窄帶數字集群與天通衛星融合通信應用研究

摘要：數字集群通信具有按鍵即講、接續速度快等業務特點，其結合通信體制上高效靈活的無線信道共享方式，在專網領域得到廣泛應用。本文從數字集群通信應急應用場景出發，提出一種窄帶數字集群系統與天通一號衛星移動通信系統的融合通信應用方法，通過衛星的廣域覆蓋能力，解決大跨度下集群覆蓋不足的通信問題。

關鍵詞：數字集群系統；天通一號衛星移動通信系統；應急通信；融合通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.012

中圖分類號：TN 929.52 " " " " "文獻標志碼：A " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Research on the Application of Narrowband Digital Cluster and Tiantong Satellite Fusion Communication

CUI Lidong， ZHAO Rongchang， ZHANG Mohan， GAO Chao

（China Electronics Technology Group Corporation 54th Research Institute， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract： Digital cluster communication has business characteristics such as button to talk and fast connection speed. Combined with the efficient and flexible wireless channel sharing method in the communication system， it has been widely used in the field of private networks. Starting from the emergency application scenario of digital cluster communication， this article proposes a fusion communication application method of narrowband digital cluster system and Tiantong-1 satellite mobile communication system， which solves the communication problem of insufficient cluster coverage under large spans through the wide area coverage capability of satellites.

Keywords： digital cluster system; Tiantong-1 satellite mobile communication system; emergency communication; fusion communication

數字集群通信從模擬對講發展而來，逐漸演化出DMR、TETRA、PDT等窄帶通信體制和B-TrunC寬帶集群體制等，在警用、應急、鐵路和軌道交通等行業用戶中有著廣泛的應用。在集群通信系統中，基站提供信號中繼和交互，終端的應用受基站信號覆蓋范圍影響。在一些特殊場景下，例如，在發生自然災害時，地面基礎設施遭到破壞，基站無法與其他系統或其他基站進行數據交換，終端用戶只能與同一基站信號覆蓋下的終端進行通信，限制了通信的范圍。衛星通信具有覆蓋范圍廣、不受地域限制、不需要地面基站支持等特點，能夠為地面通信系統無法覆蓋的區域提供通信手段。本文主要分析了數字集群與天通衛星融合通信應用分析，并提供一種數字集群基站設計和實現方案。

1 " 窄帶數字集群業務與互聯分析

窄帶數字集群系統主要以語音和短信業務為主。以自主知識產權的一代警用數字集群（PDT，Police Digital Trunking）為例，其空中接口采用2時隙的TDMA幀結構，把上、下行載波的每一幀劃分為2個時隙，每個時隙都被用作一個無線信道（物理信道），一個無線信道由一對上、下行信道組成。在基站側，射頻采用連續發射的方式工作；而在終端側，僅在特定載波2個時隙中的1個時隙上進行發射，即終端為半雙工工作方式。半雙工系統的優勢在于節約無線頻率資源，系統構造簡單，故障率低[1]。PDT系統為終端提供語音和數據業務，PDT聯盟為語音業務定義了NVOC（Narrowband Voice Coding）低速率窄帶語音編碼方案，該標準定義了2.4 kbps（非密）和2.15 kbps（加密）兩種速率[2]。

在網絡互聯方面，PDT集群系統的網絡基礎設備包括交換機、網關、網絡管理設備、基站控制設備和終端等，其連接關系如圖1所示。

在PDT系統之間，基于全IP的方式定義了互聯協議來完成PDT交互控制中心之間的信息交互，實現系統漫游和跨系統呼叫控制等功能。PDT系統間互聯協議分為控制面和用戶名兩類，互聯協議分層結構如圖2所示。

圖2 互聯協議分層結構

PDT系統間互聯控制面接口使用pSIP協議，用于移動管理、呼叫控制和網絡維護等，此外還包括媒體流控制協議pSDP、用戶數據定義的協議MAP和衛星定位信息協議NMEA[3]。

2 " 天通衛星通信業務與應用分析

天通一號衛星移動通信系統是我國首個軍民共用的自主衛星移動通信系統，該系統于2008年汶川地震后提出和立項，并于2016年8月6日發射了天通一號01星，隨后于2020年和2021年分別發射了天通一號02星和03星。其中，01星覆蓋了我國國土、領海及其外延200 km，02星覆蓋了西太平洋區域，03星覆蓋東南亞地區。系統由天通衛星、天通地面信關站和天通衛星移動終端組成，系統通過天通信關站出局，可與地面移動網、PSTN、Internet實現互聯互通。業務能力包括語音業務、短信業務、G3類傳真業務及分組數據業務。其中，語音業務支持速率包括1.2 kbps、2.4 kbps和4 kbps三種，分組業務速率最高可支持384 kbps，能夠實現視頻回傳和網上沖浪功能[4]。

天通衛星位于地球同步軌道，距地3萬千米左右，受鏈路衰減影響，不同速率的業務對終端整機的EIRP和G/T值要求也不一樣。在民用天通系統中，終端按窄帶業務和寬帶業務進行了劃分，其中窄帶終端主要指手持類終端，能夠為用戶提供語音業務、短信業務和9.6 kbps低速數據業務能力；寬帶終端主要是指便攜、車載和船載等形態，相比窄帶終端其天線尺寸更大，終端發射功率更高。市場典型的終端形式如圖3和圖4所示。

以中電科54所研制的SC120手持終端和SC310便攜終端為例進行對比，兩者都具備語音、短信業務能力，而SC310因為可支持最高384 kbps的分組業務，為獲取更高增益的射頻接收能力和發射功率，終端集成了高增益的平板天線和大容量電池。

衛星通信系統在應用中，除了考慮其系統提供的業務基礎能力，還需要考慮業務開通的便捷性和系統能力。參考文獻[5]提出了一種使用高衛星便攜站為數字集群實現異構組網能力的通信系統，該應用的優點在于組網方式靈活，且通信帶寬較高，能夠傳輸寬帶業務數據。但在面向突發自然災害，地面通信系統完全中斷的情況下，衛星便攜站持續工作時功耗較高，需要額外的電力支撐，且相比天通窄帶手持終端，便攜站的尺寸和質量要高出許多，不利于在惡劣地形條件下機動通信。

天通衛星作為高軌衛星，不同業務對衛星的功率和信道資源要求也不一樣。當地面通信系統中斷時，衛星通信是唯一的對外聯系手段，衛星系統會在短時間內呈現業務集中爆發的情況，對衛星功率和系統容量都是很大的沖擊和挑戰。天通系統目前可支持5 000個語音信道并發[6]，按衛星功率進行折合計算，能夠支持的384 kbps業務并發數量要顯著減少，當衛星業務量集中上升時，可能出現業務申請失敗的情況。因此綜合系統能力和終端形態，本文主要考慮使用天通系統的窄帶語音業務，來實現窄帶數字集群的跨域交換和通信。

3 " 融合基站方案設計

融合基站方案是指基于窄帶數字集群便攜式基站原有硬件架構，集成天通窄帶通信模組，使用天通2.4 kbps語音信道，實現跨域交換和終端互聯互通。本文選用的天通基帶模組為中電科54所產品MSM01A，該模組尺寸為55 mm×33 mm×5 mm，外部接口為MiniPCIe，結構如圖5所示。

圖5 MSM01A天通窄帶通信模組

MSM01A板載基帶處理芯片和射頻芯片，并且集成了功放和低噪放單元，對外射頻接口為IPEX，可直接連接無源天線。MSM01A架構如圖6所示。

圖6 MSM01A架構圖

融合基站在現有PDT集群基站硬件方案基礎上，增加MSM01A模組接口，實現衛星通信能力。整體架構如圖7所示。

圖7 融合基站架構圖

在融合基站中，主控單元負責完成PDT基站的基帶部分，包括協議處理和物理層中頻處理；PDT信道單元負責完成PDT基站載波信號的收發功能；天通基帶單元由天通窄帶通信模組組成，通過UART接口承載AT指令的方式完成與主控單元的通信。

在協議互聯方面，由于天通衛星語音信道的傳輸特點，其信道帶寬和突發方式無法承載PDT基站標準的pSIP信令，需要自定義信令和傳輸協議，以支撐基站間的數據交換。

天通2.4 kbps語音信道采用非確認模式傳輸，即接收端不對發送端的語音數據進行確認，因此需要基于該信道設計一種適合于該信道的傳輸協議，增加上層應用的消息確認機制，實現通過2.4 kbps語音信道承載基站間的組呼、單呼等跨基站呼叫控制信令的交互。

4 " 測試與應用

在距離較遠的兩個試驗場分別開啟使用融合基站和集群終端，在兩臺基站無法通過集群載波互通的情況下，控制基站通過天通衛星系統建立2.4 kbps的語音鏈路通道，然后在兩臺基站下終端進行跨基站業務。測試結果顯示，在天通衛星語音信道鏈路下，跨基站終端能夠實現語音單呼、語音組呼、短信等基本業務，滿足應急場景下的跨域通信基本需求。

5 " 結束語

本文中設計的窄帶數字集群與天通衛星通信融合基站，主要應用于在集群基站缺乏地面基礎設施實現互聯互通場景下，快速與遠端集群基站的窄帶通信信道實現跨基站終端間的互聯互通基本通信業務，同時具備體積小、功耗低等特點，對衛星網絡的通信帶寬和開通方式沒有特殊要求，提升了融合基站在應急場景下的可用性。

參考文獻

[1] 王璐，張春慧.融合通信系統的融合應用[J].數字技術與應用，2022（2）：87-89.

[2] 中華人民共和國公安部.警用數字集群（PDT）通信系統總體技術規范：GA/T 1056-2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[3] 中華人民共和國公安部.警用數字集群（PDT）通信系統互聯技術規范：GA/T 1364-2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[4] 王艷君.“天通一號”衛星移動通信系統發展與物聯網應用[C].2020中國衛星應用大會報告集，2020.

[5] 樓蘭.數字集群與便攜式衛星站異構組網應用[J].太赫茲科學與電子信息學報，2018（12）：997-1002.

[6] 王健，等.高軌移動通信衛星發展現狀與趨勢分析[J].通信世界，2019（11）：

52-57.