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我国数字集群的应用现状和技术发展

董晓鲁

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一、我国集群系统的应用

　　随着指挥调度和应急通信需求的增长，数字集群通信系统的重要性日益显著。同时，政府政策部门也在进行积极的支持与引导。从2003年4月起，信息产业部已批准中国电信、中国网通、中国联通等五家基础电信运营商在国内部分城市进行共网数字集群业务商用试验。其中，中国联通国脉（现已归中国卫通，更名为中卫国脉）公司在上海开通了iDEN运营共网；北京正通公司已开始在北京建设TETRA移动政务共网；中国卫通和中国铁通也分别在天津、重庆等六个城市筹建数字集群通信试验运营共网。目前福建集群电话公司、深圳运联通公司和上海国脉公司3个运营公司都采用iDEN系统。国内数字集群共网情况见表1。

　　从我国已建设的专网来看，采用TETRA系统的占多数，如Motorola公司建成的九龙到广州铁路和广州地铁的2号与3号线等三个800MHzTETRA（Dimetra）网；Nokia公司在天津建成的我国第一个水利数字集群通信网；铁道部采用马可尼的800MHzTETRA陆地集群无线电系统；广州110社会联动系统；Nokia为济南国际机场提供的首个民航机场集群通信网；上海市公安局采用Motorola公司的Dimetra系统建成的我国第一个公安警察网等。另外，最近广州地铁4号线已由Nokia中标，而成都的应急联动系统的移动标则由Motorola获得。城市应急联动系统是数字集群应用的一个主要方面，目前国内南宁、北京、成都、深圳、上海、成都等城市已经建设或开始建设城市应急联动系统，其中南宁和上海采用的是iDEN系统，其它几个城市采用的是TETRA系统。当前还有一些部门和单位在积极准备筹建数字集群通信网。目前进入中国市场的TETRA系统已达到了七八家，厂商间的竞争十分激烈。

　　2005年年初中国铁通正式公布了首次数字集群商用试验网络建设招标结果。在沈阳、长春、重庆三个城市，国产标准的两大推行者中兴与华为获得了首批商用订单，这也是国产数字集群标准的首次商用。其中，中兴通讯的数字集群标准GoTa获得了三个标的城市中的两个——即沈阳、长春的数字集群网络的建设权。而华为基于GSM技术的GT800标准则获得了重庆市的数字集群网络建设权。本次承建铁通三城市数字集群网络是国产标准在国内的首次商用。中国卫通也在济南、南京等城市分别建设了GT800和GoTa的商用试验网络。

表1    国内数字集群共网的发展情况

　　注：（1）还有很多其他的模拟集群网络，虽然是专网形式，但是也为其他的单位提供一定商业服务；（2）数字集群网络还有更多的专网，主要分布在公安、铁路、轻轨、地铁、水利等部门。

二、我国数字集群标准的发展

　　为推动集群通信系统在我国的建设和应用，2000年12月28日，我国信息产业部正式批准发布了SJ/T11228-2000《数字集群移动通信系统体制》的行业推荐标准。标准主要参照国际标准TETRA（体制A）和Motorola公司提出的美国国家标准iDEN（体制B），确定了两种集群通信体制。体制Ａ面向专用调度和共用集群通信网，体制B主要适用于共用集群通信网。标准规定了集群通信系统的工作频段为806MHz～821MHz／851MHz～866MHz，双工频率间隔为45MHz。

　　为了促进民族集群产业的发展，信息产业部分别针对国内基于CDMA和GSM技术研发的数字集群系统发布了两项标准：YDC030-2004《基于GSM技术的数字集群系统总体技术要求》和YDC031-2004《基于CDMA技术的数字集群系统总体技术要求》。

三、我国数字集群技术的发展

　　在国内，目前能够提供完整的数字集群设备和终端的系统包括华为公司开发的基于GSM的数字集群通信系统（GT800系统）和中兴公司开发的基于CDMA的数字集群通信系统（GoTa系统）。基于TD-SCDMA的数字集群系统目前也在方案制订当中，下面对GoTa系统以及GT800系统的结构和特点作一概括介绍。

　　1．GoTa系统

　　GoTa的含义是开放式集群结构（Global open Trunking Architechture）。是为满足数字集群通信专网和共网用户的需要而开发的。

　　GoTa的空中接口在CDMA2000技术基础上进行了优化和改造，使之能够满足现代集群通信的技术要求。GoTa采用的呼叫方式是集群通信中所特有的PTT方式的话音呼叫，为了提高呼叫接续速度，GoTa定义了一套相应的体制结构和协议栈，以满足集群通信系统的快速连接。为了支持群组呼叫，GoTa优化了空中接口，从而达到在同一个小区/载频下同一群组的用户在呼叫时能够共享同一条空中信道的目的。GoTa在处理通信连接时也采用了共享的方式，这将减少网络处理呼叫时的时延。对用户来说，信道选择和分配的过程却是透明的。因此，GoTa具有快速的接入、高信道效率和频谱使用率，较高的用户私密性、易扩展性和支持业务种类多等技术优点。

　　（1） GoTa系统的网络结构

　　GoTa系统的网络结构如图1所示。

图1 GoTa系统网络参考模型

　　系统中包括如下逻辑功能模块和子系统。

　　*集群终端

　　集群终端为用户提供CDMA集群系统的各种集群业务，同时也为用户提供传统的普通电话业务、补充业务、短消息业务和数据业务。终端通过空中接口和集群系统相连，提供集群调度功能。

　　*基站子系统BSS

　　SC组成。主要完成集群业务、数据业务和普通电话业务的接入功能。基站子系统BSS通过标准接口和调度子系统、CDMA核心网（包括交换子系统以及分组子系统）相连，满足集群终端的各种业务需求，包括集群业务、电信业务和数据业务。

　　*调度子系统DSS

　　DSS由调度控制中心DCC和调度归属寄存器DHR组成。DSS主要完成集群调度业务。DCC是集群呼叫的总控制点，完成集群调度呼叫的处理，包括鉴别集群用户、建立各种集群呼叫如私密呼叫和群组呼叫、判断集群PTT请求等。DCC作为调度控制中心，还接收反向链路来的集群语音数据，根据呼叫的性质再分发到对应的前向链路。

　　DHR完成数据库管理和配置功能，为集群用户提供群组注册、群组成员注册，还提供集群成员的本地信息以及集群成员的业务权限记录，完成呼叫统计和计费功能。

　　*调度台

　　调度台是用户组中具有特殊权限的终端，可以分为移动调度台和固定调度台。

　　固定调度台同时与调度子系统和操作维护中心相连，可以发起和参与组呼、广播等调度业务，也能够实现对群组成员的管理功能。

　　移动调度台可以发起组呼、广播呼叫等调度业务，在组呼的话语权控制上有较高的优先级，具备简单的群组用户管理功能。

　　*CDMA核心网

　　CDMA核心网包括交换子系统和分组子系统。交换子系统主要完成电话互联业务、普通电话呼叫业务和部分增值业务功能，并提供相关业务功能用户信息的存储和管理功能。分组子系统的主要功能是为用户提供数据业务通道，从而向用户提供高速的分组数据业务服务。

　　（2）关键技术

　　与GSM和CDMA公共蜂窝移动通信系统相比，在数字集群系统中有两个特有的关键技术：业务信道的共享、呼叫的快速建立。

　　*前向无线业务信道的共享

　　由于集群系统提供组呼业务，而CDMA系统是针对一对一呼叫的，因此在实现PTT方式的群组呼叫时，必须对CDMA系统进行改造，以实现前向资源的共享。

　　为了实现前向业务信道共享，就必须对群组用户所使用的前向业务信道采用相同的调制参数，即同一组内的每个用户所分配的前向业务信道具有相同的长码掩码和WalshCode，这样相同的载波/扇区下同一个群组将使用同一个信道，从而达到前向信道共享的目的。

　　为了达到群组用户在前向信道共享的目的，在信令流程上必须增加相应参数（长码掩码和WalshCode）的传递。前向共享业务信道由F-FCH/F-SCH提供支持，并对前向信道的结构没有进行改动，与原CDMA1x前向码道不同的是：建立码道时原设置的私有长码掩码改为调度组要求或指定的特殊公共长码掩码；不同的群组使用不同的长掩码和WalshCode。与CDMA1x前向业务信道比较，Walsh码资源与语音用户相同，信道结构基本不变；长码掩码通过加密算法计算得到。

　　*呼叫的快速建立

　　集群系统中PTT呼叫的另一个重要特色就是快速连接。如果CDMA系统未经改造，则呼叫建立的时间将不能满足PTT呼叫应用时的需要。

　　为了解决快速连接必须从两个方面着手，一是将信令流程进行改造，减少不必要的流程和协商，尽量采用并行处理方式，节省用户的接入时间，满足PTT呼叫方式。另一方面，可通过使用增强型的接入信道，增加基站接入信道数量以及通过允许集群移动台增大初始发射功率、功率增加步长，以及提高系统的接收灵敏度、优化搜索策略等技术，将接入试探控制在极短的时间内完成。另外，为了提高移动台的接入成功率和通话的稳定性，系统可以考虑采用AccessProbeHandoff、AccessHandoff、Channel－assignament into soft/softer Handoff 等技术。

　　2．GT800系统

　　GT800是以GSM－R为基础进行自主技术创新，兼容GSM和TD-SCDMA的无线接入技术，满足行业用户指挥调度需求的数字集群系统。

　　GT800根据基础技术发展的成熟期分两个阶段实现：

　　－PhaseI：定位集群共网运营，采用GSM无线接入技术，支持现有主流集群系统业务功能，性能指标达到或优于现有集群体制（接续速度等）；

　　－PhaseII：定位专网和共网集群，基于PhaseI核心网增强，同时支持GSM和TD-SCDMA接入技术，通过终端双模向TD-SCDMA演进。

　　（1）GT800系统的网络结构

　　GT800系统的网络结构如图2所示。

图2 GT800数字集群系统组网结构

　　系统包括如下逻辑功能模块和子系统。

　　*网络子系统

　　网络子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS由一系列功能实体所构成，一个网络子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR。各功能实体之间都通过符合No.7信令协议互相通信，其中组呼寄存器（GCR：GroupCallRegister）中包含了组ID和组呼区域，组呼区域与组ID合在一起称作组呼参考。其中与锚MSC相连的GCR中包含了与该组呼参考相关的调度台列表、中继MSC列表、锚MSC直接控制的小区列表。而与中继MSC相连的GCR则包含了与该组呼参考相关的锚MSC地址、本中继MSC所控制的小区列表。

　　*基站子系统

　　基站子系统BSS是集群系统中与无线传输方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线信号发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与核心网中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。

　　*集群终端

　　该终端由两部分组成，移动终端(MT)和用户识别模块（SIM），支持以下基本的集群功能：点对点私密呼叫、广播呼叫、组呼。

　　（2）关键技术

　　*信道共享

　　GT800采用GSM的物理信道结构逻辑信道，增加了组呼信道和广播通知信道。在GSM系统中每个手机单独分配一个信道进行通话，而在GT800的组呼中所有手机都使用同一个组呼信道进行监听，监听的手机个数不受限制，这样节省了无线信道资源。

　　*快速呼叫建立

　　呼叫建立时间主要消耗在空中接口与手机的交互消息中。GT800采取减少合并消息的办法以及系统同步处理技术节约了呼叫建立的时间，组呼建立时组成员根据广播通知消息中的信道描述立即加入到组呼中不需要和网络有任何的消息交互也加快了响应速度。

四、我国数字集群技术的发展展望

　　我国数字集群通信的发展首先明确市场发展定位，避免出现模拟集群通信发展所经历的弯路，应将数字集群通信定位在专业移动通信上面，充分发挥集群自身优势，这样才有正确的发展方向，这是一个大前提。在大前提明确后，促进数字集群市场的发展需要政府的正确管理，特别是管制环境和频谱的分配。只有把握好经营许可发放门槛，才能避免网络的重复投资建设和频率使用上的浪费。在民族产业方面，政府应在技术标准、频率分配以及产业联盟的发展方面予以支持，使民族产业发展上去，才能形成多厂家支持的局面，降低设备成本，为集群产业的大规模发展提供良好的环境，提供可靠的安全通信保障。在网络运营方面，应扶持数字集群共网的发展。在集群通信的产业链中运营商是关键环节，政府应通过业务监管等方式在宏观上引导运营商的网络运营发展，这在集群发展初期尤为重要，同时应通过逐步扩大商用试验规模的方式，使运营商不断积累运营经验，也可以为国内集群厂商提供实际的商用经验，促进国内集群系统的不断完善。同时也应看到，运营商作为一个企业必须要考虑自身的经济效益，因此也应支持运营商针对集群用户提供包括数据业务在内的各种增值业务，以提高收益，否则单靠基本的集群调度业务是不足以维持网络运营的。另一方面，随着各种信息量的不断增长，集群用户对数据业务的需求也在增长，集群用户更希望运营商能够提供综合的业务解决方案，从这方面而言，鼓励运营商在集群业务的基础上发展增值业务也具有一定的社会效益。