采用同頻同播技術(shù)構(gòu)建群組基站系統(tǒng)

摘要：討論在PDT集群架構(gòu)下，通過部分群組基站的構(gòu)建，解決警用專網(wǎng)普遍大區(qū)制覆蓋下存在的頻率資源緊張、多重疊覆蓋區(qū)、電臺漫游切換、小范圍補盲等難題。重點介紹該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了基站備份、擴展應急網(wǎng)、地上地下聯(lián)網(wǎng)、增強縣區(qū)基站可靠性、優(yōu)化隧道覆蓋等應用前景。

一、引言

公安PDT數(shù)字集群系統(tǒng)大多采用大、中區(qū)制覆蓋方式，在城市里因為高樓、立交、高架橋等的遮擋，一些區(qū)域無線信號覆蓋不夠理想。為了擴大信號覆蓋范圍或者針對盲點補盲，通常的手段是增加基站。但通過新建基站補點存在三方面問題：一是頻率資源相對緊張，頻率復用困難；二是信號重疊覆蓋區(qū)增多，在樓宇密集區(qū)極易形成大站套小站的情況，增加終端電臺切換基站的難度；三是每次新增基站，終端電臺都需要增加控制信道，即使支持空口寫頻，也有一定的難度和工作量。采取同頻同播技術(shù)組建群組基站，能使用現(xiàn)有頻率新增基站、擴大信號覆蓋范圍，并解決多基站重疊覆蓋區(qū)可能產(chǎn)生的問題。

二、采用同頻同播技術(shù)構(gòu)建群組基站系統(tǒng)

如果在PDT集群系統(tǒng)網(wǎng)絡中，對需要補點的區(qū)域增加若干新基站，這些新基站的配置和網(wǎng)內(nèi)某個集群基站完全一樣，如載波數(shù)量、載波頻率、基站位置識別碼LAI、控制信道等，并且這些新基站也能像標準基站一樣接入當前數(shù)字集群系統(tǒng)網(wǎng)絡中一起工作。這些新建的特殊基站就類似于多個基站的組合，對于整個PDT集群系統(tǒng)相當于一個基站，我們將這些配置相同的基站稱為一個群組基站。而對于電臺終端來說，一個群組基站亦相當于一個基站，電臺終端在群組基站中工作實現(xiàn)的功能與在標準基站中相同。

群組基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1. 集群系統(tǒng)架構(gòu)不變，新增同頻區(qū)群組基站控制器以及群組基站；

2. 從整體上看,群組基站控制器+群組基站相當于集群MSO內(nèi)的一個集群基站，每增加一個同頻區(qū)需要增加一個群組基站控制器；

3. 基于有中心架構(gòu)實現(xiàn)，群組基站控制器作為同頻區(qū)群組基站的交換控制中心；

4. 引入虛擬子網(wǎng)（VSN）概念（簡稱子網(wǎng)），將同頻區(qū)群組基站下的CHU劃分為多個VSN，VSN使用同一對頻點資源；

5. 新增VCHU網(wǎng)元（virtual CHU，虛擬信道機），每個VCHU控制一個VSN，VSN實現(xiàn)同頻同播功能，對于TSC來說VCHU+VSN等同于原集群基站CHU。

三、適用場景

（一）擴大基站信號覆蓋范圍

在一個城市的PDT網(wǎng)絡建設完成后，仍然會存在信號覆蓋盲區(qū)，如樓群密集區(qū)域、體育場館、重點會館和重點賓館等，這些區(qū)域只是需要解決信號增強問題，對通話的話務量不高，不需要增加額外的信道數(shù)。因此，可以把這些區(qū)域中的基站新建擴展成多個基站，并通過將這些多基站組成一個群組基站的方式，來增強該區(qū)域內(nèi)的信號覆蓋，卻不需要增加額外的頻點。

采用群組基站能減少建站頻率需求、增強這些區(qū)域信號覆蓋、降低電臺終端通話越區(qū)概率。

增強基站信號覆蓋范圍組網(wǎng)示意圖如圖2所示。

（二）重要基站熱備份

PDT數(shù)字集群網(wǎng)絡的一大優(yōu)勢就是在PDT集群系統(tǒng)組網(wǎng)方案中設計了多級故障弱化技術(shù)，從交換中心、鏈路設備以及基站上的關(guān)鍵設備都有對應的故障弱化能力，如交換控制中心的本地備份和異地備份、鏈路熱備、基站控制器熱備、控制信道熱備、基站電源熱備等。而基站除了內(nèi)部關(guān)鍵部件的熱備份能力外，基站整體也有對應的弱化能力，如單基站集群。

但是，如果基站長時間停電、鏈路中斷或者遇到不可抗拒因素等情況，這個基站的信號就會消失。一個城市PDT網(wǎng)中一些重要區(qū)域的基站，要能不間斷無故障工作，就是基站信號覆蓋也需要熱備份。

用群組基站組網(wǎng)方式實現(xiàn)基站覆蓋的熱備份，在原有重要基站附近再建設一個參數(shù)相同的基站，兩個基站組成群組基站而同時工作。因為使用相同頻率工作，不互相干擾。任何一個基站故障，由于兩基站覆蓋范圍大致相同，在覆蓋區(qū)內(nèi)電臺終端仍能接受信號，正常通話，不受影響。這樣能最大程度增強系統(tǒng)的可靠性。

重要基站熱備份組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

（三）系統(tǒng)中擴展應急子網(wǎng)

一些城市公安部門經(jīng)常有重要的警保任務，警衛(wèi)部門需要一個相對獨立的子網(wǎng)，滿足通信區(qū)域信號良好覆蓋和通話信道保障需求。在處置突發(fā)事件時，指揮層面也需要一個相對獨立的通信子網(wǎng)，滿足指揮層面人員的通話保障需求。同理，消防部門的一級通信網(wǎng)也有類似需求。

另外，相對獨立的子網(wǎng)可以解決集群網(wǎng)中大范圍組呼呼叫時的漏呼問題（由于基站信道配置數(shù)量不均衡或基站通話數(shù)量不同，某些參與基站可能沒有空閑話務信道）。

我們可以在已建設系統(tǒng)的基站中增加2載頻基站（共址建設2套基站，天饋設備共用），再輔助增加一些擴展覆蓋的基站共同組成應急通信子網(wǎng)的群組基站。需要使用該應急通信子網(wǎng)的成員，將電臺選擇該子網(wǎng)允許的通話組，電臺自動鎖定在子網(wǎng)中（對應電臺終端的組登記功能）。在應急通信子網(wǎng)中的成員仍然可以通過選組，與大網(wǎng)中任意其他的通話組進行通話。

在系統(tǒng)中擴展應急通信子網(wǎng)的組網(wǎng)示意圖如圖4所示。

采用群組基站擴展應急通信子網(wǎng)與常規(guī)同頻同播網(wǎng)的區(qū)別主要有：

1. 群組基站子網(wǎng)中的電臺終端仍工作在集群模式，具備所有集群系統(tǒng)多級別調(diào)度通話、短信、定位、狀態(tài)信息等功能，同時與集群網(wǎng)中的其他用戶可任意互通；常規(guī)同頻同播網(wǎng)是一套獨立的子網(wǎng)，只具備網(wǎng)內(nèi)單獨的、基本的語音通話功能。

2. 擴展的應急通信子網(wǎng)具備獨立工作的能力，即使MSO出現(xiàn)故障，應急通信子網(wǎng)仍可提供全覆蓋區(qū)域的集群通信服務。

（四）構(gòu)建地上地下一張網(wǎng)

地鐵在大城市中正在加快建設步伐，覆蓋地鐵車站和隧道區(qū)間公安PDT系統(tǒng)已是地鐵建設的標準配置。地鐵PDT 網(wǎng)絡日常為地鐵公安警員提供通信服務，應急時刻還要為地面警員進入地下處置突發(fā)事件提供應急通信服務。因此，一個城市理想的公安PDT無線通信網(wǎng)應把地上和地下進行通盤考慮。

采用群組基站建設地鐵公安PDT網(wǎng)是一個較好的選擇方案，其優(yōu)勢主要在于：

1. 地鐵公安用戶少，話務量??；

2. 地鐵內(nèi)使用的頻率不與地面頻率規(guī)劃沖突；

3. 群組基站信道是同頻設置，電臺終端通話不存在越區(qū)切換問題，通話效果最佳；

4. 每條線路配置成一個群組基站區(qū)域，每增加一條地鐵線路，地面系統(tǒng)相當于增加一個基站；

5. 將所有地鐵線路的群組基站納入地面集群網(wǎng)中統(tǒng)一管理，不需要為地鐵PDT網(wǎng)分配新的系統(tǒng)區(qū)號（PDT標準中每個城市一個），從而形成全市統(tǒng)一的一張網(wǎng)絡；

6. 即使地面交換中心出現(xiàn)故障，每條線路仍可獨立工作，提供完備的集群服務。

構(gòu)建地上地下一張通信網(wǎng)組網(wǎng)示意圖如圖5所示。

（五）增強縣級基站聯(lián)網(wǎng)的可靠性

按照PDT標準技術(shù)規(guī)范要求，每個地市在市局建設一套交換控制中心，縣級基站直接接入市局交換控制中心。如果市局交換控制中心故障或者市局到縣局的鏈路故障，則縣局的基站將失去聯(lián)網(wǎng)功能，各個基站僅能獨立工作。

可以應用群組基站組網(wǎng)的方式增強縣級城區(qū)基站聯(lián)網(wǎng)的可靠性。一般情況下，縣一級公安機關(guān)城區(qū)的話務量不高，每個縣城城區(qū)配置2～3個基站（每個基站6～8載頻）組成一個群組基站即可滿足工作需要?？h城城區(qū)以外的基站仍按照傳統(tǒng)方案設計。

此方案中，城區(qū)基站可以保持獨立聯(lián)網(wǎng)工作的能力。

增強縣級城區(qū)基站聯(lián)網(wǎng)的可靠性組網(wǎng)示意圖如圖6所示。

（六）優(yōu)化隧道覆蓋問題

目前，很多城市建設了過江、過湖和過山隧道，這些隧道成為城市的交通要道，隧道中遇突發(fā)事件時需快速處置，因此，隧道中無線信號覆蓋的需求十分明確。

傳統(tǒng)的隧道無線信號覆蓋采用直放站技術(shù)。但是，直放站要在信號完全隔離的環(huán)境中才能發(fā)揮作用。如果隧道引入附近基站的信號，在隧道入口，信號要中斷以避免直放站自激問題發(fā)生；如果引入遠處基站的信號，遠處的基站通話信道全忙時，將造成越區(qū)失敗。另外，直放站的工作完全依賴于施主基站，一旦施主基站故障，直放站也無法工作。

采用群組基站方式實現(xiàn)隧道信號覆蓋，在隧道中增加一個與隧道附近基站相同參數(shù)的基站，這些基站組成一個群組，信號覆蓋隧道兩端及隧道內(nèi)，可以完全交疊覆蓋。對講機在通過隧道的整個過程中，通話都不存在越區(qū)切換問題。

解決隧道覆蓋問題組網(wǎng)示意圖如圖7 所示。

四、關(guān)鍵性問題探討

（一）與標準集群基站的區(qū)別

群組基站就是一些參數(shù)相同的標準基站組成一個基站群組，但是并不能完全用群組基站來代替標準集群基站。

PDT系統(tǒng)的建設除了要滿足信號覆蓋要求外，還要滿足話務量的要求，而話務量與使用的頻率數(shù)量相關(guān)。一個城市的PDT系統(tǒng)要滿足多警種（輔警也可能使用）共網(wǎng)的應用（語音、定位、短信、狀態(tài)信息、分組數(shù)據(jù)等）需求，建網(wǎng)時必須要先考慮建設一定數(shù)量的標準基站并配置一定規(guī)模數(shù)量的載頻。

群組基站是在解決了話務量的基礎上，擴展基站的覆蓋范圍和增強系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

全部采用群組基站建設PDT系統(tǒng)是不能滿足話務量要求的，一個群組中基站配置數(shù)量不易過多，以不與整網(wǎng)頻率規(guī)劃發(fā)生沖突為宜，地下（地鐵）群組基站可以按照車站數(shù)量配置（地鐵公安話務量需求較小并且不存在頻率規(guī)劃沖突問題）。

（二）重疊覆蓋區(qū)的判選

重疊覆蓋區(qū)內(nèi)終端講話，多個基站可以接收到信號，將面臨判選哪個基站作為信號源的問題。

一般來說，選擇信號質(zhì)量最佳的基站作為信號源，保證高保真的語音與信令數(shù)據(jù)。當終端處于N個基站的重疊覆蓋區(qū)時，系統(tǒng)需要收集齊這N個基站的上行信號場判選條件的數(shù)值后，才能從中判斷出最佳信號通路，做出判選。假設N個鏈路之間最大時延差值為△T的話，那么系統(tǒng)必須要至少設置△T的接收信號緩沖區(qū)，這樣會增大系統(tǒng)的話音時延。

根據(jù)數(shù)字集群的特點，由于信道糾錯功能的存在，在一定覆蓋范圍內(nèi)，基站接收到的信號強度與數(shù)據(jù)完整性無關(guān)，數(shù)字信號有一定的容錯能力，因此在做判選的時候，不一定每次都選擇信號質(zhì)量最好的基站，只要當前基站的信號質(zhì)量滿足通話要求就可以，所以可以設定一個門限值，只要上行信號滿足門限值的要求，系統(tǒng)就可以選中該路信號。如果不符合條件，則繼續(xù)等待來自另外基站的數(shù)據(jù)，直到滿足判選門限值，否則不允許建立業(yè)務（此種情況下說明判選門限值不合理，需要進行調(diào)整）。這樣即可以提高判選速度，減少系統(tǒng)時延，也可以防止頻繁的基站切換帶來的其他影響（比如說由于各個基站到MSO IP鏈路之間延時的不一致性，在不同基站之間切換時容易導致語音包之間的延時抖動加?。?/p>

判選過程圖如圖8所示。

（三）多基站下行同頻信號干擾

由于群組基站系統(tǒng)的特性，需要保證基站在下發(fā)數(shù)據(jù)時的同步發(fā)射，以保證同頻區(qū)群組基站下的同頻同相覆蓋。

對GPS鎖定要求更嚴格，基站需提供更為精確的守時功能。

同時，群組基站服務器通過向群組基站發(fā)送數(shù)據(jù)包，包含數(shù)據(jù)下發(fā)時間戳的方式，保證基站同步下發(fā)數(shù)據(jù)。時間戳的基準選擇方式應綜合考慮精度、系統(tǒng)時鐘同步難度等問題。

（四）時延問題

由于需要處理重疊覆蓋區(qū)問題，系統(tǒng)側(cè)處理終端業(yè)務時延遲會比集群基站要大。并且存在多基站并行信號處理問題，多設備間同步問題，都會給系統(tǒng)帶來額外的時延。為了不影響用戶正常使用，群組基站這些問題造成的時延應控制在120ms以內(nèi)。

（五）與集群基站互相切換

群組基站在硬件上與集群基站基本保持一致，公安用戶在后期使用過程中，因需要而產(chǎn)生對系統(tǒng)規(guī)劃的變化，能方便群組基站與集群基站進行互相切換。

為了將切換給系統(tǒng)帶來的影響減至最低，做到迅速反應，應允許通過在中心側(cè)遠程實施完成所有切換動作，且數(shù)據(jù)庫在切換后快速同步更新。

（六）建站建議

在PDT系統(tǒng)中，同頻數(shù)字信號相位誤差小于1/8碼元時間才可滿足正常通話要求。如：1碼元時間約為200μs，1/8碼元時間約為25 μs，即無線電波傳播7.5公里。建設群組基站時，應當注意在各個基站重疊覆蓋區(qū)內(nèi)，尤其是在場強相當（場強差<10dB）的重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端電臺到各個基站間的距離差最多不超過7.5公里，否則可能會因誤碼過大而造成通訊失敗。

五、結(jié)語

隨著全國PDT系統(tǒng)規(guī)模的擴大，頻率資源緊張、大區(qū)制多基站重疊覆蓋、小區(qū)域補盲等是將來不得不面對的問題。通過群組基站的構(gòu)建，能較好解決頻率資源緊張、電臺漫游切換、靈活補盲等難題。并且，也帶來了基站備份、擴展應急網(wǎng)、地上地下聯(lián)網(wǎng)、增強縣區(qū)基站可靠性、優(yōu)化隧道覆蓋等新的應用前景。

與此同時，將群組基站過渡到實際應用中，需要著重考慮重疊覆蓋區(qū)判選、下行信號干擾、時延及與集群基站切換等問題。