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應急通信的數字集群技術介紹
集群通信系統主要應用范圍是對指揮調度功能要求較高的部門和企業，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部門）、鐵道、水利、電力、民航等單位。隨著經濟的發展，出租、物流、物業管理和工廠制造業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。本文詳細介紹了應急通信的特點和集群通信的特點、國內集群系統的概況以及國內的兩種集群通信系統。
1、引言
應急通信系統是在一些突發任務或災難情況下，為更好地協調不同部門，高效率地處理這些突發事件而提供通訊功能的系統。集群通信系統具備特有的調度功能和組呼功能以及快速呼叫的特性，因此在應急通信系統中具有重要作用。集群通信系統主要應用范圍是對指揮調度功能要求較高的部門和企業，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部門）、鐵道、水利、電力、民航等單位。隨著經濟的發展，出租、物流、物業管理和工廠制造業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。因此，應急通信系統除了要求支持基本的集群調度通訊外，還要求能夠快速建網，一呼即通，一呼萬應，多業務部門聯動，通話質量好，操作方便等多種使用于緊急情況的功能。
2、數字集群通信的定義和特點
國際無線電協商委員會（CCIR）將集群通信系統命名為“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，常稱為集群通信系統或集群系統。
集群通信系統是多個用戶（部門、群體）共用一組無線電信道，并動態地使用這些信道的專用移動通信系統。集群通信系統與公眾的蜂窩移動系統相比具有如下特點：
（1）呼叫接續快；
（2）群組內用戶共享前向信道；
（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、目前我國數字集群技術發展的現狀
從數字集群通信的發展現狀來看，集群產業處在初期發展階段，與公眾移動通信的發展規模相比，數字集群通信的規模處于遠遠落后的狀態。同時，國內正在使用的數字集群通信系統完全采用國外的技術和設備，整個產業基本處于被國外廠商壟斷的狀態。而且，無論是TETRA系統還是iDEN系統，其標準的開放性不高，iDEN系統被摩托羅拉獨家壟斷，而TETRA系統雖然在空中接口可以做到兼容，但各個廠家系統之間不能實現互聯互通，影響了TETRA系統的發展。這種狀況造成的最直接的問題是終端和系統設備價格較高，或者是系統維護、升級和擴容的成本高，這在很大程度上限制了數字集群通信在我國的發展。
由于我國的集群通信市場存在著相當規模的市場和發展潛力，國內的多個電信設備制造商，例如中興、華為和大唐，都在大力研發數字集群通信設備，并已經研制出符合集群通信要求的數字集群系統設備。和目前較為成熟的國外幾種集群技術所不同的是，這些系統具有很多中國企業的自主知識產權，系統的體系結構采用了目前更為先進和公開的移動通信技術，并在此基礎上引入了自主專利技術，實現了數字集群系統的關鍵技術。另一方面，與國外技術的壟斷和相對封閉相比，國內廠家研制的集群系統可以完全公開并標準化。
在國內，目前能夠提供完整的數字集群設備和終端的系統包括華為公司開發的基于GSM的數字集群通信系統（GT800系統）和中興公司開發的基于CDMA的數字集群通信系統（GoTa系統）。
4、GoTa系統
GoTa的含義是開放式集群結構（Global open Trunking Architechture），是為滿足數字集群通信專網和共網用戶的需要而開發的。
GoTa的空中接口在cdma2000技術基礎上進行了優化和改造，使之能夠滿足現代集群通信的技術要求。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；為了提高呼叫接續速度，GoTa定義了一套相應的體制結構和協議棧，以滿足集群通信系統的快速連接；為了支持群組呼叫，GoTa，優化了空中接口，從而達到在同一個小區／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，這將減少網絡處理呼叫時的時延。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、易擴展性和支持業務種類多等技術優點。
4.1 GoTa系統的網絡結構
GoTa系統的網絡結構如圖1所示。系統中包括如下邏輯功能模塊和子系統。
圖1 GoTa系統網絡結構
（1）集群終端
集群終端為用戶提供CDMA集群系統的各種集群業務，同時也為用戶提供傳統的普通電話業務、補充業務、短消息業務和數據業務。終端通過空中接口和集群系統相連，提供集群調度功能。
（2）基站子系統BSS
基站子系統BSS由基站收發信機BTS和基站控制器BSC組成，主要完成集群業務、數據業務和普通電話業務的接入功能。基站子系統BSS通過標準接口和調度子系統、CDMA核心網（包括交換子系統以及分組子系統）相連，滿足集群終端的各種業務需求，包括集群業務、電信業務和數據業務。
（3）調度子系統DSS
由調度控制中心DCC和調度歸屬寄存器DHR組成。DSS主要完成集群調度業務。DCC是集群呼叫的總控制點，完成集群調度呼叫的處理，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作為調度控制中心，還接收反向鏈路來的集群語音數據，根據呼叫的性質再分發到對應的前向鏈路。
DHR完成數據庫管理和配置功能，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務權限記錄，完成呼叫統計和計費功能。
（4）調度臺
調度臺是用戶組中具有特殊權限的終端，可以分為移動調度臺和固定調度臺。
●固定調度臺同時與調度子系統和操作維護中心相連，可以發起和參與組呼、廣播等調度業務，并能夠實現對群組成員的管理功能。
●移動調度臺可以發起組呼、廣播呼叫等調度業務，在組呼的話語權控制上有較高的優先級，具備簡單的群組用戶管理功能。
（5）CDMA核心網
CDMA核心網包括交換子系統和分組子系統。交換子系統主要完成電話互聯業務、普通電話呼叫業務和部分增值業務，并提供相關業務功能用戶信息的存儲和管理功能。分組子系統的主要功能是為用戶提供數據業務通道，從而向用戶提供高速的分組數據業務服務。
4.2 關鍵技術
與GSM和CDMA公共蜂窩移動通信系統相比，在數字集群系統中有兩個特有的關鍵技術：業務信道的共享、呼叫的快速建立。
（1）前向無線業務信道的共享
由于集群系統提供組呼業務，而CDMA系統是針對一對一呼叫的。因此，在實現PTT方式的群組呼叫時，必須對CDMA系統進行改造，以實現前向資源的共享。
為了實現前向業務信道共享，就必須對群組用戶所使用的前向業務信道采用相同的調制參數，即同一組內的每個用戶所分配的前向業務信道具有相同的長碼掩碼和WalshCode，這樣相同的載波／扇區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參數（長碼掩碼和WalshCode）的傳遞。前向共享業務信道由F-FCH/F-SCH提供支持，沒有對前向信道的結構進行改動，與原cdma 1x前向碼道不同的是，建立碼道時原設置的私有長碼掩碼改為調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前向業務信道比較，Walsh碼資源與語音用戶相同，信道結構基本不變；長碼掩碼通過加密算法計算得到。
（2）呼叫的快速建立
集群系統中PTT呼叫的另一個重要特色就是快速連接。如果CDMA系統未經改造，則呼叫建立的時間將不能滿足PTT呼叫應用時的需要。
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商，盡量采用并行處理方式，節省用戶的接入時間，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量以及通過允許集群移動臺增大初始發射功率、功率增加步長，以及提高系統的接收靈敏度、優化搜索策略等技術，將接入試探控制在極短的時間內完成。另外，為了提高移動臺的接入成功率和通話的穩定性，系統可以考慮采用Access Probe Handoff，Access Handoff，Channel-Assignament into Soft/Softer Handoff等技術。
5、GT800系統
GT800是以GSM-R為基礎進行自主技術創新，兼容GSM和TD-SCDMA的無線接入技術，滿足行業用戶指揮調度需求的數字集群系統。GT800根據基礎技術發展的成熟期分兩個階段實現：
●Phase Ⅰ：定位集群共網運營，采用GSM無線接入技術，支持現有主流集群系統業務功能，性能指標達到或優于現有集群體制（接續速度等）。
●Phase Ⅱ：定位專網和共網集群，基于Phase I核心網增強，同時支持GSM和TD-SCDMA接入技術，通過終端雙模向TD-SCDMA演進。
5.1 GT800系統的網絡結構
GT800系統的網絡結構如圖2所示。系統中包括如下邏輯功能模塊和子系統。
圖2 GT800數字集群系統組網結構
（1）網絡子系統
網絡子系統主要完成交換功能和客戶數據與移動性管理、安全性管理所需的數據庫功能。NSS由一系列功能實體所構成，一個網絡子系統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和組呼區域，組呼區域與組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的調度臺列表、中繼MSC列表、錨MSC直接控制的小區列表。而與中繼MSC相連的GCR則包含了與該組呼參考相關的錨MSC地址、本中繼MSC所控制的小區列表。
（2）基站子系統
基站子系統BSS是集群系統中與無線傳輸方面關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，負責無線信號發送接收和無線資源管理。另一方面，基站子系統與核心網中的移動業務交換中心（MSC）相連，實現移動用戶之間或移動用戶與固定網路用戶之間的通信連接，傳送系統信號和用戶信息等。
（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 關鍵技術
（1）信道共享
GT800采用GSM的物理信道結構邏輯信道，增加了組呼信道和廣播通知信道。在GSM系統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聽，監聽的手機個數不受限制，節省了無線信道資源。
（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同步處理技術，節約了呼叫建立的時間。組呼建立時組成員根據廣播通知消息中的信道描述立即加入到組呼中，不需要和網絡有任何的消息交互，加快了響應速度。
6、結束語
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務，非常適合應急通信中各個部門之間的調度通信。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、惡劣的以及沒有基礎網絡的場合下應用。隨著我國應急通信的不斷發展，集群通信將會在其中發揮重要的作用。
工商網監
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