數(shù)字集群通信現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

【摘要】行業(yè)用戶的集群調(diào)度業(yè)務(wù)隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展其需求也越來越高，現(xiàn)有的TETRA、iDEN數(shù)字集群技術(shù)體制可實(shí)現(xiàn)話音調(diào)度、短信應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)多媒體應(yīng)用，在LTE中可實(shí)現(xiàn)集群通信業(yè)務(wù)，本文介紹了數(shù)字集群通信的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，并分析了其在未來移動通信中的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字集群TD-LTETETRAiDEN

一、數(shù)字集群通信簡介

數(shù)字集群技術(shù)從20世紀(jì)90年代中期在全球范圍內(nèi)興起，是集語音調(diào)度、電話互聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸、短消息收發(fā)等功能于一體的移動通信技術(shù)，可滿足不同行業(yè)用戶的調(diào)度通信需求。其主要特點(diǎn)是群組通信，一呼百應(yīng)，組呼信道共享，呼叫快速建立，接續(xù)時間非常短，可區(qū)分多種優(yōu)先級（業(yè)務(wù)優(yōu)先級、群組優(yōu)先級、用戶優(yōu)先級等）。

數(shù)字集群通信網(wǎng)廣泛應(yīng)用于政府管理部門、電力、煤氣、自來水的生產(chǎn)與供應(yīng)、交通運(yùn)輸、倉儲的調(diào)度和指揮、金融、房地產(chǎn)、商貿(mào)、餐飲的運(yùn)營、工商、稅務(wù)、市容的綜合治理等領(lǐng)域。

二、國外集群通信發(fā)展情況

由于國外市場主要應(yīng)用TETRA和iDEN兩個技術(shù)體制，下面僅以TETRA和iDEN兩個系統(tǒng)，介紹數(shù)字集群通信系統(tǒng)在國外市場的發(fā)展情況。

（1）iDEN系統(tǒng)

1994年，iDEN系統(tǒng)在美國洛杉磯問世。近年來，iDEN在全球得到了廣泛的應(yīng)用，用戶總數(shù)已經(jīng)超過了1000多萬，覆蓋區(qū)域遍及亞洲的日本、韓國、菲律賓、新加坡、關(guān)島、以色列以及南北美洲的美國、加拿大、墨西哥、哥倫比亞、巴西、阿根廷和秘魯?shù)葒摇?/p>

在美國，NEXTEL公司運(yùn)營的iDEN網(wǎng)絡(luò)覆蓋了總數(shù)2.2億人口的龐大區(qū)域，能夠提供數(shù)字電話、雙向無線電對講機(jī)、短消息等服務(wù)。美國的iDEN市場規(guī)模龐大，增長迅速，用戶數(shù)從1996年的50萬迅速增長到2003年的1300多萬。

（2）TETRA系統(tǒng)

TETRA系統(tǒng)設(shè)計針對專業(yè)無線用戶需求，特別適合在政府和商業(yè)領(lǐng)域的專網(wǎng)使用，其應(yīng)用地域遍及歐洲大陸、南美、非洲、中東、亞太地區(qū)和澳大利亞等地區(qū)。

在歐洲，覆蓋德國全境的BOSnet網(wǎng)，擁有超過100萬的用戶容量；英國Dolphin電信公司的數(shù)字集群通信系統(tǒng)已覆蓋全英97%人口的地區(qū)。在亞太地區(qū)，澳大利亞、新西蘭和新加坡以及香港地區(qū)也在使用TETRA系統(tǒng)；日本的ARIB將TETRA作為下一代數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)的技術(shù)。在美國等發(fā)達(dá)國家，專業(yè)集群調(diào)度市場規(guī)模要占到公網(wǎng)移動通信市場規(guī)模的10%以上。

三、國內(nèi)集群通信現(xiàn)狀

2001年，信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)采用TETRA和iDEN作為中國的數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)體制電子行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，集群通信系統(tǒng)工作頻段采用806～821MHz /851～866MHz，雙工頻率間隔為45MHz。

在我國數(shù)字集群通信領(lǐng)域占據(jù)主流的TETRA、iDEN系統(tǒng)價格均偏高，且標(biāo)準(zhǔn)的公開性也不盡如人意，我國自主開發(fā)的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)GoTa系統(tǒng)和GT800系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。由于沒有完整成熟的標(biāo)準(zhǔn)，影響了系統(tǒng)和終端產(chǎn)品的成熟進(jìn)程，加上工作頻段等各種原因，后兩種技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。

1989年我國引進(jìn)模擬集群系統(tǒng)，1990年投入使用，1993年得到了較快的發(fā)展。到1999年，全國模擬集群系統(tǒng)信道總數(shù)不超過1萬，用戶總數(shù)大約20萬。

在各自為政的集群系統(tǒng)中，頻率閑置和頻率不足的現(xiàn)象同時交替存在。由于專用移動通信的工作頻段有限，且要求自建專用移動通信系統(tǒng)的部門眾多，使得本來不富余的頻率資源更加緊張，頻率資源緊張已經(jīng)成為制約專用移動通信發(fā)展的嚴(yán)重問題。

四、集群通信業(yè)務(wù)發(fā)展前景分析

從集群通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用看，目前數(shù)字集群是專業(yè)移動通信的第二代產(chǎn)品，是技術(shù)先進(jìn)的高可靠、高效率的無線調(diào)度指揮網(wǎng)，可廣泛為企業(yè)和政府職能部門如公安、交通、鐵路、廠礦、港口碼頭、大型運(yùn)動會、城市管理等部門提供應(yīng)急救援、搶險救災(zāi)、生產(chǎn)調(diào)度、行政管理等服務(wù)。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口和規(guī)模不斷擴(kuò)大，頻繁舉辦各種大型公眾活動，政府職能部門的應(yīng)急聯(lián)動和城市的安全管理逐步引起了政府各部門的關(guān)注，并且廣大集團(tuán)用戶對集群通信的廣泛性、時效性、便捷性提出了更高要求，除語音調(diào)度外，還需要高速率的多媒體集群通信，因此數(shù)字集群通信的應(yīng)用前景非常廣闊。

從集群通信業(yè)務(wù)用戶發(fā)展規(guī)模來看，隨著數(shù)字集群應(yīng)用日益廣泛，用戶規(guī)模逐年擴(kuò)大。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，政府、公安、交通等部門和企業(yè)對應(yīng)急通信及指揮調(diào)度的通信需求不斷提高，數(shù)字集群將擁有可觀的用戶規(guī)模。

五、集群通信技術(shù)發(fā)展趨勢分析

（1）目前數(shù)字集群系統(tǒng)的不足

在我國，TETRA和iDEN系統(tǒng)采用的頻道間隔為25KHz，GT800系統(tǒng)單載波頻率帶寬為200KHz，GoTa系統(tǒng)單載波頻率帶寬為1.25MHz，目前的數(shù)字集群通信系統(tǒng)支持語音和低速數(shù)據(jù)通信，在數(shù)據(jù)傳輸能力和多媒體業(yè)務(wù)的支持能力方面，數(shù)字窄帶集群通信系統(tǒng)仍然比較落后。例如，iDEN系統(tǒng)對時隙和調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn)后推出的寬帶綜合數(shù)字增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)，將峰值傳輸速率提高至384kbps，TETRA增強(qiáng)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)理想情況下可支持不超過700kbps的峰值傳輸速率，均未達(dá)到Mbps的數(shù)量級。在頻譜利用率和覆蓋方面，現(xiàn)有的數(shù)字集群系統(tǒng)不能很好的滿足需求。由于窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)自身體制的限制，向?qū)拵Щ葸M(jìn)存在較多的困難，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未制定。

（2）集群通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展及全球無線城市的大規(guī)模建設(shè)，寬帶化成為整個無線通信的發(fā)展趨勢。集群通信系統(tǒng)在技術(shù)上也將向系統(tǒng)IP化、業(yè)務(wù)多樣化、數(shù)據(jù)寬帶化、終端多模化的方向發(fā)展。從具體的應(yīng)用來看，主要體現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)、視頻以及構(gòu)建于此基礎(chǔ)之上的多種應(yīng)用，包括移動辦公、多媒體集群調(diào)度、視頻監(jiān)控、城市應(yīng)急聯(lián)動等。

同時，集群通信系統(tǒng)還應(yīng)該具有更大的信道容量、更高的頻譜利用率、更好的傳輸性能，采用低成本、可伸縮、可配置的全I(xiàn)P無線多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并能夠?qū)崿F(xiàn)平滑演進(jìn)。

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，從2G、3G到4G LTE，從語音到高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，LTE在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率，頻譜效率達(dá)到3GPP R6的2～4倍，在系統(tǒng)架構(gòu)上采用全I(xiàn)P的方式，通過QoS機(jī)制保證實(shí)時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率等。自LTE啟動以來，3GPP全力推進(jìn)LTE的研究工作，2009年、2010年、2011年和2012年分別完成了R8、R9、R10和R11版本的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，目前正在進(jìn)行R12版本的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

2012年CCSA專題討論了《基于TD-LTE公眾移動通信網(wǎng)的集群通信業(yè)務(wù)》規(guī)范，并正在編制《基于TD-LTE公眾移動通信網(wǎng)的集群通信業(yè)務(wù)總體技術(shù)要求》以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）基于TD-LTE數(shù)字集群通信的關(guān)鍵技術(shù)

①下行信道共享技術(shù)。為支持集群通信系統(tǒng)的組呼、廣播呼叫，需實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的下行信道共享，即同一物理信道資源應(yīng)能被小區(qū)內(nèi)屬于同一用戶組的多個用共享。基于TD-LTE的數(shù)字集群系統(tǒng)，需要對TD-LTE的物理層信道、相關(guān)物理層過程以及上下行鏈路的傳輸信令進(jìn)行改進(jìn)，并對MAC層的調(diào)度機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。②上行信道搶占技術(shù)。在一個集群呼叫過程中，同一時間只有一個用戶能夠獲得話語權(quán)成為講話方，其他用戶為接聽方，為此，需要支持話權(quán)申請、話權(quán)搶占等功能。需基于LTE的資源分配和調(diào)度技術(shù)進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行必要的增強(qiáng)改造以實(shí)現(xiàn)上述功能。③快速呼叫建立技術(shù)。集群通信系統(tǒng)呼叫接續(xù)需滿足PTT“按鍵即講”的要求。需結(jié)合下行信道共享、上行信道搶占對LTE系統(tǒng)的改造，分析研究優(yōu)化接續(xù)流程，提高接續(xù)速度。因此可能需要對LTE的呼叫接續(xù)流程做修改以提高接續(xù)速度。④集群指揮調(diào)度技術(shù)。集群通信系統(tǒng)需要提供較強(qiáng)的指揮調(diào)度功能，包括組呼、廣播呼叫、強(qiáng)插/強(qiáng)拆、動態(tài)重組、遲后進(jìn)入等集群系統(tǒng)所具備的特色功能。為了支持集群業(yè)務(wù)，將對eNodeB、MME、P-GW和HSS網(wǎng)元進(jìn)行改進(jìn)，增加相應(yīng)的集群功能實(shí)體來實(shí)現(xiàn)集群。

（4）寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)特征

寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)在業(yè)務(wù)、功能和性能需求上應(yīng)具有以下特征：①業(yè)務(wù)特征。寬帶集群通信系統(tǒng)圍繞“語音”、“數(shù)據(jù)”、“視頻”這三個基本服務(wù)拓展寬帶業(yè)務(wù)類型，包括：組呼/可視組呼、單呼/可視單呼、緊急呼叫等語音類業(yè)務(wù)；移動信息服務(wù)、高速數(shù)據(jù)查詢、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、移動辦公、定位服務(wù)等數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)；視頻會議、移動視頻監(jiān)控等視頻類業(yè)務(wù)。②功能特征。A.具有群呼、直呼等快速指揮調(diào)度能力；B.集語音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻的多業(yè)務(wù)傳輸能力；C.具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和脫網(wǎng)通信能力，以支持直通或終端構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)等。③性能特征。A.網(wǎng)絡(luò)高可靠性，具有強(qiáng)故障弱化和抗毀能力；B.支持大熱點(diǎn)地區(qū)、熱點(diǎn)時段的大話務(wù)量能力；C.呼叫建立時間短，呼叫建立時間小于500ms；D.網(wǎng)絡(luò)安全性高，支持端到端加密。

（5）數(shù)字集群通信在TD-LTE中實(shí)現(xiàn)方案

數(shù)字集群通信在TD-LTE中要實(shí)現(xiàn)上述業(yè)務(wù)、功能和性能要求，TD-LTE核心網(wǎng)EPC的扁平化架構(gòu)方案如下：

TD-LTE公網(wǎng)集群系統(tǒng)無需為集群通信獨(dú)立建網(wǎng)，而是與TD-LTE公眾網(wǎng)絡(luò)共享網(wǎng)絡(luò)資源。其中，TD-LTE無線接入網(wǎng)是TD-LTE公眾網(wǎng)絡(luò)的主體構(gòu)成部分，占公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)投資的大部分，公網(wǎng)集群的接入網(wǎng)應(yīng)與公眾網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)共享，包括站址、天面等資源，可有效利用公眾網(wǎng)絡(luò)資源。

TD-LTE核心網(wǎng)中集群調(diào)度功能與普通EPC系統(tǒng)互相獨(dú)立以減少對公網(wǎng)業(yè)務(wù)的影響，集群調(diào)度器融合在集群獨(dú)立核心網(wǎng)中，以便實(shí)現(xiàn)集群業(yè)務(wù)的調(diào)度和分發(fā)。

獨(dú)立的集群核心網(wǎng)提供集群業(yè)務(wù)的鑒權(quán)、授權(quán)和計費(fèi)服務(wù)；執(zhí)行PTT呼叫處理，如鑒別PTT用戶、建立PTT呼叫、判斷PTT請求等；接收上行鏈路來的PTT語音包，并分發(fā)到下行鏈路；為集團(tuán)用戶提供調(diào)度臺服務(wù)，為集團(tuán)用戶建立集群調(diào)度的虛擬專網(wǎng)。

隨著LTE技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟完善，數(shù)字集群通信將會實(shí)現(xiàn)語音、視頻、高速數(shù)據(jù)等寬帶集群調(diào)度業(yè)務(wù)，可為政府應(yīng)急通信和集團(tuán)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度、行政管理等提供更好的指揮調(diào)度服務(wù)。