吳志斌，周昌盛

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

TD-LTE寬帶數(shù)字集群核心網設計

吳志斌，周昌盛

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

簡要介紹了由工信部中國通信標準化協(xié)會（CCSA）提出并牽頭制訂的寬帶數(shù)字集群（B-TrunC）標準，提出了遵循此標準的基于TD-LTE技術的寬帶數(shù)字集群核心網實現(xiàn)方案，并對系統(tǒng)的主要功能進行了描述。

TD-LTE寬帶數(shù)字集群核心網 eMME xGW eHSS TCF TMF

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.13.013

1 引言

集群通信系統(tǒng)作為專用移動通信系統(tǒng)在許多行業(yè)應用中發(fā)揮著重要作用。隨著國民經濟的快速發(fā)展，以話音為主的傳統(tǒng)窄帶集群系統(tǒng)難以滿足對寬帶數(shù)據(jù)和視頻應用融合的調度要求。而隨著3G、4G技術的商用，出現(xiàn)了基于POC（PPT Over Cellular，無線一鍵通）方式的公網寬帶集群應用，這種方式雖然能滿足一般的寬帶集群應用，但無法滿足實時性要求高、QoS有保障的行業(yè)、政務、應急指揮等應用?；谏鲜鲈?，由工信部中國通信標準化協(xié)會（CCSA）提出并牽頭制訂了寬帶數(shù)字集群（B-TrunC）標準，而本文依據(jù)該標準提出了一種基于TD-LTE技術的寬帶數(shù)字集群核心網的實現(xiàn)方案。

2 CCSA B-TrunC標準簡介

2.1 標準體系

CCSA B-TrunC標準由工信部中國通信標準化協(xié)會提出并牽頭制訂，2012年11月開始制訂基于TD-LTE的B-TrunC 標準，至2014年底完成了第一階段標準的制訂，包含如下標準：《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)總體技術要求（第一階段）》；《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)接口技術要求（第一階段）空中接口》；《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)接口技術要求（第一階段）終端到集群核心網接口》；《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)接口技術要求（第一階段）集群核心網到調度臺接口》；《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)接口測試方法（第一階段）空中接口》；《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)接口測試方法（第一階段）終端到集群核心網接口》；《基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)系統(tǒng)接口測試方法（第一階段）集群核心網到調度臺接口》。

2.2 系統(tǒng)架構

基于TD-LTE技術的專網寬帶集群系統(tǒng)由終端、基站、集群核心網和調度臺組成，如圖1所示：

圖1 TD-LTE專網寬帶集群系統(tǒng)架構

2.3 集群核心網

CCSA B-TrunC 標準第一階段未對核心網系統(tǒng)組成和接口進行標準化，只是定義了核心網邏輯組成，同時給出了幾種典型的分解模型。

（1）集群核心網組成

按照CCSA B-TrunC標準的定義，集群核心網由eMME、xGW、eHSS、TCF、TMF這5個邏輯實體組成，這些邏輯實體根據(jù)實際部署可合設形成實際網元設備。

增強型移動性管理實體）：是在3GPP標準定義的MME基礎上增強集群功能，包括集群NAS信令及其安全、xGW選擇、集群承載管理、集群業(yè)務的移動性管理、接入控制和會話管理。

eHSS（Evolved Home Subscriber Server，增強型歸屬簽約用戶服務器）：是在3GPP標準定義的HSS基礎上增強集群用戶信息管理功能，包括集群用戶簽約信息、集群用戶業(yè)務簽約信息、集群組簽約信息、集群用戶安全信息、集群用戶位置信息、集群用戶狀態(tài)和業(yè)務狀態(tài)信息。

xGW（x Gateway，合設網關）：是在3GPP標準定義的合設網關SAE-GW基礎上增強集群功能，包括集群承載建立、修改和刪除、集群數(shù)據(jù)路由和轉發(fā)、集群業(yè)務計費信息收集。

TCF（Trunking Control Function，集群控制功能）：負責集群業(yè)務的調度管理，主要功能有支持包括語音、視頻、數(shù)據(jù)在內的多媒體集群業(yè)務調度、集群業(yè)務的鑒權和授權、注冊和注銷、集群呼叫的建立和釋放、話權管理、集群組信息訂閱及更新。

TMF（Trunking Media Function，集群媒體功能）：負責集群業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸，主要功能包括集群用戶面管理、集群業(yè)務數(shù)據(jù)的路由和轉發(fā)、集群業(yè)務數(shù)據(jù)的復制和分發(fā)、集群業(yè)務媒體編解碼轉換。

（2）集群核心網分解

CCSA B-TrunC標準給出了集群核心網的參考分解模型，有以下4種。

1）集群核心網分解1如圖2所示，TMSE（Trunking Mobility Session Entity，集群移動性會話實體）：

圖2 集群核心網分解1

2）集群核心網分解2如圖3所示，SCC（Switch and Control Center，交換控制中心）。

3）集群核心網分解3如圖4所示，TMME（Trunking Mobility Management Entity，集群移動管理單元），TGW（Trunking Gate way，集群網關）。

圖4 集群核心網分解3

4）集群核心網分解4如圖5所示，TCMFE（Trunking Control and Media Function Entity，集群控制和媒體功能實體）：

圖5 集群核心網分解4

在具體應用中可選擇其中一種分解模式進行設備研制和部署。

3 集群核心網實現(xiàn)

3.1 集群核心網主要功能和性能

（1）集群核心網主要功能要求

LTE寬帶集群系統(tǒng)要求能夠最大化地滿足不同行業(yè)、不同組網場景的基本業(yè)務需求以及性能要求，應支持TD-LTE基本功能和集群業(yè)務功能。

1）TD-LTE基本功能

集群核心網支持TD-LTE基本功能，包括標識管理、節(jié)點選擇、移動性管理、會話管理、用戶數(shù)據(jù)管理、網絡接入控制、分組數(shù)據(jù)路由和傳送、無線資源管理、APN限制、IP地址管理、QoS控制、安全管理等功能。

2）集群業(yè)務需求

集群核心網支持的集群業(yè)務包括集群語音、集群多媒體、集群數(shù)據(jù)和集群補充業(yè)務，各業(yè)務詳細要求如表1—表4所示：

表1 集群語音業(yè)務

表2 集群多媒體業(yè)務

表3 集群數(shù)據(jù)業(yè)務

表4 集群補充業(yè)務

（2）系統(tǒng)性能指標要求

系統(tǒng)性能指標要求如表5所示：

表5 系統(tǒng)性能指標要求

3.2 集群核心網硬件架構

集群核心網硬件上采用13U ATCA架構，具備電信級高可靠性，采用模塊化設計，易于擴展，適用于大中規(guī)模網絡，一共有4種類型的ATCA板卡：

（1）交換板

系統(tǒng)基本配置、固定槽位配置；主要用于ATCA機箱板間交換；配置為1:1主備工作模式；單板交換容量為224Gbps。

（2）路由處理板

運行業(yè)務路由服務；配置2個Cavium多核處理器；配置2個高容量交換芯片；提供所有的基于IP的對外接口，負責外部網絡的連接，同時負責將外部信令和數(shù)據(jù)分發(fā)到指定板卡處理；最小配置時為可選，其它配置下必選；配置為1+1負荷分擔工作模式。

（3）主控板

圖6 分解2典型部署

系統(tǒng)基本配置；負責對機框設備的硬件和軟件進行統(tǒng)一管理，包括板卡的角色管理；提供統(tǒng)一的設備OAM管理和北向接口；提供統(tǒng)一的存儲服務；配置為1:1主備工作模式；提供數(shù)據(jù)庫功能；提供eHSS FE（Front End，前端）功能。

（4）通用處理板

可根據(jù)需要靈活部署邏輯網元/軟件模塊，板卡角色和模塊部署由主控卡負責管理；控制面處理板卡一般采用1:1主備工作模式，用戶面處理板卡一般采用N+1冗余工作模式；可隨意板卡新增、移除或更換，通用處理板卡不需要預先安裝指定網元/模塊的軟件，板卡上電會根據(jù)主控板上配置的槽位角色自動加載軟件，方便備品備件和故障維護。

（5）硬件配置

集群核心網部署可根據(jù)實際情況靈活配置，按照分解2進行網元動態(tài)部署的典型配置如圖6所示，主控板、eMME采用1:1主備工作模式，SCC采用N-sharing負荷分擔工作模式，xGW采用N+1冗余工作模式。

按照分解3進行控制面、用戶面分離部署的典型配置如圖7所示，控制面采用1:1主備工作模式，用戶面采用N+1冗余工作模式。

3.3 集群核心網軟件架構

圖7 分解3典型部署

集群核心網軟件體系構架采用統(tǒng)一通用軟件平臺。統(tǒng)一通用軟件平臺是基于電信級Linux（CGL）操作系統(tǒng)開發(fā)，為eMME、xGW、eHSS、TCF、TMF等應用軟件提供各種通用的基礎平臺服務，包括Base服務、操作管理維護（OAM）服務、高可用性（HA）中間件、各種基礎網絡應用服務（如FTP、DHCP、NFS等）、各種設計框架（應用進程框架、內存塊管理框架、通用編解碼框架等），此外還提供強大的工具集以方便調試定位問題。

統(tǒng)一通用軟件平臺系統(tǒng)架構如圖8所示：

圖8 統(tǒng)一通用軟件平臺系統(tǒng)架構

（1）eMME應用子系統(tǒng)軟件設計

eMME是移動管理實體，負責移動性和承載管理。eMME是在LTE標準MME基礎上進行集群功能的增強。按照功能需求，eMME系統(tǒng)軟件分為9個軟件單元：GTP-C協(xié)議處理單元、S1AP協(xié)議處理單元、Diameter協(xié)議處理單元、SIP協(xié)議處理單元、用戶控制單元、接入控制單元、NAS協(xié)議單元、移動性管理單元和會話管理單元，各單元之間的關系如圖9所示：

圖9 eMME軟件單元關系圖

（2）xGW應用子系統(tǒng)軟件設計

xGW是合設網關實體，主要負責承載管理和數(shù)據(jù)路由與轉發(fā)。xGW是在LTE標準SAE-GW基礎上進行集群功能的增強。按照功能需求，xGW系統(tǒng)軟件分為9個軟件單元：會話管理單元、隧道管理單元、IP地址分配單元、策略控制單元、路由轉發(fā)單元、GTP-C協(xié)議處理單元、GTP-U協(xié)議處理單元、SGi接口單元和RTP協(xié)議處理單元，各單元之間的關系如圖10所示。

（3）eHSS應用子系統(tǒng)軟件設計

eHSS是簽約數(shù)據(jù)管理中心和鑒權中心。eHSS是基于LTE標準HSS軟件改進而來。按照功能需求，eHSS軟件分為5個軟件單元：數(shù)據(jù)庫操作單元、Diameter協(xié)議處理單元、用戶/業(yè)務數(shù)據(jù)處理單元、鑒權單元、位置管理單元，各單元之間的關系如圖11所示。

圖10 xGW軟件單元關系圖

圖11 HSS系統(tǒng)內部單元關系圖

（4）TCF應用子系統(tǒng)軟件設計

TCF負責集群業(yè)務的調度管理。TCF軟件是在IMS軟件架構上改進而來，方便異系統(tǒng)互聯(lián)互通。按功能軟件，TCF軟件分為4個軟件單元：呼叫會話控制單元、集群業(yè)務控制單元、調度單元、簽約定位功能單元，各單元之間的關系如圖12所示。

（5）TMF應用子系統(tǒng)軟件設計

TMF負責集群業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸。TMF軟件分為5個軟件單元：SIP協(xié)議處理單元、媒體路由轉發(fā)單元、媒體轉換單元、媒體多點接入單元、組呼控制單元，各單元之間的關系如圖13所示。

圖13 TMF軟件部件單元組成

4 結束語

本文給出了TD-LTE寬帶數(shù)字集群核心網的一種中大規(guī)模組網的設計方案，該方案具備電信級高可靠性和高可用性，單板故障時保障業(yè)務連續(xù)性。軟件采用模塊化設計，可根據(jù)需要動態(tài)靈活部署，支持網元獨立部署，控制面用戶面分離部署，甚至基于多核的單板混合部署。業(yè)務板卡支持服務可配置，業(yè)務板卡上電時根據(jù)配置自動加載服務，無須安裝，提升系統(tǒng)可維護性。該方案可以根據(jù)不同的應用場景進行部署與優(yōu)化，滿足大規(guī)模組網、車載機動組網、便攜式或者升空等應用，可極大地提升能源、交通、市政管理、搶險救災等行業(yè)指揮調度的能力。

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Design of TD-LTE Broadband Digital Trunk Core Network

WU Zhi-bin, ZHOU Chang-sheng

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

The standard of broadband digital trunk (B-TrunC) proposed and formulated by China Communications Standards Association (CCSA) of Ministry of Industry and Information Technology (MIIT) was briefly introduced. The implementation scheme of broadband digital trunk core network based on TD-LTE technology was put forward and its main functions were described.

TD-LTE broadband digital trunk core network evolved Mobility Management Entity x Gateway evolved Home Subscriber Server Trunking Control Function Trunking Media Function

TN929.52

A

1006-1010(2015)13-0062-07

吳志斌,周昌盛. TD-LTE寬帶數(shù)字集群核心網設計[J]. 移動通信, 2015,39(13): 62-68.

2015-03-31

劉文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

吳志斌：高級專家，畢業(yè)于西安電子科技大學，現(xiàn)任中國電子科技集團公司第七研究所副總工程師，主要從事移動通信系統(tǒng)總體及網絡交換技術研究。

周昌盛：高級工程師，碩士畢業(yè)于華中科技大學，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要從事LTE EPC核心網設計與開發(fā)工作。