应急通信的数字集群技术介绍

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摘要　集群通信系统主要应用范围是对指挥调度功能要求较高的部门和企业，主要包括政府部门（如军队、公安部门、国家安全部门和紧急事件服务部门）、铁道、水利、电力、民航等单位。随着经济的发展，出租、物流、物业管理和工厂制造业也越来越需要集群通信。集群通信正逐渐成为公众移动通信之外的一大专用通信系统。本文详细介绍了应急通信的特点和集群通信的特点、国内集群系统的概况以及国内的两种集群通信系统。
1、引言
　　应急通信系统是在一些突发任务或灾难情况下，为更好地协调不同部门，高效率地处理这些突发事件而提供通讯功能的系统。集群通信系统具备特有的调度功能和组呼功能以及快速呼叫的特性，因此在应急通信系统中具有重要作用。集群通信系统主要应用范围是对指挥调度功能要求较高的部门和企业，主要包括政府部门（如军队、公安部门、国家安全部门和紧急事件服务部门）、铁道、水利、电力、民航等单位。随着经济的发展，出租、物流、物业管理和工厂制造业也越来越需要集群通信。集群通信正逐渐成为公众移动通信之外的一大专用通信系统。因此，应急通信系统除了要求支持基本的集群调度通讯外，还要求能够快速建网，一呼即通，一呼万应，多业务部门联动，通话质量好，操作方便等多种使用于紧急情况的功能。
2、数字集群通信的定义和特点
　　国际无线电协商委员会（CCIR）将集群通信系统命名为“Trunking Communication System”，国外也有将其称为PMR（Private Mobile Radio）或SMS（Specialized Mobile System）。我国曾将Trunking Communication System译为中继通信，1987年改译为集群移动通信系统，常称为集群通信系统或集群系统。
　　集群通信系统是多个用户（部门、群体）共用一组无线电信道，并动态地使用这些信道的专用移动通信系统。集群通信系统与公众的蜂窝移动系统相比具有如下特点：
　　（1）呼叫接续快；
　　（2）群组内用户共享前向信道；
　　（3）半双工通信方式，PTT方式；
　　（4）支持私密呼叫和群组呼叫；
　　（5）呼叫和讲话时，需按住PTT键，被叫不需摘机。
3、目前我国数字集群技术发展的现状
　　从数字集群通信的发展现状来看，集群产业处在初期发展阶段，与公众移动通信的发展规模相比，数字集群通信的规模处于远远落后的状态。同时，国内正在使用的数字集群通信系统完全采用国外的技术和设备，整个产业基本处于被国外厂商垄断的状态。而且，无论是TETRA系统还是iDEN系统，其标准的开放性不高，iDEN系统被摩托罗拉独家垄断，而TETRA系统虽然在空中接口可以做到兼容，但各个厂家系统之间不能实现互联互通，影响了TETRA系统的发展。这种状况造成的最直接的问题是终端和系统设备价格较高，或者是系统维护、升级和扩容的成本高，这在很大程度上限制了数字集群通信在我国的发展。
　　由于我国的集群通信市场存在着相当规模的市场和发展潜力，国内的多个电信设备制造商，例如中兴、华为和大唐，都在大力研发数字集群通信设备，并已经研制出符合集群通信要求的数字集群系统设备。和目前较为成熟的国外几种集群技术所不同的是，这些系统具有很多中国企业的自主知识产权，系统的体系结构采用了目前更为先进和公开的移动通信技术，并在此基础上引入了自主专利技术，实现了数字集群系统的关键技术。另一方面，与国外技术的垄断和相对封闭相比，国内厂家研制的集群系统可以完全公开并标准化。
　　在国内，目前能够提供完整的数字集群设备和终端的系统包括华为公司开发的基于GSM的数字集群通信系统（GT800系统）和中兴公司开发的基于CDMA的数字集群通信系统（GoTa系统）。
4、GoTa系统
　　GoTa的含义是开放式集群结构（Global open Trunking Architechture），是为满足数字集群通信专网和共网用户的需要而开发的。
　　GoTa的空中接口在cdma2000技术基础上进行了优化和改造，使之能够满足现代集群通信的技术要求。GoTa采用的呼叫方式是集群通信中所特有的PTT方式的话音呼叫；为了提高呼叫接续速度，GoTa定义了一套相应的体制结构和协议栈，以满足集群通信系统的快速连接；为了支持群组呼叫，GoTa，优化了空中接口，从而达到在同一个小区／载频下同一群组的用户在呼叫时能够共享同一条空中信道的目的。GoTa在处理通信连接时也采用了共享的方式，这将减少网络处理呼叫时的时延。对用户来说，信道选择和分配的过程却是透明的。因此，GoTa具有快速的接入、高信道效率和频谱使用率，较高的用户私密性、易扩展性和支持业务种类多等技术优点。
　　4.1　GoTa系统的网络结构
　　GoTa系统的网络结构如图1所示。系统中包括如下逻辑功能模块和子系统。

图1　GoTa系统网络结构

　　（1）集群终端
　　集群终端为用户提供CDMA集群系统的各种集群业务，同时也为用户提供传统的普通电话业务、补充业务、短消息业务和数据业务。终端通过空中接口和集群系统相连，提供集群调度功能。
　　（2）基站子系统BSS
　　基站子系统BSS由基站收发信机BTS和基站控制器BSC组成，主要完成集群业务、数据业务和普通电话业务的接入功能。基站子系统BSS通过标准接口和调度子系统、CDMA核心网（包括交换子系统以及分组子系统）相连，满足集群终端的各种业务需求，包括集群业务、电信业务和数据业务。
　　（3）调度子系统DSS
　　由调度控制中心DCC和调度归属寄存器DHR组成。DSS主要完成集群调度业务。DCC是集群呼叫的总控制点，完成集群调度呼叫的处理，包括鉴别集群用户、建立各种集群呼叫，如私密呼叫和群组呼叫、判断集群PTT请求等。DCC作为调度控制中心，还接收反向链路来的集群语音数据，根据呼叫的性质再分发到对应的前向链路。
　　DHR完成数据库管理和配置功能，为集群用户提供群组注册、群组成员注册，并提供集群成员的本地信息以及集群成员的业务权限记录，完成呼叫统计和计费功能。
　　（4）调度台
　　调度台是用户组中具有特殊权限的终端，可以分为移动调度台和固定调度台。
　　●固定调度台同时与调度子系统和操作维护中心相连，可以发起和参与组呼、广播等调度业务，并能够实现对群组成员的管理功能。
　　●移动调度台可以发起组呼、广播呼叫等调度业务，在组呼的话语权控制上有较高的优先级，具备简单的群组用户管理功能。
　　（5）CDMA核心网
　　CDMA核心网包括交换子系统和分组子系统。交换子系统主要完成电话互联业务、普通电话呼叫业务和部分增值业务，并提供相关业务功能用户信息的存储和管理功能。分组子系统的主要功能是为用户提供数据业务通道，从而向用户提供高速的分组数据业务服务。
　　4.2　关键技术
　　与GSM和CDMA公共蜂窝移动通信系统相比，在数字集群系统中有两个特有的关键技术：业务信道的共享、呼叫的快速建立。
　　（1）前向无线业务信道的共享
　　由于集群系统提供组呼业务，而CDMA系统是针对一对一呼叫的。因此，在实现PTT方式的群组呼叫时，必须对CDMA系统进行改造，以实现前向资源的共享。
　　为了实现前向业务信道共享，就必须对群组用户所使用的前向业务信道采用相同的调制参数，即同一组内的每个用户所分配的前向业务信道具有相同的长码掩码和WalshCode，这样相同的载波／扇区下同一个群组将使用同一个信道，从而达到前向信道共享的目的。
　　为了达到群组用户在前向信道共享的目的，在信令流程上必须增加相应参数（长码掩码和WalshCode）的传递。前向共享业务信道由F-FCH/F-SCH提供支持，没有对前向信道的结构进行改动，与原cdma 1x前向码道不同的是，建立码道时原设置的私有长码掩码改为调度组要求或指定的特殊公共长码掩码；不同的群组使用不同的长码掩码和WalshCode。与cdma 1x前向业务信道比较，Walsh码资源与语音用户相同，信道结构基本不变；长码掩码通过加密算法计算得到。
　　（2）呼叫的快速建立
　　集群系统中PTT呼叫的另一个重要特色就是快速连接。如果CDMA系统未经改造，则呼叫建立的时间将不能满足PTT呼叫应用时的需要。
　　为了解决快速连接必须从两方面着手，一是将信令流程进行改造，减少不必要的流程和协商，尽量采用并行处理方式，节省用户的接入时间，满足PTT呼叫方式。另一方面，可通过使用增强型的接入信道，增加基站接入信道数量以及通过允许集群移动台增大初始发射功率、功率增加步长，以及提高系统的接收灵敏度、优化搜索策略等技术，将接入试探控制在极短的时间内完成。另外，为了提高移动台的接入成功率和通话的稳定性，系统可以考虑采用Access Probe Handoff，Access Handoff，Channel-Assignament into Soft/Softer Handoff等技术。
5、GT800系统
　　GT800是以GSM-R为基础进行自主技术创新，兼容GSM和TD-SCDMA的无线接入技术，满足行业用户指挥调度需求的数字集群系统。GT800根据基础技术发展的成熟期分两个阶段实现：
　　●Phase Ⅰ：定位集群共网运营，采用GSM无线接入技术，支持现有主流集群系统业务功能，性能指标达到或优于现有集群体制（接续速度等）。
　　●Phase Ⅱ：定位专网和共网集群，基于Phase I核心网增强，同时支持GSM和TD-SCDMA接入技术，通过终端双模向TD-SCDMA演进。
　　5.1　GT800系统的网络结构
　　GT800系统的网络结构如图2所示。系统中包括如下逻辑功能模块和子系统。

图2　GT800数字集群系统组网结构

　　（1）网络子系统
　　网络子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS由一系列功能实体所构成，一个网络子系统NSS可包括若干个MSC，VLR和HLR。各功能实体之间都通过符合No.7信令协议互相通信，其中组呼寄存器（GCR，Group Call Register）中包含了组ID和组呼区域，组呼区域与组ID合在一起称作组呼参考。其中，与锚MSC相连的GCR中包含了与该组呼参考相关的调度台列表、中继MSC列表、锚MSC直接控制的小区列表。而与中继MSC相连的GCR则包含了与该组呼参考相关的锚MSC地址、本中继MSC所控制的小区列表。
　　（2）基站子系统
　　基站子系统BSS是集群系统中与无线传输方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线信号发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与核心网中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。
　　（3）集群终端
　　集群终端由两部分组成，移动终端（MT）和用户识别模块（SIM）。支持点对点私密呼叫、广播呼叫、组呼。
　　5.2　关键技术
　　（1）信道共享
　　GT800采用GSM的物理信道结构逻辑信道，增加了组呼信道和广播通知信道。在GSM系统中每个手机单独分配一个信道进行通话，而在GT800的组呼中所有手机都使用同一个组呼信道进行监听，监听的手机个数不受限制，节省了无线信道资源。
　　（2）快速呼叫建立
　　呼叫建立时间主要消耗在空中接口与手机的交互消息中。GT800采取减少合并消息的办法以及系统同步处理技术，节约了呼叫建立的时间。组呼建立时组成员根据广播通知消息中的信道描述立即加入到组呼中，不需要和网络有任何的消息交互，加快了响应速度。
6、结束语
　　由于集群通信具有快速呼叫建立的特点，并支持组呼、广播呼叫以及各种补充业务，非常适合应急通信中各个部门之间的调度通信。同时，集群通信还具有故障弱化、单站运行和终端之间的直通功能，适合于在突发、恶劣的以及没有基础网络的场合下应用。随着我国应急通信的不断发展，集群通信将会在其中发挥重要的作用。