應(yīng)急通信的數(shù)字集群技術(shù)介紹
集群通信系統(tǒng)主要應(yīng)用范圍是對指揮調(diào)度功能要求較高的部門和企業(yè),主要包括政府部門(如軍隊、公安部門、國家安全部門和緊急事件服務(wù)部門)、鐵道、水利、電力、民航等單位。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,出租、物流、物業(yè)管理和工廠制造業(yè)也越來越需要集群通信。集群通信正逐漸成為公眾移動通信之外的一大專用通信系統(tǒng)。本文詳細介紹了應(yīng)急通信的特點和集群通信的特點、國內(nèi)集群系統(tǒng)的概況以及國內(nèi)的兩種集群通信系統(tǒng)。
1、引言
應(yīng)急通信系統(tǒng)是在一些突發(fā)任務(wù)或災(zāi)難情況下,為更好地協(xié)調(diào)不同部門,高效率地處理這些突發(fā)事件而提供通訊功能的系統(tǒng)。集群通信系統(tǒng)具備特有的調(diào)度功能和組呼功能以及快速呼叫的特性,因此在應(yīng)急通信系統(tǒng)中具有重要作用。集群通信系統(tǒng)主要應(yīng)用范圍是對指揮調(diào)度功能要求較高的部門和企業(yè),主要包括政府部門(如軍隊、公安部門、國家安全部門和緊急事件服務(wù)部門)、鐵道、水利、電力、民航等單位。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,出租、物流、物業(yè)管理和工廠制造業(yè)也越來越需要集群通信。集群通信正逐漸成為公眾移動通信之外的一大專用通信系統(tǒng)。因此,應(yīng)急通信系統(tǒng)除了要求支持基本的集群調(diào)度通訊外,還要求能夠快速建網(wǎng),一呼即通,一呼萬應(yīng),多業(yè)務(wù)部門聯(lián)動,通話質(zhì)量好,操作方便等多種使用于緊急情況的功能。
2、數(shù)字集群通信的定義和特點
國際無線電協(xié)商委員會(CCIR)將集群通信系統(tǒng)命名為“Trunking Communication System”,國外也有將其稱為PMR(Private Mobile Radio)或SMS(Specialized Mobile System)。我國曾將Trunking Communication System譯為中繼通信,1987年改譯為集群移動通信系統(tǒng),常稱為集群通信系統(tǒng)或集群系統(tǒng)。
集群通信系統(tǒng)是多個用戶(部門、群體)共用一組無線電信道,并動態(tài)地使用這些信道的專用移動通信系統(tǒng)。集群通信系統(tǒng)與公眾的蜂窩移動系統(tǒng)相比具有如下特點:
(1)呼叫接續(xù)快;
(2)群組內(nèi)用戶共享前向信道;
(3)半雙工通信方式,PTT方式;
(4)支持私密呼叫和群組呼叫;
(5)呼叫和講話時,需按住PTT鍵,被叫不需摘機。
3、目前我國數(shù)字集群技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀
從數(shù)字集群通信的發(fā)展現(xiàn)狀來看,集群產(chǎn)業(yè)處在初期發(fā)展階段,與公眾移動通信的發(fā)展規(guī)模相比,數(shù)字集群通信的規(guī)模處于遠遠落后的狀態(tài)。同時,國內(nèi)正在使用的數(shù)字集群通信系統(tǒng)完全采用國外的技術(shù)和設(shè)備,整個產(chǎn)業(yè)基本處于被國外廠商壟斷的狀態(tài)。而且,無論是TETRA系統(tǒng)還是iDEN系統(tǒng),其標準的開放性不高,iDEN系統(tǒng)被摩托羅拉獨家壟斷,而TETRA系統(tǒng)雖然在空中接口可以做到兼容,但各個廠家系統(tǒng)之間不能實現(xiàn)互聯(lián)互通,影響了TETRA系統(tǒng)的發(fā)展。這種狀況造成的最直接的問題是終端和系統(tǒng)設(shè)備價格較高,或者是系統(tǒng)維護、升級和擴容的成本高,這在很大程度上限制了數(shù)字集群通信在我國的發(fā)展。
由于我國的集群通信市場存在著相當規(guī)模的市場和發(fā)展?jié)摿Γ瑖鴥?nèi)的多個電信設(shè)備制造商,例如中興、華為和大唐,都在大力研發(fā)數(shù)字集群通信設(shè)備,并已經(jīng)研制出符合集群通信要求的數(shù)字集群系統(tǒng)設(shè)備。和目前較為成熟的國外幾種集群技術(shù)所不同的是,這些系統(tǒng)具有很多中國企業(yè)的自主知識產(chǎn)權(quán),系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用了目前更為先進和公開的移動通信技術(shù),并在此基礎(chǔ)上引入了自主專利技術(shù),實現(xiàn)了數(shù)字集群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。另一方面,與國外技術(shù)的壟斷和相對封閉相比,國內(nèi)廠家研制的集群系統(tǒng)可以完全公開并標準化。
在國內(nèi),目前能夠提供完整的數(shù)字集群設(shè)備和終端的系統(tǒng)包括華為公司開發(fā)的基于GSM的數(shù)字集群通信系統(tǒng)(GT800系統(tǒng))和中興公司開發(fā)的基于CDMA的數(shù)字集群通信系統(tǒng)(GoTa系統(tǒng))。
4、GoTa系統(tǒng)
GoTa的含義是開放式集群結(jié)構(gòu)(Global open Trunking Architechture),是為滿足數(shù)字集群通信專網(wǎng)和共網(wǎng)用戶的需要而開發(fā)的。
GoTa的空中接口在cdma2000技術(shù)基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化和改造,使之能夠滿足現(xiàn)代集群通信的技術(shù)要求。GoTa采用的呼叫方式是集群通信中所特有的PTT方式的話音呼叫;為了提高呼叫接續(xù)速度,GoTa定義了一套相應(yīng)的體制結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧,以滿足集群通信系統(tǒng)的快速連接;為了支持群組呼叫,GoTa,優(yōu)化了空中接口,從而達到在同一個小區(qū)/載頻下同一群組的用戶在呼叫時能夠共享同一條空中信道的目的。GoTa在處理通信連接時也采用了共享的方式,這將減少網(wǎng)絡(luò)處理呼叫時的時延。對用戶來說,信道選擇和分配的過程卻是透明的。因此,GoTa具有快速的接入、高信道效率和頻譜使用率,較高的用戶私密性、易擴展性和支持業(yè)務(wù)種類多等技術(shù)優(yōu)點。
4.1 GoTa系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
GoTa系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中包括如下邏輯功能模塊和子系統(tǒng)。
圖1 GoTa系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
(1)集群終端
集群終端為用戶提供CDMA集群系統(tǒng)的各種集群業(yè)務(wù),同時也為用戶提供傳統(tǒng)的普通電話業(yè)務(wù)、補充業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。終端通過空中接口和集群系統(tǒng)相連,提供集群調(diào)度功能。
(2)基站子系統(tǒng)BSS
基站子系統(tǒng)BSS由基站收發(fā)信機BTS和基站控制器BSC組成,主要完成集群業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和普通電話業(yè)務(wù)的接入功能。基站子系統(tǒng)BSS通過標準接口和調(diào)度子系統(tǒng)、CDMA核心網(wǎng)(包括交換子系統(tǒng)以及分組子系統(tǒng))相連,滿足集群終端的各種業(yè)務(wù)需求,包括集群業(yè)務(wù)、電信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
(3)調(diào)度子系統(tǒng)DSS
由調(diào)度控制中心DCC和調(diào)度歸屬寄存器DHR組成。DSS主要完成集群調(diào)度業(yè)務(wù)。DCC是集群呼叫的總控制點,完成集群調(diào)度呼叫的處理,包括鑒別集群用戶、建立各種集群呼叫,如私密呼叫和群組呼叫、判斷集群PTT請求等。DCC作為調(diào)度控制中心,還接收反向鏈路來的集群語音數(shù)據(jù),根據(jù)呼叫的性質(zhì)再分發(fā)到對應(yīng)的前向鏈路。
DHR完成數(shù)據(jù)庫管理和配置功能,為集群用戶提供群組注冊、群組成員注冊,并提供集群成員的本地信息以及集群成員的業(yè)務(wù)權(quán)限記錄,完成呼叫統(tǒng)計和計費功能。
(4)調(diào)度臺
調(diào)度臺是用戶組中具有特殊權(quán)限的終端,可以分為移動調(diào)度臺和固定調(diào)度臺。
●固定調(diào)度臺同時與調(diào)度子系統(tǒng)和操作維護中心相連,可以發(fā)起和參與組呼、廣播等調(diào)度業(yè)務(wù),并能夠?qū)崿F(xiàn)對群組成員的管理功能。
●移動調(diào)度臺可以發(fā)起組呼、廣播呼叫等調(diào)度業(yè)務(wù),在組呼的話語權(quán)控制上有較高的優(yōu)先級,具備簡單的群組用戶管理功能。
(5)CDMA核心網(wǎng)
CDMA核心網(wǎng)包括交換子系統(tǒng)和分組子系統(tǒng)。交換子系統(tǒng)主要完成電話互聯(lián)業(yè)務(wù)、普通電話呼叫業(yè)務(wù)和部分增值業(yè)務(wù),并提供相關(guān)業(yè)務(wù)功能用戶信息的存儲和管理功能。分組子系統(tǒng)的主要功能是為用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道,從而向用戶提供高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。
4.2 關(guān)鍵技術(shù)
與GSM和CDMA公共蜂窩移動通信系統(tǒng)相比,在數(shù)字集群系統(tǒng)中有兩個特有的關(guān)鍵技術(shù):業(yè)務(wù)信道的共享、呼叫的快速建立。
(1)前向無線業(yè)務(wù)信道的共享
由于集群系統(tǒng)提供組呼業(yè)務(wù),而CDMA系統(tǒng)是針對一對一呼叫的。因此,在實現(xiàn)PTT方式的群組呼叫時,必須對CDMA系統(tǒng)進行改造,以實現(xiàn)前向資源的共享。
為了實現(xiàn)前向業(yè)務(wù)信道共享,就必須對群組用戶所使用的前向業(yè)務(wù)信道采用相同的調(diào)制參數(shù),即同一組內(nèi)的每個用戶所分配的前向業(yè)務(wù)信道具有相同的長碼掩碼和WalshCode,這樣相同的載波/扇區(qū)下同一個群組將使用同一個信道,從而達到前向信道共享的目的。
為了達到群組用戶在前向信道共享的目的,在信令流程上必須增加相應(yīng)參數(shù)(長碼掩碼和WalshCode)的傳遞。前向共享業(yè)務(wù)信道由F-FCH/F-SCH提供支持,沒有對前向信道的結(jié)構(gòu)進行改動,與原cdma 1x前向碼道不同的是,建立碼道時原設(shè)置的私有長碼掩碼改為調(diào)度組要求或指定的特殊公共長碼掩碼;不同的群組使用不同的長碼掩碼和WalshCode。與cdma 1x前向業(yè)務(wù)信道比較,Walsh碼資源與語音用戶相同,信道結(jié)構(gòu)基本不變;長碼掩碼通過加密算法計算得到。
(2)呼叫的快速建立
集群系統(tǒng)中PTT呼叫的另一個重要特色就是快速連接。如果CDMA系統(tǒng)未經(jīng)改造,則呼叫建立的時間將不能滿足PTT呼叫應(yīng)用時的需要。
為了解決快速連接必須從兩方面著手,一是將信令流程進行改造,減少不必要的流程和協(xié)商,盡量采用并行處理方式,節(jié)省用戶的接入時間,滿足PTT呼叫方式。另一方面,可通過使用增強型的接入信道,增加基站接入信道數(shù)量以及通過允許集群移動臺增大初始發(fā)射功率、功率增加步長,以及提高系統(tǒng)的接收靈敏度、優(yōu)化搜索策略等技術(shù),將接入試探控制在極短的時間內(nèi)完成。另外,為了提高移動臺的接入成功率和通話的穩(wěn)定性,系統(tǒng)可以考慮采用Access Probe Handoff,Access Handoff,Channel-Assignament into Soft/Softer Handoff等技術(shù)。
5、GT800系統(tǒng)
GT800是以GSM-R為基礎(chǔ)進行自主技術(shù)創(chuàng)新,兼容GSM和TD-SCDMA的無線接入技術(shù),滿足行業(yè)用戶指揮調(diào)度需求的數(shù)字集群系統(tǒng)。GT800根據(jù)基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展的成熟期分兩個階段實現(xiàn):
●Phase Ⅰ:定位集群共網(wǎng)運營,采用GSM無線接入技術(shù),支持現(xiàn)有主流集群系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能,性能指標達到或優(yōu)于現(xiàn)有集群體制(接續(xù)速度等)。
●Phase Ⅱ:定位專網(wǎng)和共網(wǎng)集群,基于Phase I核心網(wǎng)增強,同時支持GSM和TD-SCDMA接入技術(shù),通過終端雙模向TD-SCDMA演進。
5.1 GT800系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
GT800系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)中包括如下邏輯功能模塊和子系統(tǒng)。
圖2 GT800數(shù)字集群系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)
(1)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要完成交換功能和客戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。NSS由一系列功能實體所構(gòu)成,一個網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)NSS可包括若干個MSC,VLR和HLR。各功能實體之間都通過符合No.7信令協(xié)議互相通信,其中組呼寄存器(GCR,Group Call Register)中包含了組ID和組呼區(qū)域,組呼區(qū)域與組ID合在一起稱作組呼參考。其中,與錨MSC相連的GCR中包含了與該組呼參考相關(guān)的調(diào)度臺列表、中繼MSC列表、錨MSC直接控制的小區(qū)列表。而與中繼MSC相連的GCR則包含了與該組呼參考相關(guān)的錨MSC地址、本中繼MSC所控制的小區(qū)列表。
(2)基站子系統(tǒng)
基站子系統(tǒng)BSS是集群系統(tǒng)中與無線傳輸方面關(guān)系最直接的基本組成部分。它通過無線接口直接與移動臺相接,負責無線信號發(fā)送接收和無線資源管理。另一方面,基站子系統(tǒng)與核心網(wǎng)中的移動業(yè)務(wù)交換中心(MSC)相連,實現(xiàn)移動用戶之間或移動用戶與固定網(wǎng)路用戶之間的通信連接,傳送系統(tǒng)信號和用戶信息等。
(3)集群終端
集群終端由兩部分組成,移動終端(MT)和用戶識別模塊(SIM)。支持點對點私密呼叫、廣播呼叫、組呼。
5.2 關(guān)鍵技術(shù)
(1)信道共享
GT800采用GSM的物理信道結(jié)構(gòu)邏輯信道,增加了組呼信道和廣播通知信道。在GSM系統(tǒng)中每個手機單獨分配一個信道進行通話,而在GT800的組呼中所有手機都使用同一個組呼信道進行監(jiān)聽,監(jiān)聽的手機個數(shù)不受限制,節(jié)省了無線信道資源。
(2)快速呼叫建立
呼叫建立時間主要消耗在空中接口與手機的交互消息中。GT800采取減少合并消息的辦法以及系統(tǒng)同步處理技術(shù),節(jié)約了呼叫建立的時間。組呼建立時組成員根據(jù)廣播通知消息中的信道描述立即加入到組呼中,不需要和網(wǎng)絡(luò)有任何的消息交互,加快了響應(yīng)速度。
6、結(jié)束語
由于集群通信具有快速呼叫建立的特點,并支持組呼、廣播呼叫以及各種補充業(yè)務(wù),非常適合應(yīng)急通信中各個部門之間的調(diào)度通信。同時,集群通信還具有故障弱化、單站運行和終端之間的直通功能,適合于在突發(fā)、惡劣的以及沒有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的場合下應(yīng)用。隨著我國應(yīng)急通信的不斷發(fā)展,集群通信將會在其中發(fā)揮重要的作用。
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