王鷹 劉燕嵋
一、概述
數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)是近幾年來移動通信領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一，具有接續(xù)快、頻譜利用率高、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于生產(chǎn)調(diào)度、指揮控制的專用移動通信系統(tǒng)，對于提高生產(chǎn)和工作效率、保證安全等有著極重要的作用。由于我國集群通信基本還處于模擬階段，只有很少一些數(shù)字集群系統(tǒng)，為使人們更多地了解其功能和技術(shù)，本文將在技術(shù)與應(yīng)用方面與GSM做一些比較性的介紹。
二、數(shù)字技術(shù)及其比較
數(shù)字集群通信的技術(shù)基礎(chǔ)是先進(jìn)的數(shù)字移動通信技術(shù)，數(shù)字集群系統(tǒng)在話音編碼、調(diào)制、多址、組網(wǎng)等多方面采用的是當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)：數(shù)字集群系統(tǒng)有更高的頻譜利用率，可以用相對不多的頻譜組成一個很大的網(wǎng)絡(luò)；由于信號已經(jīng)數(shù)字化，因而可以采用高密級的數(shù)字加密技術(shù)；數(shù)字集群應(yīng)用面廣，可以通過一個移動終端完成電話、調(diào)度、數(shù)據(jù)、短信息等業(yè)務(wù)。像公眾移動通信網(wǎng)一樣，數(shù)字集群也采用了各種數(shù)字信號處理技術(shù)和信道編碼技術(shù)，增強(qiáng)了抗干擾能力，具有較好的傳輸質(zhì)量；同時可與PSTN、PDN以及ISDN所提供的業(yè)務(wù)兼容；由于系統(tǒng)也具有漫游、位置登記和越區(qū)切換等功能，因而可跨區(qū)域組織全國連網(wǎng)。與公眾移動通信網(wǎng)相比，集群系統(tǒng)連續(xù)時間短，調(diào)度指揮不需要撥號，通話簡練，并具備半雙工，單工以及脫網(wǎng)直接對講功能；具有群呼、組呼、會議呼和優(yōu)先、強(qiáng)拆強(qiáng)插等功能；有動態(tài)重組功能，在緊急情況下可以臨時將幾個系統(tǒng)進(jìn)行指揮調(diào)度。目前在我國應(yīng)用的數(shù)字集群系統(tǒng)有兩種：TETRA和iDEN系統(tǒng)，下面將對其中的編碼、調(diào)制技術(shù)做一些簡要介紹 1.語音編碼技術(shù)
GSM系統(tǒng)采用規(guī)則脈沖激勵長時預(yù)測(REP-LTP)編碼技術(shù)。它的純編碼速率為13kbit/s。話音質(zhì)量MOS可達(dá)3.6。
在數(shù)字集群系統(tǒng)中，TETRA系統(tǒng)采用代數(shù)碼激勵線性預(yù)測(ACELP)編碼，iDEN系統(tǒng)采用矢量何激勵線性預(yù)測(VSELP)編碼技術(shù)。
(1).ACELP話音編碼技術(shù)
ACELP編碼器是將話音分解成一系列源編碼的編碼器，它將代數(shù)碼本作為激勵源來表示人的話音的建立過程。其原理是把殘差信號可能出現(xiàn)的、已經(jīng)量化了的、按一定規(guī)則排列的各種樣值作為碼本事先存儲在收、發(fā)的存儲器中，在線性預(yù)測的過程中，先在本端檢查出與這個信號最接近的樣值組合的地址碼發(fā)送到對方，對方收到這個地址碼后從本端同樣的碼本中取出這個地址的殘差信號，經(jīng)濾波后得到重建的話音。由于不傳輸殘差信號的本身，所以減少了傳輸?shù)谋忍財?shù)，大大降低了編碼數(shù)率。
把30ms段PCM編碼話音加載到編碼器中作為一個處理組，然后進(jìn)行下面三個階段的處理：短期預(yù)測STP(線性預(yù)測編碼LPC),長期預(yù)測LTP(基于基音延遲何增益的的碼本)，代數(shù)碼本(激勵單音分析)。其中短期預(yù)測的線性預(yù)測編碼在整個30ms幀上完成，反映了濾波器的特性；長期預(yù)測和代數(shù)碼本都在較小的7.5ms的子幀上工作。
可以看出，每個30ms幀在對這些參數(shù)編碼的過程中產(chǎn)生的137比特，因此編碼數(shù)率為4.567kbit/s。
通過對ACELP編碼器進(jìn)行主觀評估等級(MOS)測試，在線性輸入條件下，MOS得分為3.02，而IRS輸入條件下，(經(jīng)過中間參考系統(tǒng)預(yù)處理)得分為3.63.
(2)、VSELP話音編碼技術(shù)
矢量何激勵線性預(yù)測編碼技術(shù)(VSELP)是將矢量量化的方法用于碼本的編制，它可以在較低的碼速情況下仍保持較高的話音質(zhì)量。這種編碼方法是CELP的一種，并已經(jīng)成為CELP編碼的主要發(fā)展方向。VSELP編碼器使用兩種碼本，一種是矢量碼本，一種是長時預(yù)測自適應(yīng)碼本。線性預(yù)測編碼LPC分析也是每幀計算一次，它的碼本就是過去一幀的編碼序列，每處理完一個子幀，就將新的比特移入該序列，使整個碼本的序列長度保持不變，但每個子幀都在變，故稱自適應(yīng)碼本。通過來自長時濾波器的狀態(tài)可以求得最佳長時預(yù)測的時延及增益，再依次從碼本中尋找最佳激勵矢量，然后經(jīng)過一定的電路運(yùn)算就可以得到合成的話音。
iDEN數(shù)字集群系統(tǒng)采用了兩種可選的編碼器，它們分別對應(yīng)用于3時隙和6時隙這兩種時分多址的工作方式。一種是信源編碼速率為8kbit/s的編碼器，以20ms的語音作為一個編碼子幀，得到160比特的語音編碼輸出；另一種是信源編碼速率為4.2kbit/s的編碼器，將30ms的語音作為一個編碼子幀，得到126比特的語音編碼輸出。前者利用每條25KHz信道中6個時隙中的2個時隙將這些語音編碼發(fā)送出去，與后者相比其編碼速率幾乎提高了一倍，從而提高了話音連接通信的總體質(zhì)量。
在話音質(zhì)量方面，當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)使用6時隙時，話音質(zhì)量MOS為3.6-3.8；當(dāng)雙工互連無線電話通信采用3時隙時，話音質(zhì)量可超過4.2或更高。
從源編碼方式來看，集群系統(tǒng)在保證通話質(zhì)量的前提下，話音編碼速率比GSM系統(tǒng)更低，無疑可以節(jié)省更多的帶寬。
2.調(diào)制技術(shù)
調(diào)制技術(shù)是數(shù)字移動通信系統(tǒng)射頻接口的重要組成部分。與有線通信相比，無線信道傳輸環(huán)境是一種較為惡劣的傳輸環(huán)境。它不像有線信道那樣具有固定的和可預(yù)見的特性，而是有較強(qiáng)的隨機(jī)性，還存在同頻道干擾和鄰頻帶干擾等，尤其是在通常情況下，無線電頻率管理部門不能安排專用通信網(wǎng)使用連續(xù)頻道(像GMS那樣可以通過連續(xù)信道分配，合理安排信道來解決鄰信道的干擾問題)，因此，調(diào)制技術(shù)的性能還需要有更高的要求。在當(dāng)今的移動通信領(lǐng)域，常用的調(diào)制方式有高斯最小頻移鍵控GMSK、π/4差分四相移動相鍵控π/4-DQPSK、多進(jìn)制正交振幅調(diào)制M-QAM等。它們分別被GSM、TETRA和iDEN系統(tǒng)采用。下面介紹集群系統(tǒng)中的兩種調(diào)制方式。
(1)、π/4-DQPSK(π/4差分四相移相鍵控)
π/4－DQPSK是對QPSK信號特性改進(jìn)后的一種調(diào)制方式，它主要是將QPSK中±π的跳變降為±π3/4，載波的相移限制為±π/4和±π3/4，信號星座的轉(zhuǎn)換不經(jīng)過原點(diǎn)，這樣就不會產(chǎn)生±π的瞬間變化，因而降低了QPSK的包絡(luò)波動并改善了頻譜特性。同樣其解調(diào)方式也得到了改進(jìn)，不僅可以使用相干解調(diào)，也可以使用非相干解調(diào)(差分檢測和限幅鑒頻)。差分檢測非常適合于需要快速同步的窄帶TDMA信道和突發(fā)工作模式的TDMA系統(tǒng)。由于鑒頻檢測既可用于模擬FM也可用于數(shù)字π/4－DQPSK的解調(diào)，因而可以容易的實(shí)現(xiàn)雙摸接收機(jī)，有利于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的平滑過度。
π/4－DQPSK需要的帶寬較窄而帶外衰減減慢，非恒定包絡(luò)，需要線性放大器。在TETRA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制定之初，π/4－DQPSK還屬于比較新的技術(shù)，它可以適應(yīng)信道間隔為25kHz的頻率劃分，并在25kHz信道上能夠傳遞36kbit/s的數(shù)據(jù)。將這種技術(shù)與濾波技術(shù)相結(jié)合，使發(fā)射頻譜非常緊湊，鄰信道干擾很小。
(2)、16QAM調(diào)制技術(shù)
在較長的一段時間中，移動通信中沒有采用振幅變化的調(diào)制，這是由于信道中的衰落會干擾振幅的變化，而且對發(fā)射機(jī)末級高放的線性要求過高，在電路技術(shù)水平受限的情況下，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度較大，所以移動通信一般都以恒幅調(diào)制為主。隨著信道編碼技術(shù)的提高，通過利用糾錯技術(shù)，使移動通信中能采用的調(diào)制方案更加廣泛了。為了獲得更高頻譜效率的調(diào)制方式，人們通過研究對相位和振幅的聯(lián)合控制，認(rèn)為QAM這種多進(jìn)制的混合調(diào)幅調(diào)相的方式，也可以用于移動通信中。iDEN系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制技術(shù)。它是專門為數(shù)字集群系統(tǒng)開發(fā)的一種調(diào)制技術(shù)。這種調(diào)制方式具有線性頻譜，使25kHz信道具有傳輸64kbit/s的信息。該種調(diào)制方式還可以克服時間擴(kuò)散所產(chǎn)生的不利影響。這一線性技術(shù)提供了調(diào)制效率、信道敏感度、可接受C/I比例種及鄰信道干擾小等高度理想的組合。
16QAM的基本特征是將傳送的信息比特首先分為4個并聯(lián)的頻分復(fù)用子信道，然后再經(jīng)編碼變換成為16QAM的信號，同時插入導(dǎo)引和同步信號符號。每個合成的信息流經(jīng)過脈沖濾波，與分路載波一起調(diào)制，并在頻分復(fù)用器中與其它的副載波信號混合，合成的總信號形成16QAM信號。16QAM的接受方則執(zhí)行相反的操作，分別解調(diào)和檢測每個信道的標(biāo)志號，從總的信號中經(jīng)過檢測挑選和時域分割會的所需的話音或數(shù)據(jù)信號。16QAM這種線性調(diào)制技術(shù)具有非常理想的調(diào)制效率、靈敏度、可接受的C/I平衡及低鄰信道干擾等綜合特點(diǎn)。
從以上兩種調(diào)制方式可以看出，數(shù)字集群系統(tǒng)在25kHz的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了36-64kbit/s的傳輸速率，其頻譜利用率比GSM系統(tǒng)更高。另外，由于數(shù)字集群系統(tǒng)中正如前面介紹的采用了更低的話音編碼速率，因而在一個載波中可以容納3-6個信道，大大節(jié)省了頻率資源。
三、數(shù)字集群系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)的主要區(qū)別
GSM是由共用電信企業(yè)投資建設(shè)，面向整個社會，以公眾用戶為服務(wù)對象的，這些用戶一般以個體用戶為主。這些個體用戶間不必要存在一定的組織關(guān)系，并且呼叫級別往往時平等的。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者建設(shè)并運(yùn)行電信網(wǎng)絡(luò)的目的是為廣大用戶提供滿意的電信服務(wù)，亦即提高服務(wù)質(zhì)量，擴(kuò)大服務(wù)范圍，以賺取更多的利潤。
數(shù)字集群目前還是由專業(yè)單位自行投資建設(shè)，以專業(yè)用戶為服務(wù)對象的，這些用戶一般以集體用戶為主，并且呼叫往往是不平等的。網(wǎng)絡(luò)所有者建設(shè)并運(yùn)行電信網(wǎng)絡(luò)的目的完全是為內(nèi)部工作的需求向用戶提供必要的電信服務(wù)，強(qiáng)調(diào)保證本部門正常運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊要求。
與GSM比較，數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)調(diào)組呼、廣播呼叫、緊急呼叫、強(qiáng)插強(qiáng)拆和不同的呼叫優(yōu)先級別等調(diào)度指揮功能。更強(qiáng)調(diào)縮短呼叫的建立時間，一個GSM的電話用戶，打一個電話從撥號到接通所需要的時間一般為幾秒鐘到十幾秒種甚至更長；而對專業(yè)網(wǎng)用戶來說這個時間就太長了，在緊急情況下，希望一按就通。
調(diào)度指揮要求簡明扼要，一般通話時間較短。移動諸多那段·終端之間在脫離網(wǎng)絡(luò)的情況下，還要求能直接互通。無線用戶在系統(tǒng)覆蓋區(qū)外或盲區(qū)工作，例如在隧道中，在沒有設(shè)置基站的寄去工作，例如在山區(qū)；在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障以及在系統(tǒng)過載以致難于快速接入等等情況下，移動臺之間仍可保持聯(lián)系，這種直接方式通信是非常有用的。
四、數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
數(shù)字集群系統(tǒng)面向群體用戶，用于調(diào)度指揮控制，而各部門需求具有其特殊性，因此對集群系統(tǒng)的功能要求既有很強(qiáng)的個性。通常將用戶分為三類：完成任務(wù)型、提高經(jīng)濟(jì)效益型、保障生產(chǎn)安全型。
政府用戶的需求一般為完成任務(wù)型，包括日常工作中對人員的指揮，自然災(zāi)害、重大事故等拯救和處理、治安、刑事事件、緊急事件中人員的調(diào)度，國際國內(nèi)大型政治、經(jīng)濟(jì)、文化體育活動的保安工作。這類用戶不僅需要基本的話音通信系統(tǒng)，其中一些用戶還需要移動數(shù)據(jù)功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，計算機(jī)輔助調(diào)度及自動車輛定位等,對于發(fā)達(dá)地區(qū)及國際化大都市還要求綜合通信指揮控制的社會聯(lián)動系統(tǒng)，可以共享多個信息資源，將政府各個獨(dú)立的應(yīng)急部門有機(jī)地結(jié)合起來，提高城市數(shù)字化和信息化的管理水平。政府調(diào)度通信系統(tǒng)要求保障通信安全，系統(tǒng)可靠性高，能夠集成其它信息系統(tǒng)，同時系統(tǒng)要基于開放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，由多供貨商開發(fā)和供貨。
企業(yè)用戶的需求一般為提高經(jīng)濟(jì)效益型，實(shí)現(xiàn)日常工作中對人員的指揮，這類用戶的需求為商業(yè)集群系統(tǒng)，通過使用集群系統(tǒng)可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，減少調(diào)度人員的數(shù)量，節(jié)省移動通信的費(fèi)用和生產(chǎn)成本。 保障安全生產(chǎn)型的用戶一般為專網(wǎng)用戶，如軍隊(duì)、鐵道等部門的指揮調(diào)度，它們對系統(tǒng)有不同的要求，對于列車調(diào)度系統(tǒng)來說，通信系統(tǒng)要與信號系統(tǒng)互連。這類系統(tǒng)僅供這些部門自己使用，屬于非經(jīng)營性的移動通信網(wǎng)絡(luò)，安全效益是系統(tǒng)的首要目標(biāo)，運(yùn)營商承擔(dān)不了這類用戶的風(fēng)險。
數(shù)字集群系統(tǒng)提供的基本業(yè)務(wù)可分為三類：
(1)用戶終端業(yè)務(wù)
允許直接移動對移動和用戶任選的成組語言呼叫功能，允許選擇并保密呼叫。提供電話、傳真和某些擴(kuò)展也，例如交互視傳、用戶電報等。
(2)承載業(yè)務(wù)
電路方式數(shù)據(jù)功能，分組方式面向連接數(shù)據(jù)功能和無連接數(shù)據(jù)功能。
(3)補(bǔ)充業(yè)務(wù)
如接入優(yōu)先、搶占優(yōu)先、優(yōu)先呼叫、內(nèi)部呼叫、控制轉(zhuǎn)移、遲入網(wǎng)、由調(diào)度員授權(quán)的呼叫、環(huán)境監(jiān)聽、地區(qū)選擇、短號碼尋址、通話方識別、動態(tài)組數(shù)目指配等等。電話類補(bǔ)充業(yè)務(wù)，如表列搜尋呼叫、呼叫轉(zhuǎn)移--無條件/忙/不回答/達(dá)不到、呼叫禁止--呼入/呼出、呼叫報告、呼叫等待、呼叫/被連接線路身邊表示、呼叫/被連接線路識別限制、對遇忙用戶/對不回答呼叫接通等等。
五、數(shù)字集群系統(tǒng)的發(fā)展
作為由專業(yè)移動通信發(fā)展演變出來的一個數(shù)字無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，它不是蜂窩技術(shù)的競爭者或替代品，而是針對自己的目標(biāo)市場與蜂窩技術(shù)并行發(fā)展的一種技術(shù)。象GSM向GPRS和3G發(fā)展一樣，TETRA在1999年啟動了RELEASE 2計劃，滿足新業(yè)務(wù)的需求。新的標(biāo)準(zhǔn)采用新的話音編碼器提高話音質(zhì)量，并與GSM/3G網(wǎng)絡(luò)互連，優(yōu)化空中接口以提高頻譜效率，網(wǎng)絡(luò)容量，系統(tǒng)性能和電池壽命。TETRA RELEASE 2標(biāo)準(zhǔn)還定義了兩種新的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，即高級分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(TAPS)和增強(qiáng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(TEDS),可以將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到384kbit/s.
目前，iDEN系統(tǒng)已完成64QAM的調(diào)制技術(shù)，并在向256QAM發(fā)展，使系統(tǒng)獲得更高的頻譜利用率和更高速的分組數(shù)據(jù)，也異味同樣頻率配置時系統(tǒng)容量可以大大提高，話音容量加倍，系統(tǒng)更加靈活。
可以看出，目前的數(shù)字集群通信系統(tǒng)在應(yīng)用上并不比公眾移動通信網(wǎng)落后，相反它具有許多公眾網(wǎng)無法提供的個性化服務(wù)，因而在專網(wǎng)通信中有著廣泛的應(yīng)用.
注：
MOS:Mean opinion score主觀評估等級
TAPS:Tetra advanced data service 增強(qiáng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
TEDS:Tetra enhanced data service 增強(qiáng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
VSELP:Vector sum excited linear prediction 矢量和激勵線性預(yù)測
ACELP:Algebra codebook excited linear prediction代數(shù)碼激勵線性預(yù)測
RET-LTP:Regular pulse excitedlong term prediction 規(guī)則脈沖激勵長時間預(yù)測
TETRA:Terrestrial trunked radio 地區(qū)集群無線電
