宽带集群系统中PIS数据传输方法的设计研究

2022-08-03候春辉孙敬伟康志杰

通信电源技术 2022年6期

候春辉，孙敬伟，康志杰

（河北远东通信系统工程有限公司，河北石家庄 050200）

0 引言

宽带集群（Broardband Trunking Communication，B-TrunC）是基于宽带无线移动通信技术，支持宽带数据传输业务、语音和多媒体形式的集群指挥调度业务的宽带无线通信系统[1]。宽带集群系统能够很好地提供语音、视频等通信服务，目前已经在轨道交通、公共安全等垂直领域得到了广泛应用，显著提高了生产效率和社会经济效益[2]。随着B-TrunC系统相关标准和行业规范的发布，轨道交通专用无线集群系统采用B-TrunC制式取代泛欧集群无线电（Trans European Trunked Radio，TETRA）已成为行业共识[3]。乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）是地铁中为乘客提供各类资讯的服务系统，依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，通过车站显示终端和车载显示终端向乘客发布导乘信息、运营信息、地铁服务宣传信息及商业广告等内容[4,5]。本文在宽带集群系统的基础上设计了PIS数据传输方法，并通过模拟应用场景验证了设计的可行性。

1 总体架构

宽带集群系统由宽带集群核心网（Trunking Core Network，TCN）、宽带集群基站（T-eNB）、宽带集群终端、业务管理台、PIS业务服务器以及PIS终端组成，如图1所示。

图1 宽带集群系统的总体架构

TCN是提供宽带集群业务的网络，包含eMME、xGW、eHSS、TCF以及TMF这5个逻辑实体。集群核心网是整个宽带集群系统的核心，不仅负责终端设备移动性管理、会话管理、用户数据管理、接入控制、IP地址分配、服务质量（Quality of Service，QoS）控制以及分组数据路由转发等长期演进（Long Term Evolution，LTE）基本服务功能，而且为集群通信终端提供集群语音业务、集群多媒体业务、集群数据业务以及集群补充业务等。

T-eNB通过S1-T接口连接集群核心网，支持集群终端接入、集群无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）、集群寻呼、集群信道映射以及集群承载等功能。

集群终端通过集群Uu-T空中接口接入集群基站T-eNB，实现基于IP的分组数据传输业务和集群业务。

业务管理台通过内部接口连接集群核心网进行业务的配置和管理，包括用户、组签约数据配置和TCF配置。

PIS业务服务器负责生成PIS音视频业务的媒体数据包，并通过组播方式发送给集群核心网。

PIS展示终端用于接收PIS音视频业务的媒体包，并通过视频播放器完成PIS业务的展示。

2 设计原理

城市轨道交通中，PIS业务的典型特点是点到多点的业务数据传输。承载音视频信息的媒体数据由PIS业务服务器发出，推送到分布在不同位置的PIS展示终端上，这些音视频数据的内容是相同的[6]。基于以上特点，采用IP组播和空口组播相结合的方式来实现PIS业务数据传输。

IP组播是在发送者和每个接收者之间实现点对多点的数据传输，如果一个发送者同时给多个接收者传输相同的数据，只需复制一份相同的数据包，有效提高了数据传送效率，减少了网络出现拥堵的可能性[7]。组播解决了单播和广播方式传输效率较低的问题，当网络中的多个用户请求特定信息时，组播源仅发送一次信息，组播路由器借助组播路由协议为组播数据包建立树型路由，被传递的信息在尽可能远的分叉路口才开始复制和分发。相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。此外，由于组播协议是根据用户的需要对数据流进行复制转发，因此服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。

空口组播是在集群系统中引入集群下行共享信道，用于传输集群点到多点的下行控制信令和业务数据[8]。集群下行共享信道使用的空口资源是集群组成员共享的，基站下的所有集群组成员同时从共享信道上完成数据的接收，有效解决了通信系统中空口资源浪费的问题。

3 PIS数据传输方法设计

基于PIS业务的特点，在设计时复用宽带集群系统的集群终端注册流程和群组呼叫流程。其中，PIS数据传输的实现主要涉及信令控制流程和数据传输路径两部分。由于本传输方案复用了集群组呼功能，因此仅需集群基站和集群终端支持普通的集群组呼功能即可满足PIS数据传输的要求。方案实现仅涉及集群核心网部分改动，涉及的集群网元有业务管理台、eHSS、TCF以及TMF。业务管理台主要实现集群核心网中PIS业务的配置功能，为系统操作员提供便捷高效的PIS业务管理方法；eHSS负责集群PIS终端和PIS群组的签约数据、业务状态的管理；TCF负责PIS终端注册流程、PIS群组呼叫流程的发起；TMF负责PIS视频数据的转码和转发。

3.1 PIS业务信令流程

由于集群组呼需要由一个集群终端发起，因此需要为PIS业务分配一个PIS主叫终端。所有接收PIS数据的集群终端和PIS主叫终端都被分配到一个PIS群组中，PIS组呼由PIS主叫终端发起，组内成员共享一个下行共享信道，以传输PIS业务数据[9]。根据PIS业务触发方式的不同，PIS业务的信令流程可以分为定时触发模式和业务触发模式。定时触发模式的PIS业务建立流程如图2所示。

图2 定时触发模式的PIS业务建立流程

首先，业务管理台下发PIS业务的用户配置信息，eHSS存储PIS业务信息；其次，业务管理台根据定时信息向TCF发起PIS业务使能指示，包含PIS主叫终端信息、PIS群组信息、PIS组播地址等；最后，TCF触发PIS主叫终端的注册流程和PIS组呼建立流程，建立PIS组播的下行共享信道。

业务触发模式的PIS业务建立流程如图3所示。

图3 业务触发模式的PIS业务建立流程

首先，业务管理台下发PIS业务的用户配置信息，eHSS存储PIS业务信息；其次，业务管理台向TCF发起PIS业务使能指示，包含PIS主叫终端信息、PIS群组信息以及PIS组播地址；再次，TCF触发PIS主叫终端的注册流程，向TMF发送PIS数据探测指示，TMF加入PIS多播组；从次，当TMF探测到PIS业务数据时，触发PIS主叫终端发起PIS组呼建立流程，建立PIS组呼的下行共享信道；最后，如果一段时间内未探测到PIS业务数据，则触发PIS组呼的释放流程。

PIS业务释放流程如图4所示。

图4 PIS业务释放流程

首先，业务管理台向TCF发起PIS业务停止指示；其次，TCF向TMF发送PIS数据探测取消指示，停止TMF的PIS组播数据探测；最后，TCF触发PIS主叫终端的PIS组呼释放流程和PIS主叫终端的注销流程，删除PIS业务信息。

3.2 PIS组播数据的传输路径

PIS业务数据由PIS业务服务器产生，经TCN路由转发到T-eNB，T-eNB通过空口下行共享信道将数据发送给PIS群组内的所有集群终端，集群终端负责组播PIS业务数据给PIS展示终端[10]。PIS业务数据的具体传输路径如图5所示。

图5 PIS组播数据的传输路径

传输路径说明：①PIS业务服务器通过IP组播方式将PIS业务数据传递给集群媒体网元TMF；②TMF根据集群组呼上下文将组播数据发送给xGW；③xGW根据集群业务承载上下文封装组播Gtp-U数据，通过S1-T接口发送给T-eNB；④T-eNB映射PIS业务数据到组呼下行共享信道，通过集群空口Uu-T传递给集群终端；⑤集群终端通过网络交换机将PIS业务数据组播给PIS展示终端。

4 设计验证

为了验证本设计的可行性，基于宽带集群系统进行了PIS数据传输功能的开发。业务管理台的PIS配置信息如图6所示，其中包括PIS主叫用户号码、PIS群组号码以及PIS组播地址等。

图6 业务管理台的PIS配置

经过系统内部集成测试后，模拟某地铁项目的应用场景，搭建了PIS数据传输的测试环境，包括1台PIS服务器、1套集群核心网以及两个集群基站。同时，在每个集群基站下接入3台集群终端列车接入单元（Train Access Unit，TAU），每个TAU下接入5个PIS展示终端。通过实际带宽测试，整条传输链路中仅存在一份媒体流，有效节省了系统带宽和空口资源。