數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多天線技術(shù)的探討

摘 要 隨著集群通信業(yè)務(wù)多元化、寬帶化發(fā)展，現(xiàn)有以2G為基礎(chǔ)的數(shù)字集群系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率等方面的缺陷逐漸暴露，而多天線技術(shù)在提升數(shù)據(jù)傳輸效率方面具有明顯的作用，所以在積極構(gòu)建數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的同時(shí)，人們對(duì)多天線技術(shù)的關(guān)注度也明顯的提升，在此背景下，本文針對(duì)數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多天線技術(shù)兩方面展開研究，為數(shù)字集群系統(tǒng)的發(fā)展做出努力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字集群通信 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 多天線技術(shù)

數(shù)字集群即專用移動(dòng)通信系統(tǒng)，其不僅具有GSM、CDMA的個(gè)人移動(dòng)通信服務(wù)功能，而且可實(shí)現(xiàn)個(gè)人、群體間的任意通信、自主編控，保密性強(qiáng)且功能豐富，對(duì)通訊智能化的實(shí)現(xiàn)具有重要作用，對(duì)數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多天線技術(shù)進(jìn)行研究，是數(shù)字集群通信系統(tǒng)性能優(yōu)化的重要途徑。

1 數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)字集群通信的發(fā)展現(xiàn)狀決定其需要借助公眾移動(dòng)通信的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的探索，這是集群通信多網(wǎng)融合趨勢(shì)的必然要求。現(xiàn)階段人們嘗試以具有寬帶化、高效率特征的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要發(fā)展趨勢(shì)，其主要由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成：首先，全I(xiàn)P核心網(wǎng)，其主要由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、移動(dòng)管理實(shí)體單元、歸屬服務(wù)器等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有針對(duì)網(wǎng)絡(luò)所有用戶設(shè)備進(jìn)行控制，對(duì)所有相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行承載的功能，此結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅可以降低移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)成本，而且對(duì)組網(wǎng)的靈活性可擴(kuò)展性的強(qiáng)化也具有積極的作用。其次，接入網(wǎng)，其以增強(qiáng)型基站作為主要構(gòu)成，主要功能使對(duì)信道進(jìn)行編解碼、頻率等處理以及接入相關(guān)的業(yè)務(wù)、調(diào)整與核心網(wǎng)的關(guān)系等，換言之在此結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)型基站具有基站收發(fā)機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)控制器的雙重功能，而且增強(qiáng)型基站之間可以實(shí)現(xiàn)自主通信，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體的管理、平衡、協(xié)調(diào)等具有積極的作用。再次，手持終端，PTT鍵、網(wǎng)絡(luò)上大范圍的呼叫、優(yōu)先級(jí)呼叫、動(dòng)態(tài)重組、呼叫缺席或轉(zhuǎn)移等均是其應(yīng)具有的功能，另外其需要具有直通功能，擺正手持終端與通群組用戶的正常通信，在此結(jié)構(gòu)的作用下數(shù)字集群通信系統(tǒng)能夠形成諸多封閉用戶群，其各有獨(dú)立的調(diào)度總臺(tái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信和用戶群間的通信，這對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)的有效性和關(guān)聯(lián)性，改善對(duì)突發(fā)事件的反映速度等具有重要的作用。、

可見數(shù)字集群通信的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以將信息分布式的存儲(chǔ)和管理、將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化處理，而且允許無線多連接的同時(shí)接入，使網(wǎng)絡(luò)的間接性和整體性得到強(qiáng)化，網(wǎng)絡(luò)資源甚至可以進(jìn)行自配置，這對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省U(kuò)大業(yè)務(wù)的覆蓋范圍等均具有突出的作用，而且移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可以結(jié)合實(shí)際需要，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的具體組網(wǎng)形式進(jìn)行調(diào)整，建設(shè)的成本明顯的縮減。另外，此種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)星形、環(huán)形、混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均適應(yīng)，所以在具體的架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行靈活的選擇或調(diào)整，在應(yīng)用過程中可行性突出，其應(yīng)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接等均為標(biāo)準(zhǔn)化類型，在數(shù)字集群通信系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)充或升級(jí)的過程中難度更小，甚至與公網(wǎng)互通也具備了條件。分布式數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以順利的承載分組數(shù)據(jù)、語音呼叫等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，而且可以利用IP技術(shù)進(jìn)行圖像的傳輸，利用協(xié)調(diào)通信能力實(shí)現(xiàn)視頻、音音等內(nèi)容形式的傳送，這相比傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)業(yè)務(wù)更加豐富，但相關(guān)的費(fèi)用卻相比明顯的縮減。除此之外，其在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的靈活性、網(wǎng)絡(luò)故障的修復(fù)性等方面也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可見此種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式的選擇基本可以滿足現(xiàn)階段數(shù)字集群通信系統(tǒng)建設(shè)的要求。

2 多天線技術(shù)

多天線技術(shù)主要指智能天線技術(shù)和多進(jìn)多出MIMO技術(shù)。

多天線即發(fā)射端和接收端均應(yīng)用超過1個(gè)天線的通信系統(tǒng)，現(xiàn)階段以信號(hào)處理方式作為劃分依據(jù)，將其劃分為智能天線技術(shù)和多入多出技術(shù)兩類，前者天線陣元間具有較理想的相關(guān)性，通過對(duì)發(fā)射信號(hào)的預(yù)處理，可以使信號(hào)發(fā)射目標(biāo)用戶信噪比增加，目標(biāo)用戶鏈路性能隨之優(yōu)化；后者天線陣元間相關(guān)性相對(duì)較弱，發(fā)射信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中衰落性明顯，但自由度卻明顯提升，信道容量的擴(kuò)充能力提升，所以兩種技術(shù)對(duì)提升數(shù)據(jù)傳輸效率均具有明顯的作用。

2.1 智能天線技術(shù)

智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。智能天線采用空分復(fù)用（SDMA），利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開來。智能天線的產(chǎn)生是建立在對(duì)陣列天線發(fā)送或接收信號(hào)的空時(shí)處理，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了更多可以利用的空間自由度，從而大大提高系統(tǒng)性能。

自從智能天線技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)通信系統(tǒng)中，各國(guó)就開始對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一些成果。歐洲通信委員會(huì)在DECT（數(shù)字增強(qiáng)無線通信）基本上搭建了智能天線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)智能天線的相關(guān)算法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。美國(guó)Redcom公司在時(shí)分多址PHS系統(tǒng)中采用了智能天線。日本ATR光電通信研究所通過波束空間處理研究了多波束智能天線，并將軟件無線電的概念與智能天線結(jié)合。

此類技術(shù)又可劃分為固定波束切換天線、自適應(yīng)天線兩種，前者陣元間距在1/2載波波長(zhǎng)以下，接收機(jī)可以對(duì)區(qū)域目標(biāo)用戶進(jìn)行全面的覆蓋，梳子集群系統(tǒng)可以通過對(duì)各波束能量集中方向中最大的角度進(jìn)行查表定位，并向其發(fā)送一定的波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的空間濾波，后者相比前者其對(duì)最大角定位是通過對(duì)各信號(hào)特征進(jìn)行分析和最優(yōu)賦形算法計(jì)算，所以后者的定位準(zhǔn)確性更理想，但成本和復(fù)雜程度更高。此項(xiàng)技術(shù)在降低發(fā)射信號(hào)的被衰落程度和被干擾程度的同時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)的容量、鏈路的性能、覆蓋的距離等進(jìn)行改善，而且可以對(duì)初期建設(shè)的成本進(jìn)行縮減，所以在移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用空間廣闊。

2.2 多進(jìn)多出技術(shù)

多進(jìn)多出MIMO技術(shù)是指在通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的技術(shù)，該技術(shù)是一項(xiàng)運(yùn)用于802.11n的核心技術(shù)。它最早是由Marconi于1908年提出的，利用多天線來抑制信道衰落。1970年，MIMO技術(shù)被首次引入到通信系統(tǒng)中，現(xiàn)在在第四代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中被廣泛使用。

作為多天線技術(shù)之一的多進(jìn)多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術(shù)能夠很好的提高無線通信系統(tǒng)的頻譜利用率。采用MIMO技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率能夠達(dá)到2040bit/s/Hz，而使用傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為15bit/s/Hz，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有1012bit/s/Hz。由此可見，多天線技術(shù)能夠在不增加功率和帶寬資源的前提下有效的提高無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率

現(xiàn)階段人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多進(jìn)多出技術(shù)在強(qiáng)化無線鏈路可靠性和優(yōu)化數(shù)字集群系統(tǒng)鏈路有效性兩方面的重要作用，其通過空時(shí)分組碼和空時(shí)格形碼支持?jǐn)?shù)據(jù)高階調(diào)制、為信號(hào)分集增益創(chuàng)造條件，在多進(jìn)多出技術(shù)應(yīng)用的過程中，傳輸信息流在空時(shí)編碼的作用下會(huì)轉(zhuǎn)變成多個(gè)信息子流，并由多個(gè)天線向外發(fā)送，在空間信號(hào)被對(duì)應(yīng)的多個(gè)天線所接受，此時(shí)其通過空時(shí)編碼可對(duì)接收子流進(jìn)行分別的處理，可見在此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的過程中寬帶并未被大量的占用，其通過并行空間通道完成了數(shù)據(jù)傳輸，這為提升數(shù)據(jù)傳輸效率也提供了途徑。

多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維（2D）到三維（3D），從高階 MIMO 到大規(guī)模陣列多天線系統(tǒng)的發(fā)展，將有望實(shí)現(xiàn)頻譜效率提升數(shù)十倍甚至更高，是目前5G技術(shù)重要的研究方向之一。未來的多天線技術(shù)主要向著更大的波束賦形/預(yù)編碼增益、更多的空間復(fù)用層數(shù)（MU/SU）及更小的層間干擾、更全面的覆蓋和更小的站點(diǎn)間干擾等方向發(fā)展。

3 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著人們對(duì)集群系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷全面，數(shù)字集群系統(tǒng)的業(yè)務(wù)寬帶化和定制化趨勢(shì)將越來越明顯，而現(xiàn)有的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足其實(shí)際需要，所以進(jìn)行數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化和多天線技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為其適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]劉立斌.數(shù)字集群通信系統(tǒng)平臺(tái)搭建及業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[2]畢奇，謝偉良，陳鵬.LTE多天線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].電信科學(xué)，2014（10）：1-7.

[3]肖松松.基于微帶天線的LTE終端多天線技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[4]任立剛，宋梅，郗松楠.移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)[J].現(xiàn)代電信科技，2004（01）： 42-45.

作者簡(jiǎn)介

陳軍（1969-），女，山東省濟(jì)南市人。大學(xué)本科學(xué)歷。工程學(xué)學(xué)士。現(xiàn)為山東省無線電監(jiān)測(cè)站工程師。研究方向?yàn)闊o線電監(jiān)測(cè)檢測(cè)。

作者單位

山東省無線電監(jiān)測(cè)站 山東省濟(jì)南市 250000