數字集群通信關鍵技術研究

武警研究院 陳 思

數字集群是一種專用移動通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)內可用信道為所有用戶共享，是集資源共享、信道共用、費用分擔為一體，具有信道自動選擇功能的無線通信系統(tǒng)。其概念的產生是從有線電話通信中的“中繼”得來的。數字集群通信的特點在于能夠實現組呼和群呼功能、可創(chuàng)建用戶優(yōu)先級、采用大區(qū)制組網方式等，是一種多功能、高效率的通信方式。集群業(yè)務可廣泛應用于搶險救災、醫(yī)療急救、公共交通、公共調度、會議展覽、企業(yè)和小區(qū)管理、公安、交警以及家庭小團體等不同場景，可極大提高生產和工作效率，對國民經濟的發(fā)展有著極其重要的作用。對于數字集群通信系統(tǒng)而言，調制方式必須滿足窄帶寬、高頻譜效率和抗衰落性能強等要求，因此，實現數字集群通信，需要數字調制與解調、信道編碼、多址接入和抗衰落等多種關鍵技術做支撐。

1 數字語音編碼技術

語音信號是數字集群系統(tǒng)中應用最廣的信號，語音編碼技術是支撐數字集群通信的關鍵技術。語音編碼為信源編碼，是將模擬語音信號轉化為數字信號在信道中傳輸，是在盡可能少占用通信容量的前提下傳送盡可能高質量的語音信號，可以分為參量編碼、波形編碼和混合編碼三大類。

參量編碼是在語音發(fā)聲機理的基礎上找出表征語音的特征參量，對特征參量進行編碼的技術。該技術傳輸語音質量較低，因此采用率也較低。波形編碼是對模擬語音信號經過取樣、量化、編碼而形成的數字語音技術，其優(yōu)點在于能夠使用于較寬范圍的語音特性，在噪音環(huán)境下也能夠保持穩(wěn)定，主要包括脈沖編碼調制、差分脈沖調制、自適應差分脈沖編碼調制和增量調制等。為了獲得較好的語音質量，改善以上兩種編碼技術的缺點，出現了混合編碼方式，在混合編碼信號中，既含有特征分量，又有波形信息，在集群通信中應用較多。

2 數字調制技術

數字調制是在模擬調制的基礎上產生的，用載波信號的某種離散狀態(tài)來表征所傳送信息。數字調制大幅提高了抗干擾性能，抗信道衰落能力強，安全性更好。在數字調制中，將調制信號表示為符號或脈沖的時間序列，每個符號可以有m種有限狀態(tài)，每個符號又可以用表示為n比特。

數字調制可以分為線性調制和非線性調制兩大類，基本的數字調制方式有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）三種，這三種調制方式分別是指用不同的幅度、頻率和相位來表示不同符號的調制技術。結合實際應用需要，還對以上三種調制方式進行了改進，產生了高斯頻移鍵控（GFSK）、高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）、正交幅度調制（QAM）、最小移頻鍵控（MSK）、差分相移鍵控（DPSK）和正交相移鍵控（QPSK）等多種調制方式。

π/4DQPSK是對QPSK調制的改進，在調制之前對發(fā)送數據進行差分編碼，相位變化趨于連續(xù)且較為平滑，大大降低了包絡波動，誤碼率低，具有較好的輸出頻譜特性。該技術可以采用差分解調和相干解調，可以避免載波恢復，接收機結構簡單，能夠實現快速同步。目前，該技術已經廣泛應用于數字集群通信系統(tǒng)中，例如歐洲電信標準組織制定的TETRA標準和以色列的FHMA系統(tǒng)。

3 多址接入技術

當把多個用戶接入一個公共的傳輸媒介實現相互間通信時，需要給每個用戶的信號賦以不同的特征，以區(qū)分不同的用戶，這種技術稱為多址技術。當前，多址接入方式可以分為頻分多址、時分多址、碼分多址和混合接入方式。

頻分多址（FDMA）：根據傳輸信號載波頻率不同劃分來建立多址接入稱為頻分多址方式。它是一種調頻多址技術，將信道頻帶分割為若干子頻帶，每個子頻帶分給一個用戶專用直至通信結束，信道每次只能由一個用戶專享，其傳輸效率較低。

時分多址（TDMA）：根據傳輸信號存在時間的不同劃分來建立多址接入稱為時分多址方式。該技術是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。這種傳輸方式的特點是多個用戶可以共享一個頻率，是非連續(xù)傳輸，且時間插槽可以根據動態(tài)TDMA需求分配，因此頻帶利用率較高，系統(tǒng)容量大，通信質量高，但是在技術實現上較FDMA更為復雜。

碼分多址（CDMA）：根據傳輸信號碼型不同劃分來建立多址接入稱為碼分多址方式。該技術使用不同的偽隨機碼來區(qū)別基站，特點是通信網絡內所有用戶可共用同一載波、使用相同帶寬，用戶可同時發(fā)送和接收信號。信號的頻譜加寬，頻譜利用率高，話音質量好，保密性強，容量大。

在以上技術基礎上，我國首次提出了時分同步碼分多址（TD-SCDMA）技術，該技術是第三代移動通信技術，以我國自主知識產權為主，且在國際社會上得到廣泛認可，是我國在移動通信網絡領域取得的重大突破。單用戶在同一時刻雙向通信的方式是時分雙工，在相同的頻帶內在時域上劃分不同時隙給上、下行進行雙工通信，可以方便地實現上、下行鏈路間的靈活切換，通過最佳自適應資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8kb/s到2Mb/s以及更高速率的語音、視頻電話、互聯網等各種通信業(yè)務。華為公司提出的基于集群專網的技術體制GT80采用的就是TDMA與TD-SCDMA的融合技術。

4 可靠性技術

數字集群通信的信道不是理想化的，是在復雜環(huán)境中實現的，存在噪聲和干擾，容易產生由空間傳播造成的色散，因障礙物影響而產生的陰影衰落，由各種直射波、反射波等產生的串擾的多徑衰落，經過信道傳輸后接受的碼元信息出現一定的差錯。在實現數字集群通信的過程中，克服干擾和彌補衰落帶來的損失十分重要。

4.1 信道編碼技術

信道編碼的目的就在于發(fā)現或糾正碼元在信道傳輸過程中產生的差錯，改善通信系統(tǒng)傳輸質量，提高通信可靠性，是保證集群通信系統(tǒng)在多徑和衰落信道條件下正常工作必不可少的技術之一。

信道編碼是對信道干擾進行糾錯和檢錯的編碼技術，通常分為檢錯碼和糾錯碼兩大類，對信道中傳輸的數字信號進行檢錯的為檢錯碼，對信道中傳輸的數字信號進行糾錯的為糾錯碼，糾錯碼又包括分組碼和卷積碼等。分組碼中碼元的約束關系是線性的，而分組是對編碼而言的，可以用近代數理論中有限維有限域的矩陣來描述的。卷積碼是一種非線性碼，將k個信息比特變成n個比特，但是k和n通常較小，時延較小，其糾錯能力對著約束長度的增加而增強，差錯率卻隨著約束長度的增加而呈指數下降趨勢，其整體性能優(yōu)于分組碼，因此在數字集群通信系統(tǒng)中，卷積碼的使用較為廣泛。

4.2 抗衰落技術

比較典型的抗衰落技術有分集接收、RAKE接收技術和自適應均衡技術。

分集接收技術：實現方式是在若干個支路上接收相關性很小且載有同一消息的信號，通過合并技術再將各個支路信號輸出，在接收終端上大大降低了衰落的概率。分集技術根據所涉及的資源不同，可以分為空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集等。接收合并技術可分為最大比合并、等增益合并和選擇式合并等。

自適應均衡技術：數字集群通信傳輸信道特性復雜，幅頻響應和相頻響應呈現非線性特征，容易隨氣候等環(huán)境因素變化而變化，自適應均衡技術可以補償信道參數變化所引起的畸變，能夠自動調整參數以保持連續(xù)均衡，提高通信質量。集群通信系統(tǒng)中的自適應均衡器可以分為頻域自適應均衡器和時域自適應均衡器兩類，在實際使用過程中，為了最大限度地減小衰落，往往采用兩種自適應均衡器。

RAKE接收技術：是一種多徑分集接收技術，在時間上分辨出細微的多徑信號，對這些分辨出來的多徑信號分別進行加權調整、使之復合成加強的信號。該技術并不是適用于所有通信系統(tǒng)，主要用于第三代CDMA移動通信系統(tǒng)中。