一种分级组网的宽带集群通信系统及其点到点呼叫方法与流程

本申请涉及移动通信技术领域，特别涉及宽带集群通信系统，尤其涉及一种分级组网的宽带集群通信系统及其点到点呼叫方法。

背景技术：

集群通信系统是为了满足行业用户指挥调度的需求而开发、面向特定行业应用的专用无线通信系统。系统中大量无线用户共享少量无线信道，以指挥调度业务为主体应用，是一种多用途、高效能利用频率资源的无线通信系统。集群通信系统在政府部门、公共安全、应急通信、电力、民航、石油化工和军队等领域有着广泛的应用市场。

基于TD-LTE的宽带多媒体集群系统是以第四代移动通信技术TD-LTE为核心技术，将TD-LTE的高速率、大带宽与数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点进行融合的集语音、数据、视频为一体的新一代宽带数字多媒体集群系统。

在公共安全网络的实际建设过程中，往往要求能按照上下级关系组建网络系统。网络按照层级关系组网，一方面可以保证不同层级网络的核心网都通过上级核心网进行呼叫交换和控制，整个系统的安全性高，可控性好；另一方面，不同地区可以逐渐地、分层级的建设整个集群网络。比如建设覆盖某一省的集群通信网络，可划分为省级，市级，县级三个层级网络。先建设市级网络，之后逐渐建立、完善县级网络，最后实现全省多地区的市县网络联网互通的统一指挥调度系统。集群调度业务不仅可在本级内进行，也可以跨级和其他层级的集群系统进行互通。某一地区可以先期建设本级的公安宽带无线多媒体集群网络，内部的集群呼叫交换控制可以独立进行。相比将多地区的呼叫控制集中部署在某一地区，可靠性更高。综上所述，分级组网在实际建网中有迫切的需要。

集群组呼业务是集群通信系统指挥调度业务中最常用的呼叫业务。即多个终端组成一个群组，当组呼建立后所有组成员共享一个下行信道。上行信道由一个获得话权的组成员占用，其他组成员可以接收到话权方终端的语音和/或视频。同时其他组成员也可申请话权。在多地区集群系统网络互联时，作为组成员的终端用户可以分布在不同地区，归属不同地区集群系统管理。组呼发起时，整个组呼业务由一个专门的、指定的集群系统充当该组的呼叫业务控制中心点(即组主控服务器)进行统一协调组呼 建立、组呼中话权分派、组呼释放等组呼控制过程。每个组都会指定唯一的一个集群核心网充当组主控服务器。

目前我国窄带数字集群主要是欧洲通信标准协会制订的陆上集群无线电(Terrestrial Trunked Radio，TETRA)和中国公安部推动的专业数字集群((Professional Digital Trunking，PDT)标准，均没有定义分级组网的网络架构。中国工业和信息化部2013年发布的《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统总体技术要求(第一阶段)》尚未定义多地区组网的网络互联架构。在2014年中国公安部发布《公安宽带无线多媒体集群系统总体技术规范》虽然定义了漫游架构，但是也没有定义分级组网的网络架构。在该规范中提出了公安宽带无线多媒体集群系统的网络系统架构，其系统架构图1所示，该网络系统由终端、基站、集群核心网和集群调度应用平台组成，其中，终端包括但不限于多模终端、单模终端、数据终端和车载终端。基站包括警用数字集群基站(PDT Station)和T-eNB，T-eNB即为基于TD-LTE的集群系统基站。集群核心网(TC)中的网元包括：互联互通网关(IGW)、集群控制功能模块(TCF)、集群媒体功能模块(TMF)、演进的归属用户服务器(eHSS)、演进的核心网网关(eXGW)、演进的移动管理实体(eMME)。集群调度应用平台包括：调度台(DC)、ReS、SeS、ApS。

图1中各个接口含义如下：

PU——终端和基站之间的接口，此接口是开放接口；

PS——基站和集群核心网之间的接口，此接口是开放接口；

PD——集群核心网和集群调度应用平台之间的接口，此接口是开放接口；

PI——集群核心网和集群核心网之间的接口，此接口是开放接口；

SGi——集群核心网和数据业务网之间的接口，此接口应符合3GPP TS 23401的要求。

PG——集群核心网和互联网关之间的接口，此接口暂未定义。

集群核心网逻辑网元之间的接口如图2所示，其中，

Th——TCF与eHSS之间的接口；

Mh——eMME与eHSS之间的接口；

Tm——TCF与eMME之间的接口；

Tt——TCF与TMF之间的接口；

Tx——TMF与eXGW之间的接口；

Mx——eMME与eXGW之间的接口。

注：集群调度应用平台中所含网元功能和接口协议栈定义详见《公安宽带无线多媒体集群系统总体技术规范》。

现有的《公安宽带无线多媒体集群系统总体技术规范》的网络架构存在如下缺陷：

1.现有的多个核心网互联时通过PI接口，多个核心网之间的关系是对等关系， 未定义有上下层级关系的组网方式。而分级组网要求层级核心网之间的呼叫信令需经过上级核心网转发、控制。

2.PI接口定义了多个网元间相互接口，细分为从PI1～PI5。未定义分级组网时核心网互联互通具体使用哪些接口。

3.分级组网下多个核心网间如何进行集群点到点呼叫业务没有定义。具体包括呼叫信令如何传递，用户面媒体数据如何传递。

技术实现要素：

本申请提供了一种分级组网的宽带集群通信系统及其点到点呼叫方法，提供了分级组网的核心网架构以及如何基于该架构进行集群点到点呼叫业务的方法。

本申请实施例提供了一种分级组网的宽带集群通信系统，所述宽带集群通信系统至少包括第一集群核心网、第二集群核心网和第三集群核心网；其中，第一集群核心网和第二集群核心网既负责本地区集群呼叫调度业务，也负责和第三集群核心网进行互通；第三集群核心网既负责本地区集群呼叫调度业务，也负责与第一集群核心网或第二集群核心网的集群呼叫业务控制，以及第一集群核心网和第二集群网之间的集群呼叫业务控制。

较佳地，所述第一集群核心网或第二集群核心网与第三集群核心网之间通过PI3接口互联。

较佳地，所述第一集群核心网和第二集群核心网之间无直接接口。

较佳地，所述第三集群核心网的eMME和eXGW以及TD-LTE基站与第一集群核心网共享；第三集群核心网的TCF通过Tm接口和共享的eMME相连，第三集群核心网的eHSS通过Mh接口和共享的eMME相连，第三集群核心网的TMF通过Tx接口和共享的eXGW相连；

第三集群核心网直属管理的用户和组信息单独配置在第三集群核心网的eHSS中，与第一集群核心网所属用户和组信息在逻辑上是分离管理。

本申请实施例提供了一种分级组网的宽带集群通信系统的点到点呼叫方法，包括如下步骤：

A、主叫终端向其所属的第n级集群核心网的集群功能控制模块TCF发送呼叫建立请求信令；

B、第n级集群核心网的TCF接收到呼叫建立请求信令后，判断被叫终端是否在所述第n级集群核心网直接或间接管理范围内，若是，执行步骤D，否则执行步骤C；

C、第n级集群核心网的TCF发送呼叫建立请求信令至第n+1级集群核心网的TCF；令n＝n+1，返回步骤B；其中，第n+1级集群核心网位于第n级集群核心网的 上一级；

D、若第n级集群核心网直接管理被叫终端，第n级集群核心网的TCF将呼叫建立请求信令直接发送至被叫终端；若第n级集群核心网间接管理被叫终端，第n级集群核心网的TCF以其管理的集群核心网作为中转节点，将呼叫建立请求发送至被叫终端；

E、按照与传递呼叫建立请求信令相反的路径，将被叫终端发出的振铃指示经由第n级集群核心网传递至主叫终端；

F、按照与传递呼叫建立请求信令相反的路径，将被叫终端发出的呼叫建立成功响应经由第n级集群核心网传递至主叫终端；

G、按照与传递呼叫建立请求信令相同的路径，将主叫终端发出的建立成功响应确认经由第n级集群核心网传递至被叫终端。

较佳地，步骤G之后进一步包括：

主叫终端向其所属的第n级集群核心网的TCF发送呼叫释放请求信令；

按照与传递呼叫建立请求信令相同的路径，将所述呼叫释放请求信令传递到被叫终端；

按照与传递呼叫建立请求信令相反的路径，将被叫终端发出的呼叫释放响应传递给主叫终端。

从以上技术方案可以看出，上下级核心网之间互联，平级核心网之间无直接接口。在跨不同层级核心网进行点到点呼叫时，呼叫根据每级核心网管理的号段将呼叫请求按照层级转发的方式转到被叫核心网处理。呼叫的用户面媒体数据既可以通过层级核心网转发方式传送，也可以采用从源端核心网直通传递到目的端核心网的方式。

本申请技术方案可以实现如下有益效果：

在非漫游场景下，多个地区的核心网互联仅仅需要一个接口即可实现父子的层级结构，使多个核心网之间接口耦合降到最低。任意多个层级或者任意多个子节点的核心网按此方式可以叠加、扩展进行互联，而网络拓扑结构的复杂度并不显著增加；

在分级组网时，每级核心网只需额外保存本级和直接所属下级管理的终端号码和组号的范围，最大限度的继承复用了已有的核心网呼叫控制机制和码号管理方式，对核心网已有实现影响很小。

根据本申请提出的呼叫建立方法，使核心网内部和核心网之间的呼叫控制方式保持一致，对已有网元实现影响小。同非分级组网的核心网相比，分级组网核心网只需额外保存直接所属下级核心网所管理的终端号段和组号号段，既不需保存全网的终端和组信息，也不用保存孙子级别的核心网码号规划，需额外增加存储的信息较少；终端发起跨越多层级核心网的点到点单呼时，呼叫信令的路由信息是在呼叫建立过程中 动态生成，这样既避免了静态配置地呼叫信令路由方式无法适应终端漫游或终端归属地发生变更的情况，也能适应网络结构发生变化的情况。后者在分布、逐级建网时很常见。另外，此种动态呼叫路由方式无需提前查询呼叫信令的路由路径，减少了不必要的呼叫建立时延。

本申请提出的分级组网方式既可以适应用户面媒体数据在层级核心网之间层层转发的传递方式，也能适应用户面媒体数据在呼叫源端的核心网和目的端的核心网之间进行直通的传递方式。

附图说明

图1为公安宽带无线多媒体集群系统架构图；

图2为集群核心网逻辑网元接口示意图；

图3为PI3接口控制面协议栈示意图；

图4为PI3接口用户面协议栈示意图；

图5为本申请实施例给出的非漫游的市县两级组网架构图；

图6为本申请实施例给出的非漫游的省会城市组网架构图；

图7为多地区核心网分级组网的一个示例图；

图8为本申请实施例提供的本级用户点到点呼叫其他层级用户的处理流程图；

图9为本申请实施例提供的点到点呼叫释放的处理流程图。

具体实施方式

本申请提出了一种宽带集群通信系统的分级组网的网络架构，上下级核心网之间通过PI3接口互联，平级核心网之间无直接接口。在跨不同层级核心网进行点到点呼叫时，呼叫根据每级核心网管理的号段将呼叫请求按照层级转发的方式转到被叫核心网处理。呼叫的用户面媒体数据既可以通过层级核心网转发方式传送，也可以采用从源端核心网直通传递到目的端核心网的方式。

其中PI3接口具体如下：PI3接口是不同TCF之间和不同TMF之间的接口，提供核心网之间互通时，进行呼叫业务信令和数据传输功能，PI3接口控制面协议栈如图3所示，用户面协议栈如图4所示。PI3接口是图1所示PI接口中的一个，PI包含PI1～PI5多个接口。

为使本申请技术方案的技术原理、特点以及技术效果更加清楚，以下结合具体实施例对本申请技术方案进行详细阐述。

分级组网的核心是不同地区的集群核心网相互连接为上下层级关系的网络，主要体现为：

每个地区的集群核心网既负责本地区集群呼叫调度业务，也负责和上级核心网系 统进行互通；上级集群核心网既负责本地区集群呼叫调度业务，也负责与下级核心网以及下级核心网之间的集群呼叫业务控制。子节点核心网配置父节点核心网的寻址信息，父节点核心网配置所有直接相连的子节点核心网的寻址信息。从而建立为分级的网络拓扑结构。

以下以基本的市县两级组网的网络架构为例进行描述；省会城市的组网架构具有特殊性，也专门给出了一种组网架构。

图5所示为本申请实施例给出的非漫游的市县两级组网架构图。图5中C市包含A，B两个县。整个集群通信系统在C市、A县和B县分别有3套TD-LTE宽带多媒体集群系统。每个网络包括独立的集群核心网和应用平台。图5中每个地区的网络省略了基站和终端部分。

每个网络系统独立管理自己所直属用户和组的签约数据，跨核心网的基本集群调度业务通过核心网之间PI3接口完成。C市核心网逻辑上充当父节点，A县和B县的核心网充当子节点。父子节点的关系通过在各自核心网内静态配置方式设置。即子节点核心网配置唯一父节点核心网提供服务的IP和端口号。父节点核心网配置所有的子节点核心网提供服务的IP和端口号。

A县、B县是平级的集群调度系统，相互之间不能直接进行集群调度业务。C市的集群调度系统通过PI3接口分别连接A县和B县的核心网，不仅负责市直辖的集群终端间的调度业务，还负责A与B县之间或C市与A、B县之间的集群终端调度业务。

当多于两级核心网进行组网或者父节点包含更多子节点时，则可按照此基本的树状网络拓扑结构进行叠加或扩展组网，核心网之间仍然只通过PI3接口互联互通。

图6所示为本申请实施例给出的非漫游的省会城市组网架构图。C省包含A，B两个市。整个集群通信系统在C省、A市和B市分别有3套TD-LTE宽带多媒体集群系统。图6中每个地区的网络省略了基站和终端部分。

每个网络系统独立管理自己所直属用户和组的签约数据，跨核心网的基本集群调度业务通过核心网之间PI3接口完成。C省核心网逻辑上充当父节点，A市和B市的核心网充当子节点。父子节点的关系通过在各自核心网内静态配置方式设置。即子节点核心网配置唯一父节点核心网提供服务的IP和端口号。父节点核心网配置所有的子节点核心网提供服务的IP和端口号。

A市、B市是平级的集群调度系统，相互之间不能直接进行集群调度业务。C省的集群调度系统通过PI3接口分别连接A市和B市的核心网，不仅负责市直辖的集群终端间的调度业务，还负责A市与B市之间或C省与A、B市之间的集群终端调度业务。可以看出，省级与市级之间的管辖调度关系与图5所示市级与县级的管辖调度关系类似。

在此基础上，省会城市部署集群系统有特殊性。如果没有特殊覆盖要求，省集群 系统的核心网的eMME和eXGW以及TD-LTE基站与省会城市(A市)的集群系统共享。省TCF通过核心网内部的Tm接口和共用的eMME相连，省eHSS通过核心网内部的Mh接口和共用的eMME相连，省TMF通过核心网内部Tx接口和共用的eXGW相连。省直属管理的用户和组信息将单独配置在省网络系统的eHSS中，与市所属用户和组信息在逻辑上是分离管理。省或市的调度台根据自身权限进行各自独立的集群调度业务。

这样的组网架构设计有两方面优势：

第一，既保证了省核心网独立的集群业务控制能力，也最大限度的共用了省会城市的网络基础设施，降低了系统建网成本；

第二，图6中Tm，Mh，Tx接口复用了核心网内部接口，组网架构无需再额外定义新的接口，网络架构简单可行。

在分级组网的宽带集群通信系统中，用户呼叫本级其他用户同单独核心网内用户呼叫处理流程，此处略。

图7给出了多地区核心网分级组网的一个示例。TC1～TC4为多个地区的宽带无线多媒体集群系统核心网，按照分级组网组成3级网络。其中TC2是TC1上级节点。TC3是TC2和TC3的上级节点。核心网之间使用PI3接口互联。终端a和终端b分别接入TC1和TC4。

本申请实施例提供的本级用户点到点呼叫其他层级用户的处理流程如图8所示，包括如下步骤：

步骤801：主叫UEa呼叫UEb，UEa向本地集群功能控制模块TCF1发送呼叫建立请求信令。

步骤802：TCF1根据预先配置的本级和下级管理的用户号码号段，判断被叫UEb不在本级或下级管理范围内，TCF1向上级TCF2发送SIP(INVITE)请求进行集群单呼呼叫建立业务，请求消息中携带被叫UE2的UDN信息。

步骤803：TCF2向TCF1返回临时响应SIP(100Trying)，TCF2根据预先配置的本级和下级管理的用户号码号段，判断被叫UEb不在本级或下级管理范围内，向上级TCF3发送SIP(INVITE)请求。

步骤804：TCF3向TCF2返回临时响应SIP(100Trying)，检查UEb是自己管理的用户，但该用户在下级TCF4管理范围。TCF3向TCF4发送SIP(INVITE)请求。

步骤805：TCF4向TCF3返回临时响应SIP(100Trying)并接受SIP(INVITE)请求，将其转发给被叫UEb。

步骤806：被叫UE2返回振铃指示，表示被叫已振铃。

步骤807：TCF4向TCF3发送SIP(180Ringing)响应，

步骤808：TCF3向TCF2发送SIP(180Ringing)响应，

步骤809：TCF2向TCF1发送SIP(180Ringing)响应，

步骤810：TCF1向UEa发送振铃指示。

步骤811：UEb摘机，向TCF4发送呼叫建立成功响应。

步骤811：TCF4向TCF3发送SIP(200OK)响应。

步骤812：TCF3向TCF2发送SIP(200OK)响应。

步骤813：TCF2向TCF1发送SIP(200OK)响应。

步骤814：TCF1向UEa发送呼叫建立成功响应。

步骤815：UEa向TCF1发送呼叫建立成功响应确认。

步骤816：TCF1向TCF2发送SIP(ACK)消息。

步骤817：TCF2向TCF3发送SIP(ACK)消息。

步骤818：TCF3向TCF4发送SIP(ACK)消息。

步骤819：TCF4向UEb发送呼叫建立成功响应确认。

注：上述点到点呼叫建立流程主要涉及集群功能控制模块(TCF)。其他可能涉及的网元(如eHSS)在流程中省略。

注：如果中间节点TCF判断呼叫请求不是来自直接上级或下级TCF，应拒绝此呼叫建立请求。

点到点单呼的用户面媒体数据处理有可能的两种方式，本申请提出的分级组网的网络架构都能很好支持。

如果分级组网的网络规划不允许核心网之间用户面媒体数据报文跨级传递，层级TCF之间的SIP(INVITE)消息可以使用背靠背代理(B2BUA)模式，用户面媒体数据报文在核心网之间层级转发。比如上例中网络规划不允许用户媒体数据报文从TCF1之间传递到TCF4,则用户面媒体数据报文从UEa<->TMF1<->TMF2<->TMF3<->TMF4<->UEb。

如果分级组网的网络规划允许核心网之间用户面媒体数据报文跨级传递，数据报文可以从源端核心网直通传递到目的端的核心网。层级TCF之间的SIP(INVITE)消息可以使用代理(PROXY)模式。比如上例中，TCF之间使用相同的SIP对话完成呼叫建立过程。每级TCF节点(包括TCF1～TCF4)插入Record-Route头，动态记录分级网络下呼叫路由路径。TCF4在SIP(200OK)响应中携带将所以沿途插入的Record-Route头返回给TCF1。呼叫建立成功后，用户面媒体数据报文从UEa<->TMF1<->TMF4<->UEb。

点到点单呼的释放可由主叫UEa或被叫UEb发起，处理过程相同。以UEa发起呼叫释放为例，处理过程如图9所示，包括如下步骤：

步骤900：UEa向本地集群功能控制模块TCF发送呼叫释放请求信令。

步骤901：TCF1根据已建立的呼叫上下文信息将SIP(BYE)转发到TCF2。

步骤902：TCF2根据已建立的呼叫上下文信息将SIP(BYE)转发到TCF3。

步骤903：TCF3根据已建立的呼叫上下文信息将SIP(BYE)转发到TCF4。

步骤904：TCF4根据已建立的呼叫上下文信息将呼叫释放请求发到UEb。

步骤905：UEb将呼叫释放响应发给TCF4。

步骤906：TCF4将SIP(200OK)发到TCF3。

步骤907：TCF3将SIP(200OK)发到TCF2。

步骤908：TCF2将SIP(200OK)发到TCF1。

步骤909：TCF1将呼叫释放响应发到UEa。

本申请针对宽带集群通信系统提出了一种支持分级组网的系统网络架构和进行集群系统点到点单呼业务的方法，该方案的主要优点为：

1.在非漫游场景下，多个地区的核心网互联仅仅需要一个PI3接口即可实现父子的层级结构，使多个核心网之间接口耦合降到最低。

任意多个层级或者任意多个子节点的核心网按此方式可以叠加、扩展进行互联，而网络拓扑结构的复杂度并不显著增加。比如形成从3级扩展到7级的树状层级，或父级下有多个子级的网络拓扑结构，整体网络拓扑连接的数目并不显著增加。

2.分级组网时，每级核心网只需额外保存本级和直接所属下级管理的终端号码和组号的范围，最大限度的继承复用了已有的核心网呼叫控制机制和码号管理方式，对核心网已有实现影响很小。

在呼叫建立时，根据此信息判断是向上级或下级核心网转发呼叫请求，使核心网内部和核心网之间的呼叫控制方式保持一致，对已有网元实现影响小。同非分级组网的核心网相比，分级组网核心网只需额外保存直接所属下级核心网所管理的终端号段和组号号段，既不需保存全网的终端和组信息，也不用保存孙子级别的核心网码号规划，需额外增加存储的信息较少。

3.终端发起跨越多层级核心网的点到点单呼时，呼叫信令的路由信息是在呼叫建立过程中动态生成。

这样既避免了静态配置地呼叫信令路由方式无法适应终端漫游或终端归属地发生变更的情况，也能适应网络结构发生变化的情况。后者在分布、逐级建网时很常见。另外，此种动态呼叫路由方式无需提前查询呼叫信令的路由路径，减少了不必要的呼叫建立时延。

4.本申请提出的分级组网方式既可以适应用户面媒体数据在层级核心网之间层层转发的传递方式，也能适应用户面媒体数据在呼叫源端的核心网和目的端的核心网之间进行直通的传递方式。

本申请方案除了适用于公安宽带无线多媒体集群系统，也可以用于其他宽带集群通信系统。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请的保护范围，凡在本申请技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。