超短波無(wú)線交換中心原理及組網(wǎng)應(yīng)用

張志軍，肖 非，吳鵬超

（1.黑龍江省森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)信息中心，黑龍江哈爾濱 150090；2.大興安嶺防火中心，黑龍江加格達(dá)奇 165000）

0 前言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)森林防火的重視，尤其是在撲救重、特大森林火災(zāi)期間，領(lǐng)導(dǎo)親臨現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間越來(lái)越多，這使得指揮部變成移動(dòng)指揮部的幾率越來(lái)越大！領(lǐng)導(dǎo)們不論到達(dá)任何地點(diǎn)，都有可能與總指揮部、前指和分前指，甚至火場(chǎng)一線撲火隊(duì)進(jìn)行溝通，以便對(duì)瞬息萬(wàn)變的火場(chǎng)做出相應(yīng)的決策。在這種需求下在森林火災(zāi)多發(fā)地區(qū)的森林防火通信也逐步由傳統(tǒng)超短波中繼組網(wǎng)方式（單個(gè)組網(wǎng)、背靠背二次接力組網(wǎng)等）向現(xiàn)代中繼組網(wǎng)方式（中繼鏈路、掃描中繼等）發(fā)展。使過(guò)去中繼網(wǎng)絡(luò)由局部地區(qū)的一呼百應(yīng)變成了以縣級(jí)為單位的全網(wǎng)一呼百應(yīng)，為移動(dòng)指揮撲救森林火災(zāi)提供了方便。但這種中繼組網(wǎng)方式同時(shí)也存在一些問(wèn)題，如實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)通的同時(shí)，就產(chǎn)生了信道擁擠現(xiàn)象，而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多個(gè)信道給領(lǐng)導(dǎo)的使用造成了麻煩，另外森警使用的350 MHz通信設(shè)備與地方150 MHz和400 MHz通信設(shè)備還無(wú)法進(jìn)行直接的聯(lián)通。因此，根據(jù)這種網(wǎng)絡(luò)存在的缺陷，和《中國(guó)森林防火科研中長(zhǎng)（2006-2020年）發(fā)展綱要》開(kāi)展綜合通信系統(tǒng)研發(fā)的要求，筆者提出了應(yīng)用“超短波無(wú)線交換中心”的概念，以解決中繼鏈路組網(wǎng)中存在的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成及功能特點(diǎn)

無(wú)線交換中心設(shè)備主要由150 MHz、400 MHz、350 MHz收發(fā)信機(jī)，中心控制器，電源，天饋系統(tǒng)及遠(yuǎn)端控制切換單元組成，見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線交換中心原理框圖

1.1 收發(fā)信機(jī)設(shè)備

無(wú)線交換中心的收發(fā)信機(jī)由150 MHz的中繼轉(zhuǎn)發(fā)器和400～470 MHz全頻段半雙工收發(fā)信機(jī)及350～390 MHz全頻段半雙工收發(fā)信機(jī)構(gòu)成。

150 MHz中繼轉(zhuǎn)發(fā)器采用兩臺(tái)半雙工收發(fā)信機(jī)集成，既可工作于主臺(tái)模式A機(jī)（發(fā)高收低）狀態(tài)，又可工作于屬臺(tái)模式的B機(jī)（發(fā)低收高）狀態(tài)，便于火場(chǎng)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的靈活運(yùn)用，這種一機(jī)多用方式是通常中繼臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

400 MHz收發(fā)信機(jī)在無(wú)線交換中心的作用既可做遠(yuǎn)端400 MHz中繼臺(tái)的屬臺(tái)，又可做遠(yuǎn)端150 MHz中繼臺(tái)的匯接鏈路。350 MHz收發(fā)信機(jī)主要為森警部隊(duì)配備，通過(guò)無(wú)線交換中心使森警部隊(duì)的通信裝備與地方的通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

上述三個(gè)頻段的無(wú)線信道除語(yǔ)音通話外，同時(shí)又是無(wú)線交換中心進(jìn)行無(wú)線控制切換接續(xù)的信令通道，無(wú)論從哪一頻段進(jìn)入均可實(shí)施控制。這三個(gè)頻段的收發(fā)信機(jī)的頻率設(shè)定除電腦編程外，均可現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)置頻，用以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急需要。

1.2 中心控制器

中心控制器由CPU微處理器，DTMF（雙音多頻）編解碼器，固態(tài)模擬開(kāi)關(guān)，數(shù)字開(kāi)關(guān)等單元組成。它的作用是接收來(lái)自信道機(jī)所接收的信令，處理實(shí)施各項(xiàng)指令，并回饋各種指令完成的確認(rèn)。

它的主要功能是中心無(wú)線設(shè)備各頻段收發(fā)信機(jī)的切換和接續(xù)；每個(gè)頻段收發(fā)信機(jī)信道切換；150 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器A機(jī)和B機(jī)的轉(zhuǎn)換；150 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器中繼/基地工作模式的切換；通過(guò)150 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器或400 MHz鏈路機(jī)遙控遠(yuǎn)端控制切換單元模塊實(shí)施遠(yuǎn)端中繼臺(tái)與鏈路機(jī)的接續(xù)。

無(wú)線交換中心除無(wú)線遙控交換外，并設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)人工交換接續(xù)功能，中心控制器裝備有各種操作按鈕和各種工作狀態(tài)的指示。

要實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控，采用了以下的控制方式：

（1）開(kāi)放式及信令控制方式。所謂開(kāi)放式，即載波控制方式，利用各頻段中繼臺(tái)或車(chē)載臺(tái)所接收到的載波信號(hào)實(shí)施控制。當(dāng)連接控制器中的任意一臺(tái)無(wú)線設(shè)備接收到信號(hào)后，自動(dòng)啟動(dòng)其他無(wú)線設(shè)備發(fā)射，并將語(yǔ)音信號(hào)加載調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)至這些設(shè)備的下屬終端。

（2）信令控制方式用大眾化的DTMF格式，即在每臺(tái)中繼臺(tái)或車(chē)載臺(tái)接口處設(shè)有信令解碼器，此解碼器的解鎖分自助式和被動(dòng)式，在自助模式情況下，該接口處無(wú)線通道的屬臺(tái)，若需要與其他頻段信道通話時(shí)，由自己發(fā)出指令解碼接續(xù)。解碼關(guān)閉分指令和延時(shí)兩種，當(dāng)發(fā)指令碼即刻關(guān)閉，否則，等待延時(shí)期內(nèi)不再通話時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。所謂被動(dòng)式是由系統(tǒng)中被授權(quán)的高層人員掌握密匙控制其各頻道通話的路由。

上述功能及碼源分配可PC機(jī)編程設(shè)定，也可通過(guò)DTMF信令程序無(wú)線遙控設(shè)定。

1.3 中繼臺(tái)或車(chē)載臺(tái)與交換控制器的接口（圖2）

圖2 接口示意

為了提高系統(tǒng)可靠性，不因某頻道故障導(dǎo)致系統(tǒng)其他頻道處于連續(xù)發(fā)射狀態(tài)，接口電路的控制信號(hào)采用光耦隔離；音頻輸出、輸入采用音頻變壓器隔離方式，這使音頻信號(hào)通過(guò)磁耦合，電路不共地，可減少或降低由于共地電位差引起的噪聲或雜音。

1.4 供電設(shè)備

整個(gè)無(wú)線交換中心設(shè)備的供電統(tǒng)一由一個(gè)電源模塊提供。該模塊交直流兩用，自動(dòng)無(wú)觸點(diǎn)切換，內(nèi)置20 A的鎳氫電池組，備有外接大容量電池組的接口，并設(shè)有內(nèi)外大電流電池充電功能。內(nèi)置電池組按收發(fā)1∶1周期循環(huán)工作，至少可連續(xù)2 h使用。

1.5 天饋設(shè)備

本系統(tǒng)配備4副全向天線，160 MHz一副，360 MHz一副，410 MHz和460 MHz各一副。天線指標(biāo)的重點(diǎn)放在帶寬上，以犧牲增益為代價(jià)換取帶寬，由于無(wú)線交換中心設(shè)備通常安裝在較高的山頂上，從設(shè)備配置和使用角度出發(fā)，相對(duì)而言是值得的。

全向天線采用1/4波長(zhǎng)套筒結(jié)構(gòu)，為盡可能少損失增益，同軸套筒使用直徑規(guī)格較大的，用于增加帶寬。

同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體使用多股線，具有較好的柔軟性，便于反復(fù)多次使用。其長(zhǎng)度為10 m，幾乎可以滿足各種環(huán)境下天線的架設(shè)。電纜連接器150 MHz使用UHF/M方式，400 MHz和350 MHz采用高頻特性好的N/M連接插頭。為避免忙亂中錯(cuò)接，電纜頭尾和天線安裝處均標(biāo)有顯著的標(biāo)注。

1.6 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的19英寸機(jī)柜，所有主機(jī)單元全部安裝在機(jī)柜內(nèi)。機(jī)柜采用輕型鋁材特制，機(jī)箱前后門(mén)為扣蓋式，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝操作使用。

系統(tǒng)包裝為二件：19英寸機(jī)柜一件，天饋為一件。天饋箱內(nèi)裝有4副天線和3根10 m長(zhǎng)的電纜。

2 組網(wǎng)應(yīng)用

系統(tǒng)的核心是無(wú)線交換控制器，它將各頻段的無(wú)線信道匯集在一起，完成網(wǎng)內(nèi)150MHz、350MHz、400 MHz不同頻段的無(wú)線終端對(duì)講機(jī)相互通話，同時(shí)可根據(jù)需要利用控制信令遙控某個(gè)中繼臺(tái)的與其他中繼臺(tái)的聯(lián)通和斷開(kāi)。其組網(wǎng)示意圖見(jiàn)圖3。

由圖3可看出，具有無(wú)線交換中心設(shè)備的中繼臺(tái)，一般設(shè)置在網(wǎng)內(nèi)與其他中繼臺(tái)都能實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)的地點(diǎn)。

2.1 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)中繼設(shè)備的到前指、縣防火辦語(yǔ)音通信的匯接中轉(zhuǎn)

在森林防火日常無(wú)線通信過(guò)程中包括超短波無(wú)線交換中心在內(nèi)的網(wǎng)內(nèi)每一個(gè)中繼臺(tái)除完成各自中繼范圍內(nèi)通信外，還通過(guò)鏈路與無(wú)線交換中心聯(lián)網(wǎng)，并轉(zhuǎn)發(fā)到縣防火指揮部或前線指揮部的基地臺(tái)。此時(shí)無(wú)線交換中心起到了中心中繼的功能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是不同信道但卻可形成全網(wǎng)通，即全網(wǎng)一呼百應(yīng)。

圖3 超短波無(wú)線交換中心組網(wǎng)示

2.2 實(shí)現(xiàn)撲救重、特大森林火災(zāi)時(shí)350 MHz段、150 MHz段、400 MHz段設(shè)備之間在必要的時(shí)刻的互通互聯(lián)

在發(fā)生重、特大森林火災(zāi)期間，為適應(yīng)大規(guī)模區(qū)域撲救林火的通信保障，實(shí)現(xiàn)森警官兵、當(dāng)?shù)胤阑鹬笐?zhàn)員之間的協(xié)調(diào)作戰(zhàn)，以便指揮部的命令及時(shí)下達(dá)，火場(chǎng)狀況隨時(shí)上報(bào)，有效控制火情撲滅火災(zāi)，無(wú)線交換中心可將森警的350 MHz通信設(shè)備、當(dāng)?shù)?50 MHZ通信設(shè)備以及匯接的400 MHZ鏈路設(shè)備通過(guò)無(wú)線交換中心設(shè)備進(jìn)行有序的切換接續(xù)，確保有效話務(wù)量的暢通，即實(shí)現(xiàn)了跨頻段之間的互通互聯(lián)。

2.3 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)中繼臺(tái)的聯(lián)通和接續(xù)功能

在日常森林防火工作中，尤其是在撲救重、特大森林火災(zāi)過(guò)程中，無(wú)線交換中心可完成各中繼設(shè)備的通斷控制和交換調(diào)度，解決信道擁擠和混亂的現(xiàn)象，從而避免由于全網(wǎng)聯(lián)通而易于造成互相干擾情況的發(fā)生，確保重要信息高質(zhì)量的傳達(dá)到所需要人員的地點(diǎn)。