數(shù)字集群通信系統(tǒng)技術

　　 1　集群通信與數(shù)字集群通信系統(tǒng)
　　
　　集群通信系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀70年代，已經(jīng)廣泛用于軍隊、公安、司法、鐵路、交通、水利、機場、港口等部門。集群通信系統(tǒng)由基站、移動臺、調度臺和控制中心四部分組成。其中，基站負責無線信號的轉發(fā)，移動臺用于在運行中或停留在某個不確定的地點進行通信，調度臺負責對移動臺進行指揮、調度和管理，控制中心主要負責控制和管理整個集群通信系統(tǒng)的運行、交換和接續(xù)。集群通信系統(tǒng)可以把所具有的可用信道為系統(tǒng)的全體用戶共用，能夠自動選擇信道，具有共用頻率、共用設施、共享覆蓋區(qū)、共享通信業(yè)務、共同分擔費用、兼容有線通信等特點，同時還具有調度指揮、控制、交換、中繼等功能，既節(jié)約RF頻譜，又能為用戶提供快速、方便、無干擾的通信，是一種多用途、高效能而又廉價的先進無線調度通信系統(tǒng)。
　　
　　最初的集群通信系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)。然而到了20世紀80年代，數(shù)字集群通信誕生之后，由于它具有頻譜利用率高、信號抗信道衰落能力強、保密性好、可提供多業(yè)務服務以及網(wǎng)絡管理控制靈活有效等諸多優(yōu)點，很快取代了原有的模擬集群通信而成為了主流。
　　
　　2　數(shù)字集群通信的關鍵技術
　　
　　集群通信是建立在先進的移動通信技術基礎之上的，所涉及的關鍵技術包括數(shù)字話音編碼技術、數(shù)字調制技術、多址接入技術以及抗衰落技術等等。
　　
　　2.1　數(shù)字話音編碼技術
　　
　　在數(shù)字集群通信中，傳輸最多的信息是話音信號。數(shù)字話音的編解碼技術在數(shù)字集群通信中具有相當關鍵的作用。數(shù)字話音編碼技術通常分為三類，包括波形編碼技術、參量編碼技術和混合編碼技術。
　　
　�。�1）波形編碼
　　
　　波形編碼是將時間域信號直接變換為數(shù)字代碼，重建語音波形時盡量保持原語音信號的波形形狀。波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示。脈沖編碼調制（pulsecodemodulation，PCM）和增量調制（△M），以及它們的各種改進型自適應增量調制（ADM），自適應差分編碼（ADPCM）、自適應傳輸編碼（AdaptiveTransfer Coding，ATC）和子帶編碼（SBC）等，都屬于波形編碼技術。它們能分別在64kbit/s以及16kbit/s的速率上給出高的編碼質量。但當速率進一步下降時，其性能會下降較快。
　　
　　（2）參量編碼
　　
　　參量編碼又稱為聲源編碼，是將信源信號在頻率域上或其它正交變換域上提取特征參量，并將其變換成數(shù)字代碼進行傳輸。具體說，參量編碼是通過對語音信號特征參數(shù)的提取和編碼，重建語音信號時使其具有盡可能高的可靠性，保持原始語音的語意，但重建信號的波形同原始語音信號的波形可能會有相當大的差別。線性預測編碼（LPC）及其它各種改進型都屬于參量編碼。該編碼比特率可壓縮到2~4.8kbit/s，甚至更低，但語音質量不是很好，自然度較低。
　　
　�。�3）混合編碼
　　
　　混合編碼將波形編碼和參量編碼組合起來應用，盡量保持波形編碼的高質量和參量編碼的低速率，在4~16kbit/s速率上能夠得到高質量的合成語音。多脈沖激勵線性預測編碼（MPLPC），規(guī)劃脈沖激勵線性預測編碼（KPELPC），碼本激勵線性預測編碼（CELP）及其改進型代數(shù)碼激勵線性預測編碼(ACELP)和矢量和激勵線性預測編碼(VSELP)等都是屬于混合編碼技術。
　　
　�。�4）三種編碼方式對比
　　
　　波形編碼具有適應能力強、語音質量好等優(yōu)點，但它所用的編碼速率高，頻率資源占用率較高。參數(shù)編碼雖然音質不高，但它的壓縮比大，可實現(xiàn)低速率語音編碼，比特率可壓縮到2～4.8kbit/s，甚至更低。由于混合編碼將波形編碼和參量編碼組合起來應用，一定程度上結合了原有波形編碼和參量編碼的長處，并克服了各自的弱點，其數(shù)據(jù)率和音質介于參數(shù)和波形編碼之間，比較適合于在數(shù)字集群通信中使用。
　　
　　2.2　數(shù)字調制技術
　　
　　人們總是希望將信息傳送到盡可能遠的距離，調制技術就主要是用來解決這一問題的。數(shù)字信號的調制有三種基本方式，即幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK），它們分別對應于用載波（正弦波）的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號。由于直接應用簡單的幅度鍵控、移相鍵控和移頻鍵控時的傳輸效率非常低下，所以無法滿足移動通信的要求。為了盡可能地提高單位頻帶內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特速率以適用于移動通信的要求，人們在三種基本調制方式的基礎上作了各種各樣的改進嘗試，研究出了一系列抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高的調制技術。
　　
　　目前已得到廣泛應用的有：正交移相鍵控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）、正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和最小移頻鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）、高斯濾波最小移頻鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）等方式以及它們的一些改進方式。
　　
　�。�1）QPSK
　　
　　QPSK調制技術利用數(shù)字信號對四個同頻、相位相差π/2的正弦波進行控制、不斷切換合成調相波。它是一種四進制的相位鍵控調制方式，可以看成是兩正交的二相調制合成。與PSK相比，QPSK載波的頻帶利用率提高了一倍。歐洲電信標準組織（ETSI）制定的數(shù)字集群通信系統(tǒng)標準TETRA（TerrestrialTrunckedRAdio）所采用的調制方式是QPSK的改進方式π/4-DQPSK。
　　
　�。�2）QAM
　　
　　QAM調制技術是用數(shù)字信號同時去調制載波的幅度和相位，使載波的幅度和相位受控于數(shù)字信號，常用有16QAM，32QAM，64QAM等。這種調制由于載波的幅度和相位都帶有信息，所以它比QPSK方式所能傳輸?shù)臄?shù)碼率高。它也容易產(chǎn)生碼間干擾，噪聲容限也減少，其抗干擾能力也不如QPSK方式。Motorola開發(fā)的基于數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡的集群通信系統(tǒng)iDEN（IntegratedDispatchEnhancedNetwork）所采用的調制方式是QAM的改進方式M-16QAM。
　　
　�。�3）MSK和GMSK
　　
　　比特率正好是頻率偏移4倍的FSK調制稱作MSK，而GMSK調制則是通過在MSK調制器之前插入高斯低通預調制濾波器來實現(xiàn)。GMSK提高了數(shù)字移動通信的頻譜利用率和通信質量。與FSK相比，MSK提高了頻譜利用率，通信質量也獲得了提高，而GMSK則更進一步提高了頻譜利用率和通信質量。
　　
　　2.3　多址接入技術
　　
　　目前在移動通信中應用的多址方式有：頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA）、時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）以及它們的混合應用方式等。
　　
　　（1）FDMA
　　
　　FDMA是一種調頻的多址技術，它在用戶請求服務時為用戶指定一個特定信道，業(yè)務信道在不同的頻段分配給不同的用戶，并且用戶在呼叫的整個過程中獨占這一信道，其它用戶不能共享。
　　
　　在頻分多址系統(tǒng)中，一個業(yè)務信道有一對頻譜構成，一個頻譜用作前向信道，即基站向移動臺方向的信道。另一個用作反向信道，即移動臺向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號；任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經(jīng)過基站的中轉。在頻率軸上，前向信道占有較高的頻帶，反向信道占有較低的頻帶，中間為保護頻帶。在用戶頻道之間，設有保護頻隙，以免因系統(tǒng)的頻率漂移造成頻道間的重疊。
　　
　�。�2）TDMA
　　
　　TDMA是一種時分的多址技術，它是在一個寬帶的無線載波上，把時間分成周期性的幀，再將每一幀分割成若干時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），每個時隙作為一個通信信道分配給一個用戶。iDEN系統(tǒng)和TETRA系統(tǒng)都是采用的TDMA技術。我國華為技術有限公司提出的基于集群專網(wǎng)應用的技術體制GT800也是采用的TDMA技術，但在GT800中的TDMA是和TD-SCDMA融合使用的。
　　
　　在時分多址系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內(nèi)按指定的時隙向基站發(fā)射信號。同時，基站發(fā)向各個移動臺的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各移動臺在指定的時隙內(nèi)接收信號，并在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來。
　　
　�。�3）CDMA
　　
　　CDMA是一種擴頻的碼分多址技術，它的特點是每個用戶都有各自特定的地址碼并且都是使用公共信道來傳輸信息。碼分多址系統(tǒng)為每一個用戶分配一個獨立的地址碼，所有用戶在同一時間、同一頻段上，根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務信道。我國中興通訊所提出的基于集群共網(wǎng)應用的集群通信體制GoTa（GlobalopenTrunkingArchitecture）采用的就是CDMA技術。
　　
　　在碼分多址系統(tǒng)中，無論系統(tǒng)發(fā)射端傳送何種信息，都是靠采用不同的碼型來區(qū)分信道，既不分頻道又不分時隙。系統(tǒng)的接收端在接收信息時，根據(jù)本地地址碼對接收的信號進行相關檢測，并將與本地地址碼完全一致的信息解調出來，其他使用不同碼型的信號則不能被解調。
　　
　　碼分多址技術是建立在擴頻技術基礎之上的。擴頻技術通過發(fā)送端的擴頻和接收端的解擴來實現(xiàn)信息通信。擴頻是發(fā)送端將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調制并發(fā)送出去。解擴是接收端使用與發(fā)送端完全相同的偽隨機碼，對接收的信號作相關處理，把寬帶信號還原成原始信息數(shù)據(jù)的窄帶信號。擴頻技術還根據(jù)實現(xiàn)方法的不同分為直接序列擴頻技術和跳頻擴頻技術兩種。直接序列擴頻技術使用高速率的偽隨機碼序列與信息碼序列模2加（或波形相乘）后的復合碼序列去控制載波的相位來獲得直接序列擴頻信號；跳頻擴頻技術則是利用高速率的偽隨機碼序列與信息碼序列模2加（或波形相乘）后的復合碼序列去生成跳頻圖案，然后再由它來隨機選擇發(fā)送頻率。
　　
　�。�4）三種接入方式比較
　　
　　在FDMA系統(tǒng)中，由于是基于頻率劃分信道，每個用戶都需要在一對頻道中通信，并且頻道之間還需要有一定的空隙，所以頻率資源占用較大，用戶容量非常小，頻譜效率非常低，而且通話時還很容易受到干擾。
　　
　　在TDMA系統(tǒng)中，只要滿足定時和同步的條件，基站就可以在各時隙中接收到各移動臺的信號而互不干擾。因此，與FDMA系統(tǒng)相比，TDMA系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強，頻率利用率也有所提高（據(jù)估計，TDMA在頻譜效率上約是FDMA系統(tǒng)的3倍），系統(tǒng)容量增大了許多，話音質量也有很大的改進。另外，TDMA系統(tǒng)能進行數(shù)據(jù)和話音的綜合，業(yè)務綜合能力較高。由于TDMA系統(tǒng)發(fā)射數(shù)據(jù)是用緩存－突發(fā)法，對任何一個用戶而言發(fā)射都是不連續(xù)的，所以對服務質量有一定影響，數(shù)據(jù)傳輸速率也不高。
　　
　　在CDMA系統(tǒng)中，由于所有用戶的地址碼都相互獨立，用戶的信道在頻率、時間和空間上都可以重疊，加之使用擴頻技術所帶來的優(yōu)勢，使得CDMA系統(tǒng)具有了頻率利用率高、用戶容量大、服務質量好、綜合業(yè)務能力強等諸多優(yōu)點，成為了現(xiàn)代數(shù)字集群通信的理想選擇。
　　
　　2.4　抗衰落技術
　　
　　由于無線通信的條件相當惡劣，有諸多因素的影響，所以會造成功率的大量損耗，其中既有由空間傳播所造成的損耗與色散，又有由地形起伏和障礙物的遮擋等所引起的陰影衰落，還有由各種反射物和散射體產(chǎn)生的直射波、反射波和散射波的相互干涉和串擾以及移動臺運動和傳播媒質隨時間變化帶來的頻移和頻展等產(chǎn)生的多徑衰落。為了獲得良好的通信質量，人們積極探索各種方法來彌補由這些因素所帶來的功率損失。目前，在數(shù)字集群通信中比較可行的方法有分集接收技術和RAKE接收技術。
　　
　�。�1）分集接收技術
　　
　　分集接收就是將在若干支路上接收相關性很小的載有同一消息的信號，通過合并技術將各信號進行選擇或合成，從而減輕由于衰落所造成的影響。根據(jù)實現(xiàn)方法的不同，分集接收技術又可分為時間分集、角度分集、空間分集和頻率分集等。時間分集是在發(fā)射端將要傳輸?shù)男畔⒎謩e在不同的時隙發(fā)射出去；角度分集是在接收端采用方向不同的多副天線進行接收；空間分集是發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，在接收端采用空間中垂直高度不同的多副天線進行接收；頻率分集是發(fā)射端用多副天線將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，在接收端也用多副天線進行接收。在實際操作中，這些分集技術往往結合使用。
　　
　　對于接收端收到的來自不同的獨立支路的信號，可以通過不同的合并方式來獲得分集增益。合并的方式主要有最大比值合并、等增益合并和選擇式合并等。最大比值合并是在接收端將收到的多個分集支路信號經(jīng)過相位調整后，按照適當?shù)脑鲆嫦禂?shù)進行同相相加；等增益合并是在接收端將收到的多個分集支路信號經(jīng)過相位調整后，直接進行同向相加；選擇式合并是在接收端從收到的多個分集支路信號選出幾個信號進行合并。上述三種方法中，最大比合并的性能最好，等增益合并實現(xiàn)起來最簡單。
　　
　�。�2）RAKE接收技術
　　
　　RAKE接收技術是將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，通過延時和相位校準，使它們在某一時刻對齊，并按一定的規(guī)則進行合并，變矢量合并為代數(shù)求和，能夠有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。并不是所有的多址方式都可以使用RAKE接收技術。TDMA，F(xiàn)DMA兩種多址技術無法使用，而CDMA系統(tǒng)可以使用。這是因為，只有CDMA系統(tǒng)才能根據(jù)用戶的地址碼分辨出那些真正發(fā)給該用戶的信息，并將這些信號對齊以及合并在一起。通過使用RAKE接收技術，可以把原來是多徑干擾的信號變成有用信號組合在一起，從而實現(xiàn)變害為利的目的。
　　
　�。�3）自適應均衡技術
　　
　　由于數(shù)字集群通信系統(tǒng)占用的頻帶較寬，當發(fā)生信號衰落時，其通帶內(nèi)的振幅特性隨時都在改變著，這就要求所采用的均衡器必須具有時間特性變化的自適應性。一般，抗衰落的自適應均衡器可以分為頻域自適應均衡器和時域自適應均衡器兩類。頻域自適應均衡器用可變諧振器對幅頻特性的一次和二次特性進行補償；當引起電路衰落的兩個波的時延非常大，以致于在所需頻帶內(nèi)產(chǎn)生兩個凹點時，僅有一個諧振電路的均衡器就不能補償這樣的頻率特性，這時可以采用時域自適應均衡器在時域上進行補償。在實際電路中，為了最大限度地提高抗衰落能力，往往同時采用頻域自適應均衡器和時域自適應均衡器。
　　
　　3　結束語
　　
　　由于數(shù)字通信具有許多模擬通信所無法比擬的優(yōu)點，所以數(shù)字集群通信系統(tǒng)出現(xiàn)后很快便戰(zhàn)勝了模擬集群通信系統(tǒng)成為主流�，F(xiàn)在由于數(shù)字通信具有能夠用來進行數(shù)據(jù)通信的先天優(yōu)勢，因此數(shù)字集群通信也已經(jīng)開始逐步增強其綜合業(yè)務功能。而隨著數(shù)字通信的發(fā)展、大規(guī)模集成電路的集成化程度的提高以及數(shù)據(jù)通信需求的逐步增加，數(shù)字集群通信的各種技術也獲得了很大程度的發(fā)展，可以開展的業(yè)務應用種類也越來越多。雖然現(xiàn)在的集群通信系統(tǒng)主要都是專網(wǎng)形式，但也逐漸出現(xiàn)了一些共網(wǎng)形式的應用，相信數(shù)字集群通信系統(tǒng)會得到越來越廣泛的應用。