數(shù)字集群通信寬帶化發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

摘 要： 數(shù)字集群通信系統(tǒng)是應急通信的一種主要形式，目前逐漸由傳統(tǒng)以語音調(diào)度為主的使用方式向?qū)拵Щl(fā)展。首先指出了當前市場對數(shù)字集群通信寬帶化的需求，然后介紹了寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)在國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀，最后對寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及研究熱點做了簡要闡述。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字集群； OFDMA； HARQ； 空中接口

中圖分類號： TN911?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0042?04

0 引 言

集群通信系統(tǒng)具備特有的調(diào)度功能、組呼功能以及快速呼叫的特性，因此在應急通信系統(tǒng)中具有重要地位。目前，模擬集群設備逐漸被替代，數(shù)字集群通信系統(tǒng)已經(jīng)成為主流。這就基本上克服了模擬集群頻譜資源利用率低、相互干擾嚴重、業(yè)務功能單一和通話管理困難等問題。但是，隨著人們工作、生活方式的不斷演進，行業(yè)用戶對數(shù)字集群通信系統(tǒng)業(yè)務需求越來越多樣化，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越高，傳統(tǒng)的窄帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)正在向?qū)拵Щl(fā)展[1]。在寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)中，除了語音調(diào)度、短信功能外，可以為用戶提供更多業(yè)務，如監(jiān)控視頻回傳、地理信息獲取等。

當前數(shù)字集群通信系統(tǒng)的寬帶化研究取得了一定的成果，部分系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，但是在使用中也發(fā)現(xiàn)了各自的問題，這就促使人們對具有寬帶接入功能的數(shù)字集群通信系統(tǒng)的研究不斷向前。

1 數(shù)字集群通信系統(tǒng)寬帶化需求分析

數(shù)字集群通信系統(tǒng)是專業(yè)無線通信系統(tǒng)，一般集調(diào)度呼叫、無線電話、短數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)傳輸于一體，具有共用頻率、共用設備、共享服務區(qū)、共享通信業(yè)務、分擔費用等特點，廣泛應用于安全、交通、社會服務、軍事等各部門。基于寬帶數(shù)字集群的高負載能力在專業(yè)無線通信網(wǎng)絡上實現(xiàn)多媒體消息、IP網(wǎng)絡連接、高分辨率圖像和動態(tài)視頻傳輸，使一些新的應用成為了可能，如實時遠距離監(jiān)控、身份識別、車船監(jiān)控、監(jiān)測集裝箱貨物的情況、發(fā)送電子地圖和危險品信息等[2]。

目前，數(shù)字集群通信系統(tǒng)用戶在指揮調(diào)度，應急通信中的需求主要包含以下五個方面：

（1）文，包含文字信息和狀態(tài)信息等；

（2）圖，包含高分辨率圖像，3D地形地圖等；

（3）音，主要指協(xié)調(diào)指揮中的實時話音調(diào)度，包含組呼，單呼等；

（4）視，動態(tài)視頻傳輸，包含視頻監(jiān)控，前方態(tài)勢回傳等；

（5）時，包含GPS（或北斗）定時、定位信息，將來與GIS結(jié)合，應用前景非常廣泛。

這就要求寬帶集群既要保證在緊急狀況下快速、暢通、實時的語音呼叫通信，還要保證在更為廣泛和更為惡劣的工作環(huán)境中安全、高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

2 寬帶數(shù)字集群通信的應用現(xiàn)狀

2.1 國外數(shù)字集群通信寬帶化應用現(xiàn)狀

面對數(shù)字集群寬帶化的需求，國外標準制定者和相關(guān)廠商在不斷摸索和研究。

在民用領(lǐng)域，TETRA和iDEN都對自身標準進行了改進。TETRA原先設計有TEDS和TAPS兩個方案。其中：TETRA的TEDS方案的時隙數(shù)仍為4，但采用調(diào)制增強（4/16/64 QAM），Turbo編碼（碼率為1/2、2/3等可選）及帶寬（信道帶寬為25/50/100/150 kHz可選）組合方式，將原25 kHz內(nèi)的約10 Kb/s的傳輸速率提升至345 Kb/s（150 kHz帶寬，64 QAM調(diào)制、2/3碼率），其調(diào)制和編碼組合采用自適應調(diào)制編碼（AMC）方式；TETRA的TAPS方案，將傳輸速率在更寬帶寬（200 kHz）頻帶范圍內(nèi)提升至384 Kb/s[3]。考慮到帶寬資源的局限性、平滑后向銜接及前向逐步增強等因素，ETSI在2007年最終TETRA Release 2版本中，將數(shù)據(jù)增強標準定為TEDS，并于2009年正式發(fā)布[4]。iDEN在25 kHz帶寬內(nèi)由3/6時隙提升至6/12時隙，由64 QAM調(diào)制推進至256 QAM調(diào)制，結(jié)合Sprint?Nextel市場需求推出了WiDEN技術(shù)支持下一代調(diào)度（NGD）系統(tǒng)，將傳輸速率增強到了384 Kb/s左右以滿足市場競爭需要。

在軍用方面，目前美軍的SRW（士兵無線波形）系統(tǒng)依據(jù)JTRS的SCA規(guī)范而設計，采用軟件無線電實現(xiàn)射頻接入的寬帶性和通信波形的可調(diào)配，同時，體系架構(gòu)中，在Ad Hoc寬帶電臺上增加了集群調(diào)度功能，可以實現(xiàn)集群的基本業(yè)務。目前，Harris和ITT公司的電臺產(chǎn)品已經(jīng)大量裝備美軍。美軍的這種電臺系統(tǒng)是一種無中心的自組織網(wǎng)絡，所以只能實現(xiàn)簡單的集群PTT業(yè)務，不能滿足群組管理、用戶權(quán)限及其他多樣化需求。

2.2 國內(nèi)數(shù)字集群通信寬帶化應用現(xiàn)狀

在國內(nèi)，由于iDEN的不開放性和市場定位等因素，其應用面相較于TETRA而言很小[5]。目前國內(nèi)的窄帶數(shù)字集群通信網(wǎng)絡產(chǎn)品主要有如下體制：歐洲的TETRA、DMR，自主創(chuàng)新的中興Gota、華為GT800和公安部主導的PDT。

其中，DMR和PDT在設計之初就是基于語音調(diào)度為主的窄帶數(shù)字集群空口標準，寬帶化的擴展性很弱[6]。GoTa和GT800分別基于公網(wǎng)CDMA 2000和GSM系統(tǒng)之上，通過修改空中接口和網(wǎng)絡的處理機制，實現(xiàn)數(shù)字集群業(yè)務[7]。相比較而言，GoTa在標準化工作與產(chǎn)品實際應用上都更勝一籌，獲得眾多獎項和專利，制訂了整套系統(tǒng)的產(chǎn)品規(guī)范和技術(shù)要求，并為青島奧帆賽、十運會和十一運會等大型活動提供了完好的集群通信保障服務。同時，在國外，GoTa亦取得較好的成績，在數(shù)十個國家和地區(qū)實現(xiàn)了規(guī)模商用。3G牌照發(fā)放后，GoTa網(wǎng)絡由中國電信運營，借助公網(wǎng)的量產(chǎn)性獲得了優(yōu)良的性價比及移動寬帶潛力。較易實現(xiàn)多廠商環(huán)境下的互操作性，滿足共網(wǎng)集群需要、兼顧專網(wǎng)集群應用。

McWiLL（Multi?Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環(huán)路）是國內(nèi)自主研發(fā)的移動寬帶無線接入（BWA）系統(tǒng)，是SCDMA綜合無線接入技術(shù)的寬帶演進版。McWiLL為全IP架構(gòu)，全面支持固定、便攜以及全移動模式下的語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務，支持切換和漫游，終端最大移動速度可達120 km/h，多址方式采用CS?OFDMA（碼擴正交頻分多址，結(jié)合了CDMA技術(shù)和OFDMA技術(shù)），射頻信道帶寬5 MHz，工作頻段[8]可選用400 MHz、1 800 MHz和3 300 MHz。McWiLL在其R6版本（又稱寬帶多媒體集群通信系統(tǒng)）中引入了對集群的支持，借鑒傳統(tǒng)集群通信系統(tǒng)的功能特點，在多方面進行了設計增強。由此，McWiLL提供了對移動視頻監(jiān)控、指揮調(diào)度、寬帶數(shù)據(jù)和語音業(yè)務的全面支持。目前，McWiLL網(wǎng)絡在油田，煤礦等行業(yè)部門應用較廣。

對于以上各種模式，GoTa和GT800在數(shù)據(jù)傳輸速率上較最初的TETRA有所增強，在網(wǎng)絡布設時作為公網(wǎng)的補充，目前正在借助3G技術(shù)增強數(shù)據(jù)傳輸能力。而McWiLL的寬帶接入方式使傳輸速率可以滿足大數(shù)據(jù)量業(yè)務及實時視頻的傳送要求，但是集群通信基本的話音調(diào)度業(yè)務卻是其弱點，在呼叫接續(xù)時間、補充業(yè)務種類和分組調(diào)度能力上與窄帶數(shù)字集群有較大的差距。

3 數(shù)字集群通信寬帶化的發(fā)展趨勢及研究熱點

由上可見，當前應用中的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)，無論是美軍的SRW還是國內(nèi)的McWiLL，都是在寬帶接入的基礎(chǔ)上增加了集群語音PTT功能，集群業(yè)務不夠豐富，與之前的窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)也不兼容。從現(xiàn)實出發(fā)，在發(fā)展寬帶數(shù)字集群的同時，要考慮與現(xiàn)行窄帶系統(tǒng)相兼容，實現(xiàn)平滑過渡，盡量降低用戶網(wǎng)絡構(gòu)建成本。針對寬帶集群通信系統(tǒng)以上存在的問題，目前主要有如下兩種改進方式：

采用雙模架構(gòu)（窄帶模式與寬帶模式）的數(shù)字集群通信系統(tǒng)；開發(fā)向下兼容的寬帶數(shù)字集群空口標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)增強型數(shù)字集群通信系統(tǒng)。

3.1 雙模架構(gòu)型寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)

系統(tǒng)采用現(xiàn)有的窄帶數(shù)字集群技術(shù)與高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的雙模體系架構(gòu)，使用窄帶數(shù)字集群技術(shù)實現(xiàn)基本的控制、廣播、語音通話及短信等基本業(yè)務，使用高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務，從而獲得高達幾兆至幾十兆的數(shù)據(jù)傳輸速率。

近年來，寬帶無線傳輸技術(shù)有了很大提高，尤其在多址技術(shù)和多天線技術(shù)方面進行了革命性的改進。同時在其他一些方面也進行了局部改進，如調(diào)制與編碼技術(shù)結(jié)合寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)，在能滿足性能指標要求前提下選擇合適系統(tǒng)設計參數(shù)，降低系統(tǒng)復雜程度和研發(fā)成本。在雙模架構(gòu)的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)中涉及到以下研究熱點：

3.1.1 下行多址技術(shù)

OFDMA是目前無線寬帶通信技術(shù)中下行信道最常用的多址接入技術(shù)，基于正交頻分復用OFDM的信道估計算法也早已成為國內(nèi)外通信領(lǐng)域的研究熱點，其包括OFDM技術(shù)信道估計以及OFDM技術(shù)與多天線分集相結(jié)合的MIMO?OFDM技術(shù)信道估計。OFDM技術(shù)具有頻譜效率高，帶寬擴展性強，易于實現(xiàn)MIMO技術(shù)的調(diào)制方式，而且在抗多徑傳播和多普勒頻移，消除符號間干擾，抗頻率選擇性衰落等方面性能優(yōu)良，OFDM技術(shù)可以成為未來移動通信的核心技術(shù)。但同時也需要針對OFDM在峰均功率比（PAPR）、時間與頻率同步、多小區(qū)多址和干擾抑制方面的局限性，采取相應技術(shù)措施來保證系統(tǒng)性能指標。

3.1.2 上行多址技術(shù)

上行多址技術(shù)和下行有所不同，由于終端能力有限，尤其是發(fā)射功率受限，對上行傳輸技術(shù)選擇有很大影響。OFDM這樣的多載波技術(shù)，發(fā)送信號具有非常高的峰均比（PAPR），增加A/D、D/A復雜度[9]、降低RF功率放大器的效率，使得發(fā)射機功放效率成本耗電量增加，不利于在上行鏈路實現(xiàn)。因此可以考慮采用集中式單載波FDMA（SC?FDMA）技術(shù)DFT?S?OFDMA作為上行多址技術(shù)。DFT?S?OFDMA技術(shù)將傳輸帶寬分為正交的子載波集合，并將不同的子載波集合分配給不同的用戶，系統(tǒng)傳輸帶寬可以靈活地在多個用戶之間共享，同時由于信號在頻域的正交性，避免了系統(tǒng)中的用戶多址干擾。

假設系統(tǒng)中有[M]個不同的用戶同時發(fā)送信號，每個用戶分別分配[L]個不同的子載波，系統(tǒng)中總的子載波個數(shù)為[N=LM，]基帶信號形成如圖1所示，每個用戶的數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼調(diào)制后得到長為[L]的符號序列[Dlm，][l=0，1，…，L-1，m]表示第[m]個用戶。這[L]個調(diào)制符號通過DFT矩陣的變換，將每個符號都擴展到系統(tǒng)的[L]個子載波上，從而得到了頻域上的[L]個復值傳輸符號，[Slm，][l=0，1，…，L-1。]傳輸符號[Slm]再映射到[Nc]個子載波中用戶分配的[L]個子載波上，然后通過[Nc]點的IFFT，將用戶[m]的頻域信號[Slm]變換到時域，再加上CP（循環(huán)前綴），然后發(fā)送。基站端接收到的基帶時域信號去掉保護間隔后，執(zhí)行相反的操作就可以接收各個用戶的數(shù)據(jù)符號。

3.1.3 切換技術(shù)

雙模設計引入一個關(guān)鍵問題是窄帶集群模式與寬帶集群模式之間的切換。處于窄帶集群網(wǎng)絡的MS（Mobile Station）僅能夠使用窄帶業(yè)務，而無法使用寬帶網(wǎng)絡的多媒體業(yè)務，如可視電話、實時視頻、高速數(shù)據(jù)等。因此，要求在窄帶集群和寬帶集群均有覆蓋的地方，優(yōu)先選擇寬帶網(wǎng)絡，在寬帶網(wǎng)絡覆蓋不到的地方，仍可以利用窄帶網(wǎng)絡為MS提供服務，保持業(yè)務連續(xù)性[10]。切換過程包括：測量控制、測量報告、切換判決和切換執(zhí)行。其中在測量控制階段，網(wǎng)絡通過發(fā)送測量控制信息通知MS進行測量的參數(shù)；在測量報告階段，MS向網(wǎng)絡發(fā)送測量報告消息；在切換判決階段，網(wǎng)絡根據(jù)測量報告做出切換判斷；在切換執(zhí)行階段，MS和網(wǎng)絡執(zhí)行信令流程，并根據(jù)信令做出相應動作。

3.2 數(shù)據(jù)增強型寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)增強型寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)采用新的空中接口標準，在現(xiàn)有的數(shù)字集群通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行擴展與修改，向下兼容能力較強。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率從而實現(xiàn)寬帶集群的多媒體業(yè)務，需要將多個信道進行捆綁來增加信道帶寬，使之成為虛擬的單個信道。然后再采用多電平調(diào)制的方式提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。在數(shù)據(jù)增強型寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)中涉及到以下研究熱點：

3.2.1 信道捆綁技術(shù)

擴展信道帶寬需要利用連續(xù)的頻譜資源，并將連續(xù)多個信道綁定使用，例如信道帶寬從25 kHz擴展到150 kHz時，需要將6個連續(xù)信道捆綁使用。理論上講，信道帶寬的提升必然會帶來數(shù)據(jù)傳輸速率的提升。但通信距離、信道帶寬與傳輸速率之間存在著密切的關(guān)系，在相同的調(diào)制下，信道帶寬增加一倍則傳輸速率增加一倍，但接收靈敏度會下降約3 dB，這意味著要保持原有的QoS，通信距離必須縮短；同樣，在相同信道帶寬的情況下，采用多電平調(diào)制達到傳輸速率提升一倍，接收靈敏度會下降約5 dB，同樣意味著要保持原有的QoS，也需要縮短通信距離[11]。因此，信道帶寬不能無限的增加且不易選取過高。具體的信道帶寬和調(diào)制電平應依據(jù)實際業(yè)務對數(shù)據(jù)速率的要求而進行調(diào)整，并通過仿真確定具體的取值。

3.2.2 信道鏈路適配技術(shù)

信道鏈路適配技術(shù)為了保證多媒體信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，改善信道的鏈路效率，依據(jù)當前的鏈路狀態(tài)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型自適應的改變調(diào)制電平或編碼率，這其中包括：

（1）自適應調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)

自適應調(diào)制與編碼技術(shù)是在給定數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求的前提下，根據(jù)無線信道的實際情況、平均信噪比、平均時延、通信中斷概率和數(shù)據(jù)速率等來決定采用何種調(diào)制和編碼方式，其組成框圖如圖2所示。編碼碼率和調(diào)制階數(shù)的變換實質(zhì)上是一種變速率傳輸控制方法，以適應無線信道衰落的變化，具有抗多徑傳播能力強、頻譜利用率高等優(yōu)點。

（2）混合自動重傳請求（HARQ）技術(shù)

混合自動重傳請求技術(shù)是為了降低移動通信信道時變性和多徑衰落造成的較高誤碼率，提高系統(tǒng)吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，確保服務質(zhì)量（QoS）而采用的差錯控制技術(shù)，其主要應用于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層中。

由于AMC技術(shù)的優(yōu)點是抗多徑傳播能力較強、頻譜利用率較高，但對測量誤差時延敏感。因此HARQ技術(shù)可結(jié)合AMC技術(shù)使系統(tǒng)獲得更好的性能。這種情況下，AMC進行數(shù)率的粗選，HARQ基于瞬時信道條件進行數(shù)據(jù)速率調(diào)整。

3.2.3 協(xié)議棧升級技術(shù)

（1）多媒體交換層技術(shù)

為增強傳輸多媒體分組數(shù)據(jù)功能，需對現(xiàn)有數(shù)字集群通信系統(tǒng)協(xié)議棧進行部分修改。為實現(xiàn)對多媒體分組數(shù)據(jù)傳輸路由等的管理，增加了MEX子層；MEX子層位于MS協(xié)議棧的SNDCP（SubNetwork Dependent Convergence Protocol）之上，它為多媒體分組數(shù)據(jù)應用于SNDCP之間提供接口，與MEX相連的多媒體應用既可以是MS內(nèi)部的應用，也可以是PEI外接設備的應用，數(shù)量可多達8個，MEX為這些應用提供與SNDCP之間的路由業(yè)務，以保證其多媒體信息的正確發(fā)送和接收。另外，MEX可以對同時傳輸?shù)亩嗝襟w信息提供優(yōu)先級管理。

（2）高層協(xié)議實體的升級

實現(xiàn)點對點或點對多點的IP數(shù)據(jù)業(yè)務，數(shù)據(jù)業(yè)務主要分為如下三類：第一類是實時數(shù)據(jù)，要求這類數(shù)據(jù)不能超出一定的延時，不能丟包；第二類是遙測數(shù)據(jù)，某些應用間斷得使用此類數(shù)據(jù)，允許有一定的延時和丟包；另外一類是背景數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)不允許丟包，可以有一定的延時。升級后的協(xié)議標準應具備為各種應用提供這些數(shù)據(jù)傳輸服務的能力。

4 結(jié) 語

以上兩種寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方式具有各自的優(yōu)缺點，雙模架構(gòu)集群系統(tǒng)更注重高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸性，數(shù)據(jù)增強型集群系統(tǒng)更注重向下兼容、低功耗及易實現(xiàn)性，可以根據(jù)不同的需求選擇不同的發(fā)展方向。

目前，在應對突發(fā)事件時，為了能夠出色的完成現(xiàn)場指揮調(diào)度任務，將社會、經(jīng)濟損失降到最低，用戶執(zhí)行任務過程中不但要求 “聽得清”，更要求“看得見、看得準”。這就需要各大集群通信系統(tǒng)的研究單位、生產(chǎn)廠家和運營部門發(fā)揮各自優(yōu)勢，實現(xiàn)真正意義上向下兼容的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)，提供更為豐富的寬帶業(yè)務，更好地滿足用戶需求。

參考文獻

[1] 張雪麗，王睿.應急通信新技術(shù)與系統(tǒng)應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 徐貴森，符東昇.我國寬帶數(shù)字集群應用需求分析[J].移動通信，2013（1）：25?30.

[3] ETSI. Terrestrial trunked radio （TETRA） voice plus data part 2： air interface， ETSI EN 300 392?2 V3.2.0 [S/OL]. [2011?05?04]. http：//www.etsi.org.

[4] BAKARIC S， BORZIC M， BRATKOVIC D， et al. TETRA： technical features and applicationof professional communication technologiesin mobile digital radio networksfor special purpose service [C]// ELMAR 2005 47th International Symposium. Zadar： European Telecommunication Standards Institute， 2005： 307?310.

[5] 孫昕，李海.淺談我國數(shù)字集群的發(fā)展[J].移動通信，2010（5）：69?73.

[6] 蔣慶生，劉文靜.PDT數(shù)字集群系統(tǒng)的寬帶演進技術(shù)探討[J].數(shù)字通信世界，2010（11）：31?34.

[7] 胡興軍，向群.數(shù)字集群通信三大標準及前景[J].中國信息導報，2004（9）：53?55.

[8] 高云.McWill技術(shù)在“無限亦莊”項目規(guī)劃中的應用[D].北京：北京郵電大學，2010.

[9] 楊小牛，鄒少丞.軟件無線電技術(shù)與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[10] 孫宇彤.WCDMA空中接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[11] 周文安，付秀花.無線通信原理與應用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.