通信工程师论文通信技术之数字集群的未来发展
数字集群虽然有它的强大和优势之处，但也就是在它发挥出巨大能量的同时，也慢慢暴露出了一些问题。那么。数字集群技术到底该走向何方，此文针对这一问题展开的。
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国际上专业移动通信设备的发展情况大体是:20世纪50～60年代主要应用对讲机,70～80年代应用无线拨号系统,80～90年代应用模拟集群系统,进入90年代后期开始发展数字集群系统。
我国民用专业移动通信的发展较晚,大致分为早期、“七四系列”、“八。系列”和“九。系列”四个阶段。现阶段我国专业移动通信分4个层次的技术体制以满足不同用户群的需求:
(1)400MHz公众对讲机,不要申请指配频率、办理电台执照、缴纳频率占用费,供普通老百姓任意选购近距离通话使用。已有很多公司在开发生产,供应市场。
(2)150MHz、400MHz专业调频机,需要申请指配频率、办理电台执照、缴纳频率占用费,供单位视距通话使用。已有很多公司开发生产,大量供应市场。
(3)900MHz无中心多信道选址通信系统(也称为自集群系统),不需要申请指配频率,但需要申请指配号码、办理执照、缴纳频率占用费,供集团用户小型组网使用。只有少数公司开发生产,开始在全国推广应用。
(4)350MHz、800MHz数字集群系统,经指配频率供国家或地区或专业部门大型组网使用。主要有TETRA、iDEN两种技术体制,由国外公司供应设备,已经陆续建网使用;新近鉴定了GT800技术体制,由华为公司在GAM基础上开发生产,还鉴定了GoT&技术体制,由中兴公司在CDMA1×基础上开发生产,已经铁通、卫通组网试商用。
“9.11”事件的教训
虽然美国1979年在震惊全球的三里岛事件后成立了专责的联邦应急管理署,经过20年来的建设成长,在灾害防治与紧急应变上,曾经发挥过很大的作用。但是从“9.11”事件来看,美国的防灾体系仍然比较脆弱。当灾难发生时,信息是决定性的关键,无论是灾情汇集、灾情研判、调度指挥,呼救求援,通信都是必不可少的,遗憾的是往往发生灾变时有线通信系统首先失灵。“9.11”事件有哪些教训呢?
(1)此次袭击事件中,纽约市的固定通讯系统几乎陷入瘫痪,美国电报电话公司也一度中断了纽约的手机通信。“9.11”事件告诫我们:常规的有线通信和蜂窝移动通信在灾难发生时都不足以保证信息的畅通,说明建立一个具有抗毁性的指挥调度通信网对于事前的防范、事后的抢救是多么的必要!
(2)此次袭击事件中,恐怖分子几乎同时拦截4架飞机分别向纽约、华盛顿袭击,这是一个涉及广大地区的事件,说明建立一个全国性的指挥调度通信网对于事前的防范、事后的抢救是多么的必要!
(3)此次袭击事件中,第一架飞机撞击世贸大厦之后,相隔18分钟第二架飞机接着撞击世贸大厦另一栋楼,美国起飞拦截的战机相差8分钟,说明建立一个快速反应的指挥调度通信网对于事前的防范是多么的必要!
(4)此次袭击事件中,世贸大厦被撞击之后,过了约个把小时才倒塌,楼上很多人员起初都不知道危险真相,没有尽快想法撤离大厦,帮助他们减少伤亡,以致造成死亡五千多人士的惨剧,说明建立一个综合协调的指挥调度通信网对于事后的抢救是多么的必要!
国际上有鉴于此,便在国际电信联盟(间u)中提出了如何解决公共防护和救灾(PPDB,Public Protection andDis&stet Relief)通信的问题。
公共防护和救灾(PPDR)通信
PPDR技术要求
(2)统一技术体制
PPDB通信所面临的最具挑战性的问题是如何解决各种通信系统之间的不兼容性。目前,城市中的消防、公安、救护等各个政府部门都有不同的专业移动通信系统处理各自部门所发生的火灾、交通事故、急救等日常事务;但当洪水、地震、恐怖袭击等大规模紧急事件发生时,需要各个部门联合行动。各个部门所使用的通信设备不同,导致设备间互通能力差。在紧急情况下,造成通信阻塞,为统一指挥调度带来了极大不便,严重地影响了救援效率,可能造成巨大经济财产损失和人员伤亡。因此,未来必须有全球统一技术体制的PPDB系统。
(2)统一频段
为了未来能够更好地利用全球/区域性协调频段实行PPBB通信,在应急或救灾时, 国内与跨国界的安全应急网络之间要求通信能够互联互通,世界无线电通信大会(WRC,World Badic-communication Conference)建议各个国家和地区为PPDR规划统一频段, 以便提高频谱效率、保证设备间通信的稳定性。
(3)比传统应急救灾系统更高的技术要求
* PPDR不是公众业务,要最大程度保障接通率;
* 根据需要来确定覆盖范围,最理想是全球无缝覆盖;
* 具有端到端的鉴权、加密功能,保密性强,传输可靠;
* 快速呼叫建立,可以一键通,实现广播和组呼功能;
* 在网络无覆盖的地区采用直通模式(DMo,directmode operation);
* 按照业务等级与优先权,动态分配信道、强占信道;
PPDR业务
PPDR业务分为语音业务和数据业务。根据数据业务所需速率不同,可分为低速率、中速率和高速率数据业务,表1说明具体应用和实例。
未来数字集群的技术发展方向探讨
群组业务
数字集群系统在未来PPDR专业移动通信中,突出的作用是指挥调度。国内公共安全领域集群应用,同一通话组内用户数常常上千个。现有FBMA与TDMA技术的集群系统,可以无限制地满足大容量群组业务需求,在指挥调度方面,发挥了巨大作用。而“自干扰”性质的CDMA技术,由于码资源的限制,在同一群组业务当中,较难同时在一个通话组内支持数以千计的用户;因此需要探索新的技术途径。
快速呼叫
未来PPDR专业移动通信中,突出的特点表现为“急”。在发生交通事故时,如命令紧急刹车,设高速列车以500km/h行驶。当刹车命令如3s起作用时,列车已行驶了250m;如0.3秒刹车命令起作用时,列车只行驶25m;显然,在紧急情况下,0.3秒的快速呼叫建立时间对铁路的安全性更有保证。这就要求数字集群系统必须要具有“快速呼叫”特征,即所谓的PTT(Push to Talk),就是“即按即讲”。FDMA与TDMA技术都具备快速呼叫建立的能力,可以达到0.3秒建立呼叫的速度。
而面向个人通信的CDMA,由于技术侧重在频谱效率,即如何减少干扰,尽可能多地支持点到点通信,很难做到快速接入,即使以较快速度分配信道,由于同一组内各组员相关信息要通过控制信道逐一下发,各组员依次接入,即使个别用户以较快速度接入,相当多的用户仍无法实现快速接入。如果组内用户数较多,可能出现会话已结束,有部分用户还未接入信道;因此也需要
探索新的技术途径。
高安全性
数字集群在基站与手机之间,信息完全依靠无线电波的传输,很容易被人们从空中拦截,在通话状态、待机状态都会泄密,即使关闭电台,利用现代高科技,仍可遥控打开,继续窃听,从中截取、破坏、调换、假冒和盗用通信信息。因此,未来PPDR移动通信要求具有高安全性,包括双向鉴权、信息加密等,防止非法接入业务和控制。特别是在防止恐怖袭击的情况下,高安全性更应列为确保的核心需求。国内现有的TDMA与CDMA数字集群系统,多为国外设备,核心技术由国外公司垄断,关键芯片由他们提供,其芯片可能留有后门,潜伏了隐患,安全性也就捏在人家的手心里。而且这些国外设备不支持国内应用部门的信息加密,部分甚至没有鉴权或只有单向鉴权,安全性没有保证。因此,需要国内自主创新的集群新系统,使核心技术和芯片掌握在中国人手中,这就大大增加了安全性。
高抗毁性
专业移动通信在使用过程可能遇到恶意破坏的人为因素或雨雪灾害的自然因素等影响,导致网络不能正常工作,因此,未来PPDT系统要求可靠、准确地提供业务,具有高的抗毁性和可用性。通常情况下,系统以集群方式工作;在遭遇危害的极端情况下,系统以故障弱化方式或直通方式工作,保证系统能满足基本的集群业务需求。
高环境适应性
专业移动通信由于它是用于全球的表层和空间,会遇到各种恶劣的气候、地形和环境;因此,要求通信装备必须能抗拒酷暑、严寒、狂风、暴雨等恶劣气候条件;必须适应山岳、丛林、沙漠、河海、高空等三维空间的不同地形环境条件;既可车载船装,又能背负手持,要经得起各种移动体的安装机械条件;在嘈杂的噪声环境,要具有背景噪声滤除功能,使通话对方听不见噪声干扰,话音清晰;在高速行驶时,通信不能中断,质量不能下降,可支持500km/h的高速运行。
脱网直通
无线用户在系统覆盖区外或盲区工作,例如在隧道中;在没有设置基站的地区工作,例如在山区;在网络基础设施出现故障时,在系统过载以致难于快速接入时,要求移动台之间仍可进行通信;在以上几种情况下,脱网直通这种无中心网络方式是非常有用的。
直通方式还要求双监视操作、转发操作、网关操作:
双监视操作指在直通模式下,同时监视从基站发来的信号;2个移动台只要其中1个移动台处于集群系统的覆盖范围之内,即可利用其双监视功能来了解有无其它移动台在呼它。
由于直通方式下的覆盖区要小于有基站通信的情况;因此,要求提供转发操作,从而实现直通方式移动台经转发台和另一直通方式移动台之间的通信,以便扩大通信距离。
通常脱网工作的移动台不能与未脱网的移动台保持通信联络;因此,要求网关操作提供直通方式接口和集群方式接口,从而实现直通方式移动台和集群方式移动台之间的通信。
无中心网络未来的发展方向是Ad hoc方式,即自组织方式,因此,要探索Ad hoc技术与集群技术的结合。
宽带业务
未来PPDg业务,要求及时地反映事发现场的真实情况,仅有窄带的话音指挥调度,已不能满足应用,新一代数字集群应能提供集语音、数据、视频等业务。因此,要求不仅提供窄带业务,还要提供宽带业务,并且满足可变带宽需求。
国内现有集群系统只能提供低速数据业务。但当今公众移动通信,数据应用已很普遍,GPRs、CDMA可以支持中等数据速率的数据业务,3G可支持584kbps至2Mbps数据速率,WLAN甚至可高达54Mbps。
建议
(1)现代都市是几百万以至上千万人口聚居生活工作的密集地区,公共安全已经成为市政的一项首要任务。特别是要筹办奥运会、世博会等大型活动,如何作好准备,高效利用现有资源,提高政府对紧急事件快速反应的能力,确保社会的稳定和人民生命财产的安全,事关重大。为此,未来PPDR专业移动通信系统要求具有群组业务、快速呼叫、高安全性、高抗毁性、高环境适应性、脱网直通并支持宽带业务等关键性能。从技术角度分析,当前的TETRA、iDEN、QT800和QoTa等4种技术体制,虽各有千秋,各有其适用范围,但各存这样那样的不足,都不能全面满足上述主要要求;特别是多种技术体制造成的互连互通问题,很难组成综合协调的全国指挥调度通信网;因此,必须研究开发统一频段、统一技术体制的新一代数字集群系统。
从当代3G的WCDMA、cdma2000和TD SCDMA三种主流技术体制来分析,不是各有千秋,而是差异显著。中国提出的3G国际标准——TD-SODMA是TDD和ODMA、TDMA技术的完美结合,符合移动因特网发展方向,不但能够高速移动、高速数据和大范围覆盖,适于独立组网,而且具有技术领先、频谱效率高、能实现全球漫游、适于网络规划和优化、适合非对称因特网业、建网和终端的性价比高、适于2G网络过渡等突出优势。特别是采用软件无线电技术,更容易实现多制式基站和多模终端,系统更易于升级换代;采用TDD与TDMA更易支持PTT业务和实现新一代数字集群。因此,建议以中国提出的3G国际标准——TD-SCDMA为基础研究开发新一代数字集群系统,并提交ITU作为国际PPDR技术体制方案。
(2)现代都市公众服务也已经成为市政的另一项首要任务,及时为公众进行服务,确保人民生命财产的安全,同样事关重大。以“120”急救电话为例,建立了急救指挥系统后,可提高呼救地址准确性和电话接通率,呼救受理时间由15分钟缩短至10分钟,有效抢救率可提高到95%。一个城市除了120之外,还有110、119、122、999和1 2545等等,市民不能一一知晓,因此,应有统一协调的紧急救助公众服务系统,才能方便市民及时得到相应的服务。
由于涉及政府的相关部门多,需要对都市现有的各家报警子系统及其接警处警的流程进行深入调研,这是一项非常复杂的系统工程,需要对当代的计算机系统、有线无线通信系统及各种辅助系统的水平、功能、技术体制进行分析比较优选;因此,紧急救助服务系统技术方案的制订非常重要,需要进行大量的调查研究,制订多个方案,从技术、经济及效能等方面进行评估,才可能形成一个先进合理的方案;建议必须建立一个与新一代数字集群系统结合的社会联动的现代化紧急救助服务系统, 以适应建设国际化大都市的需要。