徐元聖 劉超 苗雨 張文健 管鮑 胡軍
摘 要：針對集群通信中關鍵任務語音業務的特點，對當前寬、窄帶關鍵任務語音業務解決方案進行了全面分析和比較。相比傳統窄帶集群系統，以TD-LTE（時分-長期演進）為基礎的寬帶集群系統還無法很好地滿足任務關鍵語音業務的功能需求，在建網成本方面也不具優勢。面對任務關鍵語音和集群數據兩方面的業務需求，當前較為合理的解決方案是採用寬、窄帶並存的方式，即寬帶集群系統承載數據業務，窄帶集群系統承載任務關鍵語音業務，從而保證任務關鍵語音業務的功能和性能要求。隨著相關技術的進一步演進，任務關鍵語音業務和數據業務最終會融合到一張網絡之中，實現兩種不同業務的空口資源統一調度。
關鍵詞：任務關鍵語音 集群通信 寬窄帶融合
一、前 言
語音業務是無線集群通信系統中的基本業務之一。集群系統的語音業務，特別是公共安全等領域中的語音業務，與運營商網絡的語音業務存在較大的不同，這類語音業務對時延和傳輸的可靠性要求非常高，因此業內稱之為任務關鍵語音業務。傳統窄帶集群系統，例如TETRA（陸上集群無線電）、DMR（數字移動無線電）和PDT（警用數字集群）等，都針對任務關鍵語音業務的特點進行了定製化設計，在實際應用中能夠較好地滿足任務關鍵語音業務的各種要求。
隨著寬帶數據業務需求的不斷增長，以TD-LTE為基礎的寬帶集群技術引起了業內廣泛的關注，並已在軌道交通、機場港口等多個領域實際應用。在承載集群數據業務的同時，寬帶集群系統也希望能夠進一步承載任務關鍵語音業務，從而減少網絡建設和維護的成本。隨著運營商網絡中VoLTE（高清語音）技術的逐步成熟，利用寬帶集群系統來承載任務關鍵語音業務的技術方案也獲得了業內的廣泛關注[1]。雖然該技術方案的實際應用效果還待進一步評估，但也為任務關鍵語音業務提供了一種新的解決方案。
因此，目前任務關鍵語音業務的解決方案主要有兩種：（1）採用傳統窄帶集群系統承載任務關鍵語音業務，寬帶集群系統僅承載數據業務；（2）任務關鍵語音業務和數據業務都承載在寬帶集群系統上。兩種方案各有優劣，傳統窄帶集群系統對任務關鍵語音業務的支持更好，產業鏈更加成熟，但兩張網絡的建設和維護成本較高，業務互通和管理困難。相比而言，第二種方案的網絡管理更為簡潔，但寬帶集群系統的語音解決方案是否能夠很好地滿足任務關鍵語音業務的功能和性能需求，還沒有明確的答案。
針對上述問題，文章從任務關鍵語音業務功能、性能需求以及網絡建設成本等多個方面對兩種解決方案進行分析和比較，並結合當前行業發展的實際情況，提出合理的建議。基於相關技術的發展趨勢，對未來如何實現集群語音業務和數據業務的融合進行了展望。
二、實現方案分析及比較
為了區分關鍵任務語音業務和運營商網絡中的語音業務，美國國家公共安全通信聯合會（NPSTC）寬帶工作組最近給出了關鍵任務語音業務明確定義[2]。在NPSTC工作組給出的定義中，任務關鍵語音業務應具備直通、PTT（一鍵通）、全雙工話音、組呼叫、呼叫辨識等特性。這些特徵界定了任務關鍵語音業務與運營商網絡語音業務的差別，是評估任務關鍵語音業務實現方案的基礎。
任務關鍵語音業務解決方案除了要滿足上述特性外，還需要考慮頻譜效率以及網絡建設和維護的成本。與運營商網絡不同，集群專網能夠使用的頻譜資源較少，因此要求頻譜利用率儘可能高。另外集群專網不能運營收費，網絡建設和維護的成本也需要重點考慮。
（一）基本功能和性能的比較
1. 直通模式
直通模式是集群通信系統的基本功能之一。在無法提供網絡服務的區域，集群終端之間可以通過直通模式進行通信，保證任務關鍵語音業務不受影響，這對於公共安全、應急救援等應用場景非常重要。傳統窄帶集群系統，如TETRA、PDT等，都將直通模式列為關鍵功能，終端產品也能夠較好地支持直通模式。
目前，國內B-TrunC（寬帶集群）聯盟制定的TD-LTE寬帶集群標準未對終端之間的直通模式進行明確的定義，因此，當前B-TrunC系統無法支持終端之間的直通功能。3GPP（第三代合作夥伴計劃）在R12版本規範中增加了D2D（設備到設備）通信功能，即Sidelink技術規範。但是，Sidelink規範主要關注基站協調場景下如何實現終端之間的直接通信，為諸如資源分配、幹擾協調等問題提供了初步的解決方案。但是，對於沒有基站協調場景下如何實現終端之間的直接通信較少討論，原因之一是在沒有基站協調的情況下終端直通流量計費比較困難，對目前運營商網絡的商業模式是一個很大的挑戰。即使在有基站協調的情況下，Sidelink技術也還不是足夠成熟，尤其在同頻幹擾管理方面還面臨著挑戰[3]。
鑑於當前技術現狀，如果採用寬帶集群系統來承載任務關鍵語音業務，終端之間的直通功能還沒有成熟的解決方案，因此無法完全滿足集群通信系統對任務關鍵語音業務的要求。
2. 組呼業務
在運營商網絡中，語音業務主要採用點對點的通信模式，組呼業務並不常用，因此VoLTE技術也主要應用於點對點語音業務。但是，集群通信任務關鍵語音業務常用的傳播模式是組播模式，用戶被編入多個群組，在群組內進行語音數據的廣播，這是一種介於單播和廣播之間的傳播模式。
寬帶集群聯盟考慮到組呼功能在集群通信中的重要性，在TD-LTE標準的基礎上增加了用於組播的無線網絡臨時標識，支持單小區內和跨小區間的組呼功能。LTE（長期演進）標準中定義了eMBMS（多媒體廣播多播）技術，通過與業務層的服務網元配合實現多小區間的多媒體廣播和組播業務，但是目前定義和使用的BM-SC（廣播多播-服務中心）服務網元主要是針對運營商網絡視頻業務設計的，因此主要提供商業多媒體視頻廣播業務。針對任務關鍵語音、數據以及視頻業務的服務網元已經在3GPP最新的MCPTT（任務關鍵業務一鍵通）課題中進行研究，目前標準規範和產業鏈都還不成熟。
因此，目前寬帶集群系統並不能完全滿足任務關鍵語音業務中的組呼需求，特別是對於需要支持多群組的情況下，還是只能依賴於現有的窄帶集群技術。
3. PTT
PTT是任務關鍵語音業務標準的通話形式，其優勢在於操作簡單方便、響應速度快、時延短。對於TD-LTE寬帶集群系統，為了使PTT通話接入時延足夠小，理論上要求用戶承載都處於激活狀態。大量用戶承載長期處於激活狀態需要大量的空口資源來持續傳輸一些關鍵信令和信號，如SR（調度請求）、CQI（信道質量信息）和SRS（探測參考符號）等，從而保證無線鏈路的穩定，但這樣會嚴重降低業務數據的傳輸速率，增加系統的處理複雜度。
為節省空口信令資源的開銷，可以通過將被叫用戶轉換為空閒狀態實現。但是，PTT通話中各用戶都可以隨時發起呼叫，當處於空閒狀態的用戶發起呼叫時，需要將其轉換為激活狀態。通常地，終端用戶從空閒狀態轉換為激活狀態需要經歷從隨機接入到RRC（無線資源管理）重配等多個步驟。考慮終端、基站和MME（移動性管理實體）的處理時間，以及空口傳輸時間，這一轉換過程大概需要500ms。如果處於空閒狀態的用戶位於小區覆蓋區域的邊緣地帶，轉換過程有可能消耗2~3秒的時間，這遠遠超過了PTT模式的接入時延要求（300ms），用戶體驗將會受到嚴重的影響。
（二）頻譜效率
在運營商VoLTE技術方案中，語音業務一般採用半靜態調度策略，每20ms對語音數據包進行一次調度。對於12.2kbps的語音業務，每個語音數據包大小為352bits。
TD-LTE系統採用鏈路自適應技術，根據信道條件對編碼和調製方式進行調整，不同的編碼和調製方式所需的物理資源也不相同。表1給出了不同信道條件下，下行傳輸一個語音數據包所需要的物理資源塊[1]。在信道質量較好時（信道質量指示反饋級數大於8），一般只需要1~2個物理資源塊，但當反饋級數小於8時，則需要4~8個物理資源塊，甚至更多。
集群通信的任務關鍵語音業務更多的是一種雙向業務模式，需要同時考慮上行傳輸性能。通常地，考慮到上行傳輸採用單載波頻分多址接入方式，以及終端移動性、終端間幹擾等因素，上行傳輸性能往往成為系統性能的瓶頸。
考慮到當語音業務的誤包率超過5%時，語音質量將會變得不可忍受，因此表2給出了BLER（誤塊率）為5%時上行傳輸的鏈路仿真結果。可以看出，即使採用雙天線接收來提高傳輸性能，也只有當上行傳輸信道條件特別好時（信噪比SNR大於5dB），採用1~2個物理資源塊承載語音業務才可以滿足性能要求。而對於大多數情況下的信道條件，至少採用4個物理資源塊才能保障語音業務傳輸性能。考慮到任務關鍵語音業務的誤碼率要求比VoLTE語音業務還要高，因此可以認為，在一般情況下，支持一路單向的任務關鍵語音業務至少需要4個物理資源塊資源，在15kHz子載波間距配置下，需要佔用720kHz帶寬。
目前，主流的窄帶集群系統包括歐洲的TETRA系統和中國自主創新研製的PDT系統，二者均採用頻分雙工，載頻間隔分別為25kHz和12.5kHz，語音編碼速率分別為4.567kbps和2.4kbps。因此，在單純語音業務的情況下，TETRA、PDT和TD-LTE的頻譜效率分別為：
可以看出，TETRA系統的頻譜效率是TD-LTE系統的5倍多，而PDT系統的頻譜效率則更高。這主要是因為窄帶集群系統是針對語音業務設計的，而TD-LTE系統則是針對大吞吐量數據業務設計的，頻域資源分配的最小顆粒度為一個物理資源塊，對於語音業務這種周期性的小數據包，TD-LTE的頻譜效率並不理想。另一方面，TD-LTE系統所採用的OFDM（正交頻分多址）調製方式對時偏和頻偏比較敏感，基站需要持續對每個用戶發送的參考信號進行測量，獲取時偏和頻偏參數，進行相應補償。在測量過程中，如果用戶分配的物理資源較少，則參考信號的採樣點數也較少，相應的估計結果是不夠準確和穩健的，因此即使對於語音業務這種小包，也需要較多的頻譜資源來保證鏈路的穩定。基於上述因素，對於周期性、小數據量的語音業務，TD-LTE系統的頻譜效率反而低於窄帶集群系統。
（三）覆蓋距離
蜂窩小區的覆蓋距離與頻段有關，低頻段信號的路損比高頻段信號小，相應的覆蓋距離也大。由於傳統窄帶系統先入為主，佔用了較好的低頻段頻譜資源，故低頻段上的集群通信資源多為窄帶系統所佔用，寬帶系統通常部署在較高的頻段上，例如商用TD-LTE網絡都是在1.8G和2.6G頻段，目前B-TrunC系統能夠使用的頻段也主要集中在1.4G和1.8G頻段上。因此，窄帶系統在覆蓋上具有先天優勢。
從信道的特性來看，窄帶系統也更加適合長距離覆蓋。當傳輸距離越長，無線信道中最大多徑時延則會概率性變大，對應的相干帶寬變小，對於寬帶信號就容易受到頻率選擇性衰落的影響，而對於窄帶信號的影響較小。因此，窄帶信號相比寬帶信號更容易進行廣覆蓋。
從終端的發射功率來看，在相同的譜密度情況下，窄帶系統的功率要比寬帶系統小。換而言之，在相同的功耗限制下，窄帶系統終端的發射信號具有更高的譜密度，因此覆蓋距離更遠。覆蓋距離越遠，穿透能力越強，則組網時所需要的小區數量越少，建網和後續維護的成本則越小。
三、寬窄帶系統在公安領域的應用
在公共安全領域，業務場景繁多複雜，單獨採用窄帶系統或寬帶系統都無法很好地滿足業務需求。通常地，採用「PDT+寬帶系統」混合組網的方式來分別承載任務關鍵語音業務和高速數據業務，二者相互配合，在不同場景下實現了更好的業務效果。昆明市公安局現有147個固定PDT基站用於任務關鍵語音業務，站點和核心網之間租用運營商的光纖進行鏈路回傳，但某些站點一直存在斷鏈情況，對日常業務和應急業務存在較大影響。在應急場景下，車載PDT基站提供的臨時語音業務和應急圖像傳輸業務均採用公網無線鏈路進行回傳，但公網無線鏈路無法保證語音和圖傳業務的質量，對公共安全應急業務造成較大影響。
四、總結與展望
通過上述分析和比較，寬帶集群技術雖然在集群數據業務方面表現良好，但目前還無法很好地滿足任務關鍵語音業務的功能和性能需求，而且在頻譜效率和覆蓋距離方面也無法與傳統窄帶集群系統相媲美，建網成本較高。在當前階段，考慮到產業實際情況，採用傳統窄帶集群系統承載任務關鍵語音業務，寬帶集群系統承載數據業務是較為可行的一種實現方案。
目前，5G工作組正在研究軟體定義空口框架，通過該框架，幀結構、空口波形、多址方式、調製編碼、雙工模式以及多天線技術都可以根據上層業務的特點進行靈活配置，實現空口資源的統一調度[4]。隨著相關技術的不斷發展，特別是未來新波形的設計和標準化，寬帶和窄帶集群的空口波形將融合共存，窄帶波形承載任務關鍵語音業務，寬帶波形承載任務關鍵數據業務，高層根據各自的業務量需求進行統一的空口資源調度，從而實現一張網絡承載語音和數據兩種業務。在保證各自業務傳輸性能的同時，減少網絡建設和維護的成本，而且，根據業務需求分配頻譜資源也進一步提升了頻譜使用效率。
參考文獻：
[1] 呂昕. 基於LTE-Advanced的混合業務的資源配置和性能優化[D]. 北京: 北京郵電大學, 2015.
[2] Mission Critical Voice Communications Requirements for Public Safety [EB/OL]. National Public Safety Telecommunications Council Broadband Working Group, 2016.
[3] 焦巖, 高月紅, 楊鴻文, 等. D2D技術研究現狀及發展前景[J]. 電信工程技術與標準化, 2014(6): 83-87.
[4] 5G無線技術架構白皮書[EB/OL]. IMT2020(5G)推進組, 2015.