数字集群通信系统技术

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         1　集群通信与数字集群通信系统
　　
　　集群通信系统产生于20世纪70年代，已经广泛用于军队、公安、司法、铁路、交通、水利、机场、港口等部门。集群通信系统由基站、移动台、调度台和控制中心四部分组成。其中，基站负责无线信号的转发，移动台用于在运行中或停留在某个不确定的地点进行通信，调度台负责对移动台进行指挥、调度和管理，控制中心主要负责控制和管理整个集群通信系统的运行、交换和接续。集群通信系统可以把所具有的可用信道为系统的全体用户共用，能够自动选择信道，具有共用频率、共用设施、共享覆盖区、共享通信业务、共同分担费用、兼容有线通信等特点，同时还具有调度指挥、控制、交换、中继等功能，既节约RF频谱，又能为用户提供快速、方便、无干扰的通信，是一种多用途、高效能而又廉价的先进无线调度通信系统。
　　
　　最初的集群通信系统是模拟系统。然而到了20世纪80年代，数字集群通信诞生之后，由于它具有频谱利用率高、信号抗信道衰落能力强、保密性好、可提供多业务服务以及网络管理控制灵活有效等诸多优点，很快取代了原有的模拟集群通信而成为了主流。
　　
　　2　数字集群通信的关键技术
　　
　　集群通信是建立在先进的移动通信技术基础之上的，所涉及的关键技术包括数字话音编码技术、数字调制技术、多址接入技术以及抗衰落技术等等。
　　
　　2.1　数字话音编码技术
　　
　　在数字集群通信中，传输最多的信息是话音信号。数字话音的编解码技术在数字集群通信中具有相当关键的作用。数字话音编码技术通常分为三类，包括波形编码技术、参量编码技术和混合编码技术。
　　
　　（1）波形编码
　　
　　波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，重建语音波形时尽量保持原语音信号的波形形状。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。脉冲编码调制（pulsecodemodulation，PCM）和增量调制（△M），以及它们的各种改进型自适应增量调制（ADM），自适应差分编码（ADPCM）、自适应传输编码（AdaptiveTransfer Coding，ATC）和子带编码（SBC）等，都属于波形编码技术。它们能分别在64kbit/s以及16kbit/s的速率上给出高的编码质量。但当速率进一步下降时，其性能会下降较快。
　　
　　（2）参量编码
　　
　　参量编码又称为声源编码，是将信源信号在频率域上或其它正交变换域上提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。具体说，参量编码是通过对语音信号特征参数的提取和编码，重建语音信号时使其具有尽可能高的可靠性，保持原始语音的语意，但重建信号的波形同原始语音信号的波形可能会有相当大的差别。线性预测编码（LPC）及其它各种改进型都属于参量编码。该编码比特率可压缩到2~4.8kbit/s，甚至更低，但语音质量不是很好，自然度较低。
　　
　　（3）混合编码
　　
　　混合编码将波形编码和参量编码组合起来应用，尽量保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，在4~16kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。多脉冲激励线性预测编码（MPLPC），规划脉冲激励线性预测编码（KPELPC），码本激励线性预测编码（CELP）及其改进型代数码激励线性预测编码(ACELP)和矢量和激励线性预测编码(VSELP)等都是属于混合编码技术。
　　
　　（4）三种编码方式对比
　　
　　波形编码具有适应能力强、语音质量好等优点，但它所用的编码速率高，频率资源占用率较高。参数编码虽然音质不高，但它的压缩比大，可实现低速率语音编码，比特率可压缩到2～4.8kbit/s，甚至更低。由于混合编码将波形编码和参量编码组合起来应用，一定程度上结合了原有波形编码和参量编码的长处，并克服了各自的弱点，其数据率和音质介于参数和波形编码之间，比较适合于在数字集群通信中使用。
　　
　　2.2　数字调制技术
　　
　　人们总是希望将信息传送到尽可能远的距离，调制技术就主要是用来解决这一问题的。数字信号的调制有三种基本方式，即幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。由于直接应用简单的幅度键控、移相键控和移频键控时的传输效率非常低下，所以无法满足移动通信的要求。为了尽可能地提高单位频带内传输数据的比特速率以适用于移动通信的要求，人们在三种基本调制方式的基础上作了各种各样的改进尝试，研究出了一系列抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术。
　　
　　目前已得到广泛应用的有：正交移相键控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）、正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和最小移频键控（Minimum Shift Keying，MSK）、高斯滤波最小移频键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）等方式以及它们的一些改进方式。
　　
　　（1）QPSK
　　
　　QPSK调制技术利用数字信号对四个同频、相位相差π/2的正弦波进行控制、不断切换合成调相波。它是一种四进制的相位键控调制方式，可以看成是两正交的二相调制合成。与PSK相比，QPSK载波的频带利用率提高了一倍。欧洲电信标准组织（ETSI）制定的数字集群通信系统标准TETRA（TerrestrialTrunckedRAdio）所采用的调制方式是QPSK的改进方式π/4-DQPSK。
　　
　　（2）QAM
　　
　　QAM调制技术是用数字信号同时去调制载波的幅度和相位，使载波的幅度和相位受控于数字信号，常用有16QAM，32QAM，64QAM等。这种调制由于载波的幅度和相位都带有信息，所以它比QPSK方式所能传输的数码率高。它也容易产生码间干扰，噪声容限也减少，其抗干扰能力也不如QPSK方式。Motorola开发的基于数字蜂窝网络的集群通信系统iDEN（IntegratedDispatchEnhancedNetwork）所采用的调制方式是QAM的改进方式M-16QAM。
　　
　　（3）MSK和GMSK
　　
　　比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK，而GMSK调制则是通过在MSK调制器之前插入高斯低通预调制滤波器来实现。GMSK提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。与FSK相比，MSK提高了频谱利用率，通信质量也获得了提高，而GMSK则更进一步提高了频谱利用率和通信质量。
　　
　　2.3　多址接入技术
　　
　　目前在移动通信中应用的多址方式有：频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）以及它们的混合应用方式等。
　　
　　（1）FDMA
　　
　　FDMA是一种调频的多址技术，它在用户请求服务时为用户指定一个特定信道，业务信道在不同的频段分配给不同的用户，并且用户在呼叫的整个过程中独占这一信道，其它用户不能共享。
　　
　　在频分多址系统中，一个业务信道有一对频谱构成，一个频谱用作前向信道，即基站向移动台方向的信道。另一个用作反向信道，即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转。在频率轴上，前向信道占有较高的频带，反向信道占有较低的频带，中间为保护频带。在用户频道之间，设有保护频隙，以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠。
　　
　　（2）TDMA
　　
　　TDMA是一种时分的多址技术，它是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，再将每一帧分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙作为一个通信信道分配给一个用户。iDEN系统和TETRA系统都是采用的TDMA技术。我国华为技术有限公司提出的基于集群专网应用的技术体制GT800也是采用的TDMA技术，但在GT800中的TDMA是和TD-SCDMA融合使用的。
　　
　　在时分多址系统中，系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙向基站发射信号。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台在指定的时隙内接收信号，并在合路的信号中把发给它的信号区分出来。
　　
　　（3）CDMA
　　
　　CDMA是一种扩频的码分多址技术，它的特点是每个用户都有各自特定的地址码并且都是使用公共信道来传输信息。码分多址系统为每一个用户分配一个独立的地址码，所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得业务信道。我国中兴通讯所提出的基于集群共网应用的集群通信体制GoTa（GlobalopenTrunkingArchitecture）采用的就是CDMA技术。
　　
　　在码分多址系统中，无论系统发射端传送何种信息，都是靠采用不同的码型来区分信道，既不分频道又不分时隙。系统的接收端在接收信息时，根据本地地址码对接收的信号进行相关检测，并将与本地地址码完全一致的信息解调出来，其他使用不同码型的信号则不能被解调。
　　
　　码分多址技术是建立在扩频技术基础之上的。扩频技术通过发送端的扩频和接收端的解扩来实现信息通信。扩频是发送端将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。解扩是接收端使用与发送端完全相同的伪随机码，对接收的信号作相关处理，把宽带信号还原成原始信息数据的窄带信号。扩频技术还根据实现方法的不同分为直接序列扩频技术和跳频扩频技术两种。直接序列扩频技术使用高速率的伪随机码序列与信息码序列模2加（或波形相乘）后的复合码序列去控制载波的相位来获得直接序列扩频信号；跳频扩频技术则是利用高速率的伪随机码序列与信息码序列模2加（或波形相乘）后的复合码序列去生成跳频图案，然后再由它来随机选择发送频率。
　　
　　（4）三种接入方式比较
　　
　　在FDMA系统中，由于是基于频率划分信道，每个用户都需要在一对频道中通信，并且频道之间还需要有一定的空隙，所以频率资源占用较大，用户容量非常小，频谱效率非常低，而且通话时还很容易受到干扰。
　　
　　在TDMA系统中，只要满足定时和同步的条件，基站就可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。因此，与FDMA系统相比，TDMA系统的抗干扰能力大大增强，频率利用率也有所提高（据估计，TDMA在频谱效率上约是FDMA系统的3倍），系统容量增大了许多，话音质量也有很大的改进。另外，TDMA系统能进行数据和话音的综合，业务综合能力较高。由于TDMA系统发射数据是用缓存－突发法，对任何一个用户而言发射都是不连续的，所以对服务质量有一定影响，数据传输速率也不高。
　　
　　在CDMA系统中，由于所有用户的地址码都相互独立，用户的信道在频率、时间和空间上都可以重叠，加之使用扩频技术所带来的优势，使得CDMA系统具有了频率利用率高、用户容量大、服务质量好、综合业务能力强等诸多优点，成为了现代数字集群通信的理想选择。
　　
　　2.4　抗衰落技术
　　
　　由于无线通信的条件相当恶劣，有诸多因素的影响，所以会造成功率的大量损耗，其中既有由空间传播所造成的损耗与色散，又有由地形起伏和障碍物的遮挡等所引起的阴影衰落，还有由各种反射物和散射体产生的直射波、反射波和散射波的相互干涉和串扰以及移动台运动和传播媒质随时间变化带来的频移和频展等产生的多径衰落。为了获得良好的通信质量，人们积极探索各种方法来弥补由这些因素所带来的功率损失。目前，在数字集群通信中比较可行的方法有分集接收技术和RAKE接收技术。
　　
　　（1）分集接收技术
　　
　　分集接收就是将在若干支路上接收相关性很小的载有同一消息的信号，通过合并技术将各信号进行选择或合成，从而减轻由于衰落所造成的影响。根据实现方法的不同，分集接收技术又可分为时间分集、角度分集、空间分集和频率分集等。时间分集是在发射端将要传输的信息分别在不同的时隙发射出去；角度分集是在接收端采用方向不同的多副天线进行接收；空间分集是发射端采用一副天线发射，在接收端采用空间中垂直高度不同的多副天线进行接收；频率分集是发射端用多副天线将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，在接收端也用多副天线进行接收。在实际操作中，这些分集技术往往结合使用。
　　
　　对于接收端收到的来自不同的独立支路的信号，可以通过不同的合并方式来获得分集增益。合并的方式主要有最大比值合并、等增益合并和选择式合并等。最大比值合并是在接收端将收到的多个分集支路信号经过相位调整后，按照适当的增益系数进行同相相加；等增益合并是在接收端将收到的多个分集支路信号经过相位调整后，直接进行同向相加；选择式合并是在接收端从收到的多个分集支路信号选出几个信号进行合并。上述三种方法中，最大比合并的性能最好，等增益合并实现起来最简单。
　　
　　（2）RAKE接收技术
　　
　　RAKE接收技术是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，通过延时和相位校准，使它们在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，能够有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。并不是所有的多址方式都可以使用RAKE接收技术。TDMA，FDMA两种多址技术无法使用，而CDMA系统可以使用。这是因为，只有CDMA系统才能根据用户的地址码分辨出那些真正发给该用户的信息，并将这些信号对齐以及合并在一起。通过使用RAKE接收技术，可以把原来是多径干扰的信号变成有用信号组合在一起，从而实现变害为利的目的。
　　
　　（3）自适应均衡技术
　　
　　由于数字集群通信系统占用的频带较宽，当发生信号衰落时，其通带内的振幅特性随时都在改变着，这就要求所采用的均衡器必须具有时间特性变化的自适应性。一般，抗衰落的自适应均衡器可以分为频域自适应均衡器和时域自适应均衡器两类。频域自适应均衡器用可变谐振器对幅频特性的一次和二次特性进行补偿；当引起电路衰落的两个波的时延非常大，以致于在所需频带内产生两个凹点时，仅有一个谐振电路的均衡器就不能补偿这样的频率特性，这时可以采用时域自适应均衡器在时域上进行补偿。在实际电路中，为了最大限度地提高抗衰落能力，往往同时采用频域自适应均衡器和时域自适应均衡器。
　　
　　3　结束语
　　
　　由于数字通信具有许多模拟通信所无法比拟的优点，所以数字集群通信系统出现后很快便战胜了模拟集群通信系统成为主流。现在由于数字通信具有能够用来进行数据通信的先天优势，因此数字集群通信也已经开始逐步增强其综合业务功能。而随着数字通信的发展、大规模集成电路的集成化程度的提高以及数据通信需求的逐步增加，数字集群通信的各种技术也获得了很大程度的发展，可以开展的业务应用种类也越来越多。虽然现在的集群通信系统主要都是专网形式，但也逐渐出现了一些共网形式的应用，相信数字集群通信系统会得到越来越广泛的应用。

作者：信息产业部电信研究院通信标准研究所RTNet实验室高级工程师 徐贵宝