数字集群通信与GSM通信技术比较应用

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一、概述


　　数字集群移动通信系统是近几年来移动通信领域的发展热点之一，具有接续快、频谱利用率高、组网灵活的优点，主要应用于生产调度、指挥控制的专用移动通信系统，对于提高生产和工作效率、保证安全等有着极重要的作用。由于我国集群通信基本还处于模拟阶段，只有很少一些数字集群系统，为使人们更多地了解其功能和技术，本文将在技术与应用方面与GSM做一些比较性的先容。


二、数字技术及其比较


　　数字集群通信的技术基础是先进的数字移动通信技术，数字集群系统在话音编码、调制、多址、组网等多方面采用的是当前最先进的技术：数字集群系统有更高的频谱利用率，可以用相对不多的频谱组成一个很大的网络；由于信号已经数字化，因而可以采用高密级的数字加密技术；数字集群应用面广，可以通过一个移动终端完成电话、调度、数据、短信息等业务。像公众移动通信网一样，数字集群也采用了各种数字信号处理技术和信道编码技术，增强了抗干扰能力，具有较好的传输质量；同时可与PSTN、PDN以及ISDN所提供的业务兼容；由于系统也具有漫游、位置登记和越区切换等功能，因而可跨区域组织全国连网。与公众移动通信网相比，集群系统连续时间短，调度指挥不需要拨号，通话简练，并具备半双工，单工以及脱网直接对讲功能；具有群呼、组呼、会议呼和优先、强拆强插等功能；有动态重组功能，在紧急情况下可以临时将几个系统进行指挥调度。目前在我国应用的数字集群系统有两种：TETRA和iDEN系统，下面将对其中的编码、调制技术做一些简要先容
1.语音编码技术


　　GSM系统采用规则脉冲激励长时预测(REP-LTP)编码技术。它的纯编码速率为13kbit/s。话音质量MOS可达3.6。


　　在数字集群系统中，TETRA系统采用代数码激励线性预测(ACELP)编码，iDEN系统采用矢量何激励线性预测(VSELP)编码技术。


(1).ACELP话音编码技术


　　ACELP编码器是将话音分解成一系列源编码的编码器，它将代数码本作为激励源来表示人的话音的建立过程。其原理是把残差信号可能出现的、已经量化了的、按一定规则排列的各种样值作为码本事先存储在收、发的存储器中，在线性预测的过程中，先在本端检查出与这个信号最接近的样值组合的地址码发送到对方，对方收到这个地址码后从本端同样的码本中取出这个地址的残差信号，经滤波后得到重建的话音。由于不传输残差信号的本身，所以减少了传输的比特数，降低了编码数率。


　　把30ms段PCM编码话音加载到编码器中作为一个处理组，然后进行下面三个阶段的处理：短期预测STP(线性预测编码LPC),长期预测LTP(基于基音延迟何增益的的码本)，代数码本(激励单音分析)。其中短期预测的线性预测编码在整个30ms帧上完成，反映了滤波器的特性；长期预测和代数码本都在较小的7.5ms的子帧上工作。


　　可以看出，每个30ms帧在对这些参数编码的过程中产生的137比特，因此编码数率为4.567kbit/s。


　　通过对ACELP编码器进行主观评估等级(MOS)测试，在线性输入条件下，MOS得分为3.02，而IRS输入条件下，(经过中间参考系统预处理)得分为3.63.


(2)、VSELP话音编码技术


　　矢量何激励线性预测编码技术(VSELP)是将矢量量化的方法用于码本的编制，它可以在较低的码速情况下仍保持较高的话音质量。这种编码方法是CELP的一种，并已经成为CELP编码的主要发展方向。VSELP编码器使用两种码本，一种是矢量码本，一种是长时预测自适应码本。线性预测编码LPC分析也是每帧计算一次，它的码本就是过去一帧的编码序列，每处理完一个子帧，就将新的比特移入该序列，使整个码本的序列长度保持不变，但每个子帧都在变，故称自适应码本。通过来自长时滤波器的状态可以求得最佳长时预测的时延及增益，再依次从码本中寻找最佳激励矢量，然后经过一定的电路运算就可以得到合成的话音。


　　iDEN数字集群系统采用了两种可选的编码器，它们分别对应用于3时隙和6时隙这两种时分多址的工作方式。一种是信源编码速率为8kbit/s的编码器，以20ms的语音作为一个编码子帧，得到160比特的语音编码输出；另一种是信源编码速率为4.2kbit/s的编码器，将30ms的语音作为一个编码子帧，得到126比特的语音编码输出。前者利用每条25KHz信道中6个时隙中的2个时隙将这些语音编码发送出去，与后者相比其编码速率几乎提高了一倍，从而提高了话音连接通信的总体质量。


　　在话音质量方面，当调度系统使用6时隙时，话音质量MOS为3.6-3.8；当双工互连无线电话通信采用3时隙时，话音质量可超过4.2或更高。


　　从源编码方式来看，集群系统在保证通话质量的前提下，话音编码速率比GSM系统更低，无疑可以节省更多的带宽。


2.调制技术


　　调制技术是数字移动通信系统射频接口的重要组成部分。与有线通信相比，无线信道传输环境是一种较为恶劣的传输环境。它不像有线信道那样具有固定的和可预见的特性，而是有较强的随机性，还存在同频道干扰和邻频带干扰等，尤其是在通常情况下，无线电频率管理部门不能安排专用通信网使用连续频道(像GMS那样可以通过连续信道分配，合理安排信道来解决邻信道的干扰问题)，因此，调制技术的性能还需要有更高的要求。在当今的移动通信领域，常用的调制方式有高斯最小频移键控GMSK、π/4差分四相移动相键控π/4-DQPSK、多进制正交振幅调制M-QAM等。它们分别被GSM、TETRA和iDEN系统采用。下面先容集群系统中的两种调制方式。


(1)、π/4-DQPSK(π/4差分四相移相键控)


　　π/4－DQPSK是对QPSK信号特性改进后的一种调制方式，它主要是将QPSK中±π的跳变降为±π3/4，载波的相移限制为±π/4和±π3/4，信号星座的转换不经过原点，这样就不会产生±π的瞬间变化，因而降低了QPSK的包络波动并改善了频谱特性。同样其解调方式也得到了改进，不仅可以使用相干解调，也可以使用非相干解调(差分检测和限幅鉴频)。差分检测非常适合于需要快速同步的窄带TDMA信道和突发工作模式的TDMA系统。由于鉴频检测既可用于模拟FM也可用于数字π/4－DQPSK的解调，因而可以容易的实现双摸接收机，有利于模拟系统向数字系统的平滑过度。


　　π/4－DQPSK需要的带宽较窄而带外衰减减慢，非恒定包络，需要线性放大器。在TETRA系统标准制定之初，π/4－DQPSK还属于比较新的技术，它可以适应信道间隔为25kHz的频率划分，并在25kHz信道上能够传递36kbit/s的数据。将这种技术与滤波技术相结合，使发射频谱非常紧凑，邻信道干扰很小。


(2)、16QAM调制技术


　　在较长的一段时间中，移动通信中没有采用振幅变化的调制，这是由于信道中的衰落会干扰振幅的变化，而且对发射机末级高放的线性要求过高，在电路技术水平受限的情况下，技术实现的难度较大，所以移动通信一般都以恒幅调制为主。随着信道编码技术的提高，通过利用纠错技术，使移动通信中能采用的调制方案更加广泛了。为了获得更高频谱效率的调制方式，人们通过研究对相位和振幅的联合控制，认为QAM这种多进制的混合调幅调相的方式，也可以用于移动通信中。iDEN系统采用16QAM调制技术。它是专门为数字集群系统开发的一种调制技术。这种调制方式具有线性频谱，使25kHz信道具有传输64kbit/s的信息。该种调制方式还可以克服时间扩散所产生的不利影响。这一线性技术提供了调制效率、信道敏感度、可接受C/I比例种及邻信道干扰小等高度理想的组合。


　　16QAM的基本特征是将传送的信息比特首先分为4个并联的频分复用子信道，然后再经编码变换成为16QAM的信号，同时插入导引和同步信号符号。每个合成的信息流经过脉冲滤波，与分路载波一起调制，并在频分复用器中与其它的副载波信号混合，合成的总信号形成16QAM信号。16QAM的接受方则实行相反的操作，分别解调和检测每个信道的标志号，从总的信号中经过检测挑选和时域分割会的所需的话音或数据信号。16QAM这种线性调制技术具有非常理想的调制效率、灵敏度、可接受的C/I平衡及低邻信道干扰等综合特点。


　　从以上两种调制方式可以看出，数字集群系统在25kHz的频带内实现了36-64kbit/s的传输速率，其频谱利用率比GSM系统更高。另外，由于数字集群系统中正如前面先容的采用了更低的话音编码速率，因而在一个载波中可以容纳3-6个信道，节省了频率资源。



三、数字集群系统与GSM系统的主要区别


　　GSM是由共用电信企业投资建设，面向整个社会，以公众用户为服务对象的，这些用户一般以个体用户为主。这些个体用户间不必要存在一定的组织关系，并且呼叫级别往往时平等的。网络运营者建设并运行电信网络的目的是为广大用户提供满意的电信服务，亦即提高服务质量，扩大服务范围，以赚取更多的利润。


　　数字集群目前还是由专业单位自行投资建设，以专业用户为服务对象的，这些用户一般以集体用户为主，并且呼叫往往是不平等的。网络所有者建设并运行电信网络的目的完全是为内部工作的需求向用户提供必要的电信服务，强调保证本部门正常运转的特殊要求。


　　与GSM比较，数字集群网络更强调组呼、广播呼叫、紧急呼叫、强插强拆和不同的呼叫优先级别等调度指挥功能。更强调缩短呼叫的建立时间，一个GSM的电话用户，打一个电话从拨号到接通所需要的时间一般为几秒钟到十几秒种甚至更长；而对专业网用户来说这个时间就太长了，在紧急情况下，希翼一按就通。


　　调度指挥要求简明扼要，一般通话时间较短。移动诸多那段·终端之间在脱离网络的情况下，还要求能直接互通。无线用户在系统覆盖区外或盲区工作，例如在隧道中，在没有设置基站的寄去工作，例如在山区；在网络基础设施出现故障以及在系统过载以致难于快速接入等等情况下，移动台之间仍可保持联系，这种直接方式通信是非常有用的。



四、数字集群网络的应用


数字集群系统面向群体用户，用于调度指挥控制，而各部门需求具有其特殊性，因此对集群系统的功能要求既有很强的个性。通常将用户分为三类：完成任务型、提高经济效益型、保障生产安全型。


　　政府用户的需求一般为完成任务型，包括日常工作中对人员的指挥，自然灾害、重大事故等拯救和处理、治安、刑事事件、紧急事件中人员的调度，国际国内大型政治、经济、学问体育活动的保安工作。这类用户不仅需要基本的话音通信系统，其中一些用户还需要移动数据功能，进行数据库查询，计算机辅助调度及自动车辆定位等,对于发达地区及国际化大都市还要求综合通信指挥控制的社会联动系统，可以共享多个信息资源，将政府各个独立的应急部门有机地结合起来，提高城市数字化和信息化的管理水平。政府调度通信系统要求保障通信安全，系统可靠性高，能够集成其它信息系统，同时系统要基于开放标准的技术，由多供货商开发和供货。


　　企业用户的需求一般为提高经济效益型，实现日常工作中对人员的指挥，这类用户的需求为商业集群系统，通过使用集群系统可以提高企业的生产效率，减少调度人员的数量，节省移动通信的费用和生产成本。
　　保障安全生产型的用户一般为专网用户，如军队、铁道等部门的指挥调度，它们对系统有不同的要求，对于列车调度系统来说，通信系统要与信号系统互连。这类系统仅供这些部门自己使用，属于非经营性的移动通信网络，安全效益是系统的首要目标，运营商承担不了这类用户的风险。


　　数字集群系统提供的基本业务可分为三类：


(1)用户终端业务


　　允许直接移动对移动和用户任选的成组语言呼叫功能，允许选择并保密呼叫。提供电话、传真和某些扩展也，例如交互视传、用户电报等。


(2)承载业务


　　电路方式数据功能，分组方式面向连接数据功能和无连接数据功能。


(3)补充业务


　　如接入优先、抢占优先、优先呼叫、内部呼叫、控制转移、迟入网、由调度员授权的呼叫、环境监听、地区选择、短号码寻址、通话方识别、动态组数目指配等等。电话类补充业务，如表列搜寻呼叫、呼叫转移——无条件/忙/不回答/达不到、呼叫禁止——呼入/呼出、呼叫报告、呼叫等待、呼叫/被连接线路身边表示、呼叫/被连接线路识别限制、对遇忙用户/对不回答呼叫接通等等。



五、数字集群系统的发展


　　作为由专业移动通信发展演变出来的一个数字无线通信系统的标准，它不是蜂窝技术的竞争者或替代品，而是针对自己的目标市场与蜂窝技术并行发展的一种技术。象GSM向GPRS和3G发展一样，TETRA在1999年启动了RELEASE 2计划，满足新业务的需求。新的标准采用新的话音编码器提高话音质量，并与GSM/3G网络互连，优化空中接口以提高频谱效率，网络容量，系统性能和电池寿命。TETRA RELEASE 2标准还定义了两种新的高速数据业务，即高级分组数据业务(TAPS)和增强数据业务(TEDS),可以将现有的数据业务速率提高到384kbit/s.


　　目前，iDEN系统已完成64QAM的调制技术，并在向256QAM发展，使系统获得更高的频谱利用率和更高速的分组数据，也异味同样频率配置时系统容量可以提高，话音容量加倍，系统更加灵活。


　　可以看出，目前的数字集群通信系统在应用上并不比公众移动通信网落后，相反它具有许多公众网无法提供的个性化服务，因而在专网通信中有着广泛的应用.



注：


MOS:Mean opinion score主观评估等级


TAPS:Tetra advanced data service 增强分组数据业务


TEDS:Tetra enhanced data service 增强数据业务


VSELP:Vector sum excited linear prediction 矢量和激励线性预测


ACELP:Algebra codebook excited linear prediction代数码激励线性预测


RET-LTP:Regular pulse excitedlong term prediction 规则脉冲激励长时间预测


TETRA:Terrestrial trunked radio 地区集群无线电


iDEN:Integrated digital enhanced network综合数字增强型网络