对公安专用移动通信网未来建设的若干思考

周运伟

(中国人民公安大学信息安全工程系,北京 100038)

0 引言

与公众移动通信的技术换代规律类似,专用移动通信也大致遵循 10年换一代的规律。第1代(1G)形成于 20世纪 80年代,以模拟常规体制为代表;第2代(2G)形成于 20世纪 90年代,以模拟集群体制为代表;第3代(3G)形成于 21世纪初,以窄带数字集群体制为代表。时至今日已进入 2010年,专用移动通信又到了下一轮技术换代的时刻。为了迎接公安专用移动通信下一次技术换代的到来,有必要总结在过去建网过程中的经验得失,分析此次技术换代所面临的形势及应达到的目标,并为技术换代过程中的关键问题寻找解决思路。

1 公安专用移动通信网的发展历程与现状

在过去 30多年里,公安专用移动通信网的建设顺应了技术发展潮流,经历了模拟常规、模拟集群和数字集群 3个阶段,已形成了一个终端数近百万、信道数过万、系统数近千的庞大网络。今天我们可以清楚地表述这样 2个不争的事实:(1)以对讲机列入单警必配装备为标志,公安专用移动通信网已成为公安机关在履行反恐处突、抢险救灾、打击犯罪、保护群众等职责时必不可少的通信技术装备;(2)以国内现有几个系统和终端生产商的长期生存和发展为标志,公安专用移动通信装备实现了由依赖国外进口到国内自主生产和再改进的过程,并成功地培育了一个相对庞大、稳定成熟的公安专用移动通信市场。

目前,公安机关已基本实现了从传统的警务工作模式到动态警务、信息警务模式的转变。以反恐处突、抢险救灾和 110接处警等工作为典型代表,对调度指挥的效率和可靠性提出了更高的要求,公安工作对公安专用移动通信网的依赖程度越来越高。然而,综观公安专用移动通信网的现状,可以用“通却不够畅,大还不够广,多仍不够用”来大致概括。其中:“通却不够畅”是指虽然有效地保障了调度指挥所需的话音业务,但在互联互通方面却存在明显不足;“大还不够广”是指虽然网络规模已经较大,但覆盖范围还不能满足当前执法和服务工作的要求;“多仍不够用”是指虽然系统和终端的数量众多,但仍不能满足多样化调度指挥业务的需要。

2 公安专用移动通信网建设所面临的形势

与其所担负的“指挥线、保障线和生命线”重任相比,公安专用移动通信网“通却不够畅,大还不够广,多仍不够用”的现状亟待改观。

2.1 指挥模式的变迁

早期建设的公安专用移动通信网,主要是为了解决本地的市(县、区)局到科所队、科所队之间以及科所队内部成员之间的分层级调度指挥通信问题,以组呼功能为主。近 10年来,随着局部经济区的数量增多和规模增大,高速公路的迅猛发展以及跨省市大型活动警保卫任务的增多,省(直辖市)厅(局 )到市(县、区 )局 、本地市 (县、区 )局到民警以及科所队在跨市(县、区)条件下的调度指挥需求迅速增多。在此过程中,形成了分层级和扁平化 2种常用指挥模式。

(1)分层级指挥。公安机关现阶段的典型指挥层级如图1所示。

图1 目前公安机关的指挥层级

由图1可知:过去,公安专用移动通信网主要承担的是第4～5级间的调度指挥业务。在直辖市,第2～4级的调度指挥业务也占有相当比例;在省(自治区),第3～3.5级和第3.5～4级间的调度指挥业务也占有一定比例,但第2～3级间的调度指挥业务很少。现在,越来越多的省(自治区)要求增加第2～3级间的调度指挥,并要求加强第3～4级间的协同调度指挥。

分层级指挥是公安机关调度指挥的主要模式,这是与公安机关的行政体制和职权划分相适应的,公安专用移动通信网提供的组呼业务和多种分组方式正是为了满足这种应用需求而设计的。过去 10多年里,采用 MPT-1327信令标准和 CPS-X编号方案的公安专用模拟集群的发展已形成相当规模,较好地满足了日益增长的本市(县、区)分层级调度指挥的应用需求;但是,要实现跨市(县、区)的分层级调度指挥,仍受联网技术标准、链路条件、频率协调和呼号规划等多种现实条件的制约。在有些省(自治区),为了满足第2～3级间调度指挥的需要,往往是再建一套常规同播系统(如海南、广东等),或是对原属于各市(县、区)的子系统进行联网改造(如内蒙古、江苏等)。

(2)扁平化指挥。扁平化指挥是高指挥层级跨越中间层级实现对更低层级的直接指挥,是近年来频繁使用的调度指挥模式。突发事件处置、110接处警、大型活动警保卫等工作是这种指挥模式的主要应用场合。例如,在群体性事件现场往往有高层级领导亲临现场指挥,此时扁平化的综合指挥是现场处置工作的迫切需要;再如,大型综合性指挥部(如 110指挥中心)往往有大量的现场视频或其他来源的信息报告,临时越过中间层级的扁平化直接指挥有利于及时控制事态的恶化、缩短出警时间、提高处警效率和节省警力。

从技术层面上看,扁平化指挥所需的通信业务仍是组呼。在理想的技术支撑条件下,扁平化和分层级的调度指挥完全可共用同一套系统和同一台终端,这原本就是集群系统设计时的主要技术目标之一,更是使用和管理部门的共同理想;但是,早期的建设以满足本市(县、区)的分层级调度指挥业务为主,互联互通的应用需求很少,没有制定相应的系统互联标准。在随后的建设中,不同市(县、区)的系统大多由不同厂商建设,或是前期和后期的系统分由不同厂商建设,或是前期的双频常规系统与后期的集群系统共存,这样就给跨市(县、区)的系统互联、频率规划、呼号协调和终端的跨区漫游带来了极大的困难。许多省(自治区)基本上不具备实现跨市(县、区)的分层级和扁平化指挥所需的技术支撑条件。

由此看来,目前的公安专用移动通信网只是较好地满足了本地分层级调度指挥的需要,而提供跨市(县、区)的分层级指挥和跨层级的扁平化指挥功能仍存在相当多的现实困难。显然,这些困难是公安专用移动通信网在未来的建设中必须克服的。

2.2 覆盖要求的变化

近年来,公安工作对公安专用移动通信网的覆盖提出了新的要求。例如:为了加强社会治安管理和提升服务水平,对 110接处警时间作了明确规定,这直接导致 110接处警工作对公安专用移动通信网的高度依赖;伴随高速公路大量建设和大型活动而来的是省域范围内的全程监管和跨省协作,伴随群体性事件和突发事件而来的是跨省、市(县、区)的联合行动,这要求尽快实现跨省、市(县、区)的系统互联和跨区漫游。然而,受建设经费和维护管理水平的制约,公安专用移动通信网的覆盖目前仍以城市中心地区和近郊为主,虽然采用了增站、扩容和同播联网等措施来改善远郊、高速公路沿线及农村地区的覆盖水平,但实际的改善程度仍与公安工作的实际要求有相当大的差距。

(1)局部区域要求提供大容量、能延伸到室内的覆盖。这类区域主要是城市的中心商业区或热点敏感地区。通常情况下,这类区域已布置有相当数量的常规巡防队伍,出现突发事件或群体性事件时往往还会有分属不同部门、肩负不同职责的警力齐聚现场。多种警力在局部区域的联合行动,不但要求当地的公安专用移动通信网能提供足够的容量,而且要求能将信号覆盖延伸到现场附近的室内,以保证入楼入室的巡查、布控等工作的顺利开展。

(2)线状区域要求提供小容量、跨行政区域的路面无缝覆盖。线状区域主要有高速公路、重要的省国道或大型活动路线等。这种区域大多是跨省、市(县、区)行政管界的,要求提供全程路面上的无缝覆盖,用户数量虽然不多,但重要性级别相当高。

(3)广域要求提供平时小容量、短时大容量的室外覆盖。在成规模的经济开发区、城乡结合部和人口密集的城镇等地方,往往有一定数量的常规巡防队伍,出现突发事件或群体性事件时往往有分属不同部门、肩负不同职责的警力齐聚现场,因此希望公安专用移动通信网在此类地区具有平时小容量、短时大容量的室外覆盖特性。

事实上,公安工作对公安专用移动通信网提出的上述多样化覆盖要求,与公众移动通信网要达到的覆盖特性是相近的。然而,公安专用移动通信网不具备公众移动通信网那样的滚动发展条件,不可能单纯地依靠增加基站数量和增大系统规模来满足各种各样的覆盖要求,即使有机会这样建设了,也没有足够的技术力量和后续经费来进行维护管理。与本地分层级调度指挥的组呼业务量相比,跨市(县、区)分层级调度指挥和扁平化调度指挥所需组呼业务在数量上只占少数,但所要求的覆盖范围却明显比实现本地分层级调度指挥时大。为了提供这类重要但数量不多的组呼业务而付出的高昂技术代价和管理成本,又由谁来承担呢?由此看来,为了满足当前公安工作对公安专用移动通信网提出的多样化覆盖要求,还需要在技术基础、管理水平以及建设和维护经费来源等方面开展大量的工作。

2.3 技术换代带来的问题

2.3.1 新旧系统更替

目前,公安专用移动通信网中有双频常规、模拟集群和数字集群(TETRA)共 3种技术制式。其中:双频常规和模拟集群均为模拟制式,这 2种制式在调制方式和载波信道带宽方面有良好的继承性,用一台终端就能兼容这 2种不同的模拟制式;数字集群(TETRA)的调制方式与模拟制式有较大区别,不能与模拟制式共用一套射频收发电路,其终端也难以兼容旧的模拟制式。从全国范围来看,无论是系统规模、终端数量还是覆盖范围,目前仍然是模拟集群占主流,双频常规居其次,而数字集群(TETRA)的规模仍很小。

众所周知,数字化是专用移动通信技术的发展方向,数字集群是公安专用移动通信网发展的必由之路;然而,目前的现状是,受系统互联标准、单基站覆盖范围、终端和系统价格等因素的制约,公安350M数字集群(TETRA)目前尚不具备全面替换双频常规和模拟集群的条件。由于旧的模拟制式不能全面退网,新的数字制式不能全面覆盖,又缺少兼容双频常规、模拟集群和数字集群 3种制式的多模终端来实现平滑过渡,这样就必然导致新旧制式的装备需要共存一段时间。对于本地的分层级指挥应用而言,新旧制式共存所带来的不利影响在一定范围内还可以克服(如分单位更换或配发双终端);对于跨市(县、区)的分层级指挥和跨市(县、区)且跨层级扁平化指挥应用而言,新旧制式共存无疑又增加了新的技术困难,如新旧系统互联互通、频率规划、呼号编排和转换等。

2.3.2 覆盖要求与技术特性之间的矛盾

在公安专用移动通信网中,双频常规和模拟集群均使用 25 kHz带宽的载波信道传输一路模拟话音,其基站侧标准的动态接收灵敏度为 -115 dBm[1],有利于做大区制覆盖;而数字集群(TETRA)在 25 kHz的载波信道上可以同时传输 3～4路数字话音,具有高的频谱利用率,但其基站侧标准的动态接收灵敏度为 -106 dBm[2],比双频常规和模拟集群的接收灵敏度低 9 dB左右,因此,数字集群(TETRA)只适于作中区制或小区制覆盖。事实上,以牺牲覆盖范围(灵敏度)为代价换取频谱利用率(用户容量)的提高,是包括 TETRA在内的这一代数字集群的共有技术特性。在技术原理上,这种特性是有效性与可靠性互相折衷的必然结果,在市场推广中,这种特性与公安当前的主流应用需求并不匹配。

为了弥补这种不足,可以利用新、旧 2种体制各自在容量和覆盖上的优势进行互补,如在城市地区采用具有高频谱利用率的数字集群(TETRA),在城市外围、高速公路沿线及农村等地区仍沿用适于大区制覆盖的双频常规或模拟集群。前已指出,这种设想在实施过程中却存在着一系列的困难,即使随着时间的推移,350M数字集群(TETRA)的系统和终端的价格降低到可以大规模建设的水平,采用中区制或小区制覆盖所带来的大量新增站址建设和运行维护管理也将是一个相当繁重的长期负担。如果不能用数字集群(TETRA)去全面换代双频常规或模拟集群,则只能让新旧制式的系统和终端长期共存。显然,这种局面对于公安专用移动通信网的发展是相当不利的。

2.3.3 市场培育问题

对于一个规模庞大的系统而言,技术换代既是机遇更是挑战,需要一个较长的过程。首先,新制式系统有一个分期、分批的建设过程;其次,用户对新制式产品的技术性能与应用需求的匹配程度、新制式产品对旧制式的兼容性等内容非常敏感,需要慎重选择;再次,用户的应用需求变化、旧装备淘汰速度和建设时机选择也需要一定的等待或观望时间。

在 20世纪 90年代中后期,公安机关选择了采用 MPT-1327信令标准和 CPS-X编号方案的公安专用模拟集群体制[3],由此开始了从双频常规到模拟集群的第1次技术换代。这次换代得到了许多有利因素的支持,如应用需求迅速增长,新制式产品能更好地满足应用需求,终端能良好地兼容新、旧制式,新、旧制式的覆盖范围基本相同,用户单位的支付能力明显提升等。即使是这样,这个换代过程仍然持续了近 10年之久。现在看来,当初的选择是正确的,既充分地满足了公安机关以本地分层级调度指挥为主的应用需求,又通过终端的新、旧制式兼容实现了平滑过渡,还顺应了技术发展的主流,成功地培育了一个相对庞大、稳定成熟的公安专用移动通信市场。

自 2003年以来,公安 350M数字集群(TETRA)标准的制定开启了公安专用移动通信网的第2次换代过程。2006年,在 MOTORALA和 EADS这 2家国际化大公司率先推出警用 350M数字集群系统和终端产品的同时,有多家国内外著名厂商加入到警用 350M数字集群终端生产商的行列。近 5年来,先后在北京、南宁、济南、苏州等城市建成了多个警用 350M数字集群系统,明显地增强了众多厂商对警用 350M数字集群的信心。

公安专用移动通信网的第2次换代,使原本模拟制式一统天下的公安市场出现了分化,也出现了一些不尽如人意之处:一方面,由于数字制式产品研发高门槛带来的前期投入要分摊到用户的建网成本中,目前警用 350M数字集群的系统和终端价格仍相当于传统模拟制式的 2～3倍左右,在原有模拟产品仍可以选择且还具有覆盖和成本优势的情况下,一般的市(县、区)级单位很难痛快地下决心选择数字制式产品,这使得数字制式产品在市场竞争中处于十分不利的位置;另一方面,数字制式是技术发展潮流和方向,本应成为扩建和增建系统时的首选,但是面对高昂的建网成本、关键的覆盖及联网性能等因素,用户同样也是很难下决心,而继续选择模拟制式产品又与技术潮流相悖,这样就置用户于两难境地。显然,这种厂商和用户均两难的局面,不利于公安专用移动通信市场的培育和发展,对公安专用移动通信网的当前建设和未来发展也是相当不利的。

现在,又到了一个技术换代的时刻,未来 3～5年内很可能又有新的数字集群体制可供选择,那时又将出现何种局面呢?首先,模拟制式的系统和终端仍占主流;数字集群(TETRA)产品因价格下降而正处于市场扩张期,但关键的覆盖及联网性能问题估计仍难以得到完善解决;再增加的新制式,其生存和发展的空间何在呢?如果在终端平滑过渡、系统互联标准和覆盖性能等方面仍然存在技术特性与应用需求之间的不匹配,那么势必会重复甚至恶化当前已经出现的厂商和用户均两难的局面。

由此看来,数字集群新体制的选择对于公安专用移动通信市场的培育和发展影响深远。

3 对公安专用移动通信网未来建设的若干建议

3.1 建网模式

(1)一网打尽。“一网打尽”的说法源于 10多年前对专用移动通信网建设模式的讨论,将其引入到公安专用移动通信网的建设中不存在太多的异议。在一个行业或部门中,使用统一制式的专用移动通信装备一直是人们追求的目标,因为这样有利于实现系统互联互通和终端漫游,可以形成产业规模和促进市场竞争。在实际的建设中,不乏接近“一网打尽”这一理想目标的成功个案。像上海和北京,利用大型国际活动的建设机会将绝大部份用户归属一张大网,既便于同时实现分层级和扁平化的调度指挥,又便于统一的招标采购。

(2)多网并存。直辖市的地域较小且建设机遇较多,“一网打尽”的目标相对容易实现;对于范围更大、应用需求和建设条件的地区差异巨大的省(自治区)而言,则只能接受和面对多网并存的事实。造成多网并存的原因是多方面的,如技术换代、建设经费来源、应用需求不同和管理归属问题等。多网并存会带来重复建设、频率规划困难、难以互联互通等问题,但这种现象存在的本身也说明其具有某些方面的合理性。

(3)跨区/本地 2张网。跨区/本地 2张网的现象已事实上存在。为了满足第2～3级间调度指挥的需要,海南、广东等地另建了一套常规同播系统,将第2级的调度指挥命令下达到第3级(各地的指挥中心),然后再由第3级通过本地网落实到第4和第5个层级。这种建网模式虽然不符合“一网打尽”的理想目标,但满足了第2～3级间调度指挥的需要,还能实现在全省范围内的重点地区从第2～5层级的扁平化指挥;因此,在多网并存、难以实现系统互联互通的地区,跨区/本地 2张网的建网模式在现阶段仍具有一定的实用性。

从全国范围来看,多网并存现象还将长期存在。“一网打尽”是我们追求的理想目标,在直辖市相对容易实现,在大多数省(自治区)则很难做到。为了满足跨市(县、区)的分层级和扁平化指挥的需要,对已有系统进行联网改造是接近“一网打尽”目标的正途,而跨区/本地 2张网只能作为一种过渡的建网模式。由于公安装备经费主要来源于各级地方财政,已建成本地网的地方很难再为第2～3级间调度指挥建设提供经费,为了满足第2～3级间调度指挥需要建设的网又不可能提供本地第3～5级间调度指挥所需要的用户容量;因此,在多次技术换代的装备同时存在、互联互通问题又难以得到完善解决的地区,跨区/本地 2张网也很可能成为一种长期存在的建网模式。

3.2 下一代公安数字集群的技术特性

鉴于公安专用移动通信网以往 2次技术换代过程中的经验,考虑到目前模拟制式的系统和终端仍占主流的现状,笔者认为下一代公安数字集群应具有如下技术特性:

(1)终端多模,能兼容现有的模拟常规和模拟集群制式;

(2)单基站覆盖范围与现有的模拟制式相同甚至更大;

(3)空中接口的总体频谱利用率为现有模拟制式的 2～3倍;

(4)具有完善、公开的系统互联标准;

(5)有多家国内外厂商同时供货。

目前正处于第1次技术换代基本结束、第2次技术换代遇到一些困难的特殊时期,数字集群新体制的引入必将对广大用户及厂商产生深远的影响。跟随技术发展潮流,充分利用技术进步的成果更好地满足公安工作需要,是众望所归的事情。我们期待着,在未来 3～5年内能有 2～3种符合或接近上述技术特性的数字集群新体制可供选择,通过用户、研发单位和生产厂商的交流互动,最终能形成一个更符合公安实际需要的数字集群新体制。

3.3 解决系统互联问题的思路

从目前的情况看,第1次换代的模拟集群至少还有 8年左右的生存期,第2次换代的 350MHz数字集群(TETRA)正在推广普及之中。近 5年来,公安机关调度指挥的应用需求出现了许多新变化,如已建成系统的增容;新旧制式系统在同一地区共存;要实现跨市(县、区)的分层级和扁平化指挥等,这使得系统互联成为迫切需要解决的问题。

(1)加紧促成 TETRA系统联网标准的完善和全面公开。TETRA产品商用已 10年有余,掌握其核心技术的厂商不少。对于已拥有一定市场份额的厂商而言,系统互联标准已成为其控制市场份额的手段之一,因此对客户提出的公开系统联网标准的要求一般采取敷衍、拖延的策略。近年来,TETRA Mou和一些厂商非常关注中国公安的 TETRA市场,公安无线通信主管部门也在积极推动 TETRA系统联网标准的进步,但实际的进展情况仍然缓慢;因此,我们需要采取新的策略,加紧促成 TETRA系统联网标准的尽快完善和早日公开。

(2)参考 3G Poc标准,制订公安专用的互联互通标准。在 3GPP架构中,Poc(PTT over Cellular)是标准业务[4],为此制定了相关的技术规范和标准。由于 3G Poc是通过分组域提供组呼业务,而目前的集群系统联网也在朝 IP方向发展,因此 3G Poc标准对于制订公安专用的系统互联标准具有较高的参考价值。

(3)寄希望于第3次技术换代。在公安专用移动通信网的建设过程中:第1次技术换代时对系统互联的需求尚不迫切;在第2次技术换代时,系统互联问题受到了高度关注,但目前还没有得到较好的解决;在第3次技术换代来临之际,从制订标准入手,将公开系统互联标准作为选择何种新制式的主要条件之一,以求完善解决系统互联问题的呼声必然会更高。在迎接第3次技术换代的过程中,一方面可以收集资料、比较特性、研讨交流和等待市场竞争的结果,另一方面也可以将公安的应用需求形成系统的技术描述,主动参与到标准的形成和制订工作中去。尽管第3次技术换代的大规模开展很可能是在 5～8年之后,但第3次技术换代所采用的系统互联标准却可以先用于解决已有系统的互联问题。

4 结语

未来的公安工作对公安专用移动通信网的依赖程度必将更高,公安调度指挥的应用需求也会有更多的新变化。应用需求变化能推动技术进步,技术进步能更好地满足应用需求,对二者互动关系的深刻理解和准确把握是保证技术换代成功的前提之一。总结以往经验得失,作好应用需求分析,考察技术特性与应用需求之间的匹配程度,提出新的技术特性要求,是迎接第3次技术换代时应做的准备工作。总结近年来多次参与公安无线通信调研、培训、研讨等工作的心得写成此文,希望其中的观点和思路对公安专用移动通信网下一步的建设能有所帮助。

[1] 中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.集群移动通信技术[M].北京:国防工业出版社,2003:248.

[2] 郑祖辉,陆锦华,郑岚.数字集群移动通信系统[M].2版.北京:电子工业出版社,2005.

[3] 马晓东.无线技术在公共安全中的应用[C].第七届无线技术大会演讲稿.北京,2007.

[4] 罗凌,焦元媛,陆冰,等.第三代移动通信技术与业务[M].2版.北京:人民邮电出版社,2007:161.