基于TD-LTE的寬帶集群通信系統研究

隋 宇，程小蓉，陳輝煌

(1.廣東電網發展研究院有限責任公司，廣州 510080；2.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663)

基于TD-LTE的寬帶集群通信系統研究

隋 宇1，程小蓉2，陳輝煌2

(1.廣東電網發展研究院有限責任公司，廣州 510080；2.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663)

介紹了集群通信系統由模擬到數字、從窄帶到寬帶的發展過程，分別對比了已在國內廣泛應用的4種窄帶數字集群通信系統和2種寬帶數字集群通信系統的關鍵技術及其性能，并分析了它們各自在不同環境中的優勢。詳細地分析了一種典型的寬帶數字集群通信系統——基于TD-LTE(time-division long-term evolution)技術的數字集群通信系統中所應用的正交頻分復用、多入多出、時分雙工以及混合自動重傳等關鍵技術的工作原理和優點，并介紹了目前對基于TD-LTE的寬帶數字集群通信系統的研究進展，以及它在城市軌道交通通信、石油專網通信、高速鐵路通信以及城市應急通信等情況下的應用現狀和發展趨勢。最后對數字集群通信系統在國內的發展現狀做出分析總結，并展望了數字集群通信系統在國內外的發展前景。

數字集群通信；協議標準；TD-LTE；發展趨勢

0 引 言

集群通信系統誕生于20世紀中后期，是一種通過動態信道分配，實現多用戶共享無線信道的移動通信系統[1]。集群通信系統具有易于建設、呼叫接續迅速、安全性高等特點，在鐵路運輸、油田作業以及災難救援現場等多種場景下，能夠為用戶提供便捷的通信服務，由此在全球范圍內得到了廣泛的應用，甚至許多國家還將它接入移動無線通信系統中，為公共通信提供服務。

自20世紀五六十年代開始，集群通信系統的發展經歷了3個階段[2]：首先是無線對講系統階段，在這一階段網絡采用半雙工的無線設備，通過預設的頻點完成對講機間的通信，該階段通信方式十分簡單，也不需要網絡設備支持，但此時的網絡通信安全無法保證也不能實現有選擇的呼叫；在此之后，集群通信系統進入了模擬集群系統階段，這一時期集群通信系統引入了信道共享技術，實現了多用戶公用空閑信道，大大提高了網絡的資源利用率，但由于模擬信號在傳輸過程中容易受到環境因素的干擾，通信質量難以保障；隨著數字通信技術的快速發展，集群通信也進入了數字時代，此時通信系統標志性的改變在于引入了時分多址(time division multiple access，TDMA)技術，極大提高了系統的頻譜利用率，使得網絡架構更加靈活，服務和功能都更加完善，從而提升網絡的服務質量和運行效率。

區別于公共的移動通信系統，集群通信系統可以支持用戶選擇性呼叫，用戶能夠根據需求選擇通信對象和時間長度；系統采用半雙工模式，通信過程中只占用一條信道，能夠提高信道利用率；在網絡中信道數量一致的情況下，由于集群通信限制通話時間，有助于提高網絡的通信容量；集群通信系統的設計初衷是為更廣大的區域提供通信服務，而隨著用戶對通信質量的要求不斷提高，使得網絡的覆蓋區域逐漸縮小，但集群通信系統的網絡覆蓋區域仍然大于蜂窩移動通信的覆蓋范圍。

隨著集群通信系統的發展，用戶對它的要求也越來越高，數字集群通信系統所面臨的挑戰也在增加：首先，為了滿足越來越多的用戶群分組和管理，數字集群通信系統需要更強大的調度功能；其次為了降低網絡成本，必須要提高頻譜資源的利用率；再次，為了與公網實現資源共享，需要有更廣泛的終端業務和功能；最后，為了節約網絡資源，需要成本更低耗能更低的終端設備。為了提高網絡運行效率，增加集群通信系統的競爭力，人們為集群通信系統提出了許多技術標準。

1 集群通信技術的發展

隨著數字集群通信系統的廣泛應用，它受到越來越多的關注。20世紀90年代國際電信聯盟(international telecommunications union，ITU)為數字集群通信提出了EDACS(enhanced digital access communication system)、陸地集群無線電系統(terrestrial trunked radio，TETRA)等7種協議標準，但是由于應用范圍、關鍵性技術等問題，目前得到廣泛應用的只有TETRA標準。TETRA由歐洲電信標準組織提出。由于TETRA采用了空中接口，具有兼容性和開放性好、頻譜利用率高、數據安全保障更加完善等優點，主要應用于專業用戶應急通信[3]。

目前，數字集群通信系統根據頻譜分配情況可以分為窄帶集群通信系統和寬帶集群通信系統。除了上文所提到的TETRA系統以外，目前國際上廣泛使用的還有由摩托羅拉公司提出的集成數字增強型網絡(integrated digital enhanced network，iDEN)系統[4]，它采用TDMA技術，使得在25 kHz的信道上可以實現6路語音信號的傳遞，同時可以實現動態帶寬分配。上述2種系統都是典型的窄帶集群通信系統。另一方面，隨著用戶對高速數據業務需求量的增大，窄帶集群通信系統所提供的服務已經無法滿足用戶的需求，因此寬帶集群通信系統成為了集群通信新的發展方向，以TD-LTE (time-division long-term evolution)為代表的寬帶集群通信技術正在日新月異地向前邁進中。

圖1 集群通信技術發展歷程Fig.1 Development of trunked communication technology

1.1 窄帶數字集群通信系統

在我國，已經得到官方認證的窄帶數字集群通信標準有4種，包括前文中已經提及的TETRA和iDEN標準。為了順應市場的需求，降低通信系統的建設成本，同時也為了便于通信設備的維護、升級和擴容，國內的眾多通信設備商都無一例外地大力研發數字集群通信設備。目前已經成功研究出GoTa(global open trunking architecture)數字集群系統和GT800這2個比較完善的數字集群通信系統標準[5]。GoTa為了支持群組呼叫，將其空中接口在CDMA2000(code division multiple access 2000)技術的基礎上進行了改進，使得群組用戶可以共享信道；此外GoTa為了提高接續速度，在通信接續過程中也采用共享信道的方式。由于有了上述技術上的改進，GoTa具有接續快、頻譜使用率和信道利用率高、隱私保護性強等優勢，能夠滿足數字集群通信專網和共網用戶的需求。GT800標準由華為公司提出，它在綜合專用數字移動通信系統(global system for mobile communications-railway，GSM-R)的基礎上進行改進，使得系統能夠兼容GSM和時分同步碼分多址(time division-synchronous code division multiple，TD-SCDMA)等接入技術。

上述4種標準雖然都工作在800 MHz頻段，但具有不同的信道寬度，能夠適應不同場景的應用；TETRA，iDEN和GT800標準都使用了TDMA多址技術，而GoTa采用CDMA多址技術。為了保證數據在網絡中的準確傳遞，窄帶集群通信系統采用了數字話音編碼技術、數字調制技術以及抗衰落技術，以減少信號在傳播過程中受到干擾致使通信質量下降。這些技術上的差異使得4種技術標準各有特點，TETRA在系統采用空中接口，在兼容性和開放性上有一定的優勢，同時其調度功能和安全性上更加完善，因此TETRA系統比較適合應用于專網；iDEN系統的頻率利用率以及在信號的處理上優勢明顯，更加適合于共網的建設；GoTa和GT800 2種技術標準能夠完成在GSM和CDMA上的擴展，可以適應運營商在已有網絡的基礎上完成拓展，從而降低網絡建設的成本，避免重復建設。TETRA，iDEN，GoTa和GT800的各項技術指標如表1所示。

表1 通用窄帶集群通信標準性能比較

1.2 寬帶數字集群通信系統

隨著集群通信技術在交通運輸、能源開采、公安消防等眾多行業領域中的廣泛應用，廣大用戶對集群通信系統在業務種類、網絡性能、網絡兼容性、可靠性等方面都提出了更高的要求。在網絡提供的業務范圍方面，除了傳統的語音和低速數據傳輸業務之外，還需要提供視頻傳輸、動態帶寬分配、移動辦公等業務；在網絡性能上要求實現網絡時延更小、上下行數據速率更快、頻譜利用率更高、覆蓋范圍更廣；在可靠性和安全性方面需要網絡實現故障修復、能夠實現端到端加密、阻止非授權接入等；此外網絡還需要實現接入終端的多樣性、能夠完成升級和平滑演進?？梢钥闯?，窄帶集群通信技術無法滿足上述對于集群通信系統新的要求和挑戰，寬帶集群通信系統應運而生。

目前寬帶集群通信技術的發展主要有2個方面：①在現有的TETRA技術上發展起來的增強型數據業務[6](tetra release 2 enhanced data service，TEDS)；②隨著第4代移動通信技術的廣泛應用而展開的基于TD-LTE的集群通信技術。其中，TEDS技術沿用了TETRA中的技術標準，能夠提供TETRA所提供的所有業務，同時增強了TETRA的空中接口，足以支持50～691 kbit/s的數據傳輸。而基于TD-LTE的寬帶數字集群通信系統從技術層面、產業支撐層面以及信息安全層面都能夠更好地滿足各行業各領域對于集群通信系統快速發展的需求，從技術層面上說，基于TD-LTE的集群通信系統集合了TD-LTE與集群通信的優勢能夠提供速率更高，時延更小的數據通信網絡；從產業支撐層面上說，TD-LTE已經具有廣泛全面的產業鏈，結合集群通信易于提升性能和價格低的特點，能夠促進這種網絡在各行業中的推廣；從信息安全層面考慮，TD-LTE從多方面考慮保障數據傳輸安全性的手段，能夠保障網絡通信的隱私性和數據的安全性。2種寬帶集群通信系統的技術特征如表2所示。

表2 寬帶集群通信技術標準對比

2 基于TD-LTE的寬帶集群通信技術

基于TD-LTE寬帶數字集群通信系統主要在集群通信技術基礎上，結合了TD-LTE技術，進而形成了一個新的系統架構。從技術、產業應用、信息安全等方面基于TD-LTE寬帶數字集群通信系統都得到了快速發展，以更好地滿足國內各行業日益增長的需求[8]。

2.1 基于TD-LTE技術的集群通信系統關鍵技術及其優勢

發展寬帶集群通信系統有著眾多的優勢，但是它的應用并不是一番風順的[7]，寬帶集群通信的發展過程中面臨的主要問題包括：如何保障頻率資源的充足、如何降低通信時延、如何降低能耗以及網絡的兼容性問題。首先需要解決的是低頻段資源不足的問題。由于在組網過程中，集群通信網絡中戶數量少、投資回報率低，為了擴大基站覆蓋面積，降低通信成本，需要使用不易受環境干擾的低頻段無線信號，以保證通信質量，因此網絡對于低頻段的需求是非常大的，如何提高低頻段頻率的利用率，是提高網絡運行效率的重要影響因素。其次，由于集群通信系統沒有全面的網絡覆蓋，為保證語音通信的實時性和安全性，降低通信時延也是需要解決的問題。此外，寬帶集群通信系統中的業務耗能遠遠高于窄帶系統，但網絡中的能量是十分有限的，如何提高網絡能量的使用效率，延長網絡工作時間，也是寬帶集群通信技術需要考慮的重要問題。最后，由于目前的公網建設已經非常完備，為了避免重復建設造成資源的浪費，保證寬帶集群通信系統與現有窄帶集群通信系統的兼容和互通以實現多種通信系統的相互切換也是基于TD-LTE的寬帶集群通信系統研究所需要解決的問題。

針對上述問題，基于TD-LTE的寬帶集群通信系統在集群通信的技術優勢基礎上，引入了許多TD-LTE的關鍵技術[9]，包括正交頻分復用技術(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)，多入多出技術(multiple-input multiple-output, MIMO)，時分雙工技術(time division duplexing, TDD), 混合自動重傳技術(hybrid automatic repeat request, HARQ)[10]。這些關鍵技術及其優勢如表3所示。

除上文提及的一些關鍵技術外，TD-LTE集群通信系統還加入了雙向健全以及更加復雜的數據加密技術以保障網絡的安全性[11]，同時提出了下行信道共享技術以支持集群通信系統的組呼廣播呼叫，需實現點對多點的下行信道共享；上行信道搶占技術以支持話權申請、話權搶占等功能；快速呼叫建立技術對LTE的呼叫接續流程做修改以提高接續速度；集群指揮調度技術以支持集群業務，提供較強的指揮調度功能[12]。最后，為了降低網絡中設備的能耗，TD-LTE集群通信系統將根據業務的不同，選擇性地切換窄帶和寬帶網絡，在保證業務正常運行的同時減少能量的消耗，延長網絡的運行時間。

2.2 基于TD-LTE技術的集群通信系統的應用

目前基于TD-LTE的集群通信系統已經在礦產資源開采、城市軌道交通等眾多領域得到了應用，并取得了比較理想的成果。

文獻[13]通過分析城市軌道交通通信的需求，設計出一套由控制中心子系統、車站子系統、無線傳輸子系統和車載子系統4部分組成的集群通信系統，它能夠實現語音集群業務、數據業務以及多媒體控制業務。另一方面，這套系統具有成本更低、安全性更強、支持用戶高速移動等優勢，能夠適應于軌道交通的通信以及遠程控制的需求。

文獻[14]提出了一種在石油專網中的應用，根據陸地和深海石油開采環境的不同，分別設計了不同的專網解決方案。文中所設計的專網能夠實現大規模用戶業務、24 h視頻監控業務，并能實現集群調度功能，達到遠程指揮開采工作的目的。

表3 TD-LTE關鍵技術介紹

文獻[15]為高速鐵路環境下運行的TD-LTE集群通信系統提供了新的MIMO-OFDM資源分配策略，通過對網絡中的天線、時隙、功率等因素的聯合考慮，優化網絡中的資源分配，同時降低網絡資源規劃計算的復雜度。

文獻[16]介紹了基于TD-LTE寬帶集群通信系統在應急通信車組網中的應用，指出應急通信車所構建的網絡能夠通過集群通信系統及時的為應急現場與后方指揮人員構建信息通道，完成高清視頻監控以及視頻調度等眾多功能。此外，在網絡可靠性、擴展性以及冗余性等方面具有很強的優勢。

除了上述的應用之外，基于TD-LTE的集群通信系統還在公安警用、災難區域等環境的專網中廣泛應用。

3 總結與展望

作為無線電通信技術的一個重要分支，集群通信已憑借其特有的優勢廣泛應用到不同領域的發展中，并取得了良好的經濟效益和社會效益。然而隨著社會的不斷發展，各行業的用戶群體對集群通信的要求也越來越高，日益發展的通信需求對集群通信業務的推廣既是挑戰也是機遇。國際數字集群協會專家認為在未來的一段時間內，數字集群通信將是集群通信的發展方向，同時也是專業無線通信領域最具潛力的發展市場。數據傳輸能力以及多媒體業務支持等性能的提升，使得窄帶數字集群通信系統的發展已經不能滿足要求，數據寬帶化發展已經成為一種趨勢，基于TD-LTE技術的寬帶數字集群通信系統在國內外的研究測試已成為熱點。

目前，寬帶集群技術發展還處于不成熟的階段，TD-LTE寬帶數字集群通信的發展仍面臨著一些問題：①無線專網升級面臨頻譜危機，頻譜資源的分配歷來是無線技術發展面臨的核心問題，寬帶通信時期，數據量將急劇增大，對頻譜要求也隨之增加；②TD-LTE寬帶數字集群技術標準不統一，現有的通信標準的完善程度和靈活性已經無法滿足各種服務業對移動寬帶業務的需求，一旦標準缺失，將很難形成不同終端設備間的互聯互通；③跨行業協調難度大，缺乏行業應用示范效應，TD-LTE寬帶數字集群通信系統雖已在許多領域開始創新嘗試，但規模仍較小，集中度低，不同領域之間協調難度大，尚未形成多領域協同發展的格局。因此，基于TD-LTE寬帶集群系統的研究還應當充分考慮上述問題，并借助TD-LTE的技術優勢，為用戶提供性能更加優良的寬帶集群通信系統，同時提高TD-LTE技術的產業化和商業化能力。

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隋 宇(1983-)，男，吉林通化人，高級工程師，主要研究方向為電力系統通信規劃與設計。E-mail：yu_sui_astoria@163.com。

程小蓉(1981-)，女，河北滄州人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向為電力系統通信規劃與設計。

陳輝煌(1980-)，男，廣東梅州人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向為電力系統通信規劃與設計。

(編輯：張 誠)

A survey on trunked communication system based on TD-LTE

SUI Yu1, CHENG Xiaorong2, CHEN Huihuang2

(1.Development Institute CO.,LTE. of Guangdong Power Grid，Guangzhou 510080, P.R. China； 2.Guangdong Electric Power Design Institute CO.,LTE. of China Engineering Group，Guangzhou 510663, P.R. China)

This paper introduces the developmental process of trunked communication system from the analog to the digital, from the narrowband to the broadband, and also examines comparatively the key technology and performance index of four narrowband trunked communication systems and tow broadband trunked communication systems which have been widely used in our country, and also analyzes advantages of each system. The present study analyze the working principle and advantages of technologies as orthogonal frequency division multiplexing, multiple-input multiple-output, time division duplexing and hybrid automatic repeat request which were used in a typical broadband digital trunked communication system—the trunked communication systems based on TE-LTE(time-division long-term evolution), and introduces resent research related, and its applications in urban rail transportation communication, oil production communication, high-speed railway communication and emergency communication. Finally, our study summarizes the domestic developmental status of trunked communication and expounds the development tendency of trunked communication at home and abroad.

digital trunked communication; protocol standards; td-lte; development tendency

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.005

2015-06-02

2015-08-18

隋 宇 yu_sui_astoria@163.com

TN926

A

1673-825X(2016)06-0777-06