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TD-LTE 宽带数字集群通信系统

1 集群通信系统的现状和发展趋势

集群通信系统是为了满足行业指挥调度需求而开发的、面向行业应用的专

用无线通信系统。由于集群通信系统主要侧重于指挥调度通信，其应用可遍及

公共安全、交通运输、公共事业、特种通信、企业生产等领域，尤其可以在应

对突发事件和自然灾害的过程中发挥优势。

与公众移动通信系统类似，集群通信系统也经历了从第一代模拟集群通信

系统，到第二代窄带数字集群通信系统的发展历程。第二代窄带数字集群通信

系统是当前国际、国内市场上应用最广泛的集群通信系统，其代表有：欧洲电

信标准协会（ETSI）的陆上集群无线电系统 TETRA（Terrestrial Trunked

Radio）、美国 Motorola 的综合数字增强网络 iDEN（Integrated Digital

Enhanced Networks）系统、我国的基于 CDMA 技术的开放式集群架构 GoTa

（Global open Trunking architecture）系统和基于 GSM 技术的 GT800 系统。

与公众移动通信系统的高速发展相比，无论在数据传输能力方面还是多媒体业

务支持能力方面，目前的窄带数字集群通信系统都比较落后。以 TETRA 系统的

最新演进 TEDS（TETRA Enhanced Data Service，TETRA 增强数据业务）为例，

在最理想情况下，也仅能支持 518kbps 的峰值传输速率。

随着无线高速数据业务的飞速发展，集群通信系统对宽带多媒体业务的需

求也日益显著，行业人员在应用集群通信系统进行指挥调度的过程中，不仅要求“听得到”，还要求“看得见”，促使集群通信系统向数据宽带化、业务多样

化、终端多模化、系统 IP 化的发展方向迈进，其具体表现形式主要体现在高速

数据和视频的传输，以及构建于此基础之上的各种应用，包括多媒体集群调度、

协同作业、移动视频监控、城市应急联动等方面。例如，公安要求集群通信系

统能够支持现场图像和视频采集、多媒体数据广播、视频指挥等；石油化工行

业要求集群通信系统能够支持远程视频监控等。可以说，数字集群通信系统将

进入一个崭新的宽带数字集群通信系统时代。宽带数字集群通信系统可以定义

为基于宽带无线通信技术，以多媒体集群业务形式，提供指挥调度功能的专用

无线通信系统。它的特点是具备语音调度、数据调度、视频调度等多种业务协 2 同的融合调度能力。

2 宽带数字集群通信系统的典型特征

宽带数字集群通信系统在业务、功能和性能上具有以下典型特征：

（1）业务特征

· 语音业务 宽带数字集群通信系统在语音业务方面要做到“一呼百应”，具有快速指挥

调度能力，实现单呼、组呼、全呼、广播呼叫、紧急呼叫、优先级呼叫、调度

台核查呼叫；此外，宽带数字集群通信系统还要实现与 PSTN（Public Switched

Telephone Network，公共电话交换网络）、蜂窝移动通信网络（如 GSM、CDMA、

TD-SCDMA、LTE 等），以及其它数字集群通信系统（如 TETRA、iDEN、Gota、GT800

等）的互联呼叫。

· 数据业务

宽带数字集群通信系统不仅要承载尽力而为（Best Effort）类数据业务，

还要承载实时控制类数据业务，以实现数据调度功能。例如，在指挥调度过程

中，用户可以通过手持终端接收、发送和查询业务相关数据；调度台也可以向

用户批量下发文字指令，然后用户根据结果对指令进行回复和确认。由于实时

控制类数据业务对时延和可靠性要求很高，因此在进行系统设计时需要提供强

有力的 QoS 保证。

· 视频业务随着宽带无线通信技术和高速数据业务的飞速发展，集群通信系统对宽带 多媒体业务的需求日益增强。行业人员利用集群通信系统进行指挥调度的过程 中，不仅要“听得到”，还要“看得见”，因此宽带数字集群通信系统要承载各

种交互型视频业务，包括现场图像上传、视频通话、视频回传、视频监控等。 因此，在进行宽带数字集群通信系统的设计时要充分考虑视频编解码、视频传 输与无线资源管理三者之间的协同。

（2）功能特征

· 多业务融合 新时期无线技术与应用互相促进，集群通信的需求从语音发展到数据，进

而有“百闻不如一见”的视频要求，甚至要求实现超越标清的高清视频。因此，

宽带数字集群通信系统需要提供语音调度、数据调度、视频调度等多种业务协 3 同的融合调度功能。通过数据业务和视频业务弥补语音业务在准确性、可记录

性方面的缺陷，从而实现全数字化、可视化、高度自动化、可记录及可追溯、

事件驱动的指挥调度和协同作业能力。

· 指挥调度 宽带数字集群通信系统需配有专门、统一的指挥调度中心，根据事件现场

人员反馈的情况，通过有线或无线调度台实现区域呼叫、通话限时、动态重组、

迟后进入、遥毙/复活、呼叫能力限制、繁忙排队、监听、环境侦听、强拆、强

插、录音/录像等多种操作。此外，指挥调度中心还可以为调度台设置管理级别，

实现分级调度管理。

· 分层管理 宽带数字集群通信系统应该满足指挥调度分级管理的要求，实现指挥调度

中心的多级分层调度。上级指挥中心应该能够同步指挥其下各级指挥中心，随

时调取下级指挥中心的监控图像、语音、数据，甚至远程控制下级指挥中心的

操作。通过统一管理、分级调度的方式不仅可以提高调度效率，还可以实现高

效的协同工作，满足跨地域、跨部门的大规模现代指挥调度的需求。

（3）性能特征

· 快速接入能力宽带数字集群通信系统应该具有快速接入能力，在系统设计时，如果有必 要，可以牺牲系统容量和低级别业务为来确保系统的关键性能指标。宽带数字 集群通信系统对呼叫建立时间有严格要求，一般要求业务终端的呼叫建立时间 小于 500ms，话权抢占时间小于 200ms，以实现快速的指挥调度。

· 更高的安全性和保密性 宽带数字集群通信系统是针对行业应用而设计的专用指挥调度通信系统，

对网络和信息传输的安全性和保密性要求较高，尤其是政府、公安、军队、公

共安全等国家安全部门或强力机构使用的集群网络，一定要防止遭受恶意攻击

以及信息被截获或篡改等。因此，宽带数字集群通信系统应能够提供包括鉴权、

空口加密以及端到端加密在内的一整套完备的安全机制，来解决其所面临的诸

多安全威胁。

· 更高的可靠性 宽带数字集群通信系统在网络可靠性方面有着更高的要求，要求具有强故 4 障弱化、单站集群和抗毁能力，以提供应对各种自然灾害或突发事件的应急指

挥通信能力。宽带数字集群终端还应该具有脱网直通以及构建 Mesh 网络等的能

力，使得在网络无法覆盖时，能够支持群组用户的脱网直通能力。

3 宽带数字集群通信系统的技术选择

宽带数字集群通信系统可以基于不同的宽带无线通信技术实现，下面简要

说明选择 TD-LTE 技术发展宽带数字集群通信系统的考虑。

首先，LTE 技术是 3GPP 大力发展的新一代宽带无线通信技术，属于国际准

4G 标准。它采用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple，正交频分

多址）和 MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）技术作为其无

线网络演进的标准，在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 100Mbps 和上行 50Mbps

的峰值传输速率；LTE 系统采用全 IP 网络架构，网络结构扁平化，有效的缩短

了控制面和用户面时延；LTE 系统的下行频谱效率为 5bits/Hz，上行频谱效率

为 2.5bits/Hz，相比 3G 系统提高了近 2～4 倍；此外，LTE 系统还支持良好的

移动性，要求移动速率达到 120km/h～350km/h 时移动终端能与网络保持连接，

确保其不掉线。

而 LTE 技术中的 TD-LTE 相对 FDD LTE 来说，又具有其独特的优势，比如：TD-LTE 系统的上下行链路无须使用成对的频谱，这样可以方便的使用和配置 LTE FDD 系统不能使用的零散频段，能有效的提高频谱利用率，在频谱资源紧 缺的情况下具有天然优势；TD-LTE 系统在支持不对称业务（如网页浏览、视频 点播）方面具有一定的灵活性，可根据业务类型灵活配置 TDD

帧的上下行配比， 相比于 FDD 系统可有效避免信道资源浪费；在使用智能天线时，LTE 系统的上 下行链路可以使用相同的权值，无需分别计算，能有效降低移动终端的处理复 杂性；TD-LTE 系统中，由于上下行信道一致，基站的接收和发送可以共用部分 射频单元，在一定程度上降低了基站的制造成本。

此外，TD-LTE 技术是我国自主创新的 TD-SCDMA 的演进技术，是未来宽带

移动通信的主流标准之一，也是移动通信与宽带无线接入融合的典范。TD-LTE

宽带集群通信系统不仅可以继承 TD-LTE 系统高速率、大带宽等诸多优点，与现

有集群通信系统相比，具有更大的信道容量、更高的频谱利用率、更强的抗干

扰能力和更好的传输性能，满足现代集群通信网络在容量、带宽、传输速率和

频谱利用率等方面的需求，而且在系统研发的自主性方面具有其它宽带通信技 5 术不可比拟的优势。

目前美国联邦通信委员会 FCC 在“国家宽带计划（National Broadband

Plan）”中明确指出，用于商用的高 700MHz D 频段要使用国际标准空口协议，

以实现与现有国家公共安全网络的兼容，支持公共安全频段的用户的漫游和高

优先级访问，而最合适的协议标准是 LTE。国际上应用最广泛的 TETRA 数字集

群通信系统在后续演进上也考虑采用 LTE 技术。由此可以看出，选择 LTE 技术

发展宽带数字集群通信系统是具有先进性和可行性的。

4 宽带数字集群通信系统采用的关键技术

4.1 宽带数字集群通信协议 针对集群业务群组呼叫、点对多点数据传输的特点，需要设计专用的集群

寻呼信道，以及承载集群控制信息和业务数据的信道，实现多用户共享下行控

制和业务信道，节省无线信道资源。此外，系统还需要设计适用于群组呼叫的

无线资源管理策略和调度算法，提高无线资源的利用率。

针对集群业务快速建立的特点，需要对系统呼叫流程进行改进和优化，减少、合并信令消息，并对某些消息采用并行处理方式，以节省信令交互的时间。

设计专用的集群寻呼信道，群组用户接收到寻呼消息后立即加入到组呼中，不 需要和网络有任何的消息交互，加快了呼叫的建立。

针对集群寻呼消息以及组呼建立/释放、话权申请/释放、强插/强拆、紧急

呼叫等集群业务要求，宽带数字集群通信系统需要设计相应的无线资源控制消

息和信令流程，以提供丰富的集群调度业务。

4.2 同频组网

在频谱资源日益紧张的情况下，同频组网是提升系统频谱效率的关键技术

之一。解决宽带数字集群通信系统的同频组网问题时，需要针对集群业务的不

同特点进行研究。由于宽带数字集群通信系统提供了比现有集群通信系统更加

丰富的可调整维度（包括了空、时、频、码、功率等），因此，一方面需要研究

发掘各种独立技术方案，另一方面还需要研究设计一整套适合宽带数字集群通

信系统的综合性方案，并提供能够适应具体应用场景的优化策略，从而显著提

升同频组网情况下的频谱利用效率和系统服务能力。