通信工程師論文通信技術之數字集群的未來發展

　　數字集群雖然有它的強大和優勢之處，但也就是在它發揮出巨大能量的同時，也慢慢暴露出了一些問題。那么。數字集群技術到底該走向何方，此文針對這一問題展開的。

　　《長沙通信職業技術學院學報》以鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，堅持與時俱進，開拓進取，為通信技術教育、高等職業教育服務，為建設小康社會服務;本刊從行業特色、科學特色、地域特色三方面體現本學報的辦刊特色;本著立足本院、對外開放的辦刊原則，本刊熱情歡迎校內外各方人士惠賜稿件。

　　國際上專業移動通信設備的發展情況大體是:20世紀50～60年代主要應用對講機,70～80年代應用無線撥號系統,80～90年代應用模擬集群系統,進入90年代后期開始發展數字集群系統。

　　我國民用專業移動通信的發展較晚,大致分為早期、“七四系列”、“八。系列”和“九。系列”四個階段。現階段我國專業移動通信分4個層次的技術體制以滿足不同用戶群的需求:

　　(1)400MHz公眾對講機,不要申請指配頻率、辦理電臺執照、繳納頻率占用費,供普通老百姓任意選購近距離通話使用。已有很多公司在開發生產,供應市場。

　　(2)150MHz、400MHz專業調頻機,需要申請指配頻率、辦理電臺執照、繳納頻率占用費,供單位視距通話使用。已有很多公司開發生產,大量供應市場。

　　(3)900MHz無中心多信道選址通信系統(也稱為自集群系統),不需要申請指配頻率,但需要申請指配號碼、辦理執照、繳納頻率占用費,供集團用戶小型組網使用。只有少數公司開發生產,開始在全國推廣應用。

　　(4)350MHz、800MHz數字集群系統,經指配頻率供國家或地區或專業部門大型組網使用。主要有TETRA、iDEN兩種技術體制,由國外公司供應設備,已經陸續建網使用;新近鑒定了GT800技術體制,由華為公司在GAM基礎上開發生產,還鑒定了GoT&技術體制,由中興公司在CDMA1×基礎上開發生產,已經鐵通、衛通組網試商用。

　　“9.11”事件的教訓

　　雖然美國1979年在震驚全球的三里島事件后成立了專責的聯邦應急管理署,經過20年來的建設成長,在災害防治與緊急應變上,曾經發揮過很大的作用。但是從“9.11”事件來看,美國的防災體系仍然比較脆弱。當災難發生時,信息是決定性的關鍵,無論是災情匯集、災情研判、調度指揮,呼救求援,通信都是必不可少的,遺憾的是往往發生災變時有線通信系統首先失靈。“9.11”事件有哪些教訓呢?

　　(1)此次襲擊事件中,紐約市的固定通訊系統幾乎陷入癱瘓,美國電報電話公司也一度中斷了紐約的手機通信。“9.11”事件告誡我們:常規的有線通信和蜂窩移動通信在災難發生時都不足以保證信息的暢通,說明建立一個具有抗毀性的指揮調度通信網對于事前的防范、事后的搶救是多么的必要!

　　(2)此次襲擊事件中,恐怖分子幾乎同時攔截4架飛機分別向紐約、華盛頓襲擊,這是一個涉及廣大地區的事件,說明建立一個全國性的指揮調度通信網對于事前的防范、事后的搶救是多么的必要!

　　(3)此次襲擊事件中,第一架飛機撞擊世貿大廈之后,相隔18分鐘第二架飛機接著撞擊世貿大廈另一棟樓,美國起飛攔截的戰機相差8分鐘,說明建立一個快速反應的指揮調度通信網對于事前的防范是多么的必要!

　　(4)此次襲擊事件中,世貿大廈被撞擊之后,過了約個把小時才倒塌,樓上很多人員起初都不知道危險真相,沒有盡快想法撤離大廈,幫助他們減少傷亡,以致造成死亡五千多人士的慘劇,說明建立一個綜合協調的指揮調度通信網對于事后的搶救是多么的必要!

　　國際上有鑒于此,便在國際電信聯盟(間u)中提出了如何解決公共防護和救災(PPDB,Public Protection andDis&stet Relief)通信的問題。

　　公共防護和救災(PPDR)通信

　　PPDR技術要求

　　(2)統一技術體制

　　PPDB通信所面臨的最具挑戰性的問題是如何解決各種通信系統之間的不兼容性。目前,城市中的消防、公安、救護等各個政府部門都有不同的專業移動通信系統處理各自部門所發生的火災、交通事故、急救等日常事務;但當洪水、地震、恐怖襲擊等大規模緊急事件發生時,需要各個部門聯合行動。各個部門所使用的通信設備不同,導致設備間互通能力差。在緊急情況下,造成通信阻塞,為統一指揮調度帶來了極大不便,嚴重地影響了救援效率,可能造成巨大經濟財產損失和人員傷亡。因此,未來必須有全球統一技術體制的PPDB系統。

　　(2)統一頻段

　　為了未來能夠更好地利用全球/區域性協調頻段實行PPBB通信,在應急或救災時, 國內與跨國界的安全應急網絡之間要求通信能夠互聯互通,世界無線電通信大會(WRC,World Badic-communication Conference)建議各個國家和地區為PPDR規劃統一頻段, 以便提高頻譜效率、保證設備間通信的穩定性。

　　(3)比傳統應急救災系統更高的技術要求

　　* PPDR不是公眾業務,要最大程度保障接通率;

　　* 根據需要來確定覆蓋范圍,最理想是全球無縫覆蓋;

　　* 具有端到端的鑒權、加密功能,保密性強,傳輸可靠;

　　* 快速呼叫建立,可以一鍵通,實現廣播和組呼功能;

　　* 在網絡無覆蓋的地區采用直通模式(DMo,directmode operation);

　　* 按照業務等級與優先權,動態分配信道、強占信道;

　　PPDR業務

　　PPDR業務分為語音業務和數據業務。根據數據業務所需速率不同,可分為低速率、中速率和高速率數據業務,表1說明具體應用和實例。

　　未來數字集群的技術發展方向探討

　　群組業務

　　數字集群系統在未來PPDR專業移動通信中,突出的作用是指揮調度。國內公共安全領域集群應用,同一通話組內用戶數常常上千個。現有FBMA與TDMA技術的集群系統,可以無限制地滿足大容量群組業務需求,在指揮調度方面,發揮了巨大作用。而“自干擾”性質的CDMA技術,由于碼資源的限制,在同一群組業務當中,較難同時在一個通話組內支持數以千計的用戶;因此需要探索新的技術途徑。

　　快速呼叫

　　未來PPDR專業移動通信中,突出的特點表現為“急”。在發生交通事故時,如命令緊急剎車,設高速列車以500km/h行駛。當剎車命令如3s起作用時,列車已行駛了250m;如0.3秒剎車命令起作用時,列車只行駛25m;顯然,在緊急情況下,0.3秒的快速呼叫建立時間對鐵路的安全性更有保證。這就要求數字集群系統必須要具有“快速呼叫”特征,即所謂的PTT(Push to Talk),就是“即按即講”。FDMA與TDMA技術都具備快速呼叫建立的能力,可以達到0.3秒建立呼叫的速度。

　　而面向個人通信的CDMA,由于技術側重在頻譜效率,即如何減少干擾,盡可能多地支持點到點通信,很難做到快速接入,即使以較快速度分配信道,由于同一組內各組員相關信息要通過控制信道逐一下發,各組員依次接入,即使個別用戶以較快速度接入,相當多的用戶仍無法實現快速接入。如果組內用戶數較多,可能出現會話已結束,有部分用戶還未接入信道;因此也需要

　　探索新的技術途徑。

　　高安全性

　　數字集群在基站與手機之間,信息完全依靠無線電波的傳輸,很容易被人們從空中攔截,在通話狀態、待機狀態都會泄密,即使關閉電臺,利用現代高科技,仍可遙控打開,繼續竊聽,從中截取、破壞、調換、假冒和盜用通信信息。因此,未來PPDR移動通信要求具有高安全性,包括雙向鑒權、信息加密等,防止非法接入業務和控制。特別是在防止恐怖襲擊的情況下,高安全性更應列為確保的核心需求。國內現有的TDMA與CDMA數字集群系統,多為國外設備,核心技術由國外公司壟斷,關鍵芯片由他們提供,其芯片可能留有后門,潛伏了隱患,安全性也就捏在人家的手心里。而且這些國外設備不支持國內應用部門的信息加密,部分甚至沒有鑒權或只有單向鑒權,安全性沒有保證。因此,需要國內自主創新的集群新系統,使核心技術和芯片掌握在中國人手中,這就大大增加了安全性。

　　高抗毀性

　　專業移動通信在使用過程可能遇到惡意破壞的人為因素或雨雪災害的自然因素等影響,導致網絡不能正常工作,因此,未來PPDT系統要求可靠、準確地提供業務,具有高的抗毀性和可用性。通常情況下,系統以集群方式工作;在遭遇危害的極端情況下,系統以故障弱化方式或直通方式工作,保證系統能滿足基本的集群業務需求。

　　高環境適應性

　　專業移動通信由于它是用于全球的表層和空間,會遇到各種惡劣的氣候、地形和環境;因此,要求通信裝備必須能抗拒酷暑、嚴寒、狂風、暴雨等惡劣氣候條件;必須適應山岳、叢林、沙漠、河海、高空等三維空間的不同地形環境條件;既可車載船裝,又能背負手持,要經得起各種移動體的安裝機械條件;在嘈雜的噪聲環境,要具有背景噪聲濾除功能,使通話對方聽不見噪聲干擾,話音清晰;在高速行駛時,通信不能中斷,質量不能下降,可支持500km/h的高速運行。

　　脫網直通

　　無線用戶在系統覆蓋區外或盲區工作,例如在隧道中;在沒有設置基站的地區工作,例如在山區;在網絡基礎設施出現故障時,在系統過載以致難于快速接入時,要求移動臺之間仍可進行通信;在以上幾種情況下,脫網直通這種無中心網絡方式是非常有用的。

　　直通方式還要求雙監視操作、轉發操作、網關操作:

　　雙監視操作指在直通模式下,同時監視從基站發來的信號;2個移動臺只要其中1個移動臺處于集群系統的覆蓋范圍之內,即可利用其雙監視功能來了解有無其它移動臺在呼它。

　　由于直通方式下的覆蓋區要小于有基站通信的情況;因此,要求提供轉發操作,從而實現直通方式移動臺經轉發臺和另一直通方式移動臺之間的通信,以便擴大通信距離。

　　通常脫網工作的移動臺不能與未脫網的移動臺保持通信聯絡;因此,要求網關操作提供直通方式接口和集群方式接口,從而實現直通方式移動臺和集群方式移動臺之間的通信。

　　無中心網絡未來的發展方向是Ad hoc方式,即自組織方式,因此,要探索Ad hoc技術與集群技術的結合。

　　寬帶業務

　　未來PPDg業務,要求及時地反映事發現場的真實情況,僅有窄帶的話音指揮調度,已不能滿足應用,新一代數字集群應能提供集語音、數據、視頻等業務。因此,要求不僅提供窄帶業務,還要提供寬帶業務,并且滿足可變帶寬需求。

　　國內現有集群系統只能提供低速數據業務。但當今公眾移動通信,數據應用已很普遍,GPRs、CDMA可以支持中等數據速率的數據業務,3G可支持584kbps至2Mbps數據速率,WLAN甚至可高達54Mbps。

　　建議

　　(1)現代都市是幾百萬以至上千萬人口聚居生活工作的密集地區,公共安全已經成為市政的一項首要任務。特別是要籌辦奧運會、世博會等大型活動,如何作好準備,高效利用現有資源,提高政府對緊急事件快速反應的能力,確保社會的穩定和人民生命財產的安全,事關重大。為此,未來PPDR專業移動通信系統要求具有群組業務、快速呼叫、高安全性、高抗毀性、高環境適應性、脫網直通并支持寬帶業務等關鍵性能。從技術角度分析,當前的TETRA、iDEN、QT800和QoTa等4種技術體制,雖各有千秋,各有其適用范圍,但各存這樣那樣的不足,都不能全面滿足上述主要要求;特別是多種技術體制造成的互連互通問題,很難組成綜合協調的全國指揮調度通信網;因此,必須研究開發統一頻段、統一技術體制的新一代數字集群系統。

　　從當代3G的WCDMA、cdma2000和TD SCDMA三種主流技術體制來分析,不是各有千秋,而是差異顯著。中國提出的3G國際標準——TD-SODMA是TDD和ODMA、TDMA技術的完美結合,符合移動因特網發展方向,不但能夠高速移動、高速數據和大范圍覆蓋,適于獨立組網,而且具有技術領先、頻譜效率高、能實現全球漫游、適于網絡規劃和優化、適合非對稱因特網業、建網和終端的性價比高、適于2G網絡過渡等突出優勢。特別是采用軟件無線電技術,更容易實現多制式基站和多模終端,系統更易于升級換代;采用TDD與TDMA更易支持PTT業務和實現新一代數字集群。因此,建議以中國提出的3G國際標準——TD-SCDMA為基礎研究開發新一代數字集群系統,并提交ITU作為國際PPDR技術體制方案。

　　(2)現代都市公眾服務也已經成為市政的另一項首要任務,及時為公眾進行服務,確保人民生命財產的安全,同樣事關重大。以“120”急救電話為例,建立了急救指揮系統后,可提高呼救地址準確性和電話接通率,呼救受理時間由15分鐘縮短至10分鐘,有效搶救率可提高到95%。一個城市除了120之外,還有110、119、122、999和1 2545等等,市民不能一一知曉,因此,應有統一協調的緊急救助公眾服務系統,才能方便市民及時得到相應的服務。

　　由于涉及政府的相關部門多,需要對都市現有的各家報警子系統及其接警處警的流程進行深入調研,這是一項非常復雜的系統工程,需要對當代的計算機系統、有線無線通信系統及各種輔助系統的水平、功能、技術體制進行分析比較優選;因此,緊急救助服務系統技術方案的制訂非常重要,需要進行大量的調查研究,制訂多個方案,從技術、經濟及效能等方面進行評估,才可能形成一個先進合理的方案;建議必須建立一個與新一代數字集群系統結合的社會聯動的現代化緊急救助服務系統, 以適應建設國際化大都市的需要。