寬帶數(shù)字集群技術(shù)與應(yīng)用

寬帶數(shù)字集群技術(shù)與應(yīng)用.需求集群通信是一種多用途、高效能的無(wú)線指揮調(diào)度通信系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于政府機(jī)關(guān)、公安、機(jī)場(chǎng)、碼頭、廠礦企業(yè)、部隊(duì)、軌道交通等領(lǐng)域。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速開(kāi)展，公共平安、反恐應(yīng)急、政務(wù)及城管、公共交通、部隊(duì)指揮調(diào)度等領(lǐng)域?qū)和ㄐ诺囊笤絹?lái)越高，需求越來(lái)越廣。這些需求主要有如下內(nèi)容：〔1〕支持現(xiàn)場(chǎng)圖像和視頻采集；〔2〕多媒體數(shù)據(jù)傳輸；〔3〕視頻指揮；〔4〕遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。傳統(tǒng)的窄帶集成技術(shù)已不能滿足移動(dòng)視頻監(jiān)控、多媒體集群指揮調(diào)度、協(xié)同作業(yè)、城市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)寬帶集群業(yè)務(wù)以及多媒體集群業(yè)務(wù)需求。如何跟隨3G/4G移動(dòng)通信，開(kāi)展寬帶、多媒體集群技術(shù)，已成為業(yè)界的關(guān)注點(diǎn)。.開(kāi)展趨勢(shì)集群通信系統(tǒng)技術(shù)上的開(kāi)展趨勢(shì)當(dāng)前，寬帶化已經(jīng)成為無(wú)線通信的開(kāi)展趨勢(shì)，寬帶業(yè)務(wù)需求越來(lái)越顯著。隨著3G移動(dòng)通信技術(shù)的開(kāi)展，LTE的技術(shù)演進(jìn)及網(wǎng)絡(luò)的正式運(yùn)營(yíng)，移動(dòng)通信進(jìn)入了多媒體移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)代。集群通信系統(tǒng)的開(kāi)展相對(duì)緩慢，但其演進(jìn)方向也根本與公用移動(dòng)通信相似，具體表現(xiàn)為〔如圖1所示〕：〔1〕系統(tǒng)IP化：在IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)集群通信系統(tǒng)的控制、管理和傳輸；〔2〕業(yè)務(wù)多樣化：包括話音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、圖像業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)和基于地理信息效勞〔GIS〕等其它多媒體業(yè)務(wù)；〔3〕數(shù)據(jù)寬帶化：從早期的帶寬25kHz、速率2.4kbps，到近期的帶寬5MHz、速率25Mbps，并繼續(xù)向更寬帶寬、更高速率開(kāi)展；〔4〕終端多?；阂徊拷K端可以兼容多種模式，適應(yīng)用戶可在不同體制模式和不同環(huán)境下的使用需求。圖1集群通信系統(tǒng)的開(kāi)展趨勢(shì)集群通信系統(tǒng)要向更高的多媒體移動(dòng)通信系統(tǒng)開(kāi)展，在技術(shù)上也需要有更高的要求：更大的信道容量，更高的頻譜利用率，更好的傳輸性能，可伸縮、可配置的全I(xiàn)P無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及豐富的寬帶多媒體調(diào)度業(yè)務(wù)，且系統(tǒng)技術(shù)體制能實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)。3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化課題研究動(dòng)態(tài)目前3GPP和其它組織正在對(duì)任務(wù)型關(guān)鍵用戶期望的LTE的關(guān)鍵通信應(yīng)用和未來(lái)業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)設(shè)了一些研究課題，主要包括：〔1〕LTE群組通信體制實(shí)現(xiàn)〔3GPPGCSE_LTE〕。研究目標(biāo)是解決3GPP標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，以期支持基于LTE的各種媒體〔話音、視頻、消息等〕群組通信，允許應(yīng)用層和3GPP體制共同支持群組通信，具有相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)處理、性能特性和資源使用效率；高效率多點(diǎn)傳送業(yè)務(wù)的特殊要求，以補(bǔ)充當(dāng)前LTE播送能力〔特別是視頻流〕。3GPP方案于2023年底出版的3GPPLTE標(biāo)準(zhǔn)Release12中包括這些演進(jìn)?！?〕基于鄰近的業(yè)務(wù)〔3GPPProSe〕。研究目標(biāo)是解決關(guān)鍵通信和商用通信的LTE直通模式或者鄰近業(yè)務(wù)〔設(shè)備對(duì)設(shè)備〕的需求。這些業(yè)務(wù)包括發(fā)現(xiàn)機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋外的直接通信能力和中繼能力，而后者只限制給關(guān)鍵通信使用。3GPP方案在2023年底出版的3GPPLTE標(biāo)準(zhǔn)Release12中包括這些演進(jìn)?！?〕公共平安網(wǎng)絡(luò)的生存性。網(wǎng)絡(luò)的生存性的一個(gè)主要表達(dá)是業(yè)務(wù)的降級(jí)能力。比方，網(wǎng)絡(luò)中如果基站和核心網(wǎng)絡(luò)之間的連接喪失，基站還可以提供按講〔PTT〕話音效勞和話音播送效勞，使得在本地還可以使用無(wú)線電臺(tái)。又如，可部署一個(gè)配備LTE基站〔eNB〕或一組eNB的移動(dòng)指揮所，方便地為超出ProSe直通模式范圍外的設(shè)備提供通信。移動(dòng)指揮所的eNB可以是一臺(tái)不需連接到核心網(wǎng)的一臺(tái)eNB，或者是沒(méi)有回傳鏈路但可互相連接的一組eNB基站。3GPPSA將提出新的可行性課題，作為引入一個(gè)題為“公共平安無(wú)EPCE-UTRAN運(yùn)行〞的新研究工程的第一步，尋求解決LTE網(wǎng)絡(luò)的生存性，以及對(duì)公共平安和關(guān)鍵通信系統(tǒng)的適用性所擔(dān)憂的其他問(wèn)題。3GPP方案在2023年底出版的3GPPLTE標(biāo)準(zhǔn)Release13版中包含這一演進(jìn)。〔4〕基于LTE的按講〔PTT〕話音應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及其向多媒體〔話音，數(shù)據(jù)，視頻等〕的群組通信的演進(jìn)。3GPP認(rèn)為創(chuàng)立一個(gè)與LTE相連的通用的“LMR/PMR〞接口，是便于所有的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)互相銜接和遷移的理想方式。為了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)高效傳輸和對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的接口，需要對(duì)LTE增強(qiáng)，這項(xiàng)工作預(yù)期在3GPP中通過(guò)GGCSE-LTE和ProSe研究工程中標(biāo)準(zhǔn)化，在ETSI中通過(guò)關(guān)鍵移動(dòng)通信效勞標(biāo)準(zhǔn)化。.基于LTE的集群無(wú)線寬帶通信技術(shù)寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)具有的特征與傳統(tǒng)的窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)相比，寬帶數(shù)字集群應(yīng)該有相似的功能需求和性能需求。在功能需求方面，在話音、數(shù)據(jù)、視頻三個(gè)根本效勞的根底上拓展寬帶業(yè)務(wù)類(lèi)型，具有群呼、直呼等快速指揮調(diào)度能力；具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和脫網(wǎng)通信能力以及移動(dòng)用戶直通等；在性能需求方面，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，具有強(qiáng)故障弱化和抗毀能力；支持大熱點(diǎn)地區(qū)、熱點(diǎn)時(shí)段的大話務(wù)量能力；呼叫建立時(shí)間短，單系統(tǒng)呼叫建立時(shí)間小于300ms；網(wǎng)絡(luò)平安性高，支持端到端加密；覆蓋范圍廣，建網(wǎng)費(fèi)用低。其中，建立時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)可靠性和平安性是最重要的三個(gè)技術(shù)指標(biāo)。然而，由于寬帶數(shù)字集群基于全I(xiàn)P構(gòu)架，以寬帶傳輸為特征，因此在數(shù)據(jù)應(yīng)用和視頻業(yè)務(wù)上具有顯著的特征：〔1〕話音類(lèi)業(yè)務(wù)包括：組呼/可視組呼、單呼/可視單呼、緊急呼叫等；〔2〕數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)包括：移動(dòng)信息效勞、高速數(shù)據(jù)查詢、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、移動(dòng)辦公等?！?〕視頻類(lèi)業(yè)務(wù)包括：現(xiàn)場(chǎng)圖像上傳、視頻通話、視頻會(huì)議、移動(dòng)視頻監(jiān)控等?！?〕GIS效勞：基于地理信息的定位效勞、話音和視頻等的調(diào)度業(yè)務(wù)?！?〕基于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)效勞：群組通信、即時(shí)消息和呈現(xiàn)等?；赥D-LTE技術(shù)的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)方案TETRA協(xié)會(huì)在考慮TETRA技術(shù)的下一代演進(jìn)路線，根本確定采用LTE。根據(jù)窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)的特征，寬帶數(shù)字集群應(yīng)該具有以下根本技術(shù)指標(biāo)：〔1〕呼叫建立時(shí)間：小于300ms?！?〕話權(quán)搶占時(shí)間：小于200ms?！?〕單基站覆蓋半徑：市區(qū)1~3km，郊區(qū)3~10km，農(nóng)村30km?！?〕頻譜利用率：上行2.5bps/Hz；下行5bps/Hz?！?〕帶寬：支持可變帶寬，包括：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz?！?〕峰值傳輸速率：在20MHz帶寬下，下行峰值傳輸速率為100Mbps，上行峰值傳輸速率為50Mbps。目前，在TD-LTE技術(shù)移動(dòng)通信技術(shù)的根底上，提出了多種寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)技術(shù)方案，其中有代表性的是專(zhuān)網(wǎng)寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)和POC寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)兩種。專(zhuān)網(wǎng)寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)技術(shù)方案專(zhuān)網(wǎng)數(shù)字集群方案，如圖2所示，繼承了傳統(tǒng)窄帶數(shù)字集群共享無(wú)線資源的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)和接入網(wǎng)側(cè)增加與調(diào)度相關(guān)的功能實(shí)體，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的MME和HSS相關(guān)功能實(shí)體進(jìn)行適應(yīng)性增強(qiáng)，在信令格式和流程上也進(jìn)行了必要的改造。圖2基于TD-LTE技術(shù)的專(zhuān)網(wǎng)寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖寬帶無(wú)線接入網(wǎng)側(cè)的基站eNB增加無(wú)線集群調(diào)度功能〔RTDF〕實(shí)體以支持集群業(yè)務(wù)，即負(fù)責(zé)集群業(yè)務(wù)的相關(guān)處理，包括從增強(qiáng)型的MME接收集群控制信令，為終端分配無(wú)線資源〔如為接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的終端所在小區(qū)分配下行共享無(wú)線資源〕，以及將從效勞網(wǎng)關(guān)〔S-GW〕接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳送到接收業(yè)務(wù)的終端等，并支持故障弱化功能，用于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)不能正常工作時(shí)，為用戶提供根本的集群業(yè)務(wù)〔如組呼、單呼、緊急呼叫等〕。寬帶無(wú)線接入子系統(tǒng)支持大規(guī)模同頻組網(wǎng)，以提高頻譜利用率。3.3.2POCPOC寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)，如圖3所示，在TD-LTE的體系構(gòu)架的根底上，采用效勞器—客戶端的方式實(shí)現(xiàn)，即在網(wǎng)絡(luò)側(cè)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加集群調(diào)度效勞器功能，在終端側(cè)增加集群調(diào)度客服端功能，相當(dāng)于在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)疊加了一個(gè)集群效勞子系統(tǒng)PoC，如圖5所示。PoC客戶端駐留在用戶設(shè)備上，用來(lái)接入PoC業(yè)務(wù)。PoC效勞器是PoC業(yè)務(wù)的應(yīng)用層網(wǎng)元實(shí)體，在網(wǎng)絡(luò)中提供PoC業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。SIP/IP核包括假設(shè)干SIP代理和SIP登記器，主要在PoC客戶端和效勞器之間路由SIP信令，并執(zhí)行相關(guān)功能。圖3基于TD-LTE技術(shù)的專(zhuān)網(wǎng)寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖兩種技術(shù)方案初步比擬專(zhuān)網(wǎng)寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)技術(shù)方案，繼承了集群通信系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，其關(guān)鍵在于終端側(cè)需要有專(zhuān)用的寬帶數(shù)字集群芯片，以便于研制、生產(chǎn)集群用戶手持終端，這需要產(chǎn)業(yè)鏈的支持，目前國(guó)內(nèi)廠家在專(zhuān)用芯片的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)上應(yīng)該不成問(wèn)題。POC寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)技術(shù)方案，在保持TD-LTE體系構(gòu)架的根底上，通過(guò)增加集群調(diào)度效勞功能，實(shí)現(xiàn)集群調(diào)度通信，雖然說(shuō)這種方案可保持系統(tǒng)與移動(dòng)通信技術(shù)融合和演進(jìn)的能力，但信道利用率不高，在傳輸寬帶業(yè)務(wù)情況下，系統(tǒng)的用戶容量難以滿足要求。根據(jù)以往基于2G移動(dòng)通信技術(shù)構(gòu)建集群應(yīng)用系統(tǒng)的情況〔實(shí)質(zhì)上也是POC方案〕，應(yīng)該說(shuō)第一種方案應(yīng)該更有應(yīng)用前景，也更需要業(yè)界關(guān)注?；贚TE寬帶集群系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)目前，無(wú)論是國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)的工程指南，還是國(guó)內(nèi)重要廠家的方案注意力，業(yè)界傾向于基于TD-LTE開(kāi)展寬帶數(shù)字集群。另一方面LTE也在不斷演進(jìn)。TD-LTE技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可得到國(guó)家大力支持，國(guó)內(nèi)廠家的技術(shù)支持。采用OFDM和MIMO技術(shù)，構(gòu)建寬帶數(shù)字集群具有以下優(yōu)勢(shì)：〔1〕在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps與上行50Mbps的峰值傳輸速率?！?〕在全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，有效縮短控制面和用戶面延遲。上下行鏈路使用同一頻段，無(wú)須對(duì)稱(chēng)頻譜，在頻譜資源緊缺的情況下具有天然優(yōu)勢(shì)?！?〕通過(guò)智能天線/MIMO技術(shù)可有效地提高無(wú)線頻譜效率，使用智能天線時(shí)，上下行鏈路使用相同權(quán)值，無(wú)需分別計(jì)算，能有效降低處理復(fù)雜性?！?〕上下行時(shí)隙靈活配比，支持非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)，能充分利用信道資源?！?〕基站的接收和發(fā)送可以共用局部射頻單元，在一定程度上降低了基站的制造本錢(qián)?！?〕同頻組網(wǎng)技術(shù)，可提頻率利用率，在高寬帶傳輸?shù)那闆r下，更具有應(yīng)用價(jià)值〔7〕終端中繼，可延伸通信距離?！?〕終端脫網(wǎng)直通。用戶在緊急情況下，終端即開(kāi)即用。.數(shù)據(jù)應(yīng)用和視頻業(yè)務(wù)傳統(tǒng)的窄帶數(shù)字集群的業(yè)務(wù)應(yīng)用以實(shí)時(shí)強(qiáng)的組呼為顯著特點(diǎn)。在寬帶數(shù)字集群的業(yè)務(wù)應(yīng)用中，實(shí)時(shí)性、高效性需要保持，在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，那么應(yīng)向數(shù)據(jù)應(yīng)用和視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用擴(kuò)展。民用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用上越來(lái)越豐富，如QQ、威信等，都具有群組效勞的特征，這些非實(shí)時(shí)性的業(yè)務(wù)，可用作群組間的一般性通信溝通，而在群組執(zhí)行任務(wù)時(shí)可用專(zhuān)網(wǎng)集群特征的組呼效勞實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度通信。視頻應(yīng)用方面，視頻的組呼在很多場(chǎng)合有應(yīng)用前景，比方可以將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻傳到指揮中心〔調(diào)度臺(tái)〕，而用戶終端那么選取關(guān)注的某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻，且用戶可切換到新的現(xiàn)場(chǎng)，在視頻中包括了話音流，其中的話音組呼那么應(yīng)保持傳統(tǒng)話音組呼的特點(diǎn)。視頻會(huì)議在應(yīng)用中也有很多場(chǎng)合，這應(yīng)該是寬帶集群所包括的業(yè)務(wù)應(yīng)用。此外，將地理信息和音視頻調(diào)度結(jié)合起來(lái)，也是寬帶集群所應(yīng)支持的業(yè)務(wù)效勞。因此，寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用與傳統(tǒng)的窄帶數(shù)字集群相比，具有以下特點(diǎn)：〔1〕數(shù)據(jù)應(yīng)用〔基于IP的效勞〕：移動(dòng)辦公；數(shù)據(jù)文件〔含視頻文件〕上傳與下載；瀏覽網(wǎng)絡(luò)；群組效勞：話音、視頻、即時(shí)消息、呈現(xiàn)?！?〕視頻效勞：視頻單呼；視頻組呼調(diào)度；視頻會(huì)議；視頻監(jiān)控與回傳。〔3〕GIS效勞：通過(guò)將移動(dòng)用戶的位置信息〔終端可集成北斗模塊〕上拉到調(diào)度臺(tái)，顯示用戶的位置，且與單呼、組呼的通信業(yè)務(wù)操作結(jié)合，形成與傳統(tǒng)調(diào)度臺(tái)〔指揮中心〕有更好界面的操作、顯示。.小結(jié)與建議根據(jù)本文綜述內(nèi)容