PDT系統在應用中的技術優化及寬窄帶集群系統的互聯互通

王冰 祖永芹 唐鵬程 陳佳洲

1. 公安部第一研究所 2. 河北省張家口市公安局 3. 北京中興高達通信技術有限公司

引言

警用數字集群通信系統（以下簡稱PDT系統）作為公安無線通信專網，是公安機關全國性的主要通信基礎設施。經過八年建設，PDT系統已然成為公安機關警務保障工作的主要組成部分，為公安執法執勤提供了有力支撐，更是大型活動安保、反恐處突、搶險救災等任務中不可缺少的通信手段。隨著近些年國內大型活動增多，PDT系統很好地驗證了安全保密性、運行穩定性以及開放兼容性等特點。2020年，PDT系統被指定服務于賽會指揮通信。該系統通過前期規劃設計，將賽會組織者的需求落實到建設并實現與異地1.4GHz B-TrunC寬帶網絡的互聯互通，展現了具有自主知識產權的PDT系統能夠實現與不同制式集群系統整合兼容的技術先進性和開放性特點。

一、技術優化應用案例

（一）案例一

賽會用PDT系統采用公安專用350MHz頻率，是在屬地公安PDT系統基礎上，嚴格按照標準規范和流程，針對特定業務需求進行的補充建設，是賽會組織的核心指揮調度手段，是賽事組委會各部門之間協同工作和應急聯動的重要通信方式。賽后該系統使用的P95頻率由屬地省廳收回，全部設備移交屬地公安局用于補充覆蓋以及提升單警裝備比例。

賽會用PDT系統在規劃階段充分考慮到：賽事組織指揮對于集群通信服務的關鍵功能需求為語音調度，需要實現賽區紅線內競賽和非競賽場館的室內和室外信號全覆蓋，能夠提供充分滿足賽事舉辦所需的全部集群通信服務；具備高可靠性、低時延和應對突發大話務量及突發公共事件的應急通信保障能力；具備在室外惡劣氣候條件下正常工作；須實現與異地1.4GHz B-TrunC寬帶集群網的互聯互通，滿足賽事運行指揮層級的跨場協同指揮與互聯互通需求等要求。從前期的規劃設計到后期的建設維護，賽會PDT系統采用多項保障措施和最佳解決方案，在覆蓋、備份、延時、頻率及耐寒等方面作了相應的技術優化。

1. 全程全域覆蓋

PDT系統能不能用、好不好用，覆蓋是關鍵。為更好滿足賽事組織指揮、地空一體化的語音調度需求。設計并建設賽會用PDT系統的5個室外PDT標準基站、4個PDT室內基站及相應的4套室內分布系統和1個對空基站并分別接入主、備（異地）節點。

對于涉及人員活動密集場所的室內采用基站并通過光纖直放站的形式將基站信號拉遠至相應大區的地下覆蓋地點，然后通過室內分布系統（含吸頂天線）實現地下區域的無線信號覆蓋。室內公共活動、辦公室及出入口等區域的無線信號可以從基站的功率分配器中將信號耦合輸出，但無線電波傳播到達接收機的路徑會受到多重墻體的阻擋、房內物體的反射及狹長走道內的多徑反射和拐角處折射等因素的影響，經實地測試驗證吸頂天線覆蓋半徑為20米。

2. 雙備份高可靠性

為保證賽會用PDT系統可靠運行，系統采用多種備份手段，包括傳輸鏈路雙備份，異地容災雙備份，以及核心交換單元物理器件雙備份等。

傳輸鏈路雙備份，是指所有交換節點和傳輸鏈路沒有單點故障，網絡傳輸采用不同鏈路傳輸信息。

異地容災雙備份，是指系統平時在兩地分別有一套交換中心在線工作，雙套系統數據在平時完成同步。在主用系統設備發生災難性故障或者設備故障時，可以自動切換到異地的另外一套核心節點，接管工作。在主用系統恢復正常時，可以自動切換回主用節點。切換期間，業務基本保持不中斷。

核心節點物理器件雙備份，包括業務單板、交換單板、電源板和風扇等關鍵器件雙備份，在其中單個節點發生故障或者物理損壞時，業務能平滑不中斷的進行。

3. 低時延優化

賽會用PDT系統是為組委會工作人員及賽區安保人員提供安全、穩定、暢通的通信服務。這其中，賽事裁判員對于系統的響應要求極高并明確提出：單呼建立時延≤300ms、組呼建立時延≤300ms、話權申請時延≤200ms，必須到達到“即按即說，首字不丟”的使用效果，因此針對PDT組呼接續時長，進行了逐段耗時的分析，包括終端發送起呼消息、系統下發信道指派消息、終端上行語音頭、系統下發下行語音頭等。針對每一段時長進行流程處理優化，經過反復的優化和測試，最終達到了用戶感知的呼叫建立時延（Mouth-to-Ear）在260ms以內，且話音清晰不丟字。

具體的優化措施包括終端側優化和系統側優化。在遵循PDT標準的前提下，終端和系統優化內部處理效率，將串行處理優化為并行處理，縮短處理時間，提升端到端的呼叫接續速度。終端側的優化包括縮短按鍵掃描時間，調整任務優先級，縮短用戶按鍵到發送起呼消息的時間。同時為了盡快讓終端發出語音頭，終端接收到基站的信道指配消息后快速切換到業務信道，在保證上下行同步的前提下盡快在業務信道發出上行語音頭。系統側的優化主要是優化內部處理流程，將不同網元、不同模塊間的交互處理從串行改為并行，通過信道指派和呼叫鑒權并行，加快分配業務信道資源，向終端發出信道指派消息，縮短終端在接入時的等待時間。在控制面處理完成，基站收到終端的上行語音頭后（包括后續語音包），直接在基站進行本地環回轉發給當前基站下的接聽終端。同時，還要向交換中心轉發主叫終端的語音頭（包括后續語音包），讓其他基站的終端也能接聽到。

4. 最佳頻率規劃

PDT系統在賽區建設了兩套350兆PDT網絡，分別用于承擔公安安保和賽會服務，這兩張網是疊加的，覆蓋區域基本相同。為支撐兩類用戶高話務量，每套系統的基站（包括室外和室內）都規劃了8載頻。按照《公安350兆P95頻段雙頻頻率無三階互調規劃及配置使用方案》的基站頻率配置基本原則：不同類別的頻率不得混用；同站無三階互調、鄰頻干擾；同站信道占用總帶寬最小；相鄰站無鄰頻干擾，復用站無同頻干擾；充分考慮地形地物影響，因地制宜做好頻率規劃，須將兩套系統全部基站的頻率按照“一張網”思路去規劃和使用。

經測算，現有P95頻段已無法滿足，首先要解決的是增加頻率資源。在總體保持P95頻率類別需要分組基礎上，通過申請借用（賽后歸還）P96頻段部分頻率替換掉少部分P95干擾頻率，這樣組合成新的頻率方案；其次就是充分利用SDR（軟件定義無線電）技術，賽區的兩套350兆PDT系統均采用了此技術而不受合路器頻率間隔的約束。使得同一基站的最小信道頻率間隔達到100kHz，突破了不小于 250kHz的技術約束。在更小的載頻間隔粒度上規劃頻率，得到了滿意的用頻結果。

網絡頻率規劃是一件非常有挑戰的任務，在有限的載頻集合中要規劃兩張網15個基站共120對頻點，且要滿足同站和鄰站的各項干擾約束，如果純粹依賴自動算法，將是一項運算量相當大的工作。因此，最終采用工具輔助+人工調整的策略。先基于P95的頻率類別分組，得到各基站內的無互調及鄰頻干擾的標準頻率組合，然后將全部基站已規劃頻點中有干擾關系的頻點篩選出來用P96頻率逐一替換，如果不同基站新的頻率規劃出現沖突（如鄰頻），則需要手工進行微調，最終整個網絡都要滿足頻率規劃的各項約束。為了提升頻率規劃效率，還專門開發工具包，能方便地根據當前頻點組合來填充新的無干擾頻點，同時也方便對頻點組合是否存在干擾進行判斷。

5. 低溫耐用性

賽區室外平均溫度在-20℃，極限低溫甚至達到-30℃。為應對PDT終端的嚴苛實用要求，確保在室外低溫環境下的穩定工作。此次PDT終端在耐寒方面進行優化：改進終端主機的電量模式；選用專業低溫電芯；降低低溫時電源電壓征集關機門限并通過權威機構的測評認證，在-33℃低溫整機低溫續航時間（發射:接收:待機比例為1:1:8時）為8.5小時。

（二）案例二

公安無線通信系統是公安機關的專用基礎網絡，具備了成熟、穩定、高效、安全保密的特性。特別是通信指揮對PDT系統的穩定性、安全性和音質都提出極高要求，每個環節是絕對不允許出現任何問題，一定要做到“萬無一失”。

在某活動保障中，由于警力分布集中，PDT系統在單基站下存在大量終端（以數千計算）同時鑒權登記入網的情況。在窄帶通信中，空口資源在不考慮碰撞的理想條件下每分鐘滿載只有1000條消息交互；大量終端同時登錄同一個基站會產生相當大的空口碰撞。經過實地驗證和系統優化，最終解決了此難題。

1. 使用雙控制信道

采用用戶分類機制，將終端用戶分為A、B類并分別通過主備控制信道進行入網登記。在用戶無感知的情況下，入網效率提升了一倍。

2. 使用隨機接入

為減少終端間的空口持久碰撞，采用空口隨機接入機制。終端隨機接入依賴C_ALOHA的UP、SF、MASK條件，分別表示用戶等級、業務類別、地址范圍，三者條件都滿足才能進行隨機接入。隨機接入時間參數包括：響應定時等待時隙數、重發退避幀長時間。終端依據這些關鍵信息，完成快速穩定入網登記。

3. 動態調整隨機接入參數

根據當前業務繁忙程度，系統可以動態調整隨機接入條件和時間參數，在整個登記入網進程中，加速終端入網。

4. 緊湊設置AT繁忙標志位

針對登記鑒權進程已經有效開始的終端，通過系統高效緊湊設置AT位，避免其它終端的接入干擾，保證此終端流程的完整性，從而加快整個大量用戶入網的進程。

PDT系統在使用中有時會遇到頻率干擾，嚴重時會影響通話。對PDT系統而言，通常需要排查上行信號的干擾。傳統排查方法比較麻煩，需要攜帶設備到基站進行掃頻。采用PDT系統的頻譜掃描功能可以方便快捷地進行處理，只需在后臺遠程對基站啟動頻譜掃描，即可獲得實時掃頻結果。后臺下達頻譜掃描命令給基站，基站射頻對351MHz-355MHz全頻段每間隔1.5kHz的數千個采集點進行掃描取平均數值并上報后臺網管。網絡管理者可以了解頻率干擾情況，及時作出規避和調整。

二、寬窄帶集群系統的互聯互通

在案例1中，為確保賽會異地統一指揮、協調工作和應急聯動，賽會用PDT系統實現與異地1.4GHz B-TrunC寬帶集群網的互聯互通。達到兩地賽時統一用戶管理、統一安全管理、統一運行維護和統一指揮調度的要求，滿足語音單呼時延、語音組呼時延、話權申請時延性能指標均≤500ms的指標要求，滿足寬窄帶混合編組以及語音單呼、組呼、緊急呼叫、遲后接入等語音業務要求。

賽會用350MHz PDT窄帶集群網和1.4GHz B-TrunC寬帶集群網的互聯互通，嚴格遵照PDT系統互聯互通標準進行，實現了單呼、組呼、短消息、動態重組、緊急呼叫等多項集群標準功能。為保證兩地網絡互聯互通的可靠性，兩地交換中心之間的傳輸鏈路進行雙備份，當某條傳輸鏈路發生故障時，兩地網絡會自動切換到備份傳輸鏈路，確保兩地網絡互聯互通不中斷。兩套系統間也實現了高話務量、呼叫接續快、話音清晰，很好地滿足現場指揮調度的需求。

PDT和B-TrunC兩張網絡雖然標準體系有所不同，但通過精心的設計，在網管、調度、安全、業務、終端等各個層面給網絡管理者和使用者提供了統一的視角，兩張網絡不光可以互聯互通，還邁向了深度融合。寬窄帶深度融合不光是一種理念，它已經成為了現實。

三、結語

截至2020年底，全國31個省（除港、澳、臺外）及新疆建設兵團建設PDT基站15199套、載頻數46760個、PDT終端116萬部，全國31個省完成與公安部PDT系統的互聯工作，取得了十分顯著的成績。著眼“十四五”規劃部署，還應繼續深化警用數字集群（PDT）通信系統 “全國一張網”目標，快速推進PDT全國“省省聯網”進程。PDT采用系統軟件化、應用一體化等思路，與信息安全、地理信息等多種先進技術進行有效融合，規范并豐富接口，提高信息化、智能化管理水平，從而使得PDT系統能更好的為公安實戰業務提供強力支撐。