集群移动通信系统的组网设计

1995年4月第H卷第4期电信科学TELECOMMUNICATIONSSCIENCEVol.11APril件名毙集群移动通信系统的组网设计傅为民(浙江公安高等专科学校杭州310007)摘要本文对集群移动通信系统在组网设计时应考虑的问题进行了分析,并提出了具体步骤和方法,可供集群系统组网设计时参考。关键词集群移动通信设计集群系统的特点和组网设计依据传统的固定分配信道移动通信系统中,用户是固定在某一信道上通话的,当该信道繁忙时,该信道的其它用户就不能通话,而其它系统中的信道又会出现由于没有通话或通话完毕或通话间隙等情况而空闲。在集群移动通信系统中由于采用了信道共用动态分配空闲信道技术,使原专业通信网独立使用频率改变为若干个专业网共同使用。信道虽然共用,但仍保留专业网的各自独立性,自身的业务互不影响。此外,还有一些固定分配信道的移动通信系统所无法比拟的优点:(1)频率利用率高;(2)阻塞概率低,系统服务质量高;(3)通信保密性好,特别是采用传输集群时,这点更明显;(4)系统设有不同的用户等级,如自动排队、特权优先、紧急呼叫、强插强拆等,便于指挥调度;(5)具有同蜂窝网类似的其它各种功能。再加上系统结构简单、造价低、组建快、功能强、可靠性和可维护性好,所以比较适合公安、交通、人防、水利、电力等专业部「1组建专业移动通信网。正是由于上述这些特点,近年来,不少地区和部门正在分析引进并组建集群通信网。作为设计人员在设计建网时,要根据专业的特性,主要了解以下一些情况:(1)系统的发展规划;(2)系统的服务范围、用途、要求、功能及特殊要求或特殊功能;(3)系统的容量,既要了解现在的要求,还要考虑到将来扩充的可能性;(4)当地的地形、地质、气象以及各种干扰和噪声的状况;(5)设定基站的位置、条件;(6)与市话交换网的接口情况;(7)可提供的频段及频道数;(8)用户对通话业务以外的要求,如数据、传真、图像及RS232C接口等;(9)用户的投资能力。设计人员根据用户提供的各种要求、条件和数据作为组网设计的依据,同时在满足用户要求的情况下,要考虑所设计的系统要具有一定的先进性、经济性、适应性和可扩充性。2系统体制2.1系统的基本模式根据集群系统的特点,它比较适合于组建中、小容量的移动通信网,特别是适合于专业用的中、小容量的调度型移动通信系统。一般采用大区制,即在一个行政区内只设一个发射台,与有线电话连接时采用半自动直拨中继方式或全自动双向模拟中继方式,如图1。如果要求系统的服务区比较大时,基站可采用多点分集接收。当服务区域更大时,可采用多区、多中心、多层次的网络结构,如图2。·36·电信科学1995年2.2服务质t和工作方式在移动通信网接入市话网时,移动用户到控制中心音频输出端的音频带内信噪比应大于或等于29dB,相当于话音质量主观评定的4级话音质量。要求不严的,话音质量也可以定为3级。对于市区、近郊区以及高密度用户地区,覆盖区边缘的无线可通率要求不低于90%,对于农村、山区及低密度用户地区,覆盖区边缘的无线可通率最低不得低于50%。工作方式可以是双工,也可以是半双工。2.3信道控制方式和调制方式集群系统对信道的控制是通过信令的传输来实现的。信道控制方式大体可分为集中控制方式和分散控制方式两类,其中集中控制方式又可细分为专用信令信道和非专用信令信道两种形式。专用信令信道方式指定某一信道专门用于信令传输,所有入网接续都必须通过该信道来完成,其余信道为话音信道。而在非专用信令信道方式的系统中,虽也指定一条信道作信令信道,但当所有话务信道均忙时,该信道可暂作为话务信道用,信令信道并不固定不变。信道的集中控制优点比较多,系统功能齐全,便于自动化管理,便于处理特殊功能,也便于联结成区域网;因不需要信道扫描,且可采用高速数字信令,因而建立呼叫速度快,入网接续时间短;还可利用专用信令信道完成紧急呼叫,连续分配信息更新,提高通信的可靠性等。但在专用信令信道方式中,由于所有的入网和接续信令都必须通过专用信令信道来完成,因此容易出现“碰撞”问题,且在系统信道数较少时,信令传输要专门占用一信道,信道利用率低。这时宜采用非专用信令信道方式。PABXPSTN伙凸固定用户介无一单区单基站集中控制方式集群系统结构中心I区域I区域Nl域图区中心.1(中心I】“·(中心l中心.)l中心11{中心.】:l中心.基站基站图2基站}!基站11基站日基站多区、多中心、多层次的网络结构分散控制方式的集群系统中,每个信道都通过配有逻辑控制板或集群控制模块的转发器来负责信道的控制和信令转发,转发器之间的信息交换是通过一条高速数据总线以时分多址方式进行,移动台可在任何空闲信道上实现接入系统的操作,如美国Uniden公司的F.A.S.T系统。它的优点是:亚音频数字信令和话音同时传递,不占用信道;不需要扫描,接入时间短;不需要独立的系统控制器,可降低系统成本;某一信道出现故障,不影响整个系统的工作,同时也便于扩充。总的来说,信道的集中控制优点多于分散控制,分散控制适于信道数较少,用户量较少的系统,而集中控制专用信令信道则更适于信道多、容量大的系统。但也有一个动向,即集中控制和分散控制的互相结合。第4期傅为民:集群移动通信系统的组网设计.37·为了提高抗干扰能力,话音信号一般采用调频,控制信号一般用FSK或FFSK形式来传递。2.4信令方式信令系统的目的是完成对系统的控制和管理,同时保证通信系统中各个用户进行迅速、准确无误地接续。集群系统中为了易于与微计算机接口,多用数字信令,但因模拟信令技术比较成熟,且便于与现有市话交换机接口,也使用一些模拟信令。(1)模拟信令集群系统中使用的模拟信令主要有DTMF信号、CTCSS信号、五音调信号等。CTCSS信号常用来选通,以它来控制静噪电路的开或闭,它在多个通信系统公用一个信道时,可防止相互干扰,还可以防止非法用户的进入,由于它是亚音频,可以和话音同时传递,且不影响话音信号。DTMF信号由高频和低频组合而成。利用DTMF信号便于拨号操作,当操作某个按键时,并列送出高低两个频率的组合。DTMF拨号系统速度快,可靠性也好,用户操作起来也比较方便,所以使用得较多。(2)数字信令数字信令由于传输速度快,组码数量大,便于集成化,所以应用广泛。集群通信系统中使用的数字信令有低速和高速两大类,三种制式,即¹已公开的MPT一1327信令,它是欧洲、澳洲广泛采用的信令制式;º已公开的LTR随路信令及其改进型,美国E.F.Johnson公司和U-n记en公司的集群系统采用这类信令制式;»专用未公开的集群信令,如美国MOTOROLA公司集群系统的信令、瑞典Ericsson一GE公司的E一DACS系统的信令及其它未公开的专用信令。MPT一1327信令因已标准化和公开化,许多国家和公司都采用这种信令,因此其兼容性好,且具有速度快、系统容量大、扩容方便的优点。但MPT一1327适用于单个集群系统,对于由多个集群系统合成一个更大的系统,其描述和合成方法已超出该标准范围,不过它可组成多个集群系统的区域网。LTR随路信令用于分散控制信道方式的集群系统。它占据亚音频段(150H:以下),与话音信号同时传送,不另占用信道,其速率为300bit/s,在其信令格式中规定,转发器号占sbit,被叫识别号占sbit。可以看出,使用这种信令的系统转发器的个数限制在2s一32个之内,每个信道的用户数最多只能达到2s一256个,它限制了扩展成大容量网的可能,一般只能容纳5000个用户。使用这种信令的优点是网络简单,信道利用率高,系统造价便宜,且易扩容。专用信令因申请了专利,格式不公开,如MOTOROLA智慧网,它所采用的信令复杂,除了在控制信道上传输数字信令外,在语音信道上还传送音频信令。其优点是因多采用高速数字信令前向纠错便于向数字化过渡,进行数字通信,且针对性强,通信功能齐全,能满足各种组网需要。但其兼容性差,有的由于采用多重信令、多种格式、多种速率,使得信令的产生和接收电路显得多而繁。为便于分析和比较,表1列出了国外有代表性的集群系统所采用的信令情况。2.5与电话交换机的接口接口标准可参考中华人民共和国国家标准GB6282一86“25~l000MHz陆地移动通信网通过用户线接入共用通信网的接口参数”。设计中主要参数为:(1)音频带宽:300~34。。H:;(2)音频响应:相对于loZoHz的幅度变化在300一3400Hz范围内变化应为一0.2一+0.sdB;(3)接口方式:用户线方式接口;(4)接口电平:从无线控制终端到有线电话网音频信号电平为·38·电信科学1995年一4.sdBm/6。。n,从有线网到无线控制终端的音频信号电平为odBm/60On;(5)用户线的用户回路电阻、用户线间绝缘电阻、线间电容应符合GB3378的相关规定;(6)DTFM信令按CCITTQ23标准。3频段选择与频率配置3.1频段选择根据国家无线电管理委员会关于我国移动无线电通信的频段划分进行频段选择,集群系统经常使用的移动通信频段有150MHz、450MHz、80oMHz以及其它有关专业部门使用的频表1国外有代表性的集群系统所采用的信令情况系系统名称称SMARTNETTTF.A.S.TTTEDACSSSACTIONETTTTAITTT(((((美国)))(美国)))(瑞典)))(芬兰)))(新西兰)))信信道管理方式式专用信令信道道随路信令令专用信令信道道专用信令信道道专用信令信道道集集集中控制制分散控制制集中控制制集中控制制集中控制制信信令规程程专用信令令LTR亚音频频专用信令令MPT一132777MPT一132777速速率率3600bit/sss300bit/sss9600bit/sss1200bit/sss1200bit/sss调调制方式式直接调制制直接调制制直接调制制二次FFSKKK二次FFSKKK纠纠错方式式BCH码码检错错BCH码码BCH码码BCH码码入入网时间间260msss300msss240msss300msss300msss段如35OMHz等。由于15oMHz频段已很紧张,45oMHz频段也相当拥挤,单独在15oMHz频段或450MHz频段拿出一定数量的频道已有困难,也可以是150MH:频段的几个频道和450MH:频段的几个频道组合起来使用。电波在自由空间传播时,其传输损耗为:L=32.45+Zolgd+Zolgf(dB)(l)式中d为通信距离(km);f为频率(MHz)。可见在功率相同的条件下,频率越高,通信距离越近,频率越低,通信距离越远,也就是说,频率增高时,传输损耗增加。从干扰角度看,外部干扰随频率的增高而减弱,频率高,外部干扰就小。例如,城市中汽车点火干扰频谱峰值主要集中在50一11oMHz左右,因此,外界干扰对35oMHz、45oMHz、80OMHz等频段的影响比较小。但从地形地物来看,由于频率越高,绕射能力越差,而对建筑物的穿透能力则越强,对于城市、山区、林区,要综合诸因素进行考虑。3.2频率的确定使用什么频率除了由无线电管理委员会按频率分配原则及实际情况外,从设计角度说,主要是考虑频道的干扰问题。在众多干扰中,互调干扰、同频干扰比较严重。另外,如果系统采用多基站网络结构时,则要采取传送同步信号方式,使各基站发射信号同步。4系统的话务量、容量和信道数集群系统中,无线信道是根据用户需要进行动态分配的。当系统中所有信道均被占用时,处理新的呼叫流有损失制和等待制两种方法。对于损失制,系统给新的呼叫用户示忙,而对于等待制,用户排队等候服务。如果集群系统主要是用于基地台与移动台之间或移动台与移动台之间的调度,每次通话时间较短,平均占用时长为205左右,因而短的排队时间可以为用户所第4期傅为民:集群移动通信系统的组网设计·39·接受,可按等待排队制来考虑。如果系统用户与有线电话的连接是主要任务,通话时间相对长些,集群方式宜采用消息集群,对这种用户用损失制考虑更为合理。4.1等待制对于等待制来说,遇忙时用户排队等候,先等待先服务,故可把它看作是一种等待制全利用度系统。等待制系统通常存在两种占用时长分