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数字集群移动通信系统

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数字集群移动通信系统

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集群通信系统的发展概况

1．国外发展概况

（1）模拟集群通信系统

1985年，无线电对讲机发展成为模拟集群通信系统。典型的模拟集群通信系统有FAST模拟集群通信系统、SMARTNET模拟集群通信系统、MULTI-NET模拟集群通信系统和ACTIONWT模拟集群通信系统。

（2）数字集群通信系统

1998年ITU提出《用于调度业务的高效频谱的数字陆上移动通信系统》（ITU-R37/8）文件，说明集群通信系统的总体目标是：

① 更高的频谱利用效率；

② 高话音业务质量和加密；

③ 支持话音和非话音业务，能与PSTN和ISDN互通；

④ 具有语音和数据的手持台和车载电台接口；

⑤ 要求移动台重量轻、体积小、便宜、省电。

同时推荐“陆上集群无线电系统”（TETRA，Terrestrial Trunked Radio System）和“数字综合移动无线电系统”（DIMRS，Digital Integrated Mobile Radio System后来发展成为iDEN）等7种技术体制。

其中，TETRA和iDEN逐渐发展成为国际集群通信主流标准。

2．国内发展概况

（1）模拟集群通信系统

20世纪90年代初期我国开始发展集群通信系统，在随后约20年间，从经典的模拟集群系统发展到数字信令的模拟集群系统，得到了一定程度的推广应用。

（2）数字集群通信系统

2000年，信息产业部发布《数字集群移动通信系统体制》电子行业推荐标准。其中，参照国际标准TETRA（体制A）用于专用调度和共用集群通信网；参照美国国家标准iDEN（体制B）主要用于共用集群通信网。

2004年，信息产业部发布基于GSM的GT-800和基于CDMA的GoTa数字集群通信系统的通信标准技术参考性文件。

集群通信系统的基本原理

（1）由中央控制器集中控制和管理系统中的每一个信道，以动态方式迅速地把空闲信道分配给发起呼叫的用户；通话完成之后，将信道收回再分配给等待的用户使用，提高了信道的使用效率。

（2）集群通信系统的用户群呈树状结构，由数个用户构成一个小组，数个小组构成一个群。一个集群通信系统可以同时为几个群服务。集群通信系统通常采用大区制，适合调度中心对各个移动台的指令传输。

（3）集群通信系统由调度台、交换控制中心、基站和移动台组成。因此，集群通信系统可以根据应用需要构建“单交换控制中心—单基站系统”或者“单交换控制中心—多基站系统”。

（4）集群通信系统的控制系统分为集中控制和分散控制。集中控制是指控制信号集中在一个专用信道中传输；分散控制是指每一个信道既可以传输语音信号也可以传输控制信号，即可以在空闲信道指挥传输控制信号。

（5）集群通信系统动态共享若干个信道，需要讲话时就按下通话开关占用发送电路（PTT，Push To Talk）；讲话结束时就放开通话开关释放电路，这就提高了电路资源的利用效率。

（6）由于每次通信随机按通话开关，所以每次通话使用的频率可能不同，这就引入了通话的私密性。

综上所述，集群移动通信系统具有共用频率、共用设施、共享覆盖区域、共享通信业务、共同分担费用、动态分配信道、高频率资源利用效率和私密性等特点。

集群通信系统考虑的基本问题

集群通信系统是专门为指挥设计的通信系统。

1．电信网络资源利用效率问题

单一的指挥通信系统的主要问题是网络资源的利用效率问题。通常采用第一类电信网络形态，即采用确定复用和有连接操作寻址技术。第一类电信网络形态（例如PSTN）的最大可能的网络资源利用效率为：

网络资源利用效率=电路利用度×复用效率×网络忙时利用率

=85.0%×93.8%×30.0%

=23.9%

图3-1 电路利用度与电路容量的关系

可见，第一类电信网络形态的最大可能的网络资源利用效率只有24%。如果一个单独指挥通信系统只有2条电路，电路利用率只有20%；如果一个集群指挥通信系统共有20条电路，电路利用率可以达到65%。可见，集群应用可以明显提高电路利用率。

此外，指挥通信系统不宜采用传统的确定复用技术，使得电路忙时利用率低于30%；也不宜采用传统的统计复用技术，因而引入传输延时的不确定性。

所以集群通信系统采用按键讲话（PTT）通话方式，这是一种需要通信时才占用单一方向信道的半双工通信方式。即指挥员需要通话时才按键建立连接通话，不用时松开按键就释放连接。这样做即改善了网络资源利用效率，电路忙时利用率可以达到60%。

如果集群通信系统不采用复用技术，即复用效率为100%。

综合起来，具有20条电路的集群通信系统的网络资源利用效率最高可能达到39%。

2．建设与维护成本问题

分别建设多个容量比较小的专用指挥通信系统比合伙建设一个比较大的共用指挥通信系统，显然可以降低建设和维护成本。同时，如上所述，又可以提高网络资源利用效率。

3．服务质量问题

分别建设专用指挥通信系统肯定可以保障服务质量。但是，多家共用一个集群通信系统就可能发生使用次序矛盾；同一个部门之内也可能发生使用次序矛盾。集群通信系统之内，采用虚拟专用网可以避免发生部门之间的矛盾；采用严格的分级制度，保障使用优先次序。集群通信系统采用按键讲话（PTT）通话体制，借助简明的信令系统的实时控制，保障指挥通信建立时间不超过30ms。

4．安全问题

集群指挥通信系统的安全问题包括信息安全、计算机系统安全和电信网络安全问题。

（1）信息安全防卫：传统采用信息加密方法解决。嵌入传输加密和解密设备不影响通信系统事件。但是，现场抢救应用属于临时公开信息传递，未必需要解密。

（2）计算机系统安全或计算机局域网安全防卫：需要采取安全措施，以防破坏指挥系统。例如：采用防火墙、入侵检测和对抗拒绝服务攻击等传统措施。

（3）电信网络的网络安全防卫：目的是防止敌人非法利用和恶意破坏电信网络。例如：采用基于CPK的标识认证技术，以保障无关人员不能使用集群通信系统、无关的设备不能接入集群通信网络。

集群通信的特点

集群通信具有以下特点。

（1）共用频率。多个部门可以共同使用分配给集群通信系统的全部频率资源。

（2）共用设施。可以集中管理和共同使用集群通信系统的全部设施。

（3）共享覆盖区域。可以把多个相邻的集群通信系统的覆盖区域连接成为一个大的共享覆盖区域。

（4）共享通信业务。可以有组织地发布共同关心的信息。

（5）改善服务。通过共同组织网络以扩大通信容量，根据爱尔兰公式可知，就可以明显提高电信网络资源利用率。而网络资源利用率可以与服务质量互换，即也可以改善服务质量。

（6）共同分担费用。共同建设电信网络比分别建设显然可以降低建设和维护费用。

（7）接续时间短。能够快速接通和释放连接。

（8）具有先进的数字信令系统。

（9）采用分散式容错处理，有故障弱化功能。

（10）采用灵活的多级分组。

（11）传输集群方式。采用传输集群方式只有用户按下按键讲话开关时才分配信道，松开按键就释放信道，所以提高了信道利用率。

（12）高级别优先分配信道。

（13）具有详细的管理报告。

（14）自动监视和报警功能。

（15）可以动态重组。

（16）可以紧急呼叫。

（17）支持数据、传真、语音保密业务。

（18）可与交换机互联。

集群通信系统分类

1．按通话占用信道方式分类

（1）消息集群（Message Trunking）：在调度通话期间，控制系统始终为用户分配一条固定的无线通道。从移动用户最后一次通话完毕，松开PTT开关开始，系统还等待6～10s后拆线。如果在等待时间之内原来的用户再次按PTT开关继续通话，则双方仍然用原来的信道通话。

（2）传输集群（Transmission Trunking）：两个用户在单工或半双工状态下通信时，甲方按下PTT开关，就占用一条空闲信道工作，当甲方发送完毕并松开PTT开关时，就有一个“传输完毕”的信令送到基站控制器，这个信令指示该信道可以分配给其他用户使用。因而避免了因为通话暂停而继续占用信道，提高了信道利用效率。

（3）准传输集群（Quasi Transmission Trunking）：是改善了的传输集群。用户每次发话完毕松开PTT之后，信道保留0.5～6s时间，而不会使得通信中断。