分别用于传输多播信令与多播业务；MAC 层的MCCH 与MTCH都映射到多播传输信道MCH 上，实现对多个多播业务的调度传输；物理层的PMCH 实现最终多播业务无线承载，将多播业务从空口发射出去。另外，MAC 层的BCCH（SIB13）用来广播MCCH 的配置信息[7]。

当一个组呼会话建立时，都会产生一个带有临时移动组呼标记TMGI 的会话，临时移动组呼标记TMGI 和基站的MTCH 信道具有对应关系。该会话由多播组播业务中心BM-SC 建立，网络的MBMS-GW、MCE 等多播网元实体处理完相关业务流程后，将组呼业务的数据传送给相应组呼区域的基站群。在空口，为了让组内终端接收到组播业务数据，基站需要提前把多播业务对应的MCH 资源告知组内终端，以实现空口的点到多点传输，其大致流程如下。

图2 LTE eMBMS空口信道Fig.2 LTE eMBMS Air interface channel

1） 基 站 通 过BCCH 的SIB13 广 播 所 有MBSFN Area 的MCCH 配 置， 包 括MCCH 的 位置以及MCCH 的调制方式，组内所有的用户终端收到BCCH 的SIB13 消息后，通过解析可以得到相应的MCCH 发送时频位置。

2）MCCH 的MBSFN Area Configuration消息包含MCH 相关配置信息，包括用于指示每个MCH 的位置、调制编码方式、每个MCH 调度复用的MTCH 信息等，组内终端在收到MCCH 相关消息后，通过解析就知道该组呼会话对应的MTCH所在的时频资源，组内所有终端都可以在该无线时频资源上接收到相应组播业务数据。这样，一个组呼会话就可以在空口正常进行通信了[8]。

4 总结

LTE-R 组呼业务的无线承载方案借鉴LTE GCSE 网络总体架构，通过利用无线空口的多播组播信道，对于单个组呼业务，基站只需要用一个无线资源就可将组呼数据传输给多个终端用户，实现点到多点的业务传输，相较于空口的组播转单播方案，可有效减少组呼业务对空口无线资源的占用。