基于TD-LTE的宽带集群通信系统研究

隋 宇，程小蓉，陈辉煌

(1.广东电网发展研究院有限责任公司，广州 510080；2.中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663)

基于TD-LTE的宽带集群通信系统研究

隋 宇1，程小蓉2，陈辉煌2

(1.广东电网发展研究院有限责任公司，广州 510080；2.中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663)

介绍了集群通信系统由模拟到数字、从窄带到宽带的发展过程，分别对比了已在国内广泛应用的4种窄带数字集群通信系统和2种宽带数字集群通信系统的关键技术及其性能，并分析了它们各自在不同环境中的优势。详细地分析了一种典型的宽带数字集群通信系统——基于TD-LTE(time-division long-term evolution)技术的数字集群通信系统中所应用的正交频分复用、多入多出、时分双工以及混合自动重传等关键技术的工作原理和优点，并介绍了目前对基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统的研究进展，以及它在城市轨道交通通信、石油专网通信、高速铁路通信以及城市应急通信等情况下的应用现状和发展趋势。最后对数字集群通信系统在国内的发展现状做出分析总结，并展望了数字集群通信系统在国内外的发展前景。

数字集群通信；协议标准；TD-LTE；发展趋势

0 引 言

集群通信系统诞生于20世纪中后期，是一种通过动态信道分配，实现多用户共享无线信道的移动通信系统[1]。集群通信系统具有易于建设、呼叫接续迅速、安全性高等特点，在铁路运输、油田作业以及灾难救援现场等多种场景下，能够为用户提供便捷的通信服务，由此在全球范围内得到了广泛的应用，甚至许多国家还将它接入移动无线通信系统中，为公共通信提供服务。

自20世纪五六十年代开始，集群通信系统的发展经历了3个阶段[2]：首先是无线对讲系统阶段，在这一阶段网络采用半双工的无线设备，通过预设的频点完成对讲机间的通信，该阶段通信方式十分简单，也不需要网络设备支持，但此时的网络通信安全无法保证也不能实现有选择的呼叫；在此之后，集群通信系统进入了模拟集群系统阶段，这一时期集群通信系统引入了信道共享技术，实现了多用户公用空闲信道，大大提高了网络的资源利用率，但由于模拟信号在传输过程中容易受到环境因素的干扰，通信质量难以保障；随着数字通信技术的快速发展，集群通信也进入了数字时代，此时通信系统标志性的改变在于引入了时分多址(time division multiple access，TDMA)技术，极大提高了系统的频谱利用率，使得网络架构更加灵活，服务和功能都更加完善，从而提升网络的服务质量和运行效率。

区别于公共的移动通信系统，集群通信系统可以支持用户选择性呼叫，用户能够根据需求选择通信对象和时间长度；系统采用半双工模式，通信过程中只占用一条信道，能够提高信道利用率；在网络中信道数量一致的情况下，由于集群通信限制通话时间，有助于提高网络的通信容量；集群通信系统的设计初衷是为更广大的区域提供通信服务，而随着用户对通信质量的要求不断提高，使得网络的覆盖区域逐渐缩小，但集群通信系统的网络覆盖区域仍然大于蜂窝移动通信的覆盖范围。

随着集群通信系统的发展，用户对它的要求也越来越高，数字集群通信系统所面临的挑战也在增加：首先，为了满足越来越多的用户群分组和管理，数字集群通信系统需要更强大的调度功能；其次为了降低网络成本，必须要提高频谱资源的利用率；再次，为了与公网实现资源共享，需要有更广泛的终端业务和功能；最后，为了节约网络资源，需要成本更低耗能更低的终端设备。为了提高网络运行效率，增加集群通信系统的竞争力，人们为集群通信系统提出了许多技术标准。

1 集群通信技术的发展

随着数字集群通信系统的广泛应用，它受到越来越多的关注。20世纪90年代国际电信联盟(international telecommunications union，ITU)为数字集群通信提出了EDACS(enhanced digital access communication system)、陆地集群无线电系统(terrestrial trunked radio，TETRA)等7种协议标准，但是由于应用范围、关键性技术等问题，目前得到广泛应用的只有TETRA标准。TETRA由欧洲电信标准组织提出。由于TETRA采用了空中接口，具有兼容性和开放性好、频谱利用率高、数据安全保障更加完善等优点，主要应用于专业用户应急通信[3]。

目前，数字集群通信系统根据频谱分配情况可以分为窄带集群通信系统和宽带集群通信系统。除了上文所提到的TETRA系统以外，目前国际上广泛使用的还有由摩托罗拉公司提出的集成数字增强型网络(integrated digital enhanced network，iDEN)系统[4]，它采用TDMA技术，使得在25 kHz的信道上可以实现6路语音信号的传递，同时可以实现动态带宽分配。上述2种系统都是典型的窄带集群通信系统。另一方面，随着用户对高速数据业务需求量的增大，窄带集群通信系统所提供的服务已经无法满足用户的需求，因此宽带集群通信系统成为了集群通信新的发展方向，以TD-LTE (time-division long-term evolution)为代表的宽带集群通信技术正在日新月异地向前迈进中。

图1 集群通信技术发展历程Fig.1 Development of trunked communication technology

1.1 窄带数字集群通信系统

在我国，已经得到官方认证的窄带数字集群通信标准有4种，包括前文中已经提及的TETRA和iDEN标准。为了顺应市场的需求，降低通信系统的建设成本，同时也为了便于通信设备的维护、升级和扩容，国内的众多通信设备商都无一例外地大力研发数字集群通信设备。目前已经成功研究出GoTa(global open trunking architecture)数字集群系统和GT800这2个比较完善的数字集群通信系统标准[5]。GoTa为了支持群组呼叫，将其空中接口在CDMA2000(code division multiple access 2000)技术的基础上进行了改进，使得群组用户可以共享信道；此外GoTa为了提高接续速度，在通信接续过程中也采用共享信道的方式。由于有了上述技术上的改进，GoTa具有接续快、频谱使用率和信道利用率高、隐私保护性强等优势，能够满足数字集群通信专网和共网用户的需求。GT800标准由华为公司提出，它在综合专用数字移动通信系统(global system for mobile communications-railway，GSM-R)的基础上进行改进，使得系统能够兼容GSM和时分同步码分多址(time division-synchronous code division multiple，TD-SCDMA)等接入技术。

上述4种标准虽然都工作在800 MHz频段，但具有不同的信道宽度，能够适应不同场景的应用；TETRA，iDEN和GT800标准都使用了TDMA多址技术，而GoTa采用CDMA多址技术。为了保证数据在网络中的准确传递，窄带集群通信系统采用了数字话音编码技术、数字调制技术以及抗衰落技术，以减少信号在传播过程中受到干扰致使通信质量下降。这些技术上的差异使得4种技术标准各有特点，TETRA在系统采用空中接口，在兼容性和开放性上有一定的优势，同时其调度功能和安全性上更加完善，因此TETRA系统比较适合应用于专网；iDEN系统的频率利用率以及在信号的处理上优势明显，更加适合于共网的建设；GoTa和GT800 2种技术标准能够完成在GSM和CDMA上的扩展，可以适应运营商在已有网络的基础上完成拓展，从而降低网络建设的成本，避免重复建设。TETRA，iDEN，GoTa和GT800的各项技术指标如表1所示。

表1 通用窄带集群通信标准性能比较

1.2 宽带数字集群通信系统

随着集群通信技术在交通运输、能源开采、公安消防等众多行业领域中的广泛应用，广大用户对集群通信系统在业务种类、网络性能、网络兼容性、可靠性等方面都提出了更高的要求。在网络提供的业务范围方面，除了传统的语音和低速数据传输业务之外，还需要提供视频传输、动态带宽分配、移动办公等业务；在网络性能上要求实现网络时延更小、上下行数据速率更快、频谱利用率更高、覆盖范围更广；在可靠性和安全性方面需要网络实现故障修复、能够实现端到端加密、阻止非授权接入等；此外网络还需要实现接入终端的多样性、能够完成升级和平滑演进。可以看出，窄带集群通信技术无法满足上述对于集群通信系统新的要求和挑战，宽带集群通信系统应运而生。

目前宽带集群通信技术的发展主要有2个方面：①在现有的TETRA技术上发展起来的增强型数据业务[6](tetra release 2 enhanced data service，TEDS)；②随着第4代移动通信技术的广泛应用而展开的基于TD-LTE的集群通信技术。其中，TEDS技术沿用了TETRA中的技术标准，能够提供TETRA所提供的所有业务，同时增强了TETRA的空中接口，足以支持50～691 kbit/s的数据传输。而基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统从技术层面、产业支撑层面以及信息安全层面都能够更好地满足各行业各领域对于集群通信系统快速发展的需求，从技术层面上说，基于TD-LTE的集群通信系统集合了TD-LTE与集群通信的优势能够提供速率更高，时延更小的数据通信网络；从产业支撑层面上说，TD-LTE已经具有广泛全面的产业链，结合集群通信易于提升性能和价格低的特点，能够促进这种网络在各行业中的推广；从信息安全层面考虑，TD-LTE从多方面考虑保障数据传输安全性的手段，能够保障网络通信的隐私性和数据的安全性。2种宽带集群通信系统的技术特征如表2所示。

表2 宽带集群通信技术标准对比

2 基于TD-LTE的宽带集群通信技术

基于TD-LTE宽带数字集群通信系统主要在集群通信技术基础上，结合了TD-LTE技术，进而形成了一个新的系统架构。从技术、产业应用、信息安全等方面基于TD-LTE宽带数字集群通信系统都得到了快速发展，以更好地满足国内各行业日益增长的需求[8]。

2.1 基于TD-LTE技术的集群通信系统关键技术及其优势

发展宽带集群通信系统有着众多的优势，但是它的应用并不是一番风顺的[7]，宽带集群通信的发展过程中面临的主要问题包括：如何保障频率资源的充足、如何降低通信时延、如何降低能耗以及网络的兼容性问题。首先需要解决的是低频段资源不足的问题。由于在组网过程中，集群通信网络中户数量少、投资回报率低，为了扩大基站覆盖面积，降低通信成本，需要使用不易受环境干扰的低频段无线信号，以保证通信质量，因此网络对于低频段的需求是非常大的，如何提高低频段频率的利用率，是提高网络运行效率的重要影响因素。其次，由于集群通信系统没有全面的网络覆盖，为保证语音通信的实时性和安全性，降低通信时延也是需要解决的问题。此外，宽带集群通信系统中的业务耗能远远高于窄带系统，但网络中的能量是十分有限的，如何提高网络能量的使用效率，延长网络工作时间，也是宽带集群通信技术需要考虑的重要问题。最后，由于目前的公网建设已经非常完备，为了避免重复建设造成资源的浪费，保证宽带集群通信系统与现有窄带集群通信系统的兼容和互通以实现多种通信系统的相互切换也是基于TD-LTE的宽带集群通信系统研究所需要解决的问题。

针对上述问题，基于TD-LTE的宽带集群通信系统在集群通信的技术优势基础上，引入了许多TD-LTE的关键技术[9]，包括正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)，多入多出技术(multiple-input multiple-output, MIMO)，时分双工技术(time division duplexing, TDD), 混合自动重传技术(hybrid automatic repeat request, HARQ)[10]。这些关键技术及其优势如表3所示。

除上文提及的一些关键技术外，TD-LTE集群通信系统还加入了双向健全以及更加复杂的数据加密技术以保障网络的安全性[11]，同时提出了下行信道共享技术以支持集群通信系统的组呼广播呼叫，需实现点对多点的下行信道共享；上行信道抢占技术以支持话权申请、话权抢占等功能；快速呼叫建立技术对LTE的呼叫接续流程做修改以提高接续速度；集群指挥调度技术以支持集群业务，提供较强的指挥调度功能[12]。最后，为了降低网络中设备的能耗，TD-LTE集群通信系统将根据业务的不同，选择性地切换窄带和宽带网络，在保证业务正常运行的同时减少能量的消耗，延长网络的运行时间。

2.2 基于TD-LTE技术的集群通信系统的应用

目前基于TD-LTE的集群通信系统已经在矿产资源开采、城市轨道交通等众多领域得到了应用，并取得了比较理想的成果。

文献[13]通过分析城市轨道交通通信的需求，设计出一套由控制中心子系统、车站子系统、无线传输子系统和车载子系统4部分组成的集群通信系统，它能够实现语音集群业务、数据业务以及多媒体控制业务。另一方面，这套系统具有成本更低、安全性更强、支持用户高速移动等优势，能够适应于轨道交通的通信以及远程控制的需求。

文献[14]提出了一种在石油专网中的应用，根据陆地和深海石油开采环境的不同，分别设计了不同的专网解决方案。文中所设计的专网能够实现大规模用户业务、24 h视频监控业务，并能实现集群调度功能，达到远程指挥开采工作的目的。

表3 TD-LTE关键技术介绍

文献[15]为高速铁路环境下运行的TD-LTE集群通信系统提供了新的MIMO-OFDM资源分配策略，通过对网络中的天线、时隙、功率等因素的联合考虑，优化网络中的资源分配，同时降低网络资源规划计算的复杂度。

文献[16]介绍了基于TD-LTE宽带集群通信系统在应急通信车组网中的应用，指出应急通信车所构建的网络能够通过集群通信系统及时的为应急现场与后方指挥人员构建信息通道，完成高清视频监控以及视频调度等众多功能。此外，在网络可靠性、扩展性以及冗余性等方面具有很强的优势。

除了上述的应用之外，基于TD-LTE的集群通信系统还在公安警用、灾难区域等环境的专网中广泛应用。

3 总结与展望

作为无线电通信技术的一个重要分支，集群通信已凭借其特有的优势广泛应用到不同领域的发展中，并取得了良好的经济效益和社会效益。然而随着社会的不断发展，各行业的用户群体对集群通信的要求也越来越高，日益发展的通信需求对集群通信业务的推广既是挑战也是机遇。国际数字集群协会专家认为在未来的一段时间内，数字集群通信将是集群通信的发展方向，同时也是专业无线通信领域最具潜力的发展市场。数据传输能力以及多媒体业务支持等性能的提升，使得窄带数字集群通信系统的发展已经不能满足要求，数据宽带化发展已经成为一种趋势，基于TD-LTE技术的宽带数字集群通信系统在国内外的研究测试已成为热点。

目前，宽带集群技术发展还处于不成熟的阶段，TD-LTE宽带数字集群通信的发展仍面临着一些问题：①无线专网升级面临频谱危机，频谱资源的分配历来是无线技术发展面临的核心问题，宽带通信时期，数据量将急剧增大，对频谱要求也随之增加；②TD-LTE宽带数字集群技术标准不统一，现有的通信标准的完善程度和灵活性已经无法满足各种服务业对移动宽带业务的需求，一旦标准缺失，将很难形成不同终端设备间的互联互通；③跨行业协调难度大，缺乏行业应用示范效应，TD-LTE宽带数字集群通信系统虽已在许多领域开始创新尝试，但规模仍较小，集中度低，不同领域之间协调难度大，尚未形成多领域协同发展的格局。因此，基于TD-LTE宽带集群系统的研究还应当充分考虑上述问题，并借助TD-LTE的技术优势，为用户提供性能更加优良的宽带集群通信系统，同时提高TD-LTE技术的产业化和商业化能力。

[1] 莫静飞,廖宇.集群通信系统的应用及其发展[J].通信世界,2005(8):46-46. MO Jingfei, LIAO Yu. The application and development of trunked communication system[J]. Telecom Market, 2005, (8): 46-46.

[2] 谢涛.集群通信网络在我国的发展分析及无线网络规划方案[D].上海：复旦大学,2009. XIE Tao. Analysis on the development of trunked communication in China and the planning program of wireless networks[D]. Shanghai: Fudan University, 2009.

[3] 董晓鲁.我国数字集群通信系统简介[J].电信技术,2006 (8):1-4. DONG Xiaolu. Brief introduction of digital trunking communication system in China[J]. Telecommunications Technology, 2008(8): 1-4.

[4] 孙昕.TETRA数字集群通信系统的发展[J].电信建设,2002(2):24-32. SUN Xi. Development of TETRA digital trunked communication system[J]. Telecommunications Construction, 2002(2):24-32.

[5] 潘娟.数字集群通信系统iDEN的研究[J].当代通信,2004(12):48-49. PAN Juan.A survey on digital trunked communication system of iDEN[J].Communications Today,2004(12):48-49.

[6] 宋国伟,陈国成,谢军.宽带数字集群技术的发展[C]//2013年全国无线电应用与管理学术会议.中国：[s.n.],2013:82-87. SONG Guowei, CHEN Guocheng, XIE Jun. The development of broadband digital trunked technology[C]//. CRAM 2013. China:[s.n.], 2013: 82-87.

[7] 陈园.基于LTE的宽带集群系统演进路线及关键技术研究[J].电信科学,2013,28(11):32-36. CHEN Yuan. Study on broadband trunking system evolution and key technology based on LTE[J]. Telecommunications Science, 2013, 28(11): 32-36.

[8] 杨骅,刘劲松.TD-LTE宽带数字集群通信发展分析及建议[J].移动通信,2014,38(1):48-53. YANG Ye,LIU Jingsong.Analysis and advice on the development of TD-LTE broadband digital trunked communication[J].Mobile Communications,2014,38(1):48-53.

[9] 王应民.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2010. WANG Yingmin. TD-LTE principles and system design [M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2013.

[10] 李亚飞.TD-LTE专网宽带集群系统多模协议栈架构分析[D].北京：北京邮电大学,2013. LI Yafei. Design and implementation of private network broadband cluster system protocol stack architecture based on TD-LTE[D]. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunica-tions, 2013.

[11] 王衍娇,田威,邹淑华.数字集群通信现状及未来发展趋势[J].中国新通信,2013(18):60-61. WANG Yanjiao, TIAN Wei, ZOU Shuhua. Present situation and future development trend of digital cluster communication [J]. China New Telecommunications, 2013(18):60-61.

[12] 王晓曼,刘洋,甄义，等.LTE宽带集群通信技术发展及应用[J].价值工程，2015(7)：63-64. WANG Xiaoman, LIU Yang, ZHEN Yi,et al. Development and application of LTE broadband cluster technology[J]. Value Engineering, 2015(7): 63-64.

[13] 李岁永.TD-LTE网络承载地铁集群通信业务解决方案[J].自动化与仪器仪表,2015(2):74-77. LI Sui Yongyong. TD-LTE network bearing Metro cluster communication business solutions[J]. Automation & Instrumentation, 2015(2): 74-77.

[14] 刘娇阳.基于TD-LTE石油专网移动管理实体的研究与实现[D].西安:西安科技大学,2012.

[15] LIU Jiaoyang. The research and achievement of mobility management entity in private oil communication network based on TD-LTE[D]. Xi`an: Xi`an University of Science and Technology，2012.

[16] ZHAO Y, LI X, ZHANG X, et al. Multidimensional resource allocation strategy for high-speed railway MIMO-OFDM system[C]// Global Communications Conference (GLOBECOM), 2012 IEEE. China: IEEE Press, 2012:1653-1657.

[17] 叶万军.TD-LTE无线集群系统在应急通信车的应用研究[J].赤子,2014,1(10),255-256. YE Wanjun.Research on application of TD-LTE wireless broadband trunked system in emergency communication vehicle[J].Outstanding Figures,2014,1(10),255-256.

隋 宇(1983-)，男，吉林通化人，高级工程师，主要研究方向为电力系统通信规划与设计。E-mail：yu_sui_astoria@163.com。

程小蓉(1981-)，女，河北沧州人，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为电力系统通信规划与设计。

陈辉煌(1980-)，男，广东梅州人，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为电力系统通信规划与设计。

(编辑：张 诚)

A survey on trunked communication system based on TD-LTE

SUI Yu1, CHENG Xiaorong2, CHEN Huihuang2

(1.Development Institute CO.,LTE. of Guangdong Power Grid，Guangzhou 510080, P.R. China； 2.Guangdong Electric Power Design Institute CO.,LTE. of China Engineering Group，Guangzhou 510663, P.R. China)

This paper introduces the developmental process of trunked communication system from the analog to the digital, from the narrowband to the broadband, and also examines comparatively the key technology and performance index of four narrowband trunked communication systems and tow broadband trunked communication systems which have been widely used in our country, and also analyzes advantages of each system. The present study analyze the working principle and advantages of technologies as orthogonal frequency division multiplexing, multiple-input multiple-output, time division duplexing and hybrid automatic repeat request which were used in a typical broadband digital trunked communication system—the trunked communication systems based on TE-LTE(time-division long-term evolution), and introduces resent research related, and its applications in urban rail transportation communication, oil production communication, high-speed railway communication and emergency communication. Finally, our study summarizes the domestic developmental status of trunked communication and expounds the development tendency of trunked communication at home and abroad.

digital trunked communication; protocol standards; td-lte; development tendency

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.005

2015-06-02

2015-08-18

隋 宇 yu_sui_astoria@163.com

TN926

A

1673-825X(2016)06-0777-06