集群系统：从窄带向宽带通信系统的发展

何晨光　魏守明

【摘 要】从“集群”一词的概念变化谈起，总结了目前多种行业对宽带无线多媒体集群系统的应用需求，列举了国内外宽带无线多媒体集群的发展和应用现状，从而提出了我国宽带无线多媒体集群系统从窄带向宽带通信系统的发展过程中需要具备的9个方面的能力。

【关键词】集群系统 宽带通信 应用需求

1 前言

集群一词是从英文Trunking或Trunked翻译得来。实际上，Trunking或Trunked本意为中继或干线，为了避免与译为中继的Repeater相混淆，上世纪80年代末期我国的移动通信专家胡思益（中国电子科技集团公司第七研究所前总工）把Trunking或Trunked译成集群，并从Trunked的含义出发，定义了传统意义上的“集群系统”为：所具有的全部可用信道都可为系统的全体用户共用，具有自动选择信道功能，是一种共享资源、分担费用、提供优良的多用途、高效能、廉价、先进的无线指挥调度系统。

随着无线高速数据业务需求的飞速发展，宽带化已经成为无线通信网络发展的必然趋势。现在行业用户在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、看得清”，需要集群系统支持语音、数据、图像和视频等多种业务的不同传输速率。同时，我国的国情也进一步确定了集群系统在兼容窄带集群系统的同时，向宽带化平滑过渡，支持中速、高速和超高速等多种接入模式，构建与窄带集群网络、蜂窝网络、PSTN（公共交换电话网络）以及空天通信系统融合的新一代宽带无线多媒体集群通信系统。

目前，“集群”的概念在Trunked一词所涵盖的集小群（组）为大群（组）的含义基础上，已经从传统的用户信道资源共享，延伸到多样化功能业务、多模式终端接入、以及多种窄带化和宽带化通信系统之间的融合，并将基于宽带无线通信技术，采用多媒体业务形式，以指挥调度功能为主的专用无线通信系统称为宽带无线多媒体集群，简称宽带集群。

2 宽带集群的应用需求

传统的窄带集群是基于语音和低速数据传输的通信系统，在指挥调度方面发挥着重要作用。但是，随着多种行业对宽带移动通信需求的日益强烈，并且对于语音通信和数据通信并存的需求越来越大。以公共安全业务为例，不仅需要上传高质量图片、下载大数据量文件，还需要进行实时视频传输。对此，欧美各国对公共安全机构的宽带集群通信进行了大量的调研和讨论。根据行业用户种类的多元化发展，总结出了新的宽带集群应用需求。如表1所述，当前窄带集群系统已经无法满足行业用户的多种需求。

表1 集群应用需求

类别 需求种类

功能需求 支持语音、数据和视频业务；传统集群业务；实时短消息和即时短消息；分局数据和IP接入；现场视频传输；指挥调度；移动办公；优先服务策略；动态宽带分配；虚拟专网；遥控遥测；物联网集群应用；直通模式；自组网；移动用户定位

性能要求 高质量语音，高分辨率图像和实时动态高清视频；极小的系统时延；上下行数据速率配置；高频谱利用率；分层管理的统一网管系统；广泛覆盖；高性能的移动终端

安全性性能 分等级的安全加密体系；端到端加密；支持第三方开发密钥管理中心；空中密钥更新；阻止非授权接入

互联互通要求 与传统系统互通；接入公共通信网络；接入卫星通信网络

环境适应性要求 无人值守基站；快速部署；电磁兼容性

兼容性要求 终端多样性兼容；加入国际标准体系；向下兼容；升级和平滑演进

可靠性要求 冗余和备份；故障弱化与自恢复；自组网

可扩展性要求 标准API应用接口；可扩展的系统规模；开放系统架构

3 宽带集群的应用现状

目前，欧美等发达国家也正经历着由窄带向宽带集群系统演进的过程。美国联邦通信委员会（FCC）于2010年提出了《国家宽带计划》，利用专用频段建立公共安全专业宽带移动通信网络。美国奥巴马总统提倡的全国无线行动计划，意图促进全国公共安全行业宽带移动通信网络的发展与部署。2010年9月，爱立信与摩托罗拉联手将LTE引入无线专网，将语音和数据通信交互操作，从而统一推出性能卓越的语音和宽带多媒体应用。该解决方案使用700MHz和400MHz两个频段。同年，美国Harris与诺基亚西门子公司合作推出一套完整的700MHz宽带LTE专用网络解决方案，该方案可以支持多种宽带业务，使用户既能使用下一代语音、数据和移动视频等业务，还能继续使用传统的窄带通信网络。2011年3月，美国DFW国际机场对此方案进行验证，通过利用LTE宽带网络和P25网络，实现了PTT语音业务和视频多媒体业务。2012年7月，Harris公司在美国国内成功进行了全国性公共安全LTE示范网络测试。

加拿大在公共安全无线宽带通信规划与建设方面跟随美国的步伐，其国防研究发展局将全力争取宽带专用频段，建立全国性公共安全专业宽带通信网络。日本作为发达国家，已经完成了公共安全专用频谱的划分，并探讨了一系列宽带技术研究。

欧盟虽然还没有出台任何正式的公共安全宽带通信网络规划，但各国的想法却是十分一致的，就是必须发展专用宽带移动通信网络，这在2011年3月30日于布鲁塞尔召开的名为“欧洲公共安全与救灾服务的未来”研讨会上就有明显的体现。该研讨会讨论了欧洲未来专用通信的需求和发展。在研讨会上，德国认为全欧洲应相互协调采用统一的频段为公共安全与救灾机构建立高速数据通信网络；法国则表示其目标在2020年建成国内专用宽带网络，并期望欧洲在频谱分配上能达成一致，这样可以保障各国在跨国界区域通信的互操作性；芬兰、奥地利等国也表达了同样的观点。

法国THALES公司早在2009年就发布了基于WiMAX和LTE技术的TeMax宽带集群解决方案，可对传统的TETRA网络进行升级，实现真正的宽带多媒体集群通信。其后，2010年与三星电子公司签署战略合作协议，将4G技术融入到TeMax方案中，可以使一台TETRA集群终端同时支持WiMAX和LTE技术，做到了4G技术与TETRA集群系统的完美融合。

4 中国宽带集群的发展趋势

中国宽带集群通信系统的研究紧随全球的步伐，从2008年开始，在工业和信息化部“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项（专项三）课题的支持下，对全国多种行业的专用通信需求进行全面的调研，确定我国行业集群通信系统的发展方向，完成我国宽带无线多媒体集群网络的基础框架设计及相关技术研究，截至2013年6月，已成功完成宽带无线多媒体集群系统多种接入模式的测试工作，并形成具有自主知识产权的技术标准。

中国的宽带无线集群规划将从基本国情出发：一方面，中国人口密度分布不均匀，地域广阔的中西部地区人口密度低，适合大区制组网，人口密度大的东南沿海地区、一线和二线城市，适合小区制组网；在传输不同业务数据时，用户对数据速率的要求也不尽相同，但在紧急情况下仍以语音通信为主，所以宽带无线集群系统需要支持中速、高速和超高速等多种无线接入模式，构建多模式融合网络；另一方面，中国已建有大量的窄带基础设施，宽带无线集群系统的建设不可能一蹴而就，需要通过对窄带集群系统的兼容，逐步平滑过渡。

所以，中国的宽带集群系统需要具备如下9个方面的能力：

（1）高效的指挥控制能力。系统能够提供完备的控制功能，通过多媒体方式进行大规模指挥调度、并正确决策。系统采用扁平化结构，信息上传、下达迅速准确。

（2）实时的系统响应能力。在系统中，同交换机内组呼建立时间小于500ms；话语权申请时间小于200ms；与传统无线系统互联的呼叫接续时间小于1000ms。

（3）高度的安全防护能力。系统在运行过程中，通过物理防护、安全接入和端到端加密等功能，保证用户和系统的信息在存储、获取、传输和处理过程中保持其完整、正确、可用和不被泄露。

（4）灵活的机动重组能力。系统能够按照用户需求变化和系统规划与设计的规定，以重排（重新组态）、重复利用和更新系统组态或子系统的方式，快速灵活调整系统工作流程，实现低的重组成本、短的设计研制和斜升时间、高的性能投资效益。

（5）按需的资源共享能力。系统可利用无线频谱感知技术和频谱管理技术将有限的资源实现无限的利用，解决专网系统发展的瓶颈问题，为专网系统的发展奠定坚实的基础。

（6）多种业务应用能力。集群业务不再局限于语音指挥调度，还包括对多媒体调度、无线数据传输、定位、无线视频监控、移动办公等多种业务。

（7）多场景的适应能力。系统需要根据可获得接入资源的差异性，利用多种接入方式来满足多场景甚至是全场景的需求。在系统研制的过程中，针对可能面对的应用场景，研发相应的系统解决方案，使系统具备面向多场景的个性化能力。

（8）模块化的配置能力。系统可以分成多个小功能模块，然后根据行业用户的不同需求对这些模块进行组装，依据标准灵活产生系统原型的各种变体。

（9）架构的可扩展能力。系统在通过相应升级之后能够达到提供更强处理能力。系统向下可兼容；向上可平滑过渡和升级；系统需要制定统一的网络架构平台和产品标准，统一的网络外部和内部接口规范；需要多种接入模式支持不同典型行业的应用需求；需要多种制式的网络系统间互联（异构网络）。

参考文献：

[1] 郑祖辉，陆锦华，丁锐，等. 数字集群移动通信系统[M]. 3版. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[2] 沙学军，谭学治，陈娟. 数字集群网系统总体方案的探讨[J]. 移动通信， 2001（4）.★

4 中国宽带集群的发展趋势

中国宽带集群通信系统的研究紧随全球的步伐，从2008年开始，在工业和信息化部“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项（专项三）课题的支持下，对全国多种行业的专用通信需求进行全面的调研，确定我国行业集群通信系统的发展方向，完成我国宽带无线多媒体集群网络的基础框架设计及相关技术研究，截至2013年6月，已成功完成宽带无线多媒体集群系统多种接入模式的测试工作，并形成具有自主知识产权的技术标准。

中国的宽带无线集群规划将从基本国情出发：一方面，中国人口密度分布不均匀，地域广阔的中西部地区人口密度低，适合大区制组网，人口密度大的东南沿海地区、一线和二线城市，适合小区制组网；在传输不同业务数据时，用户对数据速率的要求也不尽相同，但在紧急情况下仍以语音通信为主，所以宽带无线集群系统需要支持中速、高速和超高速等多种无线接入模式，构建多模式融合网络；另一方面，中国已建有大量的窄带基础设施，宽带无线集群系统的建设不可能一蹴而就，需要通过对窄带集群系统的兼容，逐步平滑过渡。

所以，中国的宽带集群系统需要具备如下9个方面的能力：

（1）高效的指挥控制能力。系统能够提供完备的控制功能，通过多媒体方式进行大规模指挥调度、并正确决策。系统采用扁平化结构，信息上传、下达迅速准确。

（2）实时的系统响应能力。在系统中，同交换机内组呼建立时间小于500ms；话语权申请时间小于200ms；与传统无线系统互联的呼叫接续时间小于1000ms。

（3）高度的安全防护能力。系统在运行过程中，通过物理防护、安全接入和端到端加密等功能，保证用户和系统的信息在存储、获取、传输和处理过程中保持其完整、正确、可用和不被泄露。

（4）灵活的机动重组能力。系统能够按照用户需求变化和系统规划与设计的规定，以重排（重新组态）、重复利用和更新系统组态或子系统的方式，快速灵活调整系统工作流程，实现低的重组成本、短的设计研制和斜升时间、高的性能投资效益。

（5）按需的资源共享能力。系统可利用无线频谱感知技术和频谱管理技术将有限的资源实现无限的利用，解决专网系统发展的瓶颈问题，为专网系统的发展奠定坚实的基础。

（6）多种业务应用能力。集群业务不再局限于语音指挥调度，还包括对多媒体调度、无线数据传输、定位、无线视频监控、移动办公等多种业务。

（7）多场景的适应能力。系统需要根据可获得接入资源的差异性，利用多种接入方式来满足多场景甚至是全场景的需求。在系统研制的过程中，针对可能面对的应用场景，研发相应的系统解决方案，使系统具备面向多场景的个性化能力。

（8）模块化的配置能力。系统可以分成多个小功能模块，然后根据行业用户的不同需求对这些模块进行组装，依据标准灵活产生系统原型的各种变体。

（9）架构的可扩展能力。系统在通过相应升级之后能够达到提供更强处理能力。系统向下可兼容；向上可平滑过渡和升级；系统需要制定统一的网络架构平台和产品标准，统一的网络外部和内部接口规范；需要多种接入模式支持不同典型行业的应用需求；需要多种制式的网络系统间互联（异构网络）。

参考文献：

[1] 郑祖辉，陆锦华，丁锐，等. 数字集群移动通信系统[M]. 3版. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[2] 沙学军，谭学治，陈娟. 数字集群网系统总体方案的探讨[J]. 移动通信， 2001（4）.★

4 中国宽带集群的发展趋势

中国宽带集群通信系统的研究紧随全球的步伐，从2008年开始，在工业和信息化部“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项（专项三）课题的支持下，对全国多种行业的专用通信需求进行全面的调研，确定我国行业集群通信系统的发展方向，完成我国宽带无线多媒体集群网络的基础框架设计及相关技术研究，截至2013年6月，已成功完成宽带无线多媒体集群系统多种接入模式的测试工作，并形成具有自主知识产权的技术标准。

中国的宽带无线集群规划将从基本国情出发：一方面，中国人口密度分布不均匀，地域广阔的中西部地区人口密度低，适合大区制组网，人口密度大的东南沿海地区、一线和二线城市，适合小区制组网；在传输不同业务数据时，用户对数据速率的要求也不尽相同，但在紧急情况下仍以语音通信为主，所以宽带无线集群系统需要支持中速、高速和超高速等多种无线接入模式，构建多模式融合网络；另一方面，中国已建有大量的窄带基础设施，宽带无线集群系统的建设不可能一蹴而就，需要通过对窄带集群系统的兼容，逐步平滑过渡。

所以，中国的宽带集群系统需要具备如下9个方面的能力：

（1）高效的指挥控制能力。系统能够提供完备的控制功能，通过多媒体方式进行大规模指挥调度、并正确决策。系统采用扁平化结构，信息上传、下达迅速准确。

（2）实时的系统响应能力。在系统中，同交换机内组呼建立时间小于500ms；话语权申请时间小于200ms；与传统无线系统互联的呼叫接续时间小于1000ms。

（3）高度的安全防护能力。系统在运行过程中，通过物理防护、安全接入和端到端加密等功能，保证用户和系统的信息在存储、获取、传输和处理过程中保持其完整、正确、可用和不被泄露。

（4）灵活的机动重组能力。系统能够按照用户需求变化和系统规划与设计的规定，以重排（重新组态）、重复利用和更新系统组态或子系统的方式，快速灵活调整系统工作流程，实现低的重组成本、短的设计研制和斜升时间、高的性能投资效益。

（5）按需的资源共享能力。系统可利用无线频谱感知技术和频谱管理技术将有限的资源实现无限的利用，解决专网系统发展的瓶颈问题，为专网系统的发展奠定坚实的基础。

（6）多种业务应用能力。集群业务不再局限于语音指挥调度，还包括对多媒体调度、无线数据传输、定位、无线视频监控、移动办公等多种业务。

（7）多场景的适应能力。系统需要根据可获得接入资源的差异性，利用多种接入方式来满足多场景甚至是全场景的需求。在系统研制的过程中，针对可能面对的应用场景，研发相应的系统解决方案，使系统具备面向多场景的个性化能力。

（8）模块化的配置能力。系统可以分成多个小功能模块，然后根据行业用户的不同需求对这些模块进行组装，依据标准灵活产生系统原型的各种变体。

（9）架构的可扩展能力。系统在通过相应升级之后能够达到提供更强处理能力。系统向下可兼容；向上可平滑过渡和升级；系统需要制定统一的网络架构平台和产品标准，统一的网络外部和内部接口规范；需要多种接入模式支持不同典型行业的应用需求；需要多种制式的网络系统间互联（异构网络）。

参考文献：

[1] 郑祖辉，陆锦华，丁锐，等. 数字集群移动通信系统[M]. 3版. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[2] 沙学军，谭学治，陈娟. 数字集群网系统总体方案的探讨[J]. 移动通信， 2001（4）.★