數字集群通信網絡架構和多天線技術的探討

摘 要 隨著集群通信業務多元化、寬帶化發展，現有以2G為基礎的數字集群系統數據傳輸效率等方面的缺陷逐漸暴露，而多天線技術在提升數據傳輸效率方面具有明顯的作用，所以在積極構建數字集群通信網絡架構的同時，人們對多天線技術的關注度也明顯的提升，在此背景下，本文針對數字集群通信網絡架構和多天線技術兩方面展開研究，為數字集群系統的發展做出努力。

【關鍵詞】數字集群通信 網絡架構 多天線技術

數字集群即專用移動通信系統，其不僅具有GSM、CDMA的個人移動通信服務功能，而且可實現個人、群體間的任意通信、自主編控，保密性強且功能豐富，對通訊智能化的實現具有重要作用，對數字集群通信網絡架構和多天線技術進行研究，是數字集群通信系統性能優化的重要途徑。

1 數字集群通信網絡架構

數字集群通信的發展現狀決定其需要借助公眾移動通信的經驗進行集群通信網絡架構的探索，這是集群通信多網融合趨勢的必然要求。現階段人們嘗試以具有寬帶化、高效率特征的分布式網絡架構作為數字集群通信網絡架構的主要發展趨勢，其主要由以下結構構成：首先，全IP核心網，其主要由數據網絡和業務網關、移動管理實體單元、歸屬服務器等結構構成，具有針對網絡所有用戶設備進行控制，對所有相關業務進行承載的功能，此結構的應用不僅可以降低移動運營商的服務成本，而且對組網的靈活性可擴展性的強化也具有積極的作用。其次，接入網，其以增強型基站作為主要構成，主要功能使對信道進行編解碼、頻率等處理以及接入相關的業務、調整與核心網的關系等，換言之在此結構中增強型基站具有基站收發機和無線網絡控制器的雙重功能，而且增強型基站之間可以實現自主通信，這對網絡整體的管理、平衡、協調等具有積極的作用。再次，手持終端，PTT鍵、網絡上大范圍的呼叫、優先級呼叫、動態重組、呼叫缺席或轉移等均是其應具有的功能，另外其需要具有直通功能，擺正手持終端與通群組用戶的正常通信，在此結構的作用下數字集群通信系統能夠形成諸多封閉用戶群，其各有獨立的調度總臺實現內部通信和用戶群間的通信，這對提升網絡的有效性和關聯性，改善對突發事件的反映速度等具有重要的作用。、

可見數字集群通信的分布式網絡架構可以將信息分布式的存儲和管理、將網絡結構扁平化處理，而且允許無線多連接的同時接入，使網絡的間接性和整體性得到強化，網絡資源甚至可以進行自配置，這對提升網絡數據傳輸的效率、擴大業務的覆蓋范圍等均具有突出的作用，而且移動運營商可以結合實際需要，對網絡的具體組網形式進行調整，建設的成本明顯的縮減。另外，此種網絡架構對星形、環形、混合型等多種拓撲結構均適應，所以在具體的架構設計時可以結合實際需要進行靈活的選擇或調整，在應用過程中可行性突出，其應用的計算機網絡設備和網絡連接等均為標準化類型，在數字集群通信系統規模擴充或升級的過程中難度更小，甚至與公網互通也具備了條件。分布式數字集群網絡架構可以順利的承載分組數據、語音呼叫等傳統業務，而且可以利用IP技術進行圖像的傳輸，利用協調通信能力實現視頻、音音等內容形式的傳送，這相比傳統的集群系統業務更加豐富，但相關的費用卻相比明顯的縮減。除此之外，其在網絡構建的靈活性、網絡故障的修復性等方面也具有明顯的優勢，可見此種網絡架構形式的選擇基本可以滿足現階段數字集群通信系統建設的要求。

2 多天線技術

多天線技術主要指智能天線技術和多進多出MIMO技術。

多天線即發射端和接收端均應用超過1個天線的通信系統，現階段以信號處理方式作為劃分依據，將其劃分為智能天線技術和多入多出技術兩類，前者天線陣元間具有較理想的相關性，通過對發射信號的預處理，可以使信號發射目標用戶信噪比增加，目標用戶鏈路性能隨之優化；后者天線陣元間相關性相對較弱，發射信號在傳輸的過程中衰落性明顯，但自由度卻明顯提升，信道容量的擴充能力提升，所以兩種技術對提升數據傳輸效率均具有明顯的作用。

2.1 智能天線技術

智能天線是一種安裝在基站現場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。智能天線采用空分復用（SDMA），利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區分開來。智能天線的產生是建立在對陣列天線發送或接收信號的空時處理，為系統的設計帶來了更多可以利用的空間自由度，從而大大提高系統性能。

自從智能天線技術應用到移動通信系統中，各國就開始對它進行了廣泛的研究，并取得了一些成果。歐洲通信委員會在DECT（數字增強無線通信）基本上搭建了智能天線實驗平臺，對智能天線的相關算法進行了現場測試。美國Redcom公司在時分多址PHS系統中采用了智能天線。日本ATR光電通信研究所通過波束空間處理研究了多波束智能天線，并將軟件無線電的概念與智能天線結合。

此類技術又可劃分為固定波束切換天線、自適應天線兩種，前者陣元間距在1/2載波波長以下，接收機可以對區域目標用戶進行全面的覆蓋，梳子集群系統可以通過對各波束能量集中方向中最大的角度進行查表定位，并向其發送一定的波束，實現對信號的空間濾波，后者相比前者其對最大角定位是通過對各信號特征進行分析和最優賦形算法計算，所以后者的定位準確性更理想，但成本和復雜程度更高。此項技術在降低發射信號的被衰落程度和被干擾程度的同時，可以對系統的容量、鏈路的性能、覆蓋的距離等進行改善，而且可以對初期建設的成本進行縮減，所以在移動通信系統中應用空間廣闊。

2.2 多進多出技術

多進多出MIMO技術是指在通信系統的發射端和接收端同時使用多個天線的技術，該技術是一項運用于802.11n的核心技術。它最早是由Marconi于1908年提出的，利用多天線來抑制信道衰落。1970年，MIMO技術被首次引入到通信系統中，現在在第四代移動通信技術標準中被廣泛使用。

作為多天線技術之一的多進多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術能夠很好的提高無線通信系統的頻譜利用率。采用MIMO技術在室內傳播環境下的頻譜效率能夠達到2040bit/s/Hz，而使用傳統的無線通信技術在移動蜂窩中的頻譜效率僅為15bit/s/Hz，在點對點的固定微波系統中也只有1012bit/s/Hz。由此可見，多天線技術能夠在不增加功率和帶寬資源的前提下有效的提高無線網絡的頻譜效率

現階段人們已經發現多進多出技術在強化無線鏈路可靠性和優化數字集群系統鏈路有效性兩方面的重要作用，其通過空時分組碼和空時格形碼支持數據高階調制、為信號分集增益創造條件，在多進多出技術應用的過程中，傳輸信息流在空時編碼的作用下會轉變成多個信息子流，并由多個天線向外發送，在空間信號被對應的多個天線所接受，此時其通過空時編碼可對接收子流進行分別的處理，可見在此項技術應用的過程中寬帶并未被大量的占用，其通過并行空間通道完成了數據傳輸，這為提升數據傳輸效率也提供了途徑。

多天線技術經歷了從無源到有源，從二維（2D）到三維（3D），從高階 MIMO 到大規模陣列多天線系統的發展，將有望實現頻譜效率提升數十倍甚至更高，是目前5G技術重要的研究方向之一。未來的多天線技術主要向著更大的波束賦形/預編碼增益、更多的空間復用層數（MU/SU）及更小的層間干擾、更全面的覆蓋和更小的站點間干擾等方向發展。

3 結論

通過上述分析可以發現，隨著人們對集群系統認識的不斷全面，數字集群系統的業務寬帶化和定制化趨勢將越來越明顯，而現有的數字集群標準并不能滿足其實際需要，所以進行數字集群通信網絡架構優化和多天線技術應用已經成為其適應時代發展的必然選擇。

參考文獻

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作者簡介

陳軍（1969-），女，山東省濟南市人。大學本科學歷。工程學學士。現為山東省無線電監測站工程師。研究方向為無線電監測檢測。

作者單位

山東省無線電監測站 山東省濟南市 250000