浅析数字集群宽带化发展趋势

【摘 要】

阐述了国内外集群技术的发展历程，结合国外宽带集群的发展现状，介绍了我国数字集群由窄带演进到宽带的必然趋势，并提出其发展道路上的困境以及几种解决方案，最后概述了宽带数字集群技术给专网应急通信技术带来的机遇与挑战。

【关键词】

窄带集群系统 LTE 宽带无线多媒体集群系统 应急通信

中图分类号：TN929.52 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-18-

Development Trend of Broadband Digital Trunking Technology

XU Gui-sen， WANG Yu-qi， QIAN Zhi-hong， JIANG Qing-sheng

（The First Research Institute of Ministry of Public Security Communication Technology Business Unit， Beijing 100048， China）

[Abstract]

According to the abroad condition of broadband trunking， this paper introduces the development trend of broadband digital trunking technology evolved from narrowband in China， and proposes some solution for the dilemma during the development， and finally summarizes the opportunities and challenges brought by broadband digital trunking technology in mission critical communication.

[Key words]

narrowband trunking system LTE broadband wireless multimedia trunking system mission critical communication

收稿日期：2013-03-28

1 引言

应急通信技术经过近半个世纪的发展，已从专业化领域走向普通消费，从军用扩展到民用。其特殊的通信方式正逐步影响着人们的工作和生活，为国家的安定团结、社会的和谐发展和经济的稳步增长做出了突出的贡献[1]。

以公安为例，其专用移动通信系统已从以传统的语音调度业务为主的无线对讲系统逐渐发展到语音、数据、图像三大应用并进的综合多媒体通信体系。主要包括：

（1）公安350MHz MPT1327、PDT、TETRA模拟集群专用无线通信系统：主要以保障无线语音调度为主，目前已经建成全国规模最大、覆盖最广、应用最好的专用无线通信系统；

（2）公安无线图像、数据传输系统：主要以传输应急和监控场合图像为主，分别部署在336～344MHz以及700～800MHz频段上，以2MHz的带宽实现单向视频传输，配备单兵无线图像传输设备近千部，无线图像传输中继站2 000余套。

目前，专用移动通信系统也存在一些问题（仍以模拟集群和模拟常规系统为主），远滞后于公共移动通信网的发展水平；仅实现了区域联网，不能做到全国联网，不能满足多警种跨区、协同作战的需要；加密机制不完善，无法满足公共安全的特殊需要；数据传输能力差，不能满足查询、定位等警用需求。

几年前，业内人士还在为经历了集群技术由模拟转向数字这一重大突破而欢欣鼓舞，冷静后的人们发现，虽然集群技术进入了数字时代，能够实现频带利用率高、保密性好、话音质量清晰、无差错中继等优越性能，但数字集群的发展现状与其期望仍相距甚远，在传输速率、系统容量和网络鲁棒性等方面还远远落后于公网通信技术。目前突出的矛盾在于，行业用户日益增长的宽带需求与落后的窄带集群传输能力。随着LTE技术逐渐成熟，设备和服务也渐渐完善。应急通信的专家和学者似乎看到了应急通信技术的未来发展方向，将公网LTE技术专网化被认为是实现窄带集群技术宽带化的关键所在。

本文围绕数字集群宽带化的过程进行详细分析，主要包括国内外集群技术的发展历程，窄带数字集群宽带化的必然趋势，宽带集群部署的实际问题及解决方案，最后提出数字集群宽带化为我国应急通信领域带来的机遇与挑战。

2 国内外集群技术的发展历程

欧美国家集群技术一直走在世界的前列，其集群技术的发展主要经历了三个重要的阶段：模拟集群、窄带数字集群和宽带数字集群阶段，如图1所示[2]。欧美国家在窄带数字集群阶段出现了技术分支，欧洲国家主要以TETRA技术为主，经历了TETRA ReleaseⅠ和TETRA ReleaseⅡ，传输速率不断提升；美国主要以P25技术体制为主，经历了APCO25 PhaseⅠ、APCO25 PhaseⅡ和APCO34三个阶段。到窄带数字集群发展的后期，技术已十分完善，网络部署已基本完成。为了实现在公共安全领域欧美各国间的应急通信的互操作性，从根本上提升传统窄带集群技术的传输速率，满足公共安全领域对应急通信宽带的需求，欧洲电信标准化协会（ETSI）和电信工业协会（TIA）共同成立了MESA项目组，旨在形成各国间统一的数字移动宽带系统及设备标准。虽然该项目已经结束，但在世界范围内产生了深远的影响，推动了各国应急通信系统宽带化的进程。目前，美国正积极研究并部署服务于本国的以P25窄带集群系统与LTE宽带系统相结合的宽带数字集群系统。

国内集群技术发展规律与国外完全吻合，也经历了由模拟向窄带数字再向宽带数字集群发展的过程[3]，国内各阶段具有代表性的集群标准及其性能如表1所示。值得注意的是，我国在应急通信领域经过多年的研究和探索已由初期单纯效仿国外先进技术，逐步转变成为具有独立制定数字集群标准以及研发数字集群设备能力的国家。

目前我国现有数字集群标准有四个：欧洲的TETRA、美国的iDEN、我国GoTa和GT800[4]。国产的两个标准都是基于公网技术基础上改进而来的，在入网时间及脱网直通等方面无法满足专业用户的需求。PDT（警用数字集群）标准是根据中国国情，融合了中国厂商自主创新理念和公安实际应用需求的全新数字集群标准，PDT技术和设备的推广标志着我国已经迈入了能够独立研制、具有自主知识产权、适合我国实际应急通信需求的集群技术时代。

在此基础上，业内专家又将目光投向了宽带数字集群领域，BWT（宽带多媒体集群系统）拟作为窄带数字集群技术演进的下一个目标，现处在标准勘误阶段，各核心单位积极提交勘误文档，为下一步联调测试、搭建示范网提供必要的条件。

3 我国数字集群由窄带演进到宽带的必然趋势

虽然我国集群技术才刚刚进入窄带数字集群阶段，但其发展的脚步并没有放缓，在专网行业用户需求、国际趋势推动、统一的宽带LTE技术、巨大的市场潜力等因素的推动下，窄带集群技术正以更加迅猛的势头向宽带化方向迈进。

3.1 专网行业用户需求

集群通信系统作为典型的无线专网系统在我国广泛使用并不断发展演进。与此同时，集群专网行业用户的数量在不断激增，所服务的行业也由传统的公共安全扩展到目前的交通运输、石油化工、能源、金融以及物流等众多关系到民生的领域。随着集群用户种类多元化的发展，行业用户对自身所使用的窄带专网功能也提出了新的应用需求。例如：现场图像传输、可视化指挥，移动办公以及安全加密等业务的需求。以消防行业的火场应急无线指挥通信为例，消防部队在现场救援中分为战斗班组、后勤班组和通信班组等。在指挥通信中，需要高效有序地指挥调度。而当前，消防官兵现场指挥救援大多采用单频点对讲机直通方式，不能很好同时兼顾到各个班组。缺乏现场图像传输设备，不能为现场指挥员提供及时的决策信息，不能从信息中心获取火场资料。当前窄带集群系统无法满足上述行业用户的需求。因此，亟待研发具备高速数据传输，实现多媒体业务的宽带无线集群专用技术。

专网行业用户需求为窄带集群宽带化指明了发展方向。

3.2 国际趋势推动

与国内应急通信所提供的服务相对应，国际上将政府部门向公众提供保护及救灾的服务，称作PPDR（公共保护和救灾）。ITU（国际电联）是主管信息通信技术的联合国专门机构，它负责全球范围的无线电频谱和卫星轨道的分配以及信息通信技术的标准化与研发工作。其下设各个研究组分别研究和电信相关的不同领域，其中WP5A（5A研究组）主要研究30MHz以上的陆地移动业务、固定业务中的无线接入、业余和卫星业余业务。在频谱划分方面，为了使先进的公共保护和救灾解决方案得到区域内统一的频段划分，满足IMT技术要求，鼓励主管部门在制定国内规划时，考虑下定的频谱分配或其中的一部分，将世界分为中东和欧洲、美洲、亚太三大区，频谱分配如下[5]：

第一区：380～470MHz，其中380～385/390～395MHz作为PPDR的核心频段；

第二区：746～806MHz，806～869MHz，4 940～

4 990MHz；

第三区：406.1～430MHz，440～470MHz，806～824/851～869MHz，4 940～4 990MHz，5 850～

5 925MHz，以及部分国家使用的380～400MHz、746～806MHz。

频谱的划分为窄带集群宽带化提供了必要的条件。

WP5D（5D研究组）主要研究IMT（国际移动通信）技术。在IMT宽带技术标准制定方面，ITU已发出征集IMT-Advanced技术标准的通函，共征集到由3GPP、IEEE、中国、日本和韩国提交的6个候选RIT技术提案，如表2所示。在ITU-R WP5D工作组的指导下，由世界各地的14个独立评价工作组进行严格评估和系统融合工作，共同制定IMT-Advanced全球核心标准。以上两个研究组正在从统一频谱分配和提高设备互操作性两方面共同推动全球PPDR事业朝着良性健康方向发展。

3.3 统一的宽带LTE技术

LTE（Long Term Evolution）始于2004年3GPP多伦多会议。采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准，同时支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD），在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。其主要特点有：

（1）频谱利用率得到提高：下行链路为5bit/s/Hz，是R6版本HSDPA的3～4倍；上行链路为2.5bit/s/Hz，是R6版本HSDPA的2～3倍。

（2）以分组域业务为主要目标：系统在整体架构上基于分组交换。

（3）QoS保证：通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP）的服务质量。

（4）系统部署灵活：能够支持1.25～20MHz间的多种系统带宽，并支持“对称”和“非对称”的频谱分配，保证了将来在系统部署上的灵活性。

（5）降低无线网络时延：子帧长度为0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，用户面时延小于5ms，信令面时延小于100ms。

（6）向下兼容：支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。

LTE技术所具备的上述特点，为窄带集群宽带化演进奠定了坚实的技术基础。

3.4 市场潜力巨大

截至2011年底，全球已有35个LTE商用网络，其中包含33个FDD-LTE和2个TDD-LTE网络。目前，全球至少共有285个营运商正在93个国家和地区中投资LTE。与此同时，还有63个运营商已经部署了LTE试验网络。

2012年，韩国建成世界上第一个完整的全国性LTE服务网络。目前，韩国第一大运营商SK电信的LTE用户数已突破了400万，第二大运营商KT电信的LTE用户已达140万，而LGUplus的LTE用户也即将突破300万。

美国运营商Verizon于2010年12月在美国的10个城市开通了LTE商用网络。到2011年底已经把LTE的覆盖扩展到了美国的178个城市，覆盖人口为1.8亿，其目标是在2012年的年中覆盖美国2/3的地域，2013年的年底完成全美覆盖。另外，美国另一家运营商AT&T也于2011年9月18日在美国的5个城市开始提供LTE业务。

LTE终端也日渐丰富。除了最初的USB上网卡之外，最为突出的是LTE智能手机进入了实质性的商用阶段。在市场上公开发售的LTE智能手机已经超过20款，并且这些智能手机在耗电和价格方面也具备了初步的竞争力。根据最新统计，截至2011年底，全球已有197款LTE终端。LTE杀手级应用和随之带来的经济效益已初步显现。

4 我国宽带集群部署的几种解决方案

我国宽带集群想要打开国内市场，获得可观的经济效益，必须处理好宽带应急通信网络与公众商业网的部署关系，避免因重复建设而浪费社会资源。

国际上，PPDR组织有4种采用IMT技术的方法来满足未来宽带无线电通信之需。

（1）部署一个基于IMT技术的专用PPDR网络，由PPDR机构拥有并运营；

（2）基于IMT技术，将PPDR机构拥有和运营的专用PPDR网络与商业网络相结合，经过协商签订合同，使PPDR机构成为一个具有优先权的用户，便于其获得漫游能力；

（3）基于IMT技术，将PPDR机构拥有和运营的专用PPDR网络与商业网络相结合，但经过协商签订合同，专用PPDR网络由商业实体拥有和运营；

（4）共享商业IMT网络运营商的IMT基础设施，经过协商签订合同，将其作为一个专用子网络（如VPN），或者PPDR机构自身成为一个具有优先权的用户。

从国外建设宽带无线应急通信专网的解决方案来看，其主要思想是借助现有公网基础设施进行部署，由于宽带集群网络建设刚刚起步，覆盖范围和系统容量仅能满足针对热点地区的宽带需求，而目前的公网网络覆盖已基本满足。因此，我国在建设宽带无线专网的初期应尽量考虑现有的基础设施。

此外，与国外宽带无线专网发展方向不同之处还在于，国外尤其是欧美，数字集群已十分普及，数字集群系统已自成体系，目前的宽带发展方向只能采用窄带数字集群技术与宽带LTE技术相叠加的方式，在空口接入侧就已经区分出了终端的制式。我国的情况恰恰相反，由于集群技术刚进入数字时代不久，无论从网络还是终端的角度来说都还未形成规模，因此可以将完善和发展窄带数字集群所投入的精力和资金转移到发展宽带集群技术上来，利用具有自主知识产权的窄带集群技术作为基础，实现窄带与宽带技术的融合系统，即核心网采用一套协议即可支持窄带和宽带集群终端的接入。

5 集群宽带化带来的机遇与挑战

我国数字集群技术的宽带化发展必将带动应急通信事业的飞速发展，从而满足更多行业用户的宽带需求，甚至有望在宽带数字集群领域走在世界的前列。但同时也应该看到，宽带数字集群在我国的研发才刚刚起步，宽窄带系统的融合所存在的关键技术尚待突破，系统一旦研发成功并投入使用后，后续的资金以及运营管理单位尚未明朗，因此还有许多实际问题有待落实。数字集群宽带化任重而道远，可能还需要付出几代人的努力。

参考文献：

[1] 徐贵森，刘鑫，谭学治. 浅谈无线电对讲机模拟转数字[J]. 移动通信， 2009（6）： 22-25.

[2] 郑祖辉. 数字集群通信在中国的回顾现状和发展[J]. 移动通信， 2008（2）： 15-19.

[3] 李侠宇. 国内数字集群的发展和技术比较[J]. 移动通信， 2007（3）： 17-20.

[4] 唐军. 浅谈数字集群系统[J]. 邮电设计技术， 2002（1）： 16-20.

[5] 王瑜琦，徐贵森，钱志红，等. 中国宽带公共保护和救灾移动通信网络初探[J]. 移动通信， 2013（11）： 56-60.

作者简介

徐贵森：工程师，博士毕业于哈尔滨工业大学，现任职于公安部第一研究所通信技术事业部，主要从事集群技术的研究工作。

王瑜琦：助理工程师，硕士毕业于北京交通大学，现任职于公安部第一研究所通信技术事业部，主要从事移动专网研究工作。

钱志红：研究员，现任职于公安部第一研究所通信技术事业部，长期从事专业移动通信、警用数字集群、宽带多媒体集群系统的研究工作，获得多项部级奖项。