集群系統(tǒng)：從窄帶向寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展

何晨光　魏守明

【摘 要】從“集群”一詞的概念變化談起，總結了目前多種行業(yè)對寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)的應用需求，列舉了國內外寬帶無線多媒體集群的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，從而提出了我國寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)從窄帶向寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展過程中需要具備的9個方面的能力。

【關鍵詞】集群系統(tǒng) 寬帶通信 應用需求

1 前言

集群一詞是從英文Trunking或Trunked翻譯得來。實際上，Trunking或Trunked本意為中繼或干線，為了避免與譯為中繼的Repeater相混淆，上世紀80年代末期我國的移動通信專家胡思益（中國電子科技集團公司第七研究所前總工）把Trunking或Trunked譯成集群，并從Trunked的含義出發(fā)，定義了傳統(tǒng)意義上的“集群系統(tǒng)”為：所具有的全部可用信道都可為系統(tǒng)的全體用戶共用，具有自動選擇信道功能，是一種共享資源、分擔費用、提供優(yōu)良的多用途、高效能、廉價、先進的無線指揮調度系統(tǒng)。

隨著無線高速數(shù)據(jù)業(yè)務需求的飛速發(fā)展，寬帶化已經成為無線通信網絡發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)在行業(yè)用戶在利用集群通信系統(tǒng)進行指揮調度的過程中，不僅要“聽得到”，還要“看得見、看得清”，需要集群系統(tǒng)支持語音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等多種業(yè)務的不同傳輸速率。同時，我國的國情也進一步確定了集群系統(tǒng)在兼容窄帶集群系統(tǒng)的同時，向寬帶化平滑過渡，支持中速、高速和超高速等多種接入模式，構建與窄帶集群網絡、蜂窩網絡、PSTN（公共交換電話網絡）以及空天通信系統(tǒng)融合的新一代寬帶無線多媒體集群通信系統(tǒng)。

目前，“集群”的概念在Trunked一詞所涵蓋的集小群（組）為大群（組）的含義基礎上，已經從傳統(tǒng)的用戶信道資源共享，延伸到多樣化功能業(yè)務、多模式終端接入、以及多種窄帶化和寬帶化通信系統(tǒng)之間的融合，并將基于寬帶無線通信技術，采用多媒體業(yè)務形式，以指揮調度功能為主的專用無線通信系統(tǒng)稱為寬帶無線多媒體集群，簡稱寬帶集群。

2 寬帶集群的應用需求

傳統(tǒng)的窄帶集群是基于語音和低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，在指揮調度方面發(fā)揮著重要作用。但是，隨著多種行業(yè)對寬帶移動通信需求的日益強烈，并且對于語音通信和數(shù)據(jù)通信并存的需求越來越大。以公共安全業(yè)務為例，不僅需要上傳高質量圖片、下載大數(shù)據(jù)量文件，還需要進行實時視頻傳輸。對此，歐美各國對公共安全機構的寬帶集群通信進行了大量的調研和討論。根據(jù)行業(yè)用戶種類的多元化發(fā)展，總結出了新的寬帶集群應用需求。如表1所述，當前窄帶集群系統(tǒng)已經無法滿足行業(yè)用戶的多種需求。

表1 集群應用需求

類別 需求種類

功能需求 支持語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務；傳統(tǒng)集群業(yè)務；實時短消息和即時短消息；分局數(shù)據(jù)和IP接入；現(xiàn)場視頻傳輸；指揮調度；移動辦公；優(yōu)先服務策略；動態(tài)寬帶分配；虛擬專網；遙控遙測；物聯(lián)網集群應用；直通模式；自組網；移動用戶定位

性能要求 高質量語音，高分辨率圖像和實時動態(tài)高清視頻；極小的系統(tǒng)時延；上下行數(shù)據(jù)速率配置；高頻譜利用率；分層管理的統(tǒng)一網管系統(tǒng)；廣泛覆蓋；高性能的移動終端

安全性性能 分等級的安全加密體系；端到端加密；支持第三方開發(fā)密鑰管理中心；空中密鑰更新；阻止非授權接入

互聯(lián)互通要求 與傳統(tǒng)系統(tǒng)互通；接入公共通信網絡；接入衛(wèi)星通信網絡

環(huán)境適應性要求 無人值守基站；快速部署；電磁兼容性

兼容性要求 終端多樣性兼容；加入國際標準體系；向下兼容；升級和平滑演進

可靠性要求 冗余和備份；故障弱化與自恢復；自組網

可擴展性要求 標準API應用接口；可擴展的系統(tǒng)規(guī)模；開放系統(tǒng)架構

3 寬帶集群的應用現(xiàn)狀

目前，歐美等發(fā)達國家也正經歷著由窄帶向寬帶集群系統(tǒng)演進的過程。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于2010年提出了《國家寬帶計劃》，利用專用頻段建立公共安全專業(yè)寬帶移動通信網絡。美國奧巴馬總統(tǒng)提倡的全國無線行動計劃，意圖促進全國公共安全行業(yè)寬帶移動通信網絡的發(fā)展與部署。2010年9月，愛立信與摩托羅拉聯(lián)手將LTE引入無線專網，將語音和數(shù)據(jù)通信交互操作，從而統(tǒng)一推出性能卓越的語音和寬帶多媒體應用。該解決方案使用700MHz和400MHz兩個頻段。同年，美國Harris與諾基亞西門子公司合作推出一套完整的700MHz寬帶LTE專用網絡解決方案，該方案可以支持多種寬帶業(yè)務，使用戶既能使用下一代語音、數(shù)據(jù)和移動視頻等業(yè)務，還能繼續(xù)使用傳統(tǒng)的窄帶通信網絡。2011年3月，美國DFW國際機場對此方案進行驗證，通過利用LTE寬帶網絡和P25網絡，實現(xiàn)了PTT語音業(yè)務和視頻多媒體業(yè)務。2012年7月，Harris公司在美國國內成功進行了全國性公共安全LTE示范網絡測試。

加拿大在公共安全無線寬帶通信規(guī)劃與建設方面跟隨美國的步伐，其國防研究發(fā)展局將全力爭取寬帶專用頻段，建立全國性公共安全專業(yè)寬帶通信網絡。日本作為發(fā)達國家，已經完成了公共安全專用頻譜的劃分，并探討了一系列寬帶技術研究。

歐盟雖然還沒有出臺任何正式的公共安全寬帶通信網絡規(guī)劃，但各國的想法卻是十分一致的，就是必須發(fā)展專用寬帶移動通信網絡，這在2011年3月30日于布魯塞爾召開的名為“歐洲公共安全與救災服務的未來”研討會上就有明顯的體現(xiàn)。該研討會討論了歐洲未來專用通信的需求和發(fā)展。在研討會上，德國認為全歐洲應相互協(xié)調采用統(tǒng)一的頻段為公共安全與救災機構建立高速數(shù)據(jù)通信網絡；法國則表示其目標在2020年建成國內專用寬帶網絡，并期望歐洲在頻譜分配上能達成一致，這樣可以保障各國在跨國界區(qū)域通信的互操作性；芬蘭、奧地利等國也表達了同樣的觀點。

法國THALES公司早在2009年就發(fā)布了基于WiMAX和LTE技術的TeMax寬帶集群解決方案，可對傳統(tǒng)的TETRA網絡進行升級，實現(xiàn)真正的寬帶多媒體集群通信。其后，2010年與三星電子公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，將4G技術融入到TeMax方案中，可以使一臺TETRA集群終端同時支持WiMAX和LTE技術，做到了4G技術與TETRA集群系統(tǒng)的完美融合。

4 中國寬帶集群的發(fā)展趨勢

中國寬帶集群通信系統(tǒng)的研究緊隨全球的步伐，從2008年開始，在工業(yè)和信息化部“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項（專項三）課題的支持下，對全國多種行業(yè)的專用通信需求進行全面的調研，確定我國行業(yè)集群通信系統(tǒng)的發(fā)展方向，完成我國寬帶無線多媒體集群網絡的基礎框架設計及相關技術研究，截至2013年6月，已成功完成寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)多種接入模式的測試工作，并形成具有自主知識產權的技術標準。

中國的寬帶無線集群規(guī)劃將從基本國情出發(fā)：一方面，中國人口密度分布不均勻，地域廣闊的中西部地區(qū)人口密度低，適合大區(qū)制組網，人口密度大的東南沿海地區(qū)、一線和二線城市，適合小區(qū)制組網；在傳輸不同業(yè)務數(shù)據(jù)時，用戶對數(shù)據(jù)速率的要求也不盡相同，但在緊急情況下仍以語音通信為主，所以寬帶無線集群系統(tǒng)需要支持中速、高速和超高速等多種無線接入模式，構建多模式融合網絡；另一方面，中國已建有大量的窄帶基礎設施，寬帶無線集群系統(tǒng)的建設不可能一蹴而就，需要通過對窄帶集群系統(tǒng)的兼容，逐步平滑過渡。

所以，中國的寬帶集群系統(tǒng)需要具備如下9個方面的能力：

（1）高效的指揮控制能力。系統(tǒng)能夠提供完備的控制功能，通過多媒體方式進行大規(guī)模指揮調度、并正確決策。系統(tǒng)采用扁平化結構，信息上傳、下達迅速準確。

（2）實時的系統(tǒng)響應能力。在系統(tǒng)中，同交換機內組呼建立時間小于500ms；話語權申請時間小于200ms；與傳統(tǒng)無線系統(tǒng)互聯(lián)的呼叫接續(xù)時間小于1000ms。

（3）高度的安全防護能力。系統(tǒng)在運行過程中，通過物理防護、安全接入和端到端加密等功能，保證用戶和系統(tǒng)的信息在存儲、獲取、傳輸和處理過程中保持其完整、正確、可用和不被泄露。

（4）靈活的機動重組能力。系統(tǒng)能夠按照用戶需求變化和系統(tǒng)規(guī)劃與設計的規(guī)定，以重排（重新組態(tài)）、重復利用和更新系統(tǒng)組態(tài)或子系統(tǒng)的方式，快速靈活調整系統(tǒng)工作流程，實現(xiàn)低的重組成本、短的設計研制和斜升時間、高的性能投資效益。

（5）按需的資源共享能力。系統(tǒng)可利用無線頻譜感知技術和頻譜管理技術將有限的資源實現(xiàn)無限的利用，解決專網系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題，為專網系統(tǒng)的發(fā)展奠定堅實的基礎。

（6）多種業(yè)務應用能力。集群業(yè)務不再局限于語音指揮調度，還包括對多媒體調度、無線數(shù)據(jù)傳輸、定位、無線視頻監(jiān)控、移動辦公等多種業(yè)務。

（7）多場景的適應能力。系統(tǒng)需要根據(jù)可獲得接入資源的差異性，利用多種接入方式來滿足多場景甚至是全場景的需求。在系統(tǒng)研制的過程中，針對可能面對的應用場景，研發(fā)相應的系統(tǒng)解決方案，使系統(tǒng)具備面向多場景的個性化能力。

（8）模塊化的配置能力。系統(tǒng)可以分成多個小功能模塊，然后根據(jù)行業(yè)用戶的不同需求對這些模塊進行組裝，依據(jù)標準靈活產生系統(tǒng)原型的各種變體。

（9）架構的可擴展能力。系統(tǒng)在通過相應升級之后能夠達到提供更強處理能力。系統(tǒng)向下可兼容；向上可平滑過渡和升級；系統(tǒng)需要制定統(tǒng)一的網絡架構平臺和產品標準，統(tǒng)一的網絡外部和內部接口規(guī)范；需要多種接入模式支持不同典型行業(yè)的應用需求；需要多種制式的網絡系統(tǒng)間互聯(lián)（異構網絡）。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等. 數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[M]. 3版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008.

[2] 沙學軍，譚學治，陳娟. 數(shù)字集群網系統(tǒng)總體方案的探討[J]. 移動通信， 2001（4）.★

4 中國寬帶集群的發(fā)展趨勢

中國寬帶集群通信系統(tǒng)的研究緊隨全球的步伐，從2008年開始，在工業(yè)和信息化部“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項（專項三）課題的支持下，對全國多種行業(yè)的專用通信需求進行全面的調研，確定我國行業(yè)集群通信系統(tǒng)的發(fā)展方向，完成我國寬帶無線多媒體集群網絡的基礎框架設計及相關技術研究，截至2013年6月，已成功完成寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)多種接入模式的測試工作，并形成具有自主知識產權的技術標準。

中國的寬帶無線集群規(guī)劃將從基本國情出發(fā)：一方面，中國人口密度分布不均勻，地域廣闊的中西部地區(qū)人口密度低，適合大區(qū)制組網，人口密度大的東南沿海地區(qū)、一線和二線城市，適合小區(qū)制組網；在傳輸不同業(yè)務數(shù)據(jù)時，用戶對數(shù)據(jù)速率的要求也不盡相同，但在緊急情況下仍以語音通信為主，所以寬帶無線集群系統(tǒng)需要支持中速、高速和超高速等多種無線接入模式，構建多模式融合網絡；另一方面，中國已建有大量的窄帶基礎設施，寬帶無線集群系統(tǒng)的建設不可能一蹴而就，需要通過對窄帶集群系統(tǒng)的兼容，逐步平滑過渡。

所以，中國的寬帶集群系統(tǒng)需要具備如下9個方面的能力：

（1）高效的指揮控制能力。系統(tǒng)能夠提供完備的控制功能，通過多媒體方式進行大規(guī)模指揮調度、并正確決策。系統(tǒng)采用扁平化結構，信息上傳、下達迅速準確。

（2）實時的系統(tǒng)響應能力。在系統(tǒng)中，同交換機內組呼建立時間小于500ms；話語權申請時間小于200ms；與傳統(tǒng)無線系統(tǒng)互聯(lián)的呼叫接續(xù)時間小于1000ms。

（3）高度的安全防護能力。系統(tǒng)在運行過程中，通過物理防護、安全接入和端到端加密等功能，保證用戶和系統(tǒng)的信息在存儲、獲取、傳輸和處理過程中保持其完整、正確、可用和不被泄露。

（4）靈活的機動重組能力。系統(tǒng)能夠按照用戶需求變化和系統(tǒng)規(guī)劃與設計的規(guī)定，以重排（重新組態(tài)）、重復利用和更新系統(tǒng)組態(tài)或子系統(tǒng)的方式，快速靈活調整系統(tǒng)工作流程，實現(xiàn)低的重組成本、短的設計研制和斜升時間、高的性能投資效益。

（5）按需的資源共享能力。系統(tǒng)可利用無線頻譜感知技術和頻譜管理技術將有限的資源實現(xiàn)無限的利用，解決專網系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題，為專網系統(tǒng)的發(fā)展奠定堅實的基礎。

（6）多種業(yè)務應用能力。集群業(yè)務不再局限于語音指揮調度，還包括對多媒體調度、無線數(shù)據(jù)傳輸、定位、無線視頻監(jiān)控、移動辦公等多種業(yè)務。

（7）多場景的適應能力。系統(tǒng)需要根據(jù)可獲得接入資源的差異性，利用多種接入方式來滿足多場景甚至是全場景的需求。在系統(tǒng)研制的過程中，針對可能面對的應用場景，研發(fā)相應的系統(tǒng)解決方案，使系統(tǒng)具備面向多場景的個性化能力。

（8）模塊化的配置能力。系統(tǒng)可以分成多個小功能模塊，然后根據(jù)行業(yè)用戶的不同需求對這些模塊進行組裝，依據(jù)標準靈活產生系統(tǒng)原型的各種變體。

（9）架構的可擴展能力。系統(tǒng)在通過相應升級之后能夠達到提供更強處理能力。系統(tǒng)向下可兼容；向上可平滑過渡和升級；系統(tǒng)需要制定統(tǒng)一的網絡架構平臺和產品標準，統(tǒng)一的網絡外部和內部接口規(guī)范；需要多種接入模式支持不同典型行業(yè)的應用需求；需要多種制式的網絡系統(tǒng)間互聯(lián)（異構網絡）。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等. 數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[M]. 3版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008.

[2] 沙學軍，譚學治，陳娟. 數(shù)字集群網系統(tǒng)總體方案的探討[J]. 移動通信， 2001（4）.★

4 中國寬帶集群的發(fā)展趨勢

中國寬帶集群通信系統(tǒng)的研究緊隨全球的步伐，從2008年開始，在工業(yè)和信息化部“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項（專項三）課題的支持下，對全國多種行業(yè)的專用通信需求進行全面的調研，確定我國行業(yè)集群通信系統(tǒng)的發(fā)展方向，完成我國寬帶無線多媒體集群網絡的基礎框架設計及相關技術研究，截至2013年6月，已成功完成寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)多種接入模式的測試工作，并形成具有自主知識產權的技術標準。

中國的寬帶無線集群規(guī)劃將從基本國情出發(fā)：一方面，中國人口密度分布不均勻，地域廣闊的中西部地區(qū)人口密度低，適合大區(qū)制組網，人口密度大的東南沿海地區(qū)、一線和二線城市，適合小區(qū)制組網；在傳輸不同業(yè)務數(shù)據(jù)時，用戶對數(shù)據(jù)速率的要求也不盡相同，但在緊急情況下仍以語音通信為主，所以寬帶無線集群系統(tǒng)需要支持中速、高速和超高速等多種無線接入模式，構建多模式融合網絡；另一方面，中國已建有大量的窄帶基礎設施，寬帶無線集群系統(tǒng)的建設不可能一蹴而就，需要通過對窄帶集群系統(tǒng)的兼容，逐步平滑過渡。

所以，中國的寬帶集群系統(tǒng)需要具備如下9個方面的能力：

（1）高效的指揮控制能力。系統(tǒng)能夠提供完備的控制功能，通過多媒體方式進行大規(guī)模指揮調度、并正確決策。系統(tǒng)采用扁平化結構，信息上傳、下達迅速準確。

（2）實時的系統(tǒng)響應能力。在系統(tǒng)中，同交換機內組呼建立時間小于500ms；話語權申請時間小于200ms；與傳統(tǒng)無線系統(tǒng)互聯(lián)的呼叫接續(xù)時間小于1000ms。

（3）高度的安全防護能力。系統(tǒng)在運行過程中，通過物理防護、安全接入和端到端加密等功能，保證用戶和系統(tǒng)的信息在存儲、獲取、傳輸和處理過程中保持其完整、正確、可用和不被泄露。

（4）靈活的機動重組能力。系統(tǒng)能夠按照用戶需求變化和系統(tǒng)規(guī)劃與設計的規(guī)定，以重排（重新組態(tài)）、重復利用和更新系統(tǒng)組態(tài)或子系統(tǒng)的方式，快速靈活調整系統(tǒng)工作流程，實現(xiàn)低的重組成本、短的設計研制和斜升時間、高的性能投資效益。

（5）按需的資源共享能力。系統(tǒng)可利用無線頻譜感知技術和頻譜管理技術將有限的資源實現(xiàn)無限的利用，解決專網系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題，為專網系統(tǒng)的發(fā)展奠定堅實的基礎。

（6）多種業(yè)務應用能力。集群業(yè)務不再局限于語音指揮調度，還包括對多媒體調度、無線數(shù)據(jù)傳輸、定位、無線視頻監(jiān)控、移動辦公等多種業(yè)務。

（7）多場景的適應能力。系統(tǒng)需要根據(jù)可獲得接入資源的差異性，利用多種接入方式來滿足多場景甚至是全場景的需求。在系統(tǒng)研制的過程中，針對可能面對的應用場景，研發(fā)相應的系統(tǒng)解決方案，使系統(tǒng)具備面向多場景的個性化能力。

（8）模塊化的配置能力。系統(tǒng)可以分成多個小功能模塊，然后根據(jù)行業(yè)用戶的不同需求對這些模塊進行組裝，依據(jù)標準靈活產生系統(tǒng)原型的各種變體。

（9）架構的可擴展能力。系統(tǒng)在通過相應升級之后能夠達到提供更強處理能力。系統(tǒng)向下可兼容；向上可平滑過渡和升級；系統(tǒng)需要制定統(tǒng)一的網絡架構平臺和產品標準，統(tǒng)一的網絡外部和內部接口規(guī)范；需要多種接入模式支持不同典型行業(yè)的應用需求；需要多種制式的網絡系統(tǒng)間互聯(lián)（異構網絡）。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等. 數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[M]. 3版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008.

[2] 沙學軍，譚學治，陳娟. 數(shù)字集群網系統(tǒng)總體方案的探討[J]. 移動通信， 2001（4）.★