数据专用移动通信的技术进步与网络维护

    一、专用移动通信的技术发展

    专用移动通信是为各部门、单位或特定人群提供服务的移动通信，并且以提供调度电话通信服务为特征。早期的专用移动通信是由调频（FM）对讲机构成同频单工网，进而发展成为大区覆盖的单频道、单基站系统构成星状网络结构的异频单工调度电话网，可实现基站与移动台的无线电通信，提供调度中心对移动用户的调度电话服务。为了提高频道利用率，系统采用了多频道共享技术，它分为专用呼叫信道方式和非专用呼叫信道方式（循环定位或循环不定位等方式），引入多频道“集群”共享技术之后，进一步发展成集群调度通信系统，简称集群系统。多频道“集群”共享技术可分为消息集群和传输集群
。消息集群是指通信的用户双方是在同一频道上完成整个通话过程的信道分配方式；传输集群是指用户双方的通话在不同的多个频道上完成通话过程的信道分配方式。为了兼顾较高的频道利用率和较好的通话质量，还衍生了准传输集群
(quasi-transmission trunking) ，它是传输集群的一种改进或折中，采用数字通信技术后，发展成为数字专用移动通信系统。它具有更高的频谱利用率、更好的通信质量和更大的系统容量，它提供更多的通信业务，除满足专用调度电话通信和数据通信的需求外，还可与其他移动通信网和地面固定网络的连接。专用移动通信技术的演进。

    应当指出，从早期专用移动通信分化出来的公众移动通信，其技术发展异常迅速，反过来又对专用移动通信产生了巨大的影响。公众移动通信系统的信道共享技术、移动通信系统与公众电话网的接续技术、蜂窝结构和频率重用的概念及实现蜂窝移动通信的（1G）技术、数字蜂窝移动通信（2G）技术、3G移动通信技术以及窄带的2G向宽带的3G演进和发展的技术等，对专用移动通信产生的影响巨大。今天的数字专用移动通信也在不断地吸收这些有用的、先进的技术，因此，数字专用移动通信系统是处在不断地演进与发展之中。

    典型的集群系统如TETRA、iDEN和GSM-R都提出了各自系统的版本升级或演进办法。其中，TETRA将采用标准版本不断升级的办法，即从目前适合PMR（专用移动无线电）/PAMR（共用接入移动无线电）的版本1标准向版本2升级。其目标是：提高数据速率，增加数据传输服务（数码相机、数字地图、实时视频等图像服务及接入互联网），能够与第三代移动通信系统（3G）互通、漫游，使TETRA卡向U-SIM卡发展，优化空中接口，进一步提高频谱效率和系统容量，将基站覆盖范围扩大到120-200公里；iDEN则采用可接入GSM网络的iDEN/GSM双模手机方式，提出以IP核心层为骨干网和iDEN为接入层的2.5代的解决方案；GSM-R将随着GSM向2.5G及3G的发展而不断地演进。


    二、数字专用移动通信系统的频谱效率

    在有限频谱资源条件下如何提高频谱效率是移动通信的重要课题之一。因为频谱效率能够反映系统容量，因此也成为衡量数字专用移动通信系统的一个重要指标。提高数字移动通信系统频谱效率的技术手段主要包括：调制技术、扩频（跳频）技术、时分技术、频谱空间复用技术（蜂窝设计、扇区划分、天线、分集等）、频谱管理及信道分配等。通常，是在给定服务等级（GoS）的条件下来评价专用移动通信系统的频谱效率,
而阻塞和中断概率将决定服务等级。一般说来，数字专用移动通信系统比模拟系统在频谱效率上都有很大的提高。对于固定无线电通信系统或大区制覆盖结构的移动通信系统而言，其频谱效率是指在给定的频谱内可提供的最大信道数，即信道效率。对于蜂窝小区制覆盖结构的移动通信系统，由于引入了频谱的重复利用，其频谱效率是指每小区提供的最大信道数，它不等于信道效率，可见，蜂窝系统与非蜂窝系统的频谱效率的表达和计算方法是不同的。因此，在比较大区制和蜂窝制的专用移动通信系统的频谱效率时，如果把信道效率和频谱效率混为一谈，将会得出错误的评价。

    1.大区制系统的频谱效率

    大区制系统的频谱效率等于信道效率。信道效率的定义是，在给定频段内可提供的最大信道数，其单位是ch/MHz。通常，大区制系统的信道效率可以用来表征频谱效率，但是不能用信道效率表征蜂窝系统的频谱效率，表1中给出4种专用移动通信系统的信道效率。

    由表1中可见，3种大区制专用移动通信系统的信道效率处于同一数量级，而蜂窝小区制系统的信道效率与之相差了一个数量级。若以信道效率作为尺度来评价大区制和蜂窝小区制系统的频谱效率时，将会得出GSM-R系统的频谱效率不但是最差而且相差一个数量级的错误结论。

    2.蜂窝系统的频谱效率

    蜂窝系统的频谱效率与无线电覆盖区域有关，可用地理区域内的地面无线电的可用信道数表示。因此，它与蜂窝区域结构或频率重用系数有密切关系。蜂窝系统的频谱效率的定义可有多种，例如，每蜂窝小区的信道数(信道数/小区)；每平方公里的信道数(信道数/平方公里)；每蜂窝小区、每兆赫频带可提供的最大信道数(信道数/小区/兆赫)。目前，蜂窝系统一般采用的频谱效率定义是每蜂窝小区、每兆赫频带可传输的最大比特数，单位是Mbit/s/MHz/cell。表2
给出了几种不同标准的蜂窝系统的频谱效率。其中，Wa是分配的频谱，Wc是每个载波的等效频谱，RbS是每个用户信道的数据率，NS是每载波支持的用户数，Rbrf是每个载波信道的数据率，ρ是频率重用系数，Rbcell是每小区支持的数据率。

    3.小区化对专用移动通信系统频谱效率的改善

    为了说明小区化对频谱效率的影响，假设大区的面积为100km2，小区的面积为1平方公里，小区化的参数为7小区/区群，频谱资源均为1km2。则可求得以每平方公里的信道数(ch
/km2)所表征的频谱效率，如表3所示。可以看出，专用移动通信系统的小区化，将会大大提高系统的频谱效率。需要说明的是，这里所列的小区化数据仅供阐明小区化对频谱效率带来的改善。

    三、数字专用移动通信的网络结构

   数据业务要求网络的支撑，而短消息业务需要电路交换网络，分组业务需要包交换网络。因此，数字专用移动通信的系统  组成和网络结构将不同于模拟系统。

    1.TETRA的系统组成与网络结构

    TETRA的系统构成包括：移动台(MS)、基台(BTS)、本地交换中心(LSC)、本地寄存器(LR)、主交换中心(MSC)以及网络管理(NM)、用户管理(SM)、本地控制设备(LCF)、运行和维护中心(OMC)和网关(Gateway)。

    TETRA提供两种网络通信方式：在网工作方式和脱网工作方式。在网通信方式包括：集群(群呼、组呼调度电话)方式、非集群(全双工移动电话)方式。在网通信方式的网络结构如图3
所示。与传统的模拟专用通信系统(集群系统)相比，增加了公众蜂窝移动通信系统采用的HLR/VLR，从而增强了它的移动性管理。

    脱网通信方式即直通方式，包括移动台与移动台间的直接单工对讲模式，以及移动台与移动台间经过转发器的模式。直通方式的两种网络结构如图4所示，图4
(a)为有转发器的直接模式网络，图4(b)为无转发器的独立直接模式网络。实际上，脱网工作的直接模式所构成的网络就是所谓的同频单工网或异频单工网。脱网通信是大区覆盖系统的一种通信需求，因为在大区覆盖边缘的手机用户有时因信号太弱而发生脱网。脱网通信要求额外的频率资源。


    注：1 接口为 集群模式无线电空中接口；6接口为直接模式, 移动-移动(MS-MS)无线电空中接口；6"
接口为直接模式, 经由转发器(Repeater)的无线电空中接口；6'接口为直接模式, MS处于双监视（Dual Watch）与GMS（
Gateway MS）间的无线电空中接口。

    2. iDEN 的系统组成与网络结构

    iDEN系统的组成由移动台(MS)、增强型基站(EBS)、数字交叉连接系统(DACS)、快速分组交换机(MPS)和调度应用处理器(DAP)、移动数据关口(MDG)构成了调度电话通信/分组数据网络。由移动台(MS)、增强型基站(EBS)、数字交叉连接系统(DACS)、基站控制器(BSC)、蜂窝移动交换(MSC/VLR/HLR)等构成了蜂窝电话/电路数据/短信息网络。显然，它将数据业务和调度话音业务与蜂窝电话和电路数据分开处理。由分组交换和调度应用处理器来处理专用移动通信业务和分组数据业务，由蜂窝系统的设施来处理公共移动通信业务。


    3.FHMA系统组成与网络结构

    FHMA网络结构采用大区制覆盖，服务区域为50到100英里范围。一个网络中心控制本地扇区、远端扇区和微扇区（微扇区下设多个微型站）。扇区大小灵活，取决于接收机的灵敏度（灵敏度高扇区大）。服务区之间具有漫游能力。在服务区内，调度呼叫和数据呼叫无越区切换能力。


    4.GSM-R系统组成与网络结构

    GSM-R系统组成。为了完成调度通信的功能，与GSM 相比，GSM-R的系统结构中增加了用于调度通信建立呼叫的组呼寄存器(GCR)。除GCR外，接口A、B、C、D、E的标准和定义均与GSM相同，只是将接口Um、Abis分别修改为U
R 和Abis-R。在软件方面，采用了用于优化呼叫建立时间的业务信道分配算法、越区算法，用于增强高速移动体（例如高速铁路）通信服务质量的高速抗失真算法等。利用GSM/GSM-R双模手机可进行GSM网的公众移动通信，也可进行GSM-R网的专用移动通信。其中GSM-R的网络结构与GSM相同。可构成链状覆盖或面状覆盖的蜂窝网络。GSM-R
是基于GSM Phase Ⅱ+ 。它在GSM Phase Ⅱ基础上，引入智能网应用部分（INAP），实现移动网高级逻辑客户化应用程序（CAMEL），将业务交换和业务生成逻辑分开，引入高速数据通信和更多的补充业务，如ASCI(advanced
speech call)先进话音呼叫业务。其中包括优先级（eMLPP）、话音广播业务（VBS）和话音组呼业务（VGCS）等。

    我国数字专用移动通信的体制，目前已经颁布了行业标准。它主要是基于TETRA的标准和iDEN标准，但作了简化。标准是相对固定的，但它将随着技术的进步和市场需求的提高而不断地更新版本。业内人士普遍认为：GSM已有国内工业基础，GSM网已成为覆盖全国最大的运营移动通信网，并拥有最大量的用户，如能在GSM网上开设专用移动通信业务，将是发展我国专用移动通信的最佳途径。当前，移动通信技术已经从2G进入了3G。如何能跟随3G的发展构建专用移动通信，也是值得认真考虑的问题。目前的数字专用移动通信技术仅处于2G的水平，可以预见，3G必将对专用移动通信的技术和市场带来巨大的冲击和影响。

摘自《通信世界》2001.35期