同頻同播技術在省級消防無線通信網中的應用

【摘要】本文分析了消防無線通信中引入同頻同播技術的必要性和可行性，介紹了同頻同播系統的技術特征及功能特點，分析了產生同頻干擾的各種原因，結合消防無線通信的特點設計了消防無線同頻同播網的組網方案，并對該方案的工作原理及鏈路的選擇作了詳細的分析。

【關鍵詞】同頻同播通信系統無線消防應用

隨著社會經濟的發展，我國的搶險救災形勢逐步趨向社會化、全局化、復雜化和智能化等特點，消防跨地區大兵團聯合作戰的幾率越來越高，由于參戰部隊多、建制組合復雜，火災、搶險救援現場的特殊性客觀上也對保障消防通信指揮中心與火災現場之間的通信鏈路暢通無阻提出了更高的要求，消防無線網應用是否成功，都將給滅火和搶險救援事故處置帶來全局性的影響。但消防部隊專用頻率很少，受頻譜資源緊張的約束仍然是一個難題，這就需要在簡單的頻率分配下，去完成大面積覆蓋及高通話質量要求，以適應專用網絡、特別是日益發展的警用調度系統網絡的需要。因此建設無線同頻同播消防大區覆蓋網非常必要，對消防部隊履行滅火救援職責具有重要意義。

一、無線同頻同播網概況

1、無線同頻同播網。同頻同播系統是由單基站通信系統、常規多基站通信系統演變而來。同頻同播就是在整個所需要覆蓋的區域內架設多個同頻中轉臺，并利用鏈路將相關中轉臺信號進行連接，從而加大無線通信網的覆蓋范圍，提高覆蓋區的通訊可靠性，實現良好通訊質量的無線對講網絡。

2、同頻同播系統的優勢。同頻同播系統自出現以來，在短時間內就得到了廣泛的應用。其具有組網靈活簡便、可靠性高、多方位覆蓋，消除通訊死角，可實現大范圍無縫覆蓋；整個系統采用一對工作頻率，頻譜利用率高，用戶使用方便，移動用戶在整個覆蓋范圍內無需轉換頻道；安裝比較靈活方便，可根據需要任意增加基站，原有的無線電臺能夠在同播系統中使用，系統結構比較簡練，建設要求低、周期短等特點。適用于頻率資源少，要求覆蓋范圍大，通信業務量低的應用。較適合消防部隊使用，即可作主網使用，也可作備用網。

二、同播通信網的技術可行性

由于同頻同播系統的特點，多基站覆蓋時存在眾多的重疊覆蓋區，在重疊覆蓋區中，接收到來自幾個基站下發的信號，這些信號存在著載波頻率的差異、調制音頻信號的相位差異、調制音頻信號的幅度差異、電磁波空間傳輸路徑的時間差異以及不同傳輸介質的時延差異，在各個發射站之間的重疊區域產生同頻干擾，影響信號的正常接收。因此，同頻同播系統的技術關鍵在于對各基站信號重疊區的處理。

建立同播系統必須滿足嚴格的同播技術要求要實現同播網交界區良好的通話質量必須滿足下列條件：（1）各區中轉臺發射音頻波形要求基本一致包括幅度與形狀。（2）各區中轉臺發射音頻延時量要求基本一致。（3）各區中轉臺發射頻率必須一致。（4）優化話音判選技術使通信網保持最佳話音質量。

三、同頻同播系統重疊區同頻干擾的原因

1、頻率穩定度

在多個基站進行大覆蓋范圍組網時，多個中轉臺使用同一對頻率工作，必然在相鄰地方存在重疊區，在重疊區用戶機同時收到兩個或多個中轉基站傳來的信號，將會存在同頻干擾問題。

設其中A基站發射頻率為F1，鄰區另一B基站為F1’，則接收機解調輸出有：F1+F1’和F1-F1’。其中F1+F1’由于太高，在實際中沒有影響，F1-F1’則不能忽視，由于現用的無線發射設備頻率穩定度誤差都在±10-6。而消防部隊現用的無線頻率是350MHz，頻率誤差為：±350×106×10-6=±350Hz，兩個載波之間會產生一個頻率為0-700Hz的差頻干擾信號，因此F1-F1’所得之值正好落在音頻話音300Hz-3.4KHz范圍之內，此時會產生一單音嘯叫，這就是差拍嘯叫干擾，通信話音質量受到嚴重影響，甚至根本無法工作。因此，如何令F1與F1’同步，亦即F1=F1’，便成為同頻覆蓋發射的一個關鍵問題。

2、相位同步

信號在接收端產生失真的機理與多徑效應相類似，產生的原因主要是由于傳輸網絡具有不同的群時延特性。如果接收機接收到的語音是幾個相位不等的同一信號的疊加，倘若兩個相位恰好反相，接收機鑒頻輸出信號相互削弱，則接收效果不好甚至無接收信號。

（1）電磁波空間傳輸路徑的時間差異是引起音頻信號相位差異的另一個主要原因，電磁波傳輸時延0.3km/uS。因此不能忽略電磁波的空間傳輸時延差異。

（2）不同傳輸介質的時延差異也會引起音頻信號相位的差異，光纖鏈路、數字微波鏈路提供的E1接口時延時間都不一樣，即使都是光纖鏈路，由于其經過的節點數量不同、路徑不同，其時延也不會相同。通常光纖或微波鏈路提供的E1接口時延時間小于500uS。

3、同幅

當接收機接收到幾個載波的調制頻偏大于2dB時，解調出的信號幅度變化較大，移動臺在高速穿越兩個同頻發射下行重疊區時就會接收到忽大忽小的鑒頻輸出信號，類似于收AM波的衰落現象。

四、系統應用技術

同頻同播系統從引起同頻干擾的信號覆蓋重疊區根源著手，引入衛星GPS技術、鎖頻技術、延遲控制技術（如話音延時等同步技術）、場強判選技術等，建立起一套信令控制系統，減少各種干擾，提高通行質量，實現信道的延伸和無縫覆蓋，從而加大無線對講網的覆蓋范圍，提高覆蓋區的通通信可靠性。

1、載波頻率的同步

采用同步技術使基站的發射頻率與某一頻率參考源進行同步，則可徹底消除重疊區的差拍干擾。如在解決同播站發射載波頻率差異方面引入GPS衛星時鐘同步技術（其頻率穩定度為10-9），作為參考源，采用GPS高精度授時技術和晶振馴服技術，使內部晶體振蕩器輸出頻率精密鎖定在GPS信號上，如果在350MHz頻段發射，保證重疊覆蓋區用戶接收端接收不同基站載波的頻率差異小于1Hz，低于20Hz的頻差人耳是分辨不出來的，因此采用GPS時鐘同步技術可以有效的避免了同頻干擾對話音質量的影響。

2、調制信號幅度均衡

調制信號的幅度特性與傳輸網絡及基站的調制指數密切相關，調制信號幅頻特性的差異將會引起重疊區接收信號的失真。可精選設備，嚴格的篩選和精確的調試，保證各基站之間性能參數差異控制在很小的范圍之內，保證音頻幅頻特性一致性好。

3、調制信號相位均衡

由于鏈路中轉臺的輸出話音信號通過不同的同播基站的發射機傳送到手持電臺，由于不同路徑延時的影響，因此在重疊區內的移動臺收到的音頻信號存在相位差。可采用衛星GPS提供的高精度標準時間作為基準，調整各個發射機的發射音頻信號的延時，保證重疊區的音頻信號同相。

4、場強判選

一般在網內會出現同時幾個同頻基站接收到載波信號，這些同頻基站所接收到的載波信號會強弱不等。如將這些載波信號經中心鏈路基站再轉發至各同頻基站，令網內通話產生較大的雜音，此時判選系統可檢測啟動的各同頻基站場強，將接收到的信號的場強數據通過鏈路機送到鏈路中心站進行比較、分析、判選，根據各路信號的質量，選出一個較好的信號輸出，再送到各同播基站的發射機發射，從而保證另一方移動臺收到的話音是清晰的。

五、同頻同播系統組網模式

同播系統組網方式靈活，鏈路均可采用有線、無線鏈路或有線及無線鏈路混合。

1、無線鏈路同頻同播網

同頻同播網的鏈路采用無線方式，占用一對無線頻率。它的優點是：基站選擇相對容易不受架設有線鏈路的條件的限制。但各同播基站和中心鏈路差轉機間必須建立可靠的通訊連接，而且鏈路頻率不能受到干擾。當采用無線鏈路方式時，鏈路機需選用專用的鏈路電臺。

2、有線鏈路同頻同播網

有線鏈路同頻同播網在系統結構上和無線鏈路同頻同播網大至相同，只是不再采用無線鏈路機而是用有線接口設備來傳輸鏈路信號。

每個同播基站到同播控制中心之間均有屬于自己的專用鏈路，而且在同播網工作期間是實時在線的，因此同播基站可將自己的狀態實時傳送給同播控制中心處理而無需同播控制中心輪詢，因此處理延遲時間幾乎為零。

3、二種方式的比較

無線鏈路方式：（1）站點選擇靈活，不受有線架設條件的限制，只要可以和鏈路基站連通的地點都可以布設同播基站。（2）以后的使用和維護費用低，但話音質量低于E1鏈路方式。

有線方式：（1）可以組建大型同播系統，但基站架設受限制不能靈活選點。（2）全數字鏈路，傳輸速率高且穩定，話音判選性能好，可確保系統已最佳話音同播。（3）相對于無線鏈路，受干擾的可能性小，可靠性高。

在實際應用中，一般采用有線/無線混合鏈路同播系統，有條件的地點采用有線鏈路，如總隊到各個支隊，可利用現有的消防信息通信網絡系統；沒有條件的地點采用無線鏈路，如各個支隊的中轉基站，組成混合鏈路同播系統。

4、基站的選擇

基站的選擇應該以布點合理、基站架設條件成熟以及便于日常維護管理為主。事前要做好轄區地形、地貌以及電磁環境的調查勘測工作，合理選擇設置基站的地點和數量，確保基站設置合理和轄區指揮通信。

六、結論

在頻率資源日益短缺和電磁環境日益惡劣的今天，同播系統無疑有其存在的意義，它具有其它通信系統所不能替代的優勢，其性能在經過設計和優化調節后完全可以達到常規通信系統的水平。因此同播網不但可實現覆蓋范圍的擴大，而且是解決無線盲區的有效方法，便于快速、高效、安全傳遞信息，提供了指揮、調度的便捷手段，提高滅火救援行動的應急反應速度。

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