集群系統：從窄帶向寬帶通信系統的發展

何晨光　魏守明

【摘 要】從“集群”一詞的概念變化談起，總結了目前多種行業對寬帶無線多媒體集群系統的應用需求，列舉了國內外寬帶無線多媒體集群的發展和應用現狀，從而提出了我國寬帶無線多媒體集群系統從窄帶向寬帶通信系統的發展過程中需要具備的9個方面的能力。

【關鍵詞】集群系統 寬帶通信 應用需求

1 前言

集群一詞是從英文Trunking或Trunked翻譯得來。實際上，Trunking或Trunked本意為中繼或干線，為了避免與譯為中繼的Repeater相混淆，上世紀80年代末期我國的移動通信專家胡思益（中國電子科技集團公司第七研究所前總工）把Trunking或Trunked譯成集群，并從Trunked的含義出發，定義了傳統意義上的“集群系統”為：所具有的全部可用信道都可為系統的全體用戶共用，具有自動選擇信道功能，是一種共享資源、分擔費用、提供優良的多用途、高效能、廉價、先進的無線指揮調度系統。

隨著無線高速數據業務需求的飛速發展，寬帶化已經成為無線通信網絡發展的必然趨勢。現在行業用戶在利用集群通信系統進行指揮調度的過程中，不僅要“聽得到”，還要“看得見、看得清”，需要集群系統支持語音、數據、圖像和視頻等多種業務的不同傳輸速率。同時，我國的國情也進一步確定了集群系統在兼容窄帶集群系統的同時，向寬帶化平滑過渡，支持中速、高速和超高速等多種接入模式，構建與窄帶集群網絡、蜂窩網絡、PSTN（公共交換電話網絡）以及空天通信系統融合的新一代寬帶無線多媒體集群通信系統。

目前，“集群”的概念在Trunked一詞所涵蓋的集小群（組）為大群（組）的含義基礎上，已經從傳統的用戶信道資源共享，延伸到多樣化功能業務、多模式終端接入、以及多種窄帶化和寬帶化通信系統之間的融合，并將基于寬帶無線通信技術，采用多媒體業務形式，以指揮調度功能為主的專用無線通信系統稱為寬帶無線多媒體集群，簡稱寬帶集群。

2 寬帶集群的應用需求

傳統的窄帶集群是基于語音和低速數據傳輸的通信系統，在指揮調度方面發揮著重要作用。但是，隨著多種行業對寬帶移動通信需求的日益強烈，并且對于語音通信和數據通信并存的需求越來越大。以公共安全業務為例，不僅需要上傳高質量圖片、下載大數據量文件，還需要進行實時視頻傳輸。對此，歐美各國對公共安全機構的寬帶集群通信進行了大量的調研和討論。根據行業用戶種類的多元化發展，總結出了新的寬帶集群應用需求。如表1所述，當前窄帶集群系統已經無法滿足行業用戶的多種需求。

表1 集群應用需求

類別 需求種類

功能需求 支持語音、數據和視頻業務；傳統集群業務；實時短消息和即時短消息；分局數據和IP接入；現場視頻傳輸；指揮調度；移動辦公；優先服務策略；動態寬帶分配；虛擬專網；遙控遙測；物聯網集群應用；直通模式；自組網；移動用戶定位

性能要求 高質量語音，高分辨率圖像和實時動態高清視頻；極小的系統時延；上下行數據速率配置；高頻譜利用率；分層管理的統一網管系統；廣泛覆蓋；高性能的移動終端

安全性性能 分等級的安全加密體系；端到端加密；支持第三方開發密鑰管理中心；空中密鑰更新；阻止非授權接入

互聯互通要求 與傳統系統互通；接入公共通信網絡；接入衛星通信網絡

環境適應性要求 無人值守基站；快速部署；電磁兼容性

兼容性要求 終端多樣性兼容；加入國際標準體系；向下兼容；升級和平滑演進

可靠性要求 冗余和備份；故障弱化與自恢復；自組網

可擴展性要求 標準API應用接口；可擴展的系統規模；開放系統架構

3 寬帶集群的應用現狀

目前，歐美等發達國家也正經歷著由窄帶向寬帶集群系統演進的過程。美國聯邦通信委員會（FCC）于2010年提出了《國家寬帶計劃》，利用專用頻段建立公共安全專業寬帶移動通信網絡。美國奧巴馬總統提倡的全國無線行動計劃，意圖促進全國公共安全行業寬帶移動通信網絡的發展與部署。2010年9月，愛立信與摩托羅拉聯手將LTE引入無線專網，將語音和數據通信交互操作，從而統一推出性能卓越的語音和寬帶多媒體應用。該解決方案使用700MHz和400MHz兩個頻段。同年，美國Harris與諾基亞西門子公司合作推出一套完整的700MHz寬帶LTE專用網絡解決方案，該方案可以支持多種寬帶業務，使用戶既能使用下一代語音、數據和移動視頻等業務，還能繼續使用傳統的窄帶通信網絡。2011年3月，美國DFW國際機場對此方案進行驗證，通過利用LTE寬帶網絡和P25網絡，實現了PTT語音業務和視頻多媒體業務。2012年7月，Harris公司在美國國內成功進行了全國性公共安全LTE示范網絡測試。

加拿大在公共安全無線寬帶通信規劃與建設方面跟隨美國的步伐，其國防研究發展局將全力爭取寬帶專用頻段，建立全國性公共安全專業寬帶通信網絡。日本作為發達國家，已經完成了公共安全專用頻譜的劃分，并探討了一系列寬帶技術研究。

歐盟雖然還沒有出臺任何正式的公共安全寬帶通信網絡規劃，但各國的想法卻是十分一致的，就是必須發展專用寬帶移動通信網絡，這在2011年3月30日于布魯塞爾召開的名為“歐洲公共安全與救災服務的未來”研討會上就有明顯的體現。該研討會討論了歐洲未來專用通信的需求和發展。在研討會上，德國認為全歐洲應相互協調采用統一的頻段為公共安全與救災機構建立高速數據通信網絡；法國則表示其目標在2020年建成國內專用寬帶網絡，并期望歐洲在頻譜分配上能達成一致，這樣可以保障各國在跨國界區域通信的互操作性；芬蘭、奧地利等國也表達了同樣的觀點。

法國THALES公司早在2009年就發布了基于WiMAX和LTE技術的TeMax寬帶集群解決方案，可對傳統的TETRA網絡進行升級，實現真正的寬帶多媒體集群通信。其后，2010年與三星電子公司簽署戰略合作協議，將4G技術融入到TeMax方案中，可以使一臺TETRA集群終端同時支持WiMAX和LTE技術，做到了4G技術與TETRA集群系統的完美融合。

4 中國寬帶集群的發展趨勢

中國寬帶集群通信系統的研究緊隨全球的步伐，從2008年開始，在工業和信息化部“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項（專項三）課題的支持下，對全國多種行業的專用通信需求進行全面的調研，確定我國行業集群通信系統的發展方向，完成我國寬帶無線多媒體集群網絡的基礎框架設計及相關技術研究，截至2013年6月，已成功完成寬帶無線多媒體集群系統多種接入模式的測試工作，并形成具有自主知識產權的技術標準。

中國的寬帶無線集群規劃將從基本國情出發：一方面，中國人口密度分布不均勻，地域廣闊的中西部地區人口密度低，適合大區制組網，人口密度大的東南沿海地區、一線和二線城市，適合小區制組網；在傳輸不同業務數據時，用戶對數據速率的要求也不盡相同，但在緊急情況下仍以語音通信為主，所以寬帶無線集群系統需要支持中速、高速和超高速等多種無線接入模式，構建多模式融合網絡；另一方面，中國已建有大量的窄帶基礎設施，寬帶無線集群系統的建設不可能一蹴而就，需要通過對窄帶集群系統的兼容，逐步平滑過渡。

所以，中國的寬帶集群系統需要具備如下9個方面的能力：

（1）高效的指揮控制能力。系統能夠提供完備的控制功能，通過多媒體方式進行大規模指揮調度、并正確決策。系統采用扁平化結構，信息上傳、下達迅速準確。

（2）實時的系統響應能力。在系統中，同交換機內組呼建立時間小于500ms；話語權申請時間小于200ms；與傳統無線系統互聯的呼叫接續時間小于1000ms。

（3）高度的安全防護能力。系統在運行過程中，通過物理防護、安全接入和端到端加密等功能，保證用戶和系統的信息在存儲、獲取、傳輸和處理過程中保持其完整、正確、可用和不被泄露。

（4）靈活的機動重組能力。系統能夠按照用戶需求變化和系統規劃與設計的規定，以重排（重新組態）、重復利用和更新系統組態或子系統的方式，快速靈活調整系統工作流程，實現低的重組成本、短的設計研制和斜升時間、高的性能投資效益。

（5）按需的資源共享能力。系統可利用無線頻譜感知技術和頻譜管理技術將有限的資源實現無限的利用，解決專網系統發展的瓶頸問題，為專網系統的發展奠定堅實的基礎。

（6）多種業務應用能力。集群業務不再局限于語音指揮調度，還包括對多媒體調度、無線數據傳輸、定位、無線視頻監控、移動辦公等多種業務。

（7）多場景的適應能力。系統需要根據可獲得接入資源的差異性，利用多種接入方式來滿足多場景甚至是全場景的需求。在系統研制的過程中，針對可能面對的應用場景，研發相應的系統解決方案，使系統具備面向多場景的個性化能力。

（8）模塊化的配置能力。系統可以分成多個小功能模塊，然后根據行業用戶的不同需求對這些模塊進行組裝，依據標準靈活產生系統原型的各種變體。

（9）架構的可擴展能力。系統在通過相應升級之后能夠達到提供更強處理能力。系統向下可兼容；向上可平滑過渡和升級；系統需要制定統一的網絡架構平臺和產品標準，統一的網絡外部和內部接口規范；需要多種接入模式支持不同典型行業的應用需求；需要多種制式的網絡系統間互聯（異構網絡）。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等. 數字集群移動通信系統[M]. 3版. 北京： 電子工業出版社， 2008.

[2] 沙學軍，譚學治，陳娟. 數字集群網系統總體方案的探討[J]. 移動通信， 2001（4）.★

4 中國寬帶集群的發展趨勢

中國寬帶集群通信系統的研究緊隨全球的步伐，從2008年開始，在工業和信息化部“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項（專項三）課題的支持下，對全國多種行業的專用通信需求進行全面的調研，確定我國行業集群通信系統的發展方向，完成我國寬帶無線多媒體集群網絡的基礎框架設計及相關技術研究，截至2013年6月，已成功完成寬帶無線多媒體集群系統多種接入模式的測試工作，并形成具有自主知識產權的技術標準。

中國的寬帶無線集群規劃將從基本國情出發：一方面，中國人口密度分布不均勻，地域廣闊的中西部地區人口密度低，適合大區制組網，人口密度大的東南沿海地區、一線和二線城市，適合小區制組網；在傳輸不同業務數據時，用戶對數據速率的要求也不盡相同，但在緊急情況下仍以語音通信為主，所以寬帶無線集群系統需要支持中速、高速和超高速等多種無線接入模式，構建多模式融合網絡；另一方面，中國已建有大量的窄帶基礎設施，寬帶無線集群系統的建設不可能一蹴而就，需要通過對窄帶集群系統的兼容，逐步平滑過渡。

所以，中國的寬帶集群系統需要具備如下9個方面的能力：

（1）高效的指揮控制能力。系統能夠提供完備的控制功能，通過多媒體方式進行大規模指揮調度、并正確決策。系統采用扁平化結構，信息上傳、下達迅速準確。

（2）實時的系統響應能力。在系統中，同交換機內組呼建立時間小于500ms；話語權申請時間小于200ms；與傳統無線系統互聯的呼叫接續時間小于1000ms。

（3）高度的安全防護能力。系統在運行過程中，通過物理防護、安全接入和端到端加密等功能，保證用戶和系統的信息在存儲、獲取、傳輸和處理過程中保持其完整、正確、可用和不被泄露。

（4）靈活的機動重組能力。系統能夠按照用戶需求變化和系統規劃與設計的規定，以重排（重新組態）、重復利用和更新系統組態或子系統的方式，快速靈活調整系統工作流程，實現低的重組成本、短的設計研制和斜升時間、高的性能投資效益。

（5）按需的資源共享能力。系統可利用無線頻譜感知技術和頻譜管理技術將有限的資源實現無限的利用，解決專網系統發展的瓶頸問題，為專網系統的發展奠定堅實的基礎。

（6）多種業務應用能力。集群業務不再局限于語音指揮調度，還包括對多媒體調度、無線數據傳輸、定位、無線視頻監控、移動辦公等多種業務。

（7）多場景的適應能力。系統需要根據可獲得接入資源的差異性，利用多種接入方式來滿足多場景甚至是全場景的需求。在系統研制的過程中，針對可能面對的應用場景，研發相應的系統解決方案，使系統具備面向多場景的個性化能力。

（8）模塊化的配置能力。系統可以分成多個小功能模塊，然后根據行業用戶的不同需求對這些模塊進行組裝，依據標準靈活產生系統原型的各種變體。

（9）架構的可擴展能力。系統在通過相應升級之后能夠達到提供更強處理能力。系統向下可兼容；向上可平滑過渡和升級；系統需要制定統一的網絡架構平臺和產品標準，統一的網絡外部和內部接口規范；需要多種接入模式支持不同典型行業的應用需求；需要多種制式的網絡系統間互聯（異構網絡）。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等. 數字集群移動通信系統[M]. 3版. 北京： 電子工業出版社， 2008.

[2] 沙學軍，譚學治，陳娟. 數字集群網系統總體方案的探討[J]. 移動通信， 2001（4）.★

4 中國寬帶集群的發展趨勢

中國寬帶集群通信系統的研究緊隨全球的步伐，從2008年開始，在工業和信息化部“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項（專項三）課題的支持下，對全國多種行業的專用通信需求進行全面的調研，確定我國行業集群通信系統的發展方向，完成我國寬帶無線多媒體集群網絡的基礎框架設計及相關技術研究，截至2013年6月，已成功完成寬帶無線多媒體集群系統多種接入模式的測試工作，并形成具有自主知識產權的技術標準。

中國的寬帶無線集群規劃將從基本國情出發：一方面，中國人口密度分布不均勻，地域廣闊的中西部地區人口密度低，適合大區制組網，人口密度大的東南沿海地區、一線和二線城市，適合小區制組網；在傳輸不同業務數據時，用戶對數據速率的要求也不盡相同，但在緊急情況下仍以語音通信為主，所以寬帶無線集群系統需要支持中速、高速和超高速等多種無線接入模式，構建多模式融合網絡；另一方面，中國已建有大量的窄帶基礎設施，寬帶無線集群系統的建設不可能一蹴而就，需要通過對窄帶集群系統的兼容，逐步平滑過渡。

所以，中國的寬帶集群系統需要具備如下9個方面的能力：

（1）高效的指揮控制能力。系統能夠提供完備的控制功能，通過多媒體方式進行大規模指揮調度、并正確決策。系統采用扁平化結構，信息上傳、下達迅速準確。

（2）實時的系統響應能力。在系統中，同交換機內組呼建立時間小于500ms；話語權申請時間小于200ms；與傳統無線系統互聯的呼叫接續時間小于1000ms。

（3）高度的安全防護能力。系統在運行過程中，通過物理防護、安全接入和端到端加密等功能，保證用戶和系統的信息在存儲、獲取、傳輸和處理過程中保持其完整、正確、可用和不被泄露。

（4）靈活的機動重組能力。系統能夠按照用戶需求變化和系統規劃與設計的規定，以重排（重新組態）、重復利用和更新系統組態或子系統的方式，快速靈活調整系統工作流程，實現低的重組成本、短的設計研制和斜升時間、高的性能投資效益。

（5）按需的資源共享能力。系統可利用無線頻譜感知技術和頻譜管理技術將有限的資源實現無限的利用，解決專網系統發展的瓶頸問題，為專網系統的發展奠定堅實的基礎。

（6）多種業務應用能力。集群業務不再局限于語音指揮調度，還包括對多媒體調度、無線數據傳輸、定位、無線視頻監控、移動辦公等多種業務。

（7）多場景的適應能力。系統需要根據可獲得接入資源的差異性，利用多種接入方式來滿足多場景甚至是全場景的需求。在系統研制的過程中，針對可能面對的應用場景，研發相應的系統解決方案，使系統具備面向多場景的個性化能力。

（8）模塊化的配置能力。系統可以分成多個小功能模塊，然后根據行業用戶的不同需求對這些模塊進行組裝，依據標準靈活產生系統原型的各種變體。

（9）架構的可擴展能力。系統在通過相應升級之后能夠達到提供更強處理能力。系統向下可兼容；向上可平滑過渡和升級；系統需要制定統一的網絡架構平臺和產品標準，統一的網絡外部和內部接口規范；需要多種接入模式支持不同典型行業的應用需求；需要多種制式的網絡系統間互聯（異構網絡）。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等. 數字集群移動通信系統[M]. 3版. 北京： 電子工業出版社， 2008.

[2] 沙學軍，譚學治，陳娟. 數字集群網系統總體方案的探討[J]. 移動通信， 2001（4）.★