同頻同播技術(shù)在省級(jí)消防無線通信網(wǎng)中的應(yīng)用

【摘要】本文分析了消防無線通信中引入同頻同播技術(shù)的必要性和可行性，介紹了同頻同播系統(tǒng)的技術(shù)特征及功能特點(diǎn)，分析了產(chǎn)生同頻干擾的各種原因，結(jié)合消防無線通信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了消防無線同頻同播網(wǎng)的組網(wǎng)方案，并對(duì)該方案的工作原理及鏈路的選擇作了詳細(xì)的分析。

【關(guān)鍵詞】同頻同播通信系統(tǒng)無線消防應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的搶險(xiǎn)救災(zāi)形勢(shì)逐步趨向社會(huì)化、全局化、復(fù)雜化和智能化等特點(diǎn)，消防跨地區(qū)大兵團(tuán)聯(lián)合作戰(zhàn)的幾率越來越高，由于參戰(zhàn)部隊(duì)多、建制組合復(fù)雜，火災(zāi)、搶險(xiǎn)救援現(xiàn)場(chǎng)的特殊性客觀上也對(duì)保障消防通信指揮中心與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之間的通信鏈路暢通無阻提出了更高的要求，消防無線網(wǎng)應(yīng)用是否成功，都將給滅火和搶險(xiǎn)救援事故處置帶來全局性的影響。但消防部隊(duì)專用頻率很少，受頻譜資源緊張的約束仍然是一個(gè)難題，這就需要在簡(jiǎn)單的頻率分配下，去完成大面積覆蓋及高通話質(zhì)量要求，以適應(yīng)專用網(wǎng)絡(luò)、特別是日益發(fā)展的警用調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的需要。因此建設(shè)無線同頻同播消防大區(qū)覆蓋網(wǎng)非常必要，對(duì)消防部隊(duì)履行滅火救援職責(zé)具有重要意義。

一、無線同頻同播網(wǎng)概況

1、無線同頻同播網(wǎng)。同頻同播系統(tǒng)是由單基站通信系統(tǒng)、常規(guī)多基站通信系統(tǒng)演變而來。同頻同播就是在整個(gè)所需要覆蓋的區(qū)域內(nèi)架設(shè)多個(gè)同頻中轉(zhuǎn)臺(tái)，并利用鏈路將相關(guān)中轉(zhuǎn)臺(tái)信號(hào)進(jìn)行連接，從而加大無線通信網(wǎng)的覆蓋范圍，提高覆蓋區(qū)的通訊可靠性，實(shí)現(xiàn)良好通訊質(zhì)量的無線對(duì)講網(wǎng)絡(luò)。

2、同頻同播系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。同頻同播系統(tǒng)自出現(xiàn)以來，在短時(shí)間內(nèi)就得到了廣泛的應(yīng)用。其具有組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)便、可靠性高、多方位覆蓋，消除通訊死角，可實(shí)現(xiàn)大范圍無縫覆蓋；整個(gè)系統(tǒng)采用一對(duì)工作頻率，頻譜利用率高，用戶使用方便，移動(dòng)用戶在整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)無需轉(zhuǎn)換頻道；安裝比較靈活方便，可根據(jù)需要任意增加基站，原有的無線電臺(tái)能夠在同播系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)練，建設(shè)要求低、周期短等特點(diǎn)。適用于頻率資源少，要求覆蓋范圍大，通信業(yè)務(wù)量低的應(yīng)用。較適合消防部隊(duì)使用，即可作主網(wǎng)使用，也可作備用網(wǎng)。

二、同播通信網(wǎng)的技術(shù)可行性

由于同頻同播系統(tǒng)的特點(diǎn)，多基站覆蓋時(shí)存在眾多的重疊覆蓋區(qū)，在重疊覆蓋區(qū)中，接收到來自幾個(gè)基站下發(fā)的信號(hào)，這些信號(hào)存在著載波頻率的差異、調(diào)制音頻信號(hào)的相位差異、調(diào)制音頻信號(hào)的幅度差異、電磁波空間傳輸路徑的時(shí)間差異以及不同傳輸介質(zhì)的時(shí)延差異，在各個(gè)發(fā)射站之間的重疊區(qū)域產(chǎn)生同頻干擾，影響信號(hào)的正常接收。因此，同頻同播系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)各基站信號(hào)重疊區(qū)的處理。

建立同播系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的同播技術(shù)要求要實(shí)現(xiàn)同播網(wǎng)交界區(qū)良好的通話質(zhì)量必須滿足下列條件：（1）各區(qū)中轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)射音頻波形要求基本一致包括幅度與形狀。（2）各區(qū)中轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)射音頻延時(shí)量要求基本一致。（3）各區(qū)中轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)射頻率必須一致。（4）優(yōu)化話音判選技術(shù)使通信網(wǎng)保持最佳話音質(zhì)量。

三、同頻同播系統(tǒng)重疊區(qū)同頻干擾的原因

1、頻率穩(wěn)定度

在多個(gè)基站進(jìn)行大覆蓋范圍組網(wǎng)時(shí)，多個(gè)中轉(zhuǎn)臺(tái)使用同一對(duì)頻率工作，必然在相鄰地方存在重疊區(qū)，在重疊區(qū)用戶機(jī)同時(shí)收到兩個(gè)或多個(gè)中轉(zhuǎn)基站傳來的信號(hào)，將會(huì)存在同頻干擾問題。

設(shè)其中A基站發(fā)射頻率為F1，鄰區(qū)另一B基站為F1’，則接收機(jī)解調(diào)輸出有：F1+F1’和F1-F1’。其中F1+F1’由于太高，在實(shí)際中沒有影響，F(xiàn)1-F1’則不能忽視，由于現(xiàn)用的無線發(fā)射設(shè)備頻率穩(wěn)定度誤差都在±10-6。而消防部隊(duì)現(xiàn)用的無線頻率是350MHz，頻率誤差為：±350×106×10-6=±350Hz，兩個(gè)載波之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率為0-700Hz的差頻干擾信號(hào)，因此F1-F1’所得之值正好落在音頻話音300Hz-3.4KHz范圍之內(nèi)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一單音嘯叫，這就是差拍嘯叫干擾，通信話音質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，甚至根本無法工作。因此，如何令F1與F1’同步，亦即F1=F1’，便成為同頻覆蓋發(fā)射的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2、相位同步

信號(hào)在接收端產(chǎn)生失真的機(jī)理與多徑效應(yīng)相類似，產(chǎn)生的原因主要是由于傳輸網(wǎng)絡(luò)具有不同的群時(shí)延特性。如果接收機(jī)接收到的語(yǔ)音是幾個(gè)相位不等的同一信號(hào)的疊加，倘若兩個(gè)相位恰好反相，接收機(jī)鑒頻輸出信號(hào)相互削弱，則接收效果不好甚至無接收信號(hào)。

（1）電磁波空間傳輸路徑的時(shí)間差異是引起音頻信號(hào)相位差異的另一個(gè)主要原因，電磁波傳輸時(shí)延0.3km/uS。因此不能忽略電磁波的空間傳輸時(shí)延差異。

（2）不同傳輸介質(zhì)的時(shí)延差異也會(huì)引起音頻信號(hào)相位的差異，光纖鏈路、數(shù)字微波鏈路提供的E1接口時(shí)延時(shí)間都不一樣，即使都是光纖鏈路，由于其經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同、路徑不同，其時(shí)延也不會(huì)相同。通常光纖或微波鏈路提供的E1接口時(shí)延時(shí)間小于500uS。

3、同幅

當(dāng)接收機(jī)接收到幾個(gè)載波的調(diào)制頻偏大于2dB時(shí)，解調(diào)出的信號(hào)幅度變化較大，移動(dòng)臺(tái)在高速穿越兩個(gè)同頻發(fā)射下行重疊區(qū)時(shí)就會(huì)接收到忽大忽小的鑒頻輸出信號(hào)，類似于收AM波的衰落現(xiàn)象。

四、系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

同頻同播系統(tǒng)從引起同頻干擾的信號(hào)覆蓋重疊區(qū)根源著手，引入衛(wèi)星GPS技術(shù)、鎖頻技術(shù)、延遲控制技術(shù)（如話音延時(shí)等同步技術(shù)）、場(chǎng)強(qiáng)判選技術(shù)等，建立起一套信令控制系統(tǒng)，減少各種干擾，提高通行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)信道的延伸和無縫覆蓋，從而加大無線對(duì)講網(wǎng)的覆蓋范圍，提高覆蓋區(qū)的通通信可靠性。

1、載波頻率的同步

采用同步技術(shù)使基站的發(fā)射頻率與某一頻率參考源進(jìn)行同步，則可徹底消除重疊區(qū)的差拍干擾。如在解決同播站發(fā)射載波頻率差異方面引入GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步技術(shù)（其頻率穩(wěn)定度為10-9），作為參考源，采用GPS高精度授時(shí)技術(shù)和晶振馴服技術(shù)，使內(nèi)部晶體振蕩器輸出頻率精密鎖定在GPS信號(hào)上，如果在350MHz頻段發(fā)射，保證重疊覆蓋區(qū)用戶接收端接收不同基站載波的頻率差異小于1Hz，低于20Hz的頻差人耳是分辨不出來的，因此采用GPS時(shí)鐘同步技術(shù)可以有效的避免了同頻干擾對(duì)話音質(zhì)量的影響。

2、調(diào)制信號(hào)幅度均衡

調(diào)制信號(hào)的幅度特性與傳輸網(wǎng)絡(luò)及基站的調(diào)制指數(shù)密切相關(guān)，調(diào)制信號(hào)幅頻特性的差異將會(huì)引起重疊區(qū)接收信號(hào)的失真?？删x設(shè)備，嚴(yán)格的篩選和精確的調(diào)試，保證各基站之間性能參數(shù)差異控制在很小的范圍之內(nèi)，保證音頻幅頻特性一致性好。

3、調(diào)制信號(hào)相位均衡

由于鏈路中轉(zhuǎn)臺(tái)的輸出話音信號(hào)通過不同的同播基站的發(fā)射機(jī)傳送到手持電臺(tái)，由于不同路徑延時(shí)的影響，因此在重疊區(qū)內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)收到的音頻信號(hào)存在相位差?？刹捎眯l(wèi)星GPS提供的高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間作為基準(zhǔn)，調(diào)整各個(gè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射音頻信號(hào)的延時(shí)，保證重疊區(qū)的音頻信號(hào)同相。

4、場(chǎng)強(qiáng)判選

一般在網(wǎng)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)同時(shí)幾個(gè)同頻基站接收到載波信號(hào)，這些同頻基站所接收到的載波信號(hào)會(huì)強(qiáng)弱不等。如將這些載波信號(hào)經(jīng)中心鏈路基站再轉(zhuǎn)發(fā)至各同頻基站，令網(wǎng)內(nèi)通話產(chǎn)生較大的雜音，此時(shí)判選系統(tǒng)可檢測(cè)啟動(dòng)的各同頻基站場(chǎng)強(qiáng)，將接收到的信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)通過鏈路機(jī)送到鏈路中心站進(jìn)行比較、分析、判選，根據(jù)各路信號(hào)的質(zhì)量，選出一個(gè)較好的信號(hào)輸出，再送到各同播基站的發(fā)射機(jī)發(fā)射，從而保證另一方移動(dòng)臺(tái)收到的話音是清晰的。

五、同頻同播系統(tǒng)組網(wǎng)模式

同播系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活，鏈路均可采用有線、無線鏈路或有線及無線鏈路混合。

1、無線鏈路同頻同播網(wǎng)

同頻同播網(wǎng)的鏈路采用無線方式，占用一對(duì)無線頻率。它的優(yōu)點(diǎn)是：基站選擇相對(duì)容易不受架設(shè)有線鏈路的條件的限制。但各同播基站和中心鏈路差轉(zhuǎn)機(jī)間必須建立可靠的通訊連接，而且鏈路頻率不能受到干擾。當(dāng)采用無線鏈路方式時(shí)，鏈路機(jī)需選用專用的鏈路電臺(tái)。

2、有線鏈路同頻同播網(wǎng)

有線鏈路同頻同播網(wǎng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上和無線鏈路同頻同播網(wǎng)大至相同，只是不再采用無線鏈路機(jī)而是用有線接口設(shè)備來傳輸鏈路信號(hào)。

每個(gè)同播基站到同播控制中心之間均有屬于自己的專用鏈路，而且在同播網(wǎng)工作期間是實(shí)時(shí)在線的，因此同播基站可將自己的狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送給同播控制中心處理而無需同播控制中心輪詢，因此處理延遲時(shí)間幾乎為零。

3、二種方式的比較

無線鏈路方式：（1）站點(diǎn)選擇靈活，不受有線架設(shè)條件的限制，只要可以和鏈路基站連通的地點(diǎn)都可以布設(shè)同播基站。（2）以后的使用和維護(hù)費(fèi)用低，但話音質(zhì)量低于E1鏈路方式。

有線方式：（1）可以組建大型同播系統(tǒng)，但基站架設(shè)受限制不能靈活選點(diǎn)。（2）全數(shù)字鏈路，傳輸速率高且穩(wěn)定，話音判選性能好，可確保系統(tǒng)已最佳話音同播。（3）相對(duì)于無線鏈路，受干擾的可能性小，可靠性高。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用有線/無線混合鏈路同播系統(tǒng)，有條件的地點(diǎn)采用有線鏈路，如總隊(duì)到各個(gè)支隊(duì)，可利用現(xiàn)有的消防信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；沒有條件的地點(diǎn)采用無線鏈路，如各個(gè)支隊(duì)的中轉(zhuǎn)基站，組成混合鏈路同播系統(tǒng)。

4、基站的選擇

基站的選擇應(yīng)該以布點(diǎn)合理、基站架設(shè)條件成熟以及便于日常維護(hù)管理為主。事前要做好轄區(qū)地形、地貌以及電磁環(huán)境的調(diào)查勘測(cè)工作，合理選擇設(shè)置基站的地點(diǎn)和數(shù)量，確?；驹O(shè)置合理和轄區(qū)指揮通信。

六、結(jié)論

在頻率資源日益短缺和電磁環(huán)境日益惡劣的今天，同播系統(tǒng)無疑有其存在的意義，它具有其它通信系統(tǒng)所不能替代的優(yōu)勢(shì)，其性能在經(jīng)過設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)節(jié)后完全可以達(dá)到常規(guī)通信系統(tǒng)的水平。因此同播網(wǎng)不但可實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍的擴(kuò)大，而且是解決無線盲區(qū)的有效方法，便于快速、高效、安全傳遞信息，提供了指揮、調(diào)度的便捷手段，提高滅火救援行動(dòng)的應(yīng)急反應(yīng)速度。

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