多基站PDT数字集群通信系统设计及应用

皇甫惠栋 孟小君 陶伟 张朋

摘要：简要概述了国内集群通信系统发展状况，介绍了多基站PDT数字集群通信系统组成与功能，并针对局部大区域、跨区域无线语音通信的实际应用需求，开展了多基站PDT数字集群通信系统设计，并对站址选址覆盖进行了仿真分析和测试。实验证明，该系统能够实现各站点不小于10 km区域的信号覆盖，并且通过网络实现了区域之间的互联，同时预留了扩展接口，可按照后续的需求进一步融合。

关键词：集群通信；MSO核心网；北斗定位；功能拓展

中图分类号：TN929文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）05-54-5

0引言

集群通信系统又称集群调度系统，是为了满足行业指挥调度需求而开发，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、交通运输和公共事业等领域，尤其可以在应对突发事件和自然灾害的过程中发挥优势[1]。从1997年开始，信息产业部就专门组织了数字集群通信标准组来制定我国的数字集群通信标准，并于2000年12月28日發布了我国《数字集群移动通信系统体制》标准[2]。2008年，由公安部科技信息化局召集国内部分有实力的厂商研讨基于中国国情的警用无线数字集群系统新体制，其具有中国自主知识产权，标志着中国的数字集群从无到有，并步入自主高速发展阶段。

PDT数字集群通信具有以下特点：①信道利用率高、成本相对低；②架设便捷、入网快速；③呼叫灵活、保密性强，因此，受到广泛使用。

单基站PDT数字集群有效通信距离有限（15 km），有时难以满足大区域、跨区域通信需求，严重影响工作效率。多套基站PDT数字集群通过网络联通使用，可以扩大通信范围，提供更大区域的指挥调度保障。

1系统组成及主要功能

1.1系统组成

多基站PDT数字集群通信系统包含3个组成部分：MSO核心网、多套集群基站、若干部终端。其中MSO核心网，用于完成整个系统的互联管理，控制逻辑组成有中心控制单元、软交换单元、数据库单元、网管服务单元、调度服务单元、MTU和互联网关等，MSO核心网逻辑结构如图1所示；2套及以上集群基站，分别完成不同区域的无线信号覆盖；多部手持终端、车载终端等接入基站，完成具体的语音、数据业务。多基站PDT数字集群通信系统示意图如图2所示。

MSO核心网也称移动交换局，对整个PDT数字集群通信系统的单元进行管理和控制，属于整个系统的核心组成部分，主要实现系统内部各网元之间的互联和交换，管理不同网元之间的协同工作，从而实现跨基站、跨系统的呼叫控制和媒体语音的交换与互联，遵循IP软交换逻辑体系架构，以及用户的移动性管理、鉴权、调度、网络管理、互联等功能，从而拓展系统的业务功能及应用。

多套数字集群基站组成了覆盖大区域终端用户的无线收发设备，每套数字集群基站组成一致，由基站控制器、信道单元、供电系统、射频分合路单元以及机柜单元和天馈单元组成。根据信道单元的配置数量，组成2/4/8多种形态的集群基站，从信道资源上决定系统所能涵盖的终端数量的多少。

多基站PDT数字集群通信系统中，通过手持终端、车载终端实现语音呼叫业务和数据收发业务，并结合MSO核心网及多数字集群基站完成用户需求功能。

1.2主要功能

语音呼叫及数据收发是PDT数字集群最重要的功能，具备不少于500人的在线语音呼叫功能，支持语音个呼、组呼、全呼、紧急报警、强插强拆、全双工通话、广播呼叫和电话呼叫等功能，支持短消息、状态信息、告警信息收发等功能。语音及数据业务支持用户鉴权和端到端硬件加密等防护功能。

网管功能是PDT数字集群系统的重要组成部分，主要由网管服务器NMS和网管客户端NMC组成。网管子系统主要对整个系统进行管理和监控，并提供操作维护功能。实现对系统内软硬件资源的配置和监控，并生成状态报告，方便用户进行故障诊断。网管子系统还提供用户管理、性能统计和安全管理等功能。

调度功能实现PDT数字集群系统下的用户指挥及管理，采用插件化设计，提供远程调度与管理的数字调度解决方案。可应用于制造业、能源、公安、安全、交通、金融、水利、社会服务、军队等领域，帮助用户以最快速度、最有效的手段进行紧急通知和命令发布，并可以直观地显示被通知对象的状态，包含语音调度、短信管理、可视化调度和轨迹回放等业务功能。

PDT数字集群还具备北斗定位功能，每个基站能支持的定位终端数量，将依据每个终端定位信息的刷新间隔确定。4载频PDT基站开通一个专用的数字时隙传输北斗定位信息，可以做到每个基站上传1 000/min条北斗定位信息，从而保证终端位置信息实时传送到指挥中心，以便指挥中心可以快速获知终端所处的位置，用于实时监控与管理。结合北斗定位对有限资源进行科学管理和有效利用，从而实现更可靠、更直观的应急指挥调度。功能包括：订阅GPS、半双工单呼、跟踪终端、GPS定位、圈选呼叫、越区告警和地图操作等。

此外，PDT数字集群系统具备安全可靠性，在PDT数字集群协议规范中，对于安全功能分成鉴权和端到端加密。其中鉴权功能实现移动台和集群基站间的双向身份认证，而端到端加密功能又分成软加密和硬加密2种模式，语音提供端到端的机密性保护，为用户数据提供端到端的机密性和完整性保护。

2站址选择及覆盖分析

无线电波在传播过程中受到系统自身因素影响，如基站天线架设高度、使用频率和接收机高度等。此外，还受传播环境的影响，例如地形、山峰、建筑物和地物等，这些因素引起无线电波反射、绕射和散射，导致了电波传播有多条路径，形成了多径效应[3-5]。在架设PDT数字集群前，应对架设区域信号覆盖情况进行评估，为后续架设提供依据。实地勘测耗费的人力、物力、财力，而且效率极低。随着地理信息处理技术的进步，逐步引入了数字地图的概念[6]，实现了电波传播预测。

根据经验，基于所掌握的有限输入，不能完全反映真实环境下的无线覆盖情况。受到多种实际因素的影响，即便从天线到达指定的位置的信号在不同时间点也是有差异的。本次規划是基于基站设备的技术指标以及一定前提和假设进行输入，仿真对相同的现实环境，将进行一个相对比较准确覆盖预测。根据目标覆盖区域范围及地形图数据，综合考虑架设、维护及撤收的便利性，拟选A站点（覆盖临时生活与办公区）与B站点（覆盖工程作业区）架设基站，链路设定如表1所示，天线架设高度均为10 m，仿真输出了上行、下行无线覆盖效果。

信号覆盖区域仿真结果如图3所示，彩色区域均为有效覆盖域，蓝色区域信号最强，红色区信号最弱，但能保证正常通信。环间距均为3 km，最外圈圆半径为15 km，在部分点位可达到预设10 km以上的距离。从仿真结果可以看出，多基站的应用极大地扩大了信号的覆盖区域。

3应用情况

在A站点（覆盖临时生活与办公区）与B站点（覆盖工程作业区）分别布设一套PDT数字集群通信基站，天线架设高度均为10 m，两基站之间由光纤连通，并通过MSO核心网完成整个系统的互联管理，A站点与B站点PDT数字集群天线安装情况及地貌特征如图4和图5所示。

安装完毕后，就A站点区域、B站点区域，以及A站点区域与B站点区域的通信情况进行了实际测试。其中，A站点区域、B站点区域测试结果如表2和表3所示；A区域与B区域互联情况以通信语音通话质量考核。

结果表明，实测数据与仿真数据基本吻合，实测信号略优。分析原因：一是天线架设高度仅10 m，仿真存在一定失真；二是实测位置均是车辆容易到达区域，地形较开阔。在需求区域范围内PDT数字集群信号稳定覆盖与语音通畅，能够保证日常和应急通信需求，实现了局部大区域、跨区域调度指挥的目的，信号场强与通话音质对应表如表4所示。

4功能拓展

现系统预留扩展接口，既可以增加PDT数字集群基站数量，也可以增添自组网用于车队遂行任务等无线语音调度工作，甚至可将窄带数字集群通信系统、LTE宽带系统、电话系统等进行窄带/宽带、无线/有线系统融合，实现一张网、一幅图，统一的指挥调度。此外，利用先进的数字通信技术，可实现鉴权、空口加密、端到端加密功能，最大限度地确保用户通信的私密性，确保信息安全，拓展应用如图6所示。

5结束语

本文在实际应用需求下，在仿真分析PDT数字集群信号覆盖情况的基础上，架设了2套基站构成多基站PDT数字集群通信系统。通过建设后实际测试表明，较好地解决了当前任务过程中面临的通信调度手段匮乏、通信信号不良等现存问题。实现了局部大区域、跨区域指挥协调，能够通过系统实时掌控终端轨迹及位置。经过阶段性系统运行测试，运行稳定，通信安全性得到了保障，并且系统本身具备良好的拓展功能，能够满足后续野外工作对通信的进一步需求。

参考文献

[1]岳晓东.TD-LTE与TETRA在轨道交通行业的对比分析[J].都市快轨交通，2018，31（5）：1-4.

[2]郑祖辉.集群通信在中国[J].当代通信，2003（8）：8-13.

[3]孙宏志.浅谈无线电波传播中受到空间环境的影响[J].通讯世界，2017（2）：287.

[4]董爱先，王学军.第5代移动通信技术及发展趋势[J].通信技术，2014，47（3）：235-240.

[5] SARKAR T K， JIZ， KIM K， et al. A SurveyofVarious Propagation Models for Mobile communication[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine， 2003，45（3）：51-82.

[6]余涛，俞立中，王铮.移动计算环境下GIS技术的发展及应用[J].测绘通报，2002，2：40-42.