数字集群通信关键技术研究

武警研究院 陈 思

数字集群是一种专用移动通信系统，其系统内可用信道为所有用户共享，是集资源共享、信道共用、费用分担为一体，具有信道自动选择功能的无线通信系统。其概念的产生是从有线电话通信中的“中继”得来的。数字集群通信的特点在于能够实现组呼和群呼功能、可创建用户优先级、采用大区制组网方式等，是一种多功能、高效率的通信方式。集群业务可广泛应用于抢险救灾、医疗急救、公共交通、公共调度、会议展览、企业和小区管理、公安、交警以及家庭小团体等不同场景，可极大提高生产和工作效率，对国民经济的发展有着极其重要的作用。对于数字集群通信系统而言，调制方式必须满足窄带宽、高频谱效率和抗衰落性能强等要求，因此，实现数字集群通信，需要数字调制与解调、信道编码、多址接入和抗衰落等多种关键技术做支撑。

1 数字语音编码技术

语音信号是数字集群系统中应用最广的信号，语音编码技术是支撑数字集群通信的关键技术。语音编码为信源编码，是将模拟语音信号转化为数字信号在信道中传输，是在尽可能少占用通信容量的前提下传送尽可能高质量的语音信号，可以分为参量编码、波形编码和混合编码三大类。

参量编码是在语音发声机理的基础上找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的技术。该技术传输语音质量较低，因此采用率也较低。波形编码是对模拟语音信号经过取样、量化、编码而形成的数字语音技术，其优点在于能够使用于较宽范围的语音特性，在噪音环境下也能够保持稳定，主要包括脉冲编码调制、差分脉冲调制、自适应差分脉冲编码调制和增量调制等。为了获得较好的语音质量，改善以上两种编码技术的缺点，出现了混合编码方式，在混合编码信号中，既含有特征分量，又有波形信息，在集群通信中应用较多。

2 数字调制技术

数字调制是在模拟调制的基础上产生的，用载波信号的某种离散状态来表征所传送信息。数字调制大幅提高了抗干扰性能，抗信道衰落能力强，安全性更好。在数字调制中，将调制信号表示为符号或脉冲的时间序列，每个符号可以有m种有限状态，每个符号又可以用表示为n比特。

数字调制可以分为线性调制和非线性调制两大类，基本的数字调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种，这三种调制方式分别是指用不同的幅度、频率和相位来表示不同符号的调制技术。结合实际应用需要，还对以上三种调制方式进行了改进，产生了高斯频移键控（GFSK）、高斯滤波最小频移键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）、最小移频键控（MSK）、差分相移键控（DPSK）和正交相移键控（QPSK）等多种调制方式。

π/4DQPSK是对QPSK调制的改进，在调制之前对发送数据进行差分编码，相位变化趋于连续且较为平滑，大大降低了包络波动，误码率低，具有较好的输出频谱特性。该技术可以采用差分解调和相干解调，可以避免载波恢复，接收机结构简单，能够实现快速同步。目前，该技术已经广泛应用于数字集群通信系统中，例如欧洲电信标准组织制定的TETRA标准和以色列的FHMA系统。

3 多址接入技术

当把多个用户接入一个公共的传输媒介实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。当前，多址接入方式可以分为频分多址、时分多址、码分多址和混合接入方式。

频分多址（FDMA）：根据传输信号载波频率不同划分来建立多址接入称为频分多址方式。它是一种调频多址技术，将信道频带分割为若干子频带，每个子频带分给一个用户专用直至通信结束，信道每次只能由一个用户专享，其传输效率较低。

时分多址（TDMA）：根据传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入称为时分多址方式。该技术是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。这种传输方式的特点是多个用户可以共享一个频率，是非连续传输，且时间插槽可以根据动态TDMA需求分配，因此频带利用率较高，系统容量大，通信质量高，但是在技术实现上较FDMA更为复杂。

码分多址（CDMA）：根据传输信号码型不同划分来建立多址接入称为码分多址方式。该技术使用不同的伪随机码来区别基站，特点是通信网络内所有用户可共用同一载波、使用相同带宽，用户可同时发送和接收信号。信号的频谱加宽，频谱利用率高，话音质量好，保密性强，容量大。

在以上技术基础上，我国首次提出了时分同步码分多址（TD-SCDMA）技术，该技术是第三代移动通信技术，以我国自主知识产权为主，且在国际社会上得到广泛认可，是我国在移动通信网络领域取得的重大突破。单用户在同一时刻双向通信的方式是时分双工，在相同的频带内在时域上划分不同时隙给上、下行进行双工通信，可以方便地实现上、下行链路间的灵活切换，通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kb/s到2Mb/s以及更高速率的语音、视频电话、互联网等各种通信业务。华为公司提出的基于集群专网的技术体制GT80采用的就是TDMA与TD-SCDMA的融合技术。

4 可靠性技术

数字集群通信的信道不是理想化的，是在复杂环境中实现的，存在噪声和干扰，容易产生由空间传播造成的色散，因障碍物影响而产生的阴影衰落，由各种直射波、反射波等产生的串扰的多径衰落，经过信道传输后接受的码元信息出现一定的差错。在实现数字集群通信的过程中，克服干扰和弥补衰落带来的损失十分重要。

4.1 信道编码技术

信道编码的目的就在于发现或纠正码元在信道传输过程中产生的差错，改善通信系统传输质量，提高通信可靠性，是保证集群通信系统在多径和衰落信道条件下正常工作必不可少的技术之一。

信道编码是对信道干扰进行纠错和检错的编码技术，通常分为检错码和纠错码两大类，对信道中传输的数字信号进行检错的为检错码，对信道中传输的数字信号进行纠错的为纠错码，纠错码又包括分组码和卷积码等。分组码中码元的约束关系是线性的，而分组是对编码而言的，可以用近代数理论中有限维有限域的矩阵来描述的。卷积码是一种非线性码，将k个信息比特变成n个比特，但是k和n通常较小，时延较小，其纠错能力对着约束长度的增加而增强，差错率却随着约束长度的增加而呈指数下降趋势，其整体性能优于分组码，因此在数字集群通信系统中，卷积码的使用较为广泛。

4.2 抗衰落技术

比较典型的抗衰落技术有分集接收、RAKE接收技术和自适应均衡技术。

分集接收技术：实现方式是在若干个支路上接收相关性很小且载有同一消息的信号，通过合并技术再将各个支路信号输出，在接收终端上大大降低了衰落的概率。分集技术根据所涉及的资源不同，可以分为空间分集、频率分集、时间分集、极化分集等。接收合并技术可分为最大比合并、等增益合并和选择式合并等。

自适应均衡技术：数字集群通信传输信道特性复杂，幅频响应和相频响应呈现非线性特征，容易随气候等环境因素变化而变化，自适应均衡技术可以补偿信道参数变化所引起的畸变，能够自动调整参数以保持连续均衡，提高通信质量。集群通信系统中的自适应均衡器可以分为频域自适应均衡器和时域自适应均衡器两类，在实际使用过程中，为了最大限度地减小衰落，往往采用两种自适应均衡器。

RAKE接收技术：是一种多径分集接收技术，在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。该技术并不是适用于所有通信系统，主要用于第三代CDMA移动通信系统中。