多基站PDT數字集群通信系統設計及應用

皇甫惠棟 孟小君 陶偉 張朋

摘要：簡要概述了國內集群通信系統發展狀況，介紹了多基站PDT數字集群通信系統組成與功能，并針對局部大區域、跨區域無線語音通信的實際應用需求，開展了多基站PDT數字集群通信系統設計，并對站址選址覆蓋進行了仿真分析和測試。實驗證明，該系統能夠實現各站點不小于10 km區域的信號覆蓋，并且通過網絡實現了區域之間的互聯，同時預留了擴展接口，可按照后續的需求進一步融合。

關鍵詞：集群通信；MSO核心網；北斗定位；功能拓展

中圖分類號：TN929文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）05-54-5

0引言

集群通信系統又稱集群調度系統，是為了滿足行業指揮調度需求而開發，面向行業應用的專用無線通信系統。由于集群通信系統主要側重于指揮調度通信，其應用可遍及公共安全、交通運輸和公共事業等領域，尤其可以在應對突發事件和自然災害的過程中發揮優勢[1]。從1997年開始，信息產業部就專門組織了數字集群通信標準組來制定我國的數字集群通信標準，并于2000年12月28日發布了我國《數字集群移動通信系統體制》標準[2]。2008年，由公安部科技信息化局召集國內部分有實力的廠商研討基于中國國情的警用無線數字集群系統新體制，其具有中國自主知識產權，標志著中國的數字集群從無到有，并步入自主高速發展階段。

PDT數字集群通信具有以下特點：①信道利用率高、成本相對低；②架設便捷、入網快速；③呼叫靈活、保密性強，因此，受到廣泛使用。

單基站PDT數字集群有效通信距離有限（15 km），有時難以滿足大區域、跨區域通信需求，嚴重影響工作效率。多套基站PDT數字集群通過網絡聯通使用，可以擴大通信范圍，提供更大區域的指揮調度保障。

1系統組成及主要功能

1.1系統組成

多基站PDT數字集群通信系統包含3個組成部分：MSO核心網、多套集群基站、若干部終端。其中MSO核心網，用于完成整個系統的互聯管理，控制邏輯組成有中心控制單元、軟交換單元、數據庫單元、網管服務單元、調度服務單元、MTU和互聯網關等，MSO核心網邏輯結構如圖1所示；2套及以上集群基站，分別完成不同區域的無線信號覆蓋；多部手持終端、車載終端等接入基站，完成具體的語音、數據業務。多基站PDT數字集群通信系統示意圖如圖2所示。

MSO核心網也稱移動交換局，對整個PDT數字集群通信系統的單元進行管理和控制，屬于整個系統的核心組成部分，主要實現系統內部各網元之間的互聯和交換，管理不同網元之間的協同工作，從而實現跨基站、跨系統的呼叫控制和媒體語音的交換與互聯，遵循IP軟交換邏輯體系架構，以及用戶的移動性管理、鑒權、調度、網絡管理、互聯等功能，從而拓展系統的業務功能及應用。

多套數字集群基站組成了覆蓋大區域終端用戶的無線收發設備，每套數字集群基站組成一致，由基站控制器、信道單元、供電系統、射頻分合路單元以及機柜單元和天饋單元組成。根據信道單元的配置數量，組成2/4/8多種形態的集群基站，從信道資源上決定系統所能涵蓋的終端數量的多少。

多基站PDT數字集群通信系統中，通過手持終端、車載終端實現語音呼叫業務和數據收發業務，并結合MSO核心網及多數字集群基站完成用戶需求功能。

1.2主要功能

語音呼叫及數據收發是PDT數字集群最重要的功能，具備不少于500人的在線語音呼叫功能，支持語音個呼、組呼、全呼、緊急報警、強插強拆、全雙工通話、廣播呼叫和電話呼叫等功能，支持短消息、狀態信息、告警信息收發等功能。語音及數據業務支持用戶鑒權和端到端硬件加密等防護功能。

網管功能是PDT數字集群系統的重要組成部分，主要由網管服務器NMS和網管客戶端NMC組成。網管子系統主要對整個系統進行管理和監控，并提供操作維護功能。實現對系統內軟硬件資源的配置和監控，并生成狀態報告，方便用戶進行故障診斷。網管子系統還提供用戶管理、性能統計和安全管理等功能。

調度功能實現PDT數字集群系統下的用戶指揮及管理，采用插件化設計，提供遠程調度與管理的數字調度解決方案。可應用于制造業、能源、公安、安全、交通、金融、水利、社會服務、軍隊等領域，幫助用戶以最快速度、最有效的手段進行緊急通知和命令發布，并可以直觀地顯示被通知對象的狀態，包含語音調度、短信管理、可視化調度和軌跡回放等業務功能。

PDT數字集群還具備北斗定位功能，每個基站能支持的定位終端數量，將依據每個終端定位信息的刷新間隔確定。4載頻PDT基站開通一個專用的數字時隙傳輸北斗定位信息，可以做到每個基站上傳1 000/min條北斗定位信息，從而保證終端位置信息實時傳送到指揮中心，以便指揮中心可以快速獲知終端所處的位置，用于實時監控與管理。結合北斗定位對有限資源進行科學管理和有效利用，從而實現更可靠、更直觀的應急指揮調度。功能包括：訂閱GPS、半雙工單呼、跟蹤終端、GPS定位、圈選呼叫、越區告警和地圖操作等。

此外，PDT數字集群系統具備安全可靠性，在PDT數字集群協議規范中，對于安全功能分成鑒權和端到端加密。其中鑒權功能實現移動臺和集群基站間的雙向身份認證，而端到端加密功能又分成軟加密和硬加密2種模式，語音提供端到端的機密性保護，為用戶數據提供端到端的機密性和完整性保護。

2站址選擇及覆蓋分析

無線電波在傳播過程中受到系統自身因素影響，如基站天線架設高度、使用頻率和接收機高度等。此外，還受傳播環境的影響，例如地形、山峰、建筑物和地物等，這些因素引起無線電波反射、繞射和散射，導致了電波傳播有多條路徑，形成了多徑效應[3-5]。在架設PDT數字集群前，應對架設區域信號覆蓋情況進行評估，為后續架設提供依據。實地勘測耗費的人力、物力、財力，而且效率極低。隨著地理信息處理技術的進步，逐步引入了數字地圖的概念[6]，實現了電波傳播預測。

根據經驗，基于所掌握的有限輸入，不能完全反映真實環境下的無線覆蓋情況。受到多種實際因素的影響，即便從天線到達指定的位置的信號在不同時間點也是有差異的。本次規劃是基于基站設備的技術指標以及一定前提和假設進行輸入，仿真對相同的現實環境，將進行一個相對比較準確覆蓋預測。根據目標覆蓋區域范圍及地形圖數據，綜合考慮架設、維護及撤收的便利性，擬選A站點（覆蓋臨時生活與辦公區）與B站點（覆蓋工程作業區）架設基站，鏈路設定如表1所示，天線架設高度均為10 m，仿真輸出了上行、下行無線覆蓋效果。

信號覆蓋區域仿真結果如圖3所示，彩色區域均為有效覆蓋域，藍色區域信號最強，紅色區信號最弱，但能保證正常通信。環間距均為3 km，最外圈圓半徑為15 km，在部分點位可達到預設10 km以上的距離。從仿真結果可以看出，多基站的應用極大地擴大了信號的覆蓋區域。

3應用情況

在A站點（覆蓋臨時生活與辦公區）與B站點（覆蓋工程作業區）分別布設一套PDT數字集群通信基站，天線架設高度均為10 m，兩基站之間由光纖連通，并通過MSO核心網完成整個系統的互聯管理，A站點與B站點PDT數字集群天線安裝情況及地貌特征如圖4和圖5所示。

安裝完畢后，就A站點區域、B站點區域，以及A站點區域與B站點區域的通信情況進行了實際測試。其中，A站點區域、B站點區域測試結果如表2和表3所示；A區域與B區域互聯情況以通信語音通話質量考核。

結果表明，實測數據與仿真數據基本吻合，實測信號略優。分析原因：一是天線架設高度僅10 m，仿真存在一定失真；二是實測位置均是車輛容易到達區域，地形較開闊。在需求區域范圍內PDT數字集群信號穩定覆蓋與語音通暢，能夠保證日常和應急通信需求，實現了局部大區域、跨區域調度指揮的目的，信號場強與通話音質對應表如表4所示。

4功能拓展

現系統預留擴展接口，既可以增加PDT數字集群基站數量，也可以增添自組網用于車隊遂行任務等無線語音調度工作，甚至可將窄帶數字集群通信系統、LTE寬帶系統、電話系統等進行窄帶/寬帶、無線/有線系統融合，實現一張網、一幅圖，統一的指揮調度。此外，利用先進的數字通信技術，可實現鑒權、空口加密、端到端加密功能，最大限度地確保用戶通信的私密性，確保信息安全，拓展應用如圖6所示。

5結束語

本文在實際應用需求下，在仿真分析PDT數字集群信號覆蓋情況的基礎上，架設了2套基站構成多基站PDT數字集群通信系統。通過建設后實際測試表明，較好地解決了當前任務過程中面臨的通信調度手段匱乏、通信信號不良等現存問題。實現了局部大區域、跨區域指揮協調，能夠通過系統實時掌控終端軌跡及位置。經過階段性系統運行測試，運行穩定，通信安全性得到了保障，并且系統本身具備良好的拓展功能，能夠滿足后續野外工作對通信的進一步需求。

參考文獻

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