多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

皇甫惠棟 孟小君 陶偉 張朋

摘要：簡(jiǎn)要概述了國(guó)內(nèi)集群通信系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r，介紹了多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)組成與功能，并針對(duì)局部大區(qū)域、跨區(qū)域無(wú)線語(yǔ)音通信的實(shí)際應(yīng)用需求，開(kāi)展了多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)站址選址覆蓋進(jìn)行了仿真分析和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各站點(diǎn)不小于10 km區(qū)域的信號(hào)覆蓋，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域之間的互聯(lián)，同時(shí)預(yù)留了擴(kuò)展接口，可按照后續(xù)的需求進(jìn)一步融合。

關(guān)鍵詞：集群通信；MSO核心網(wǎng)；北斗定位；功能拓展

中圖分類號(hào)：TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）05-54-5

0引言

集群通信系統(tǒng)又稱集群調(diào)度系統(tǒng)，是為了滿足行業(yè)指揮調(diào)度需求而開(kāi)發(fā)，面向行業(yè)應(yīng)用的專用無(wú)線通信系統(tǒng)。由于集群通信系統(tǒng)主要側(cè)重于指揮調(diào)度通信，其應(yīng)用可遍及公共安全、交通運(yùn)輸和公共事業(yè)等領(lǐng)域，尤其可以在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和自然災(zāi)害的過(guò)程中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)[1]。從1997年開(kāi)始，信息產(chǎn)業(yè)部就專門組織了數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)組來(lái)制定我國(guó)的數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)，并于2000年12月28日發(fā)布了我國(guó)《數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)體制》標(biāo)準(zhǔn)[2]。2008年，由公安部科技信息化局召集國(guó)內(nèi)部分有實(shí)力的廠商研討基于中國(guó)國(guó)情的警用無(wú)線數(shù)字集群系統(tǒng)新體制，其具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，標(biāo)志著中國(guó)的數(shù)字集群從無(wú)到有，并步入自主高速發(fā)展階段。

PDT數(shù)字集群通信具有以下特點(diǎn)：①信道利用率高、成本相對(duì)低；②架設(shè)便捷、入網(wǎng)快速；③呼叫靈活、保密性強(qiáng)，因此，受到廣泛使用。

單基站PDT數(shù)字集群有效通信距離有限（15 km），有時(shí)難以滿足大區(qū)域、跨區(qū)域通信需求，嚴(yán)重影響工作效率。多套基站PDT數(shù)字集群通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通使用，可以擴(kuò)大通信范圍，提供更大區(qū)域的指揮調(diào)度保障。

1系統(tǒng)組成及主要功能

1.1系統(tǒng)組成

多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)包含3個(gè)組成部分：MSO核心網(wǎng)、多套集群基站、若干部終端。其中MSO核心網(wǎng)，用于完成整個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)管理，控制邏輯組成有中心控制單元、軟交換單元、數(shù)據(jù)庫(kù)單元、網(wǎng)管服務(wù)單元、調(diào)度服務(wù)單元、MTU和互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等，MSO核心網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示；2套及以上集群基站，分別完成不同區(qū)域的無(wú)線信號(hào)覆蓋；多部手持終端、車載終端等接入基站，完成具體的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

MSO核心網(wǎng)也稱移動(dòng)交換局，對(duì)整個(gè)PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)的單元進(jìn)行管理和控制，屬于整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各網(wǎng)元之間的互聯(lián)和交換，管理不同網(wǎng)元之間的協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)跨基站、跨系統(tǒng)的呼叫控制和媒體語(yǔ)音的交換與互聯(lián)，遵循IP軟交換邏輯體系架構(gòu)，以及用戶的移動(dòng)性管理、鑒權(quán)、調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)管理、互聯(lián)等功能，從而拓展系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能及應(yīng)用。

多套數(shù)字集群基站組成了覆蓋大區(qū)域終端用戶的無(wú)線收發(fā)設(shè)備，每套數(shù)字集群基站組成一致，由基站控制器、信道單元、供電系統(tǒng)、射頻分合路單元以及機(jī)柜單元和天饋單元組成。根據(jù)信道單元的配置數(shù)量，組成2/4/8多種形態(tài)的集群基站，從信道資源上決定系統(tǒng)所能涵蓋的終端數(shù)量的多少。

多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)中，通過(guò)手持終端、車載終端實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)收發(fā)業(yè)務(wù)，并結(jié)合MSO核心網(wǎng)及多數(shù)字集群基站完成用戶需求功能。

1.2主要功能

語(yǔ)音呼叫及數(shù)據(jù)收發(fā)是PDT數(shù)字集群最重要的功能，具備不少于500人的在線語(yǔ)音呼叫功能，支持語(yǔ)音個(gè)呼、組呼、全呼、緊急報(bào)警、強(qiáng)插強(qiáng)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(tài)信息、告警信息收發(fā)等功能。語(yǔ)音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持用戶鑒權(quán)和端到端硬件加密等防護(hù)功能。

網(wǎng)管功能是PDT數(shù)字集群系統(tǒng)的重要組成部分，主要由網(wǎng)管服務(wù)器NMS和網(wǎng)管客戶端NMC組成。網(wǎng)管子系統(tǒng)主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)控，并提供操作維護(hù)功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)軟硬件資源的配置和監(jiān)控，并生成狀態(tài)報(bào)告，方便用戶進(jìn)行故障診斷。網(wǎng)管子系統(tǒng)還提供用戶管理、性能統(tǒng)計(jì)和安全管理等功能。

調(diào)度功能實(shí)現(xiàn)PDT數(shù)字集群系統(tǒng)下的用戶指揮及管理，采用插件化設(shè)計(jì)，提供遠(yuǎn)程調(diào)度與管理的數(shù)字調(diào)度解決方案?？蓱?yīng)用于制造業(yè)、能源、公安、安全、交通、金融、水利、社會(huì)服務(wù)、軍隊(duì)等領(lǐng)域，幫助用戶以最快速度、最有效的手段進(jìn)行緊急通知和命令發(fā)布，并可以直觀地顯示被通知對(duì)象的狀態(tài)，包含語(yǔ)音調(diào)度、短信管理、可視化調(diào)度和軌跡回放等業(yè)務(wù)功能。

PDT數(shù)字集群還具備北斗定位功能，每個(gè)基站能支持的定位終端數(shù)量，將依據(jù)每個(gè)終端定位信息的刷新間隔確定。4載頻PDT基站開(kāi)通一個(gè)專用的數(shù)字時(shí)隙傳輸北斗定位信息，可以做到每個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。結(jié)合北斗定位對(duì)有限資源進(jìn)行科學(xué)管理和有效利用，從而實(shí)現(xiàn)更可靠、更直觀的應(yīng)急指揮調(diào)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(qū)告警和地圖操作等。

此外，PDT數(shù)字集群系統(tǒng)具備安全可靠性，在PDT數(shù)字集群協(xié)議規(guī)范中，對(duì)于安全功能分成鑒權(quán)和端到端加密。其中鑒權(quán)功能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)和集群基站間的雙向身份認(rèn)證，而端到端加密功能又分成軟加密和硬加密2種模式，語(yǔ)音提供端到端的機(jī)密性保護(hù)，為用戶數(shù)據(jù)提供端到端的機(jī)密性和完整性保護(hù)。

2站址選擇及覆蓋分析

無(wú)線電波在傳播過(guò)程中受到系統(tǒng)自身因素影響，如基站天線架設(shè)高度、使用頻率和接收機(jī)高度等。此外，還受傳播環(huán)境的影響，例如地形、山峰、建筑物和地物等，這些因素引起無(wú)線電波反射、繞射和散射，導(dǎo)致了電波傳播有多條路徑，形成了多徑效應(yīng)[3-5]。在架設(shè)PDT數(shù)字集群前，應(yīng)對(duì)架設(shè)區(qū)域信號(hào)覆蓋情況進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)架設(shè)提供依據(jù)。實(shí)地勘測(cè)耗費(fèi)的人力、物力、財(cái)力，而且效率極低。隨著地理信息處理技術(shù)的進(jìn)步，逐步引入了數(shù)字地圖的概念[6]，實(shí)現(xiàn)了電波傳播預(yù)測(cè)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，基于所掌握的有限輸入，不能完全反映真實(shí)環(huán)境下的無(wú)線覆蓋情況。受到多種實(shí)際因素的影響，即便從天線到達(dá)指定的位置的信號(hào)在不同時(shí)間點(diǎn)也是有差異的。本次規(guī)劃是基于基站設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)以及一定前提和假設(shè)進(jìn)行輸入，仿真對(duì)相同的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，將進(jìn)行一個(gè)相對(duì)比較準(zhǔn)確覆蓋預(yù)測(cè)。根據(jù)目標(biāo)覆蓋區(qū)域范圍及地形圖數(shù)據(jù)，綜合考慮架設(shè)、維護(hù)及撤收的便利性，擬選A站點(diǎn)（覆蓋臨時(shí)生活與辦公區(qū)）與B站點(diǎn)（覆蓋工程作業(yè)區(qū)）架設(shè)基站，鏈路設(shè)定如表1所示，天線架設(shè)高度均為10 m，仿真輸出了上行、下行無(wú)線覆蓋效果。

信號(hào)覆蓋區(qū)域仿真結(jié)果如圖3所示，彩色區(qū)域均為有效覆蓋域，藍(lán)色區(qū)域信號(hào)最強(qiáng)，紅色區(qū)信號(hào)最弱，但能保證正常通信。環(huán)間距均為3 km，最外圈圓半徑為15 km，在部分點(diǎn)位可達(dá)到預(yù)設(shè)10 km以上的距離。從仿真結(jié)果可以看出，多基站的應(yīng)用極大地?cái)U(kuò)大了信號(hào)的覆蓋區(qū)域。

3應(yīng)用情況

在A站點(diǎn)（覆蓋臨時(shí)生活與辦公區(qū)）與B站點(diǎn)（覆蓋工程作業(yè)區(qū)）分別布設(shè)一套PDT數(shù)字集群通信基站，天線架設(shè)高度均為10 m，兩基站之間由光纖連通，并通過(guò)MSO核心網(wǎng)完成整個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)管理，A站點(diǎn)與B站點(diǎn)PDT數(shù)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(diǎn)區(qū)域、B站點(diǎn)區(qū)域，以及A站點(diǎn)區(qū)域與B站點(diǎn)區(qū)域的通信情況進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。其中，A站點(diǎn)區(qū)域、B站點(diǎn)區(qū)域測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示；A區(qū)域與B區(qū)域互聯(lián)情況以通信語(yǔ)音通話質(zhì)量考核。

結(jié)果表明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，實(shí)測(cè)信號(hào)略優(yōu)。分析原因：一是天線架設(shè)高度僅10 m，仿真存在一定失真；二是實(shí)測(cè)位置均是車輛容易到達(dá)區(qū)域，地形較開(kāi)闊。在需求區(qū)域范圍內(nèi)PDT數(shù)字集群信號(hào)穩(wěn)定覆蓋與語(yǔ)音通暢，能夠保證日常和應(yīng)急通信需求，實(shí)現(xiàn)了局部大區(qū)域、跨區(qū)域調(diào)度指揮的目的，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)與通話音質(zhì)對(duì)應(yīng)表如表4所示。

4功能拓展

現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展接口，既可以增加PDT數(shù)字集群基站數(shù)量，也可以增添自組網(wǎng)用于車隊(duì)遂行任務(wù)等無(wú)線語(yǔ)音調(diào)度工作，甚至可將窄帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)、LTE寬帶系統(tǒng)、電話系統(tǒng)等進(jìn)行窄帶/寬帶、無(wú)線/有線系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)、一幅圖，統(tǒng)一的指揮調(diào)度。此外，利用先進(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)、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(yīng)用如圖6所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文在實(shí)際應(yīng)用需求下，在仿真分析PDT數(shù)字集群信號(hào)覆蓋情況的基礎(chǔ)上，架設(shè)了2套基站構(gòu)成多基站PDT數(shù)字集群通信系統(tǒng)。通過(guò)建設(shè)后實(shí)際測(cè)試表明，較好地解決了當(dāng)前任務(wù)過(guò)程中面臨的通信調(diào)度手段匱乏、通信信號(hào)不良等現(xiàn)存問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了局部大區(qū)域、跨區(qū)域指揮協(xié)調(diào)，能夠通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌控終端軌跡及位置。經(jīng)過(guò)階段性系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，通信安全性得到了保障，并且系統(tǒng)本身具備良好的拓展功能，能夠滿足后續(xù)野外工作對(duì)通信的進(jìn)一步需求。

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