數(shù)字集群通信系統(tǒng)技術(shù)

　　 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(jì)70年代，已經(jīng)廣泛用于軍隊(duì)、公安、司法、鐵路、交通、水利、機(jī)場、港口等部門。集群通信系統(tǒng)由基站、移動臺、調(diào)度臺和控制中心四部分組成。其中，基站負(fù)責(zé)無線信號的轉(zhuǎn)發(fā)，移動臺用于在運(yùn)行中或停留在某個(gè)不確定的地點(diǎn)進(jìn)行通信，調(diào)度臺負(fù)責(zé)對移動臺進(jìn)行指揮、調(diào)度和管理，控制中心主要負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)集群通信系統(tǒng)的運(yùn)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(shè)施、共享覆蓋區(qū)、共享通信業(yè)務(wù)、共同分擔(dān)費(fèi)用、兼容有線通信等特點(diǎn)，同時(shí)還具有調(diào)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(jià)的先進(jìn)無線調(diào)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(jì)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(qiáng)、保密性好、可提供多業(yè)務(wù)服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)管理控制靈活有效等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(guān)鍵技術(shù)
　　
　　集群通信是建立在先進(jìn)的移動通信技術(shù)基礎(chǔ)之上的，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字話音編碼技術(shù)、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、多址接入技術(shù)以及抗衰落技術(shù)等等。
　　
　　2.1　數(shù)字話音編碼技術(shù)
　　
　　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(shù)在數(shù)字集群通信中具有相當(dāng)關(guān)鍵的作用。數(shù)字話音編碼技術(shù)通常分為三類，包括波形編碼技術(shù)、參量編碼技術(shù)和混合編碼技術(shù)。
　　
　　（1）波形編碼
　　
　　波形編碼是將時(shí)間域信號直接變換為數(shù)字代碼，重建語音波形時(shí)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(shí)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(diào)制（pulsecodemodulation，PCM）和增量調(diào)制（△M），以及它們的各種改進(jìn)型自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM），自適應(yīng)差分編碼（ADPCM）、自適應(yīng)傳輸編碼（AdaptiveTransfer Coding，ATC）和子帶編碼（SBC）等，都屬于波形編碼技術(shù)。它們能分別在64kbit/s以及16kbit/s的速率上給出高的編碼質(zhì)量。但當(dāng)速率進(jìn)一步下降時(shí)，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(jìn)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(shí)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(dāng)大的差別。線性預(yù)測編碼（LPC）及其它各種改進(jìn)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(zhì)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(yīng)用，盡量保持波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率，在4~16kbit/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。多脈沖激勵線性預(yù)測編碼（MPLPC），規(guī)劃脈沖激勵線性預(yù)測編碼（KPELPC），碼本激勵線性預(yù)測編碼（CELP）及其改進(jìn)型代數(shù)碼激勵線性預(yù)測編碼(ACELP)和矢量和激勵線性預(yù)測編碼(VSELP)等都是屬于混合編碼技術(shù)。
　　
　�。�4）三種編碼方式對比
　　
　　波形編碼具有適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)不高，但它的壓縮比大，可實(shí)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(yīng)用，一定程度上結(jié)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(diǎn)，其數(shù)據(jù)率和音質(zhì)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(diào)制技術(shù)
　　
　　人們總是希望將信息傳送到盡可能遠(yuǎn)的距離，調(diào)制技術(shù)就主要是用來解決這一問題的。數(shù)字信號的調(diào)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(yīng)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(yīng)用簡單的幅度鍵控、移相鍵控和移頻鍵控時(shí)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(diào)制方式的基礎(chǔ)上作了各種各樣的改進(jìn)嘗試，研究出了一系列抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高的調(diào)制技術(shù)。
　　
　　目前已得到廣泛應(yīng)用的有：正交移相鍵控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）、正交幅度調(diào)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(jìn)方式。
　　
　　（1）QPSK
　　
　　QPSK調(diào)制技術(shù)利用數(shù)字信號對四個(gè)同頻、相位相差π/2的正弦波進(jìn)行控制、不斷切換合成調(diào)相波。它是一種四進(jìn)制的相位鍵控調(diào)制方式，可以看成是兩正交的二相調(diào)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(biāo)準(zhǔn)組織（ETSI）制定的數(shù)字集群通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TETRA（TerrestrialTrunckedRAdio）所采用的調(diào)制方式是QPSK的改進(jìn)方式π/4-DQPSK。
　　
　�。�2）QAM
　　
　　QAM調(diào)制技術(shù)是用數(shù)字信號同時(shí)去調(diào)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(diào)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(luò)的集群通信系統(tǒng)iDEN（IntegratedDispatchEnhancedNetwork）所采用的調(diào)制方式是QAM的改進(jìn)方式M-16QAM。
　　
　�。�3）MSK和GMSK
　　
　　比特率正好是頻率偏移4倍的FSK調(diào)制稱作MSK，而GMSK調(diào)制則是通過在MSK調(diào)制器之前插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器來實(shí)現(xiàn)。GMSK提高了數(shù)字移動通信的頻譜利用率和通信質(zhì)量。與FSK相比，MSK提高了頻譜利用率，通信質(zhì)量也獲得了提高，而GMSK則更進(jìn)一步提高了頻譜利用率和通信質(zhì)量。
　　
　　2.3　多址接入技術(shù)
　　
　　目前在移動通信中應(yīng)用的多址方式有：頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA）、時(shí)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(yīng)用方式等。
　　
　�。�1）FDMA
　　
　　FDMA是一種調(diào)頻的多址技術(shù)，它在用戶請求服務(wù)時(shí)為用戶指定一個(gè)特定信道，業(yè)務(wù)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(gè)過程中獨(dú)占這一信道，其它用戶不能共享。
　　
　　在頻分多址系統(tǒng)中，一個(gè)業(yè)務(wù)信道有一對頻譜構(gòu)成，一個(gè)頻譜用作前向信道，即基站向移動臺方向的信道。另一個(gè)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(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號；任意兩個(gè)移動用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)。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(hù)頻帶。在用戶頻道之間，設(shè)有保護(hù)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(shí)分的多址技術(shù)，它是在一個(gè)寬帶的無線載波上，把時(shí)間分成周期性的幀，再將每一幀分割成若干時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），每個(gè)時(shí)隙作為一個(gè)通信信道分配給一個(gè)用戶。iDEN系統(tǒng)和TETRA系統(tǒng)都是采用的TDMA技術(shù)。我國華為技術(shù)有限公司提出的基于集群專網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)體制GT800也是采用的TDMA技術(shù)，但在GT800中的TDMA是和TD-SCDMA融合使用的。
　　
　　在時(shí)分多址系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動臺在每幀內(nèi)按指定的時(shí)隙向基站發(fā)射信號。同時(shí)，基站發(fā)向各個(gè)移動臺的信號都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各移動臺在指定的時(shí)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(kuò)頻的碼分多址技術(shù)，它的特點(diǎn)是每個(gè)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(gè)用戶分配一個(gè)獨(dú)立的地址碼，所有用戶在同一時(shí)間、同一頻段上，根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務(wù)信道。我國中興通訊所提出的基于集群共網(wǎng)應(yīng)用的集群通信體制GoTa（GlobalopenTrunkingArchitecture）采用的就是CDMA技術(shù)。
　　
　　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(shí)隙。系統(tǒng)的接收端在接收信息時(shí)，根據(jù)本地地址碼對接收的信號進(jìn)行相關(guān)檢測，并將與本地地址碼完全一致的信息解調(diào)出來，其他使用不同碼型的信號則不能被解調(diào)。
　　
　　碼分多址技術(shù)是建立在擴(kuò)頻技術(shù)基礎(chǔ)之上的。擴(kuò)頻技術(shù)通過發(fā)送端的擴(kuò)頻和接收端的解擴(kuò)來實(shí)現(xiàn)信息通信。擴(kuò)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(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。解擴(kuò)是接收端使用與發(fā)送端完全相同的偽隨機(jī)碼，對接收的信號作相關(guān)處理，把寬帶信號還原成原始信息數(shù)據(jù)的窄帶信號。擴(kuò)頻技術(shù)還根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同分為直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)兩種。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)使用高速率的偽隨機(jī)碼序列與信息碼序列模2加（或波形相乘）后的復(fù)合碼序列去控制載波的相位來獲得直接序列擴(kuò)頻信號；跳頻擴(kuò)頻技術(shù)則是利用高速率的偽隨機(jī)碼序列與信息碼序列模2加（或波形相乘）后的復(fù)合碼序列去生成跳頻圖案，然后再由它來隨機(jī)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(gè)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(shí)還很容易受到干擾。
　　
　　在TDMA系統(tǒng)中，只要滿足定時(shí)和同步的條件，基站就可以在各時(shí)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(qiáng)，頻率利用率也有所提高（據(jù)估計(jì)，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(zhì)量也有很大的改進(jìn)。另外，TDMA系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)和話音的綜合，業(yè)務(wù)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(gè)用戶而言發(fā)射都是不連續(xù)的，所以對服務(wù)質(zhì)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(dú)立，用戶的信道在頻率、時(shí)間和空間上都可以重疊，加之使用擴(kuò)頻技術(shù)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(wù)質(zhì)量好、綜合業(yè)務(wù)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(shù)
　　
　　由于無線通信的條件相當(dāng)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?dāng)_以及移動臺運(yùn)動和傳播媒質(zhì)隨時(shí)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(zhì)量，人們積極探索各種方法來彌補(bǔ)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(shù)和RAKE接收技術(shù)。
　　
　　（1）分集接收技術(shù)
　　
　　分集接收就是將在若干支路上接收相關(guān)性很小的載有同一消息的信號，通過合并技術(shù)將各信號進(jìn)行選擇或合成，從而減輕由于衰落所造成的影響。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同，分集接收技術(shù)又可分為時(shí)間分集、角度分集、空間分集和頻率分集等。時(shí)間分集是在發(fā)射端將要傳輸?shù)男畔⒎謩e在不同的時(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行接收。在實(shí)際操作中，這些分集技術(shù)往往結(jié)合使用。
　　
　　對于接收端收到的來自不同的獨(dú)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(gè)分集支路信號經(jīng)過相位調(diào)整后，按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)進(jìn)行同相相加；等增益合并是在接收端將收到的多個(gè)分集支路信號經(jīng)過相位調(diào)整后，直接進(jìn)行同向相加；選擇式合并是在接收端從收到的多個(gè)分集支路信號選出幾個(gè)信號進(jìn)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(shí)現(xiàn)起來最簡單。
　　
　�。�2）RAKE接收技術(shù)
　　
　　RAKE接收技術(shù)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(shí)和相位校準(zhǔn)，使它們在某一時(shí)刻對齊，并按一定的規(guī)則進(jìn)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(shù)。TDMA，F(xiàn)DMA兩種多址技術(shù)無法使用，而CDMA系統(tǒng)可以使用。這是因?yàn)椋�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(shù)，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(shí)現(xiàn)變害為利的目的。
　　
　�。�3）自適應(yīng)均衡技術(shù)
　　
　　由于數(shù)字集群通信系統(tǒng)占用的頻帶較寬，當(dāng)發(fā)生信號衰落時(shí)，其通帶內(nèi)的振幅特性隨時(shí)都在改變著，這就要求所采用的均衡器必須具有時(shí)間特性變化的自適應(yīng)性。一般，抗衰落的自適應(yīng)均衡器可以分為頻域自適應(yīng)均衡器和時(shí)域自適應(yīng)均衡器兩類。頻域自適應(yīng)均衡器用可變諧振器對幅頻特性的一次和二次特性進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)引起電路衰落的兩個(gè)波的時(shí)延非常大，以致于在所需頻帶內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)凹點(diǎn)時(shí)，僅有一個(gè)諧振電路的均衡器就不能補(bǔ)償這樣的頻率特性，這時(shí)可以采用時(shí)域自適應(yīng)均衡器在時(shí)域上進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)際電路中，為了最大限度地提高抗衰落能力，往往同時(shí)采用頻域自適應(yīng)均衡器和時(shí)域自適應(yīng)均衡器。
　　
　　3　結(jié)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(diǎn)，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(jìn)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(qiáng)其綜合業(yè)務(wù)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(shù)也獲得了很大程度的發(fā)展，可以開展的業(yè)務(wù)應(yīng)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(yīng)用，相信數(shù)字集群通信系統(tǒng)會得到越來越廣泛的應(yīng)用。