同頻同播與同類無線組網(wǎng)技術(shù)對(duì)比分析

劉永方

（廣西壯族自治區(qū)公安廳科技信息化總隊(duì)，南寧 530012）

1 引言

隨著無線通信應(yīng)用需求的發(fā)展，常規(guī)無線通信早已無法滿足廣覆蓋、全聯(lián)通的業(yè)務(wù)需求，近年來，由常規(guī)無線通信系統(tǒng)演變而來的同頻同播通信系統(tǒng)、IP互聯(lián)系統(tǒng)、無線自組網(wǎng)系統(tǒng)、數(shù)字集群通信系統(tǒng)等得到了快速發(fā)展，各種組網(wǎng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在此對(duì)其組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行介紹和分析比較，供各應(yīng)用單位組網(wǎng)時(shí)參考。

2 組網(wǎng)技術(shù)介紹

2.1 同頻同播技術(shù)

同頻同播技術(shù)起源于上世紀(jì)九十年代中期的尋呼系統(tǒng)中，用于改善低速數(shù)字尋呼的覆蓋效果。同頻同播系統(tǒng)由全雙工基地臺(tái)、同播基站控制器、鏈路機(jī)、GPS接收板、遙控遙測(cè)單元、天饋系統(tǒng)以及同播中心、調(diào)度中心、調(diào)度軟件、專用遙控遙測(cè)軟件等構(gòu)成。同頻同播系統(tǒng)通過多基站聯(lián)網(wǎng)，無論基站數(shù)量有多少只使用一對(duì)工作頻率，具有節(jié)省頻率資源、覆蓋面積大、呼損低、對(duì)講機(jī)可自動(dòng)平滑漫游、支持多種鏈路等特點(diǎn)，適合于需要覆蓋面積大、對(duì)通話質(zhì)量要求高、頻率資源緊張的單位使用。

同播系統(tǒng)因?yàn)椴捎猛l技術(shù)，重疊覆蓋區(qū)域要得到清晰的話音質(zhì)量，系統(tǒng)必須保證在重疊覆蓋區(qū)域，終端接收到的來自多個(gè)基站無線信號(hào)要滿足同頻、同相、同幅和最低場(chǎng)強(qiáng)保證要求。

現(xiàn)有同頻同播系統(tǒng)的通信質(zhì)量保證主要依靠的是窄帶調(diào)頻制本身所具有的同頻干擾容限（典型值為8dB），通過一定的技術(shù)手段一定程度上改善相鄰?fù)セ鞠滦行盘?hào)的強(qiáng)度差異在同頻干擾容限之下（即小于8dB）時(shí)的通信質(zhì)量。

圖1 同頻同播系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

同頻同播技術(shù)在通信質(zhì)量上的制約因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）失真和噪聲。如果是數(shù)字同頻同播，雖然中繼傳輸過程不會(huì)引入失真和噪聲，但不同同播基站中數(shù)字信號(hào)基帶濾波器的群延時(shí)和失真特性是存在差異的，仍會(huì)導(dǎo)致濾波后用作調(diào)制信號(hào)的波形在具體的波形細(xì)節(jié)上存在一定的差異。

（2）同頻干擾及速率抑制。在各個(gè)同播基站下行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的調(diào)制過程中，各個(gè)調(diào)制器的調(diào)制信號(hào)幅度、調(diào)制靈敏度和調(diào)制響應(yīng)特性也存在差異，當(dāng)前流行的鎖相倍頻調(diào)制器，從調(diào)制信號(hào)的幅度變化到壓控振蕩器輸出期望頻率的載波之間有一個(gè)過渡過程。

受鎖相環(huán)路濾波特性、壓控振蕩器壓控特性等多種因素的影響，該過渡過程中實(shí)際的載波頻率均值雖然滿足調(diào)制特性要求，但其載波頻率變化的方差是隨機(jī)的；這樣的已調(diào)載波被同播之后，再與其他調(diào)制器輸出的具有類似隨機(jī)頻率變化細(xì)節(jié)的已調(diào)載波線性疊加，其合成的結(jié)果必然是“同”頻干擾嚴(yán)重的；如果數(shù)字同頻同播時(shí)仍采用鎖相倍頻方案的調(diào)制器，則很難滿足較高速率數(shù)據(jù)的同頻同播要求。

（3）頻率偏差。即使是在理想的發(fā)射同步信息支持下，各個(gè)同播基站在每個(gè)瞬間時(shí)刻所發(fā)射載波的頻率實(shí)際上也并不相同，不僅僅只存在幾赫茲至十幾赫茲的固定頻率偏差，也不僅僅是因受中繼鏈路引入的失真、噪聲、基帶濾波器特性（數(shù)字）、調(diào)制信號(hào)幅度、調(diào)制靈敏度和調(diào)制響應(yīng)特性等多種因素的影響而在一定范圍內(nèi)呈隨機(jī)變化。

而且經(jīng)過同播發(fā)射后，在相鄰?fù)セ鞠滦行盘?hào)的強(qiáng)度差異不大的區(qū)域中，因傳輸路徑長(zhǎng)度差異（數(shù)百米到幾千米，引入的時(shí)延差在幾微秒到幾十微秒之間）還會(huì)引入前后不同頻率之間的相互干擾（模擬話音波形是不斷變化的）；此外，不同傳播路徑上隨機(jī)波動(dòng)的傳播衰減還會(huì)進(jìn)一步使這種相互干擾的幅度和變化規(guī)律呈現(xiàn)隨機(jī)變化。

2.2 IP互聯(lián)

IP互聯(lián)系統(tǒng)主要是指在多常規(guī)基站IP互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模式下，通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分散在不同地點(diǎn)的數(shù)字中轉(zhuǎn)臺(tái)之間交換語音、數(shù)據(jù)和控制包，即將各個(gè)中轉(zhuǎn)臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，形成一個(gè)更大范圍的常規(guī)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的專網(wǎng)通信。

圖2 IP互聯(lián)組網(wǎng)架構(gòu)

IP互聯(lián)主要用于擴(kuò)展通信范圍，IP互聯(lián)模式支持以下幾種典型的應(yīng)用需求：一是連接兩個(gè)或多個(gè)分散的常規(guī)通信系統(tǒng)；二是構(gòu)建更大、更有效的通信覆蓋范圍；三是廣播信息到所有IP互聯(lián)的中轉(zhuǎn)臺(tái)覆蓋范圍；四是連接基于IP的應(yīng)用程序。

2.3 無線自組網(wǎng)

無線自組網(wǎng)也稱為Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，是由一組自組織、多跳、無中心、具有信息收發(fā)能力的設(shè)備組成的一張分布式的網(wǎng)絡(luò)，具有高度的靈活性。在軍事、應(yīng)急處突和不易建設(shè)固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的環(huán)境下，能夠迅速組建一張臨時(shí)性的通信網(wǎng)絡(luò)，具有很大的應(yīng)用前景。

圖3 無線自組網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

2.4 數(shù)字集群

數(shù)字集群通信系統(tǒng)是利用了當(dāng)今先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)的集群調(diào)度通信系統(tǒng)。它采用了數(shù)字信令方式，語音數(shù)字編碼技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜渴菙?shù)字信號(hào)，因而數(shù)字集群具有以下優(yōu)勢(shì)：一是采用軟交換技術(shù)，系統(tǒng)容量大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于與GIS等信息系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)對(duì)接；二是抗干擾能力強(qiáng)，通話音質(zhì)較好；三是容易加密，有安全保密功能；四是有定位、短消息功能；五是頻率利用率更高；六是方便系統(tǒng)間互聯(lián)；七是大區(qū)制建網(wǎng)；八是更豐富的調(diào)度功能。

圖4 數(shù)字集群加密方式

3 同頻同播技術(shù)體制對(duì)比

3.1 同頻同播與IP互聯(lián)

由于同頻同播基站的數(shù)量不多且覆蓋區(qū)大多呈帶狀或鏈狀分布，還能通過微調(diào)各基站的發(fā)射功率和定時(shí)同步偏差對(duì)同頻干擾嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，因此基本上能滿足應(yīng)用之需。但在大范圍覆蓋和規(guī)模組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景下使用同頻同播系統(tǒng)將會(huì)帶來較大的弊端，主要體現(xiàn)在同頻覆蓋區(qū)的干擾問題，尤其是重疊覆蓋區(qū)將會(huì)由為嚴(yán)重，導(dǎo)致覆蓋區(qū)內(nèi)完全無法正常通話。

IP互聯(lián)在各中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采用不同頻率，不要求嚴(yán)格的時(shí)鐘、相位和頻率同步，這就解決了同頻同播的同頻覆蓋和干擾問題。采用IP互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)體制上可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)覆蓋和規(guī)模組網(wǎng)，其系統(tǒng)特點(diǎn)相比于同頻同播表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）覆蓋范圍對(duì)比。在IP互聯(lián)和同頻同播都采用相同發(fā)射功率的情況下，同頻同播的覆蓋面積為IP互聯(lián)系統(tǒng)覆蓋面積的2/3。

（2）建網(wǎng)成本對(duì)比。同播同播系統(tǒng)本身硬軟件成本較高且需要進(jìn)行站點(diǎn)勘察和機(jī)房建設(shè)，在保證鏈路和電力供應(yīng)的情況下還應(yīng)充分考慮防水性能和施工條件。而采用IP互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)備本身的軟硬件成本和施工成本相對(duì)于同頻同播都比較低，建網(wǎng)性價(jià)比高。

3.2 同頻同播與無線自組網(wǎng)

同頻同播一般采用時(shí)鐘同步服務(wù)器或者GPS 授時(shí)來保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，若采用時(shí)鐘同步服務(wù)器受時(shí)對(duì)鏈路時(shí)延和穩(wěn)定性的要求較高，一般采用有線鏈路。建設(shè)同頻同播網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要提前配置各系統(tǒng)的參數(shù)，無法進(jìn)行快速部署，不具有較強(qiáng)的抗災(zāi)能力。

無線自組網(wǎng)除具有同播系統(tǒng)采用單頻點(diǎn)通信節(jié)省頻點(diǎn)資源的優(yōu)勢(shì)外，在靈活性、可靠性上存在天然的優(yōu)勢(shì)。主要在以下幾個(gè)方面做對(duì)比：

（1）靈活性對(duì)比。無線自組網(wǎng)設(shè)備之間由空中無線鏈路完成語音和數(shù)據(jù)傳輸，不僅降低系統(tǒng)造價(jià)，而且突破了地域限制。自組網(wǎng)基站支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)間自組級(jí)聯(lián)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行靈活的網(wǎng)絡(luò)自由組建。同頻同播系統(tǒng)需預(yù)先進(jìn)行系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，組網(wǎng)形式受鏈路、環(huán)境等條件因素制約，同播基站一旦建設(shè)完畢，后續(xù)進(jìn)行站址遷移將會(huì)面臨較大的困難。

（2）可靠性對(duì)比。同頻同播一般采用有線組網(wǎng)，需要進(jìn)行人工配置，完全無法自動(dòng)組網(wǎng)。無線自組網(wǎng)在防災(zāi)抗毀上有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)無線自組網(wǎng)內(nèi)的某基站故障或失效后，設(shè)備節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)搜索可連接設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)（可由背負(fù)者移動(dòng)配合），周圍其他節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。

3.3 同頻同播與數(shù)字集群

在應(yīng)對(duì)大規(guī)模組網(wǎng)和廣域信號(hào)覆蓋的場(chǎng)景下，數(shù)字集群系統(tǒng)無疑是最合適的選擇。根據(jù)系統(tǒng)的覆蓋、用戶容量和業(yè)務(wù)需求三方面情況分析，PDT 數(shù)字集群系統(tǒng)相對(duì)于同播系統(tǒng)能提供大區(qū)制的覆蓋，能提供多部門、多警種、多用戶的共享系統(tǒng)資源的服務(wù)，能夠提供高效的短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。

（1）系統(tǒng)用戶容量對(duì)比。集群系統(tǒng)的用戶容量與系統(tǒng)的基站數(shù)量、信道數(shù)量直接相關(guān)，同樣的信道數(shù)量，基站越多，系統(tǒng)的用戶容量越低。“用戶移動(dòng)性管理”做得好壞直接影響到集群系統(tǒng)的使用效率。用戶通話時(shí)，集群系統(tǒng)是按照用戶所在基站的登記注冊(cè)情況而分配基站的信道資源，即按需分配，可以最大程度提高信道利用率。同播系統(tǒng)沒有“用戶移動(dòng)性管理”功能，用戶通話時(shí)，每個(gè)基站不管有沒有用戶存在都分配信道資源，信道資源利用率很低。同播系統(tǒng)所用頻率資源少，所以并發(fā)通話的數(shù)量也少。具有相同載波數(shù)量的集群系統(tǒng)和同播系統(tǒng)，集群系統(tǒng)提供的用戶容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同播系統(tǒng)。

表1 四種無線技術(shù)對(duì)比表

（2）系統(tǒng)功能對(duì)比。同播系統(tǒng)采用同頻技術(shù)，除了是因?yàn)橐獢U(kuò)大覆蓋面積和缺少頻率資源的因素之外，還有一個(gè)重要原因是用戶在通話時(shí)可以任意切換基站而不斷線。數(shù)字集群系統(tǒng)采用成熟的越區(qū)切換技術(shù)，已經(jīng)做到了通話過程中跨越基站不斷線，而且通話過程中移動(dòng)到?jīng)]有該組成員分布的基站，基站也可以立刻分配通話信道。

集群系統(tǒng)在語音業(yè)務(wù)上同樣可以做到越區(qū)切換不掉話，且能更合理的利用語音信道資源，在數(shù)字功能上也可以進(jìn)行高效的信道資源管理，來支撐業(yè)務(wù)量較大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

4 結(jié)束語

通過以上的技術(shù)對(duì)比分析，同頻同播基站在數(shù)量不多且覆蓋區(qū)呈帶狀或鏈狀分布時(shí)，通過微調(diào)各基站的發(fā)射功率和定時(shí)同步偏差對(duì)同頻干擾嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，能基本滿足應(yīng)用之需。但在和同頻同播同等的應(yīng)用場(chǎng)景下，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)能力、資源管理、系統(tǒng)功能和建設(shè)成本，選用合適的組網(wǎng)技術(shù)手段將是最優(yōu)的選擇。