第3章PDT技术体制 作为特定的技术体制，警用数字集群(Police Digital Trunking)通信系统及专用数字集群(Professional Digital Trunking)简称均为PDT。本书除非特殊说明，均以PDT代指两种技术标准，不做区分。 3.1概述 PDT技术体制采用12.5kHz TDMA双时隙、4FSK调制技术，2.4kb/s语音压缩速率，9.6kb/s传输速率，支持端到端语音、数据加密，支持系统之间互联互通。PDT具有语音清晰、抗干扰能力强、高效频谱效率、省电等特点。具体如表31所示。 表31标准技术体制 序号项目技 术 说 明 1信道带宽12.5kHz 2调制方式4FSK恒包络调制 3调制速率9.6kb/s 4多址方式TDMA/FDMA(每载频2个时隙) 5声码器NVOC，2.4kb/s(编码后速率3.6kb/s) 6安全加密支持端到端语音加密、数据加密 7控制信道方式专用控制信道 8用户容量24比特地址，支持1600万用户 9数据业务能力短消息、状态消息、分组数据业务 10工作模式支持直通、常规中转及集群3种模式 11系统间互联规定了系统间互联接口，不同厂商系统可以互联互通 12组网模式采用大区制组网 PDT技术体制制定充分考虑了我国国情及用户的使用习惯，采取频率独占、专网专用的模式，支持终端自动漫游，具备丰富的语音、数据业务功能，具备全国联网、统一网管、统一调度、无缝越区等独特技术优势。与其他数字集群技术体制相比，PDT技术体制具有自主知识产权、大区覆盖成本低、模数平滑过渡、国密算法加密和不同厂家系统互联的显著特点。 3.1.1PDT总体设计原则 在PDT标准发布之前，中国曾经推行TETRA、iDEN、GoTa和GT800等数字集群通信标准。这些标准经过多年的市场检验，并未获得市场全面认可，不能完全满足国内专业行业用户，特别是公共安全用户的需求，主要体现在以下几方面： (1) MPT模拟集群系统已具规模，用户需要一种平滑过渡的方案，既能有效保护前期投资，又能保证模拟向数字转换过程中设备正常的使用； (2) 各地区经济发展很不平衡，要建成全国范围的通信网，就需要采用组网难度低、组网成本低的技术； (3) 如果数字集群标准中存在太多的国外专利壁垒，会影响设备的国产化，网络建设成本也居高不下； (4) 为更好地保护涉及国家机密、国家安全的通信，亟须一款中国自主加密技术体制方案； (5) 各地区分批采购的设备必须有统一的互联标准，确保不同供应商之间的设备能够互联互通。 基于避免上述问题的思路，PDT标准制定遵循了以下六大原则： (1) 大区制、低成本； (2) 模拟数字平滑过渡； (3) 不同厂家系统互联互通； (4) 自主知识产权； (5) 自主安全加密； (6) 国际化。 1. 大区制的优势 PDT采用了覆盖能力更强的大区制技术，用较少数量的基站即可满足一个城市的集群信号覆盖，可以节省基础设施投入，降低网络建设、运营和维护的成本。同时，基站数量少也能够降低网络的复杂程度，提高网络运行的安全性和可靠性。 此外，大区制技术的空口射频频谱能量集中，功放效率高，终端电池更省电。 2. 模拟数字平滑过渡 PDT系统采用和模拟MPT系统相似的恒包络频率调制技术，系统和移动台均采用非线性功放，便于实现MPT和PDT系统和移动台的多模设计。PDT标准继承了MPT的技术特点，支持模拟和数字两种体制，支持模拟移动台用户和数字移动台同时使用，互联互通； 移动终端的编号规则相同，操作方式相同，使用习惯相同； 模拟向数字平滑过渡过程中，不影响用户正常使用，真正实现了与模拟系统的平滑过渡。 3. 系统间互联互通 PDT的系统互联使用IP软交换技术，交换节点可以采用任何拓扑结构的平面网状连接。需要增加交换节点时，只需要增加连接接口实现与新增交换节点的互联，不会影响原有网络的正常运行。与基于电路交换的系统相比，PDT采用IP交换能够给用户带来一系列好处，包括系统性能、可靠性、可扩展性和移植性的全面提高，以及快速的跨节点呼叫建立时间、更广泛的IP数据应用、更低成本的运行、管理和维护等。 4. 自主知识产权 PDT标准具备中国自主知识产权，不受国外的专利限制，充分支持产品的国产化，降低制造成本，是我国第一套完全自主知识产权的专业窄带数字集群标准。目前国内集群厂商产品的市场占有率遥遥领先的现状就可以充分说明自主知识产权在支持产业发展中所发挥的重要作用。 5. 自主加密技术 PDT标准考虑了公共安全等用户对加密技术较高的要求，支持鉴权、空口加密、端到端语音/数据加密，能提供具有自主知识产权的加密算法、完整的安全加密子系统以及全国网安全加密解决方案，还可根据客户不同的需求提供普密、商密等级的信息安全保密解决方案，确保用户信息安全。 6. 国际化 PDT标准对国际成熟的标准技术进行了研究借鉴和创新设计，能够向下兼容MPT及DMR标准。随着PDT产品的成熟，基于PDT技术的行业解决方案在全球范围内也逐步开始应用，PDT标准的多项创新方案也被国际专业集群标准引用和借鉴。 出于成本、加密、互联互通以及国产化等因素，公安行业用户最终选择PDT作为建设全国公安无线集群网络的唯一标准。全国网络的建设和应用，也促进了PDT技术体制的不断创新和完善，促进了产业的快速发展，在国际上与TETRA、P25(即APCO25)并称为全球三大数字集群标准。 3.1.2PDT标准体系 2008年8月4日公安部科信局发起制定PDT标准，2010年8月，国内多家专业数字集群领域的厂家自发成立PDT联盟，加快了PDT标准的研究。PDT标准制定得到了工信部、科技部、国标委的肯定和支持，并得到了产业界的积极响应。截至2017年，10项PDT公安行业系列标准全部发布，对全国PDT建设起到了全面的支撑作用。 2018年10月25日，中国通信标准化协会在北京组织召开了“基于12.5kHz信道的时分多址(TDMA)专用数字集群通信系统总体技术要求”等4项国家标准草案送审稿预审查会。本次会议标志着PDT 7项国标制定完成，将为指导全国多行业开展PDT建设提供全面的技术支撑，并将推进我国无线通信事业自主创新的进程。 PDT公安行业标准包括空口标准、系统互联标准、安全加密标准、移动终端标准、兼容测试标准和工程标准6部分内容，由10项子标准组成，具体如表32所示。 表32PDT标准体系 序号标准标 准 名 称 总体技术规范GA/T 1056—2013警用数字集群(PDT)通信系统 总体技术规范 1空口标准 GA/T 1057—2013警用数字集群(PDT)通信系统 空中接口物理层及数据链路层技术规范 GA/T 1058—2013 警用数字集群(PDT)通信系统 空中接口呼叫控制层技术规范 2系统互联标准 GA/T 1364—2017警用数字集群(PDT)通信系统 互联技术规范 GA/T 1365—2017警用数字集群(PDT)通信系统 网管技术规范 3安全加密标准GA/T 1059—2013 警用数字集群(PDT)通信系统 安全技术规范 4移动终端标准GA/T 1366—2017警用数字集群(PDT)通信系统 移动台技术规范 5兼容测试标准 GA/T 1255—2016警用数字集群(PDT)通信系统 射频设备技术要求和测试方法 GA/T 1367—2017警用数字集群(PDT)通信系统 功能测试方法 6工程标准GA/T 1368—2017警用数字集群(PDT)通信系统 工程技术规范 3.1.3PDT工作模式 PDT采用12.5kHz双时隙 TDMA、4FSK调制技术，支持直通(DMO)、中转(Repeater Mode，RMO)和集群(Trunked Mode，TMO)3种基础工作模式以适应行业用户的差异性，其中单频直通和双频中转又称为常规工作模式。基于这3种模式能够衍生出数字直通、中转IP互联、单基站集群、多基站集群、多交换机集群、数字同播、自组织网络等多种组网方式以满足不同行业、不同场景的应用需求。 1. 常规模式 常规模式是指移动台之间采用直通模式或者采用由中转台参与的中转模式进行通信的工作方式。与模拟的常规模式类似，PDT常规模式下移动台在某个预存的信道上发起/参与个呼/组呼的载频频率和时隙固定。例如某通话组G1，固定使用 f1频率的S1时隙。PDT常规模式相比模拟常规模式每个信道上可以承载更多的通话组。在移动台播放语音之前，进行主/被叫地址匹配和呼叫属性判断，减少无关语音的播放，提升了共享信道场景下用户的体验效果。 常规模式的呼叫由移动台发起，在移动台之间直接或者由中转台收转建立呼叫通道，中转台通常不进行用户的鉴权和管理。这种呼叫建立方式简单快速，是临时组网时常用的工作模式。 2. 集群模式 集群模式是移动台在集群控制设备管理下共享信道的工作方式。集群模式的业务与资源分配由系统控制，能够支持较高的用户容量，实现大规模组网，并提供丰富的业务和指挥调度功能，是专网领域业务功能最丰富的工作模式，非常适合公共安全、应急指挥用户和高端行业用户使用。 用户移动性管理是对移动终端位置信息、安全性以及业务连续性方面的管理，是集群系统的一个重要组成部分。“用户移动性管理”实现的质量直接影响到集群系统的使用效率。用户通话时，集群系统按照移动终端位置信息和在线情况分配基站的信道资源，可以最大程度提高信道利用率。用户的移动性管理可以在一个系统(交换中心)的多个基站之间，也可以在多个系统(交换中心)互联的更大规模网络之间进行管理。 集群系统的用户容量与系统的基站数量、信道数量直接相关。同样的信道总数，基站越多，系统的用户容量越低。此外集群系统的用户容量还与用户的分组数量和使用方式相关，分组越多，系统用户容量越低； 跨站组呼越多，系统用户容量越低。例如按同等条件计算PDT系统的用户容量，一个4载频基站可带用户数量约680个，两个2载频基站可带用户数量约340个。 3.1.4组网类型 PDT标准支持移动台直通、单中转台常规中转、多中转台IP互联、单基站集群、单交换中心多基站集群和多交换中心多基站集群等不同组网规模、不同应用复杂度的系统。同时可实现异频同播、同频同播、自组网等组网模式，根据用户的使用需求提供多样化的解决方案。 1. 移动台直通网络 DMO是移动台之间单频直接互通的工作方式，多个移动台之间使用同一频率直接通信而不借助于任何无线网络，如图31所示。该模式仅能提供最基本的语音功能和数据功能，适用于网络覆盖无法到达的区域范围。PDT直通模式通信距离较短，城区一般覆盖1~3km，适用于警卫车队、应急救援等场景下的临时通信，以及酒店、工厂等小规模商业用户在有限区域内的通信。 2. 常规中转网络 RMO是移动台通过中转台进行通信的工作方式，见图32。该模式为异频收发，接收和发射使用有收发间隔的一对频率，提供基本的语音功能和数据中转功能，可以通过多个中转台间的互联，实现广域的网络覆盖。 图31移动台直通网络 图32常规中转网络 中转模式下组网快速，成本较低，城区通信距离在通常天线高度下可达5~10km。适用于消防指挥、应急救援等场景下的临时通信，以及公安PDT大网的临时补盲覆盖。 多个中转台可以通过IP网络互联，实现语音及短数据的跨区域互联互通，见图33。有重叠覆盖区的中转台使用不同频率； 无重叠覆盖区的中转台可复用频率。该组网方式适用于地域广阔、多个小范围工作区需要互通的应用场景，广泛应用于公安、应急、铁路、行政执法、运输业等行业。 图33中转台IP互联网络 3. 单基站集群网络 单基站集群网络由基站、IP承载网、网管服务器、调度服务器和终端设备组成，见图34。该组网方式网络建设成本低，灵活性高，提供局域网覆盖，适用于小范围区域内中高端用户专业无线通信解决方案需求，例如应急救援、矿山、监狱等。 图34单基站集群网络 4. 单交换中心多基站集群网络 单交换中心多基站集群网络由基站、IP承载网、移动交换中心MSC、网管服务器、调度服务器、应用服务器、互联网关和终端设备组成，见图35。该组网方式适用于城域网规模区域，例如整个城市、工业园区、轨交沿线等规模的覆盖。 图35单交换中心多基站集群网络 5. 多交换中心多基站集群网络 多交换中心多基站集群网络由多个PDT系统的移动交换局(Mobile Switching Office，MSO)之间通过IP承载网连接组成一个多区多基站的覆盖网络，见图36。该组网方式借助于PDT系统互联互通的独特优势，适用于广域网的大范围覆盖。移动台在系统网络内的全自动漫游，并能够平滑越区切换，可以满足公共安全、交通运输、公用事业、能源行业、运营商网络等中高端用户的专业无线通信解决方案需求。目前国内公安就是采取这种组网方式组成了一张全国范围的数字集群网络，提供全方位、全天候、全过程的无线通信保障服务。 6. 同频同播网络 在同一个地区部署多个相同频率的基站来扩大通信覆盖范围的系统称为同频同播网络，见图37。集群/常规两种工作模式均可支持同频同播，在频率资源紧张时，同频同播是一种实现系统覆盖补盲的有效手段。 7. 自组织网络 Adhoc是一种多跳、无中心、自组织的无线网络，又称为多跳网(Multihop Network)、无基础设施网(Infrastructureless Network)或自组织网络(Selforganizing Network)。整个Adhoc网络没有固定的基础设施，每个节点都可移动，并能以任意方式动态地保持与其他节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其他节点进行分组转发，见图38。 图36多交换中心多基站集群网络 图37同频同播网络 图38自组织网络 利用PDT的两个时隙和多个直通频率的交叉组合，可以实现移动台之间的无线自组织网络，提供快速、灵活、便捷的区域覆盖。自组网空中接口与常规直通模式保持一致，支持链状、星状等多种组网方式，支持灵活动态拓扑。自组网适用于应急情况下大网覆盖盲区的快速组网通信，尤其是覆盖区域不确定而且覆盖区域需要频繁移动、切换的应用场景，例如地下室、涵洞、矿井等。 8. 组网类型总结 各种PDT组网模式的特点及应用如表33所示。 表33PDT组网模式对比 组网类型技术特征网络结构通信范围话务容量业务功能指调能力 移动台 直通点对点直接通信，收发同频无需系统，直接组网城区1~3km每单频点支持一组或2组通话*基本语音及短数据功能简单 常规中转通过转信台进行通信，收发异频简单，仅需中转台，快速组网单中转台，城区5~10km，IP互联可支持城域规模覆盖每对双频点支持两组通话基本语音及短数据功能简单 单基站 集群单基站模式中等，无交换设备城区5~10km动态共享信道，容量较大单站的语音、数据及调度业务丰富 单交换中 心集群单系统(交换机)模式较复杂，有交换设备支持城域规模覆盖动态共享信道，容量较大跨站的语音、数据及调度服务丰富 多交换中 心集群多系统联网复杂可支持广域覆盖，例如全国联网动态共享信道，容量较大跨系统的语音、数据及调度服务丰富 常规同 频同播多个相同频率的信道机进行同频发射，接收判选选择最优中等，具有交换中心和统一接口支持城域组网覆盖同常规中转模式同常规中转模式同常规中转模式 集群同 频同播分区域多个相同频率的信道机进行同频发射，接收判选选择最优同单基站集群或多基站集群组网支持城域组网覆盖一个同频同播区域等同于一个集群基站同播区域等同一个集群基站丰富 自组网直通模式支持自组网无须系统，直接组网支持城域组网覆盖2个单频点，支持一组通话基本语音及短数据功能简单 *： 使用特定的技术可以支持单载频双路的直通通信。 综上所述，PDT提供多种灵活的网络架构，能够涵盖不同行业用户的组网需求。同时，集群模式下的组网方式也支持灵活扩展，由单基站网络升级为多基站网络、单交换机网络升级为多交换机网络仅需要新增设备，不需要升级或更换原有设备，便于用户由小而大、由点及面、分步实施网络建设，最终达到按需覆盖的目标。 3.2PDT系统架构 3.2.1集群系统构成 PDT系统又称PDT网络(Network)，包括PDT集群基站、后台的支撑网络及交换控制节点在内的基础设施。按照逻辑结构，一个PDT系统可分为MSO、基站(Base Station，BS)、移动台(Mobile Station，MS)以及承载网络4个部分，如图39所示。 图39PDT系统逻辑架构 1. 移动交换局 MSO是系统的核心，包含移动交换中心(Mobile Switching Center，MSC)、网管中心(Network Management Center，NMC)、调度服务器(Dispatch Server，DS)、录音服务器、卫星定位服务器、鉴权中心(Authentication Center，AuC)、统一通信平台(Professional Unified Communications，PUC)等网元，多个MSO之间通过承载网络设备连接组成一个多区多基站的广域性覆盖网络。 MSC是整个系统功能的核心，提供与BS、互联MSC及其他网元的接口，提供交换功能和系统内其他功能的连接，处理用户的移动性管理，跨基站、跨系统的呼叫控制等业务功能。 NMC提供用户管理、权限管理、配置管理、安全及故障管理等功能。 PUC提供异构通信系统与PDT系统之间的互联互通，并为应用层提供标准化通信接口，向指挥调度等应用系统提供通信及业务支撑。 MSO一般部署于服务器设备中，由于厂商产品形态和实现方式的差异，服务器性能及部署方式有所不同。近年来，随着虚拟化和云计算技术的发展，专网MSO在技术上也开始向虚拟化和云化转型，支持云端部署。 2. 基站 基站包括基站控制器和基站收发信机两部分。为突出集群特性，有时使用集群基站(Trunking Station，TS)一词。 基站控制器(Base Station Controller，BSC)负责基站内部业务建立及维护、基站无线资源管理、基站设备操作维护以及与MSO之间接口控制等功能。 基站收发信机(Base Transceiver Station，BTS)是包含天馈系统在内的收发信设备，主要功能是基带信号的转换和以射频信号与移动台进行通信。 PDT集群系统中的基站主要有单载波收发信机基站和多载波收发信机基站(BBU+RRU)两种类型。 1) 单载波收发信机基站 PDT单载波信道机以载波为单位，每个实体的设备拥有独立的一个发射机和一个或多个接收机(用于分集接收)。传统的PDT基站多为机架式基站，如图310所示，一个基站包含多个载波时，通过合路器/分路器完成多个发射机/接收机信号的合路和分路。 图310机架式集群基站 (1) 单载波发射机。为了满足基站大功率发射的要求，单载波发射机大多采用C类功率放大器(Power Amplifier，PA)，效率较高而且可以输出至少50W的功率。多载波PDT基站中，每个载波的独立发射机后面连接的是合路器(天线共用器)，除了多路发射机共用天馈线之外，还起到了反向信号隔离的作用，减少共站或共址的其他发射机功率信号倒灌，造成发射机损伤和产生互调干扰。 (2) 单载波接收机。多载波PDT基站中，每个载波的每个独立接收机的输入信号来自通过分路器连接的共用接收天线。利用有源低噪声放大器在分路之前对信号进行放大，补偿分路器损耗。放大器的增益根据分路器损耗确定，抵消分路器损耗即可，过多的增益对接收机灵敏度不仅没有贡献，反而可能引入新的噪声降低接收信号质量。 单载波接收机工作时只锁定一个固定的载频，可以用通带窄、Q值高的滤波器滤除带外干扰。其他载频的信号无法进入接收通道，可以有效防止不同载频之间远近效应。 目前高速模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)常用的精度为16位，对应的理论电压动态范围为96dB，实际电路的基底噪声通常会占用至少低2位，所以ADC实际有效精度只有14位左右，对应的电压动态范围84dB。而基站实际接收到的信号最强与最弱功率比超过110dB。所以通常需要使用自动增益控制(Auto Gain Control，AGC)技术来扩大接收机的动态范围。 但AGC无法解决所有远近效应问题，还需要自动功率控制的辅助，尤其是同载频的两个时隙之间情况。PDT是TDMA技术体制，同一个载频的两个时隙分别代表两个独立逻辑信道，分配给两个无关的终端使用。如果两个终端与基站距离差过大导致基站接收信号功率差过大，让AGC电路在2.5ms的保护时间内完成几十分贝的增益调整难度很高。如果不能及时将增益调整到位就会出现同一个载频的两个时隙间远近效应。PDT协议设计了自动功率控制功能，可以降低远近功率差，缓解同一载频的远近效应。 2) 多载波收发信机基站 多载波收发信机基站使用的基带处理单元(Base Band Unit，BBU)+射频拉远单元(Remote Radio Unit，RRU)技术来源于宽带公网基站。RRU是多个载频共用的宽带发射、接收的射频平台，置于天线附近； BBU是多个载波共用的基带处理及基站控制平台，置于基站机房之内。BBU和RRU之间用非常轻便的光纤连接，是目前公网普遍采用的基站架构，如图311所示。 图311BBU+RRU基站 常见的多载波收发信机基站设备有BBU+RRU分体宏站和一体化基站两种。多载波收发信机使用SDR技术，设备集成度更高、体积更小，可支持基站设备平滑地向LTE演进，有效降低成本，保护投资。 (1) 多载波发射机的优点。RRU通常置于塔上，距离天线比较近，发射机采用宽带线性功放，多个载波信号放大后用短馈线连接至发射天线。相比传统的多个单载波信道机基站，多载波收发信机基站频点不受间距限制(合路器通常最小间距250kHz)，无需合路器(避免了合路器的功率插入损耗，根据载波数量不同减少了2~5dB的功率损耗)，节省了通常几十米长的大功率馈线(减少馈线传输损耗1~3dB)，减小了基站体积和重量，更方便运输和工程架设。由于这种基站体积小、重量轻、部署快、参数更改快捷，很适合车载使用，同时考虑到其设备体积、能耗、功率合路损失、数字滤波、覆盖精确控制和产品安装等优势，同样适合固定站的推广部署。 (2) 多载波发射机的缺点。线性功放的效率较低，出于发射功率、散热、非线性带来的互调干扰指标等因素考虑，每个宽带发射机通道同时承载的载频数量有限。常见的多载波发射机每通道支持4个载波，每载波最大功率10~15W。如果基站载波数多于4个，就需要使用多个发射通道和多个发射天线(每个发射通道对应一个发射天线)，受天线架设场地条件限制，增加了发射天线架设难度(发射天线间需要足够的空间隔离度)。若不考虑和接收天线共用(双工器还会增加额外的损耗和体积)，总天线数也多于使用合路器的单载波信道机基站。例如8载波发射机基站需要最少2发1收3根天线，单载波信道机基站最少需要1发1收2根天线。 多载波发射机另一个缺点就是基站内生的互调产物。由于没有绝对线性的PA，多个载波同时发射就必然会产生有害的互调产物。 (3) 多载波接收机的优点。多载波基站接收机的最大优点是天线到接收机的馈线短、损耗低，相比单载波信道机要连接几十米长的馈线信号损耗，可以获得1~3dB灵敏度优势，对上行通信覆盖的贡献相比传统使用合路器/分路器基站改善10%~40%(天线越高馈线越长改善越明显)。 多载波接收机的另一个优点是基站载波数较多时，由于发射通道能力限制增加天线数量的同时，也可以利用双工器增加接收通道数，顺便增加了分集接收的路数，提升接收机抗多径衰落的能力。 (4) 多载波接收机的缺点。多载波接收机以连接天线通道为单位，天线接收的多路载波信号同时进入与之相连的接收机通道。多个载波信号是独立的，某个载波信号可能来自基站附近，另一个载波信号可能来自基站覆盖的边缘地带，接收信号功率差异可能会超过110dB(接收最强信号-10dBm，最弱信号-120dBm)，这对接收机的动态范围提出较高的要求。 目前接收机常用的ADC电路实际有效位数只有14位左右，有效动态范围约84dB，无法同时处理超过此动态范围的强弱信号(除非选择更高位数的ADC器件)。在单载波接收机中可以使用AGC扩大动态范围，但此方法在宽带接收机中无法完全生效。原因是基站接收到的多个载频的上行信号完全无关，无法根据某一载频上行接收信号功率来调整总体增益。因此多载波接收机就需要协议提供更强的移动台功率控制能力，降低基站附近移动台发射功率，减少远近效应的影响。 在实际应用中这个接收机动态范围问题并没有想象中那么严重。集群系统基站的密集程度通常超过常规基站，压缩了基站平均覆盖距离，也压缩了强弱信号比，出现超过接收机动态范围的概率非常低。 3. 移动台 移动台通过空中接口与基站通信，完成用户业务功能，一般包含车载台和手持台等设备形态。除具备集群/常规/模拟工作模式及业务功能外，出于专网用户应用的特殊性，较强的防尘、防水、防摔和防爆能力，出色的电池续航能力、嘈杂环境下优质的音频能力都是对移动台的基本考量。近年来，移动台也逐步向宽带化和智能化过渡，融入LTE、卫星等其他通信制式的多模终端已大量涌现，如图312所示。 图312多样终端形态 3.2.2同频同播系统 1. 概述 同频同播是一种同频组网方式，单个同播网中发生组呼时，参与一个组呼的所有基站使用相同的工作频率和时隙，同时发生的多个组呼使用相同工作频率的不同时隙，或使用不同的工作频率。每次收到上行信号后，系统通过判选规则在所有同播基站上行信号中选择质量最好的进行转发。 在PDT常规/集群同播系统中，参与同一个同播呼叫的信道机都采用相同的频率和时隙进行发送和接收。这样建立一个多基站覆盖区域的组呼只需要分配一个频率的一个时隙，减少了对频率资源的需求。 同频同播系统没有用户移动性管理功能，信道资源利用率较低。用户通话时，不管基站下是否存在用户，都需要分配信道资源。如果要提高系统用户容量，满足更多并发通话的要求，系统就需要使用更多的频率资源和信道设备。 2. 同播系统组成 同播系统包含比较器、BSC和BTS 3个主要功能模块，如图313所示。同播基站相比普通集群基站或者常规中转台基站主要是增加了高精度频率校准和发射码流相位同步控制系统。同播系统交换中心增加了比较器，用于选择接收质量最好的信号。 图313同频同播系统 3. 同播系统关键技术 同播系统中主要使用了以下三大关键技术。 1) 时钟同步技术 同播系统主要采用GPS/北斗秒脉冲授时结合高精度温补晶体的方案实现高稳定度、高精度的时钟，用于校准发射机的发射频率以及调整发射信号的相位。通过频率校准后的发射机载频偏差可以控制在几赫兹水平，信源相位误差可以控制在几十纳秒水平，在下行有效覆盖区域内可以有效避免多路下行信号之间的同频干扰。 2) 相位同步技术 移动台在多基站同频同播系统覆盖区域内的位置随机，即使同一语音信号在多个同播基站下行发射时采用完全相同的相位，移动台接收来自多个基站的下行信号也会因为无线电信号传播距离差异而产生相位误差。在接收机接收到的信号强度差别不大的情况下，当接收多路PDT信号的相位误差超过1/8码元时(对应距离差7.8km)就会带来误码率和丢帧率的上升。为了保证重点覆盖区域信号相位差小于1/8码元，可以对各基站发出信号的相位差进行预先调整(相位提前/延后)，以保证重点区域的覆盖效果。当然，也可以采用缩小站间距离或增加覆盖区域内的基站数量的办法，确保区域内任何位置的相位差都不超过1/8码元。 3) 接收判选技术 移动台发射时，覆盖区内的多个基站都可能接收到该移动台的上行信号，交换中心的比较器根据各路接收的信号质量进行判选，选择其中质量最好的信号转发给各基站下行发射。判选的方法很多，包括射频的接收信号强度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、波形失真、误码率等。 3.2.3组网架构 集群通信系统最重要的呼叫功能就是组呼，为了更快速、高效地建立呼叫，集群系统设计与公网存在一定的差异，在系统组网结构上选择性也比公网要丰富一些。PDT组网结构总体上可以分为三大类： 集中式系统、 分布式系统、半分布式系统。 1. 集中式系统 集中式系统主要指控制系统集中在交换中心。控制系统由一台或者多台服务器组成，用于存储和处理用户数据和业务数据，进行呼叫控制和业务交换控制，如图314所示。在集中式PDT系统中，移动交换中心MSC作为中心节点完成系统中登记、呼叫等所有业务的控制； BSC主要完成无线资源的管理以及与MSC进行信息交换，不具有数据处理和业务控制能力。 图314集中式PDT系统架构 集中式系统具备传统星状结构的优点，网元逻辑清晰，架构成熟，有经验可循，实现和部署简单。集中式系统具备一定的容灾性，当核心网断开时基站内的新呼叫不会受到影响。在建设部署上集中式系统可以进行裁剪，分步实施，先做星状网，后做容灾。 虽然集中式系统部署简单，用户容量大，但由于集中式系统是单一节点处理系统业务，业务承载能力都受到很大的限制。集中式系统的基站控制器不具备业务控制能力，故障弱化条件下仅能实现简单的语音接续功能，大大降低了集群系统的安全性和可靠性。当核心网与基站间链路不佳时，站内呼叫有一定延时，无法保证呼叫接续时间。另外基站与核心网连接中断和恢复时，站内呼叫会有中断，产生呼损。 2. 分布式系统 分布式系统是相对集中式系统而言的。在分布式PDT系统中，核心网的逻辑功能在各个基站实现，基站与基站之间无需中心节点即可完成跨站业务功能，如图315所示。 分布式系统实现和网络部署都相对复杂，没有核心网实体设备，从而节约了核心网的建设成本。此外分布式系统容灾抗毁能力强，运行的基站能够正常执行集群业务，不受网络的影响； 基站之间能够自组网，组网更加灵活，尽可能向用户提供联网服务。 分布式系统由于没有交换中心大型数据存储单元，用户和控制数据都是分布存储在基站上，而基站的存储和处理能力有限，所以系统的用户容量和业务容量都相对较小。并且由于分布式系统中各基站之间的用户数据及业务同步没有统一的交换节点控制，需要使用无目标地址的信息广播方式由业务相关基站自己决定接收信息还是丢弃，对基站控制器和链路带宽的影响都比较大。所以对数据及业务同步要求比较高的分布式系统规模都不大，通常基站数量不超过16个。 图315分布式PDT系统架构 3. 半分布式系统 半分布式系统是一种集中式与分布式结合的系统架构设计，基站内业务在站内处理，跨站业务由交换中心处理。在半分布式系统中，业务下沉到基站进行逻辑控制和判决，交换中心只负责跨站业务的链路搭建、信令、媒体分发，以及有线侧和跨系统呼叫的业务控制。基站保存站内用户完整数据，当基站与交换中心网连接中断时，基站能够正常执行有数据的集群业务，提供站内完整的功能，不受回传链路中断的影响。 半分布式系统保留了集中式系统支持大用户容量的优点。相对集中式方案而言，半分布式系统能在最短时间内建立站内呼叫，指挥调度业务效果更好。根据经验值，90%以上的网内呼叫均由基站主控，大大降低了交换中心控制负载，能够支持更大的业务容量。 半分布式系统数据管理和同步相对复杂，核心网与基站之间如何保持数据一致性是整个架构设计的关键，快速、有效、实时性高的数据同步机制的设计实现相对复杂。 综上所述，PDT三类系统组网架构设计的特征如表34所示，开发人员和用户可根据自身需求选择合适的架构进行设计和应用。 表34PDT系统设计组网架构特征对比 系 统 架 构主 要 特 征优势劣势 集中式系统有中心星状架构架构成熟，实现和部署简单； 用户容量大业务容量受限； 容灾性差 分布式系统无中心对等架构容灾抗毁能力强； 组网灵活； 站内业务接续快用户容量和业务量较小 半分布式系统介于集中式和分布式之间，有中心星状架构，业务控制权下沉至基站用户容量大； 容灾抗毁能力强； 站内业务接续快数据同步机制设计复杂 3.2.4互联技术 模拟集群通信系统曾经是无线通信指挥调度的主要手段，随着用户需求的发展，模拟集群系统的不足逐渐显现。除了系统用户容量不足、频率利用率低、语音质量差、数据业务能力不足等问题外，模拟集群系统在系统互联和网络管理方面也存在不足。首先，模拟集群系统互联标准推出较晚，未能很好地贯彻执行，已经建设的模拟系统无法实现异厂商间的互联； 其次，模拟系统没有统一的网管互联标准，对联网设备运转情况的管理仅停留在报表阶段。 PDT标准在制定初期就设计规划了系统间详细的可满足联网需求的互联接口规范，以及支持三级互联的网管体系标准，能够支持建设广域的互联互通、统一网管的无线通信指挥专网，建立健全统一指挥、反应灵敏、协调有序、高效畅通的无线通信指挥机制，为各行业用户提供全方位、全天候、全过程的无线通信保障服务。 PDT系统的联网技术包括两个方面： 一方面是指PDT系统之间的互联，完成终端在不同系统之间漫游、跨网语音调度、跨网数据调度、跨网GPS/北斗定位、漫游终端遥晕/复活、遥毙等功能； 另一方面是将不同PDT的网络管理子系统组成三级联网，实现对整个网络的统一管理、监控和配置。两者相辅相成，确保PDT系统联网后的网络正常运行，本节将对这两方面的技术做详细介绍。 1. PDT系统互联 根据《警用数字集群(PDT)通信系统 总体技术规范》的要求，PDT系统的互联采用IP软交换技术，以移动交换局MSO为单位组成完全对等的平面互联架构。随着通信网络宽带化和 IP 化的发展趋势，VPN、组播等新的互联、传输技术不断成熟，系统互联在应用层面上逻辑控制的定义可以越来越少地受到实际连接网络的限制。这样可以简化系统互联在应用层上逻辑控制的设计。如图316所示，每个参与互联的集群系统通过互联网络与任何其他的集群系统都能建立虚拟的信令通道和业务数据通道。每个参与互联的MSO结构完全一致，这种对等的互联架构可使系统互联接口 ISI的定义变得清晰和简单。 图316PDT系统互联架构 采用IP软交换实现系统互联，交换节点采用平面对等网状连接，新的交换节点就像一台计算机加入因特网一样简单，不影响原有网络的正常运行，见图317。 1) 互联协议格式 PDT系统间互联使用pSIP，pSIP是“PDT SIP”的简称，是基于标准会话初始协议(Session Initiation Protocol,SIP)改进和优化后的PDT系统间互联协议，用于创建、修改和释放一个或者多个参与者的会话。pSIP用于互联系统间的移动管理、呼叫控制和网络维护等，支持组呼等多种集群和调度业务。pSIP协议还包括媒体流控制的pSDP、用户数据定义的MAP和卫星定位信息的NMEA协议。 图317系统互联示意图 SIP的设计依赖于传输层，是基于文本的协议，pSIP基本规则基于SIP 2.0版本，并在此基础上进行了改进和扩充。pSIP在事务层上兼容了SIP的事务层流程，对SIP的头域格式进行压缩重定义，提高效率。为了实现PDT集群功能，媒体流控制协议pSDP部分进行了消息压缩定义，用户数据定义的MAP部分、卫星定位信息的NMEA协议等进行了扩展性自定义。此外，pSIP提供了自定义拓展头域，为互联功能的扩展和自定义提供了实现空间。 PDT系统间互联语音接口使用RTP，满足以下要求： (1) RTP头的格式符合RFC3550，RTP携带的媒体信息格式应符合RFC 3551； (2) RTP扩展头可携带无线空口语音的链路控制(Link Control，LC)、端到端加密指示(Privacy Indicator，PI)和嵌入式信令(EMbedded Signaling，EMS)等信息； (3) PDT系统应具备透传带信道编码的空口语音信息能力。 2) 互联基本过程 在PDT互联系统中，用户的归属地系统称为H_MSC，拜访地系统称为V_MSC； 组用户的归属地系统称为GH_MSC，组内成员分布的系统(组呼参与系统)称为P_MSC； 发起地系统称为O_MSC。以下分别介绍系统互联的用户位置更新过程、寻址过程、组业务数据分发过程。 (1) 位置更新过程。如图318所示，用户漫游到新的拜访地V_MSC，V_MSC向归属系统H_MSC发起注册过程，注册成功后，H_MSC更新用户位置信息，向该用户上一次漫游的系统OLD_MSC发送通知，通知OLD_MSC清除该用户位置信息； 若该用户归属非H_MSC的组，还需向该组的归属系统GH_MSC发送位置更新通知，完成用户在互联系统中的位置更新过程。 图318互联位置更新过程 (2) 互联寻址过程。如图319所示，O_MSC发起对其他PDT系统归属用户的业务，首先向该用户归属系统H_MSC发送寻址请求，H_MSC将用户当前拜访地V_MSC地址发送给O_MSC，O_MSC直接向V_MSC发送业务请求，完成业务过程。 图319互联寻址过程 (3) 组业务分发过程。如图320所示，O_MSC发起组业务请求时，首先将业务发送至组用户归属系统GH_MSC，由GH_MSC根据组用户位置信息，向组成员分布的系统分发该业务信息。 2. PDT网管互联 根据《警用数字集群(PDT)通信系统 网管技术规范》的要求，PDT网管系统采用三级网络管理架构，与系统虚拟的三级架构相呼应，见图321。一级网管中心实现对整个PDT网络的实时监控、检测和管理以及跨二级交换中心用户的权限管理； 二级网管中心实现对本级PDT网管的实时监控、测试和管理以及跨三级交换中心用户的权限管理； 三级网管中心建立在本地系统的MSO内，负责对本地交换中心内以及下辖的基站的系统参数、频率参数和用户参数配置、管理以及维护。 图320互联组业务分发过程 图321网管互联架构 PDT规定了一二级间以及二三级间统一的网管接口，包括接口的协议、流程和格式。网管接口用于两级网管中心之间的数据传输，包括下级网管中心向上级网管中心上报各类数据，以及上级网管中心向下级网管中心下发配置或查询指令。 网管接口采用基于SOAP协议的Web服务调用方式实现，包括WSDL在SOAP上的绑定，以及SOAP在HTTP上的传输，协议需满足以下要求。 (1) 网管接口应采用以下协议版本： 兼容WSDL V2.0，见万维网联盟 (World Wide Web Consortium，W3C)建议： “Web服务描述语言2.0版本第1部分： 核心语言”； 兼容SOAP V1.2，见W3C建议： “SOAP 1.2版本第 1 部分： 消息传递框架”。 (2) 网管接口应支持HTTPS协议，提供身份验证与加密通信功能，具体参见IETF RFC2818。 (3) HTTP及其附件的字符编码符合GB 18030。 (4) 接口消息应为JSON格式，具体参见IETF RFC4627。 PDT系统支持用户全国漫游，归属地系统应根据用户的漫游权限决定移动台是否能够漫游到异地系统，拜访地系统可根据本地的漫游权限控制策略，决定漫游用户的呼叫权限。普通漫游用户在拜访地漫游入网时，拜访地系统默认仅开放较低的呼叫权限，当拜访地系统资源繁忙时，本地用户可抢占漫游用户的通话业务信道。拜访地系统也可预先配置策略酌情对来自某些异地系统的漫游用户保留其归属系统的呼叫权限，与本地用户享有同等或者更高级的呼叫权限。 漫游权限由归属地三级网管系统根据工作需要进行配置，要求仅给需要漫游的用户开启漫游权限； 无漫游权限的用户如需要跨系统漫游，应与归属地网管联系开通漫游权限。拜访地系统的漫游权限控制策略由本地网管或者更高一级的网管进行配置。 3.2.5传输链路设计 PDT系统传输基于全IP技术，传输链路应采用IP专用链路。传输链路主要包括以下部分： 基站和交换中心间的回传链路，交换中心与交换中心间的互联链路，交换中心与管理客户端、调度客户端、监控客户端间的链路等。网络系统的设计应遵循如下原则： (1) 网络系统采用开放、标准的网络协议； (2) 网络系统要有足够的带宽和处理能力，不造成应用系统的“瓶颈”； (3) 网络系统要有一定的冗余，局部的故障不能造成系统瘫痪； (4) 网络系统要有足够的隔离与安全机制； (5) 网络系统要有足够的扩充能力，便于网络规模的扩大，同时有利于向新技术升级； (6) 网络系统要有一定的先进性，保证刚建立的网络系统不会因为技术落后立即被淘汰。 PDT IP网络系统设计秉承如下思想： (1) 网络规划以高带宽、高转发能力为主，降低延时、抖动、丢包； (2) 网络架构以链路冗余、设备冗余为主，实现快速故障切换； (3) 网络布局以“汇聚+接入”负载分担双归接入为主，保证网络的简洁与效率； (4) 网络拓扑整体以星状为主。在应用中根据用户实际链路情况，可以以网状及混合结构作为扩展，来提高IP承载网的整体冗余备份能力、网络规模扩展能力以及实现快速故障切换。 1. 回传链路要求 PDT系统对回传链路的服务质量要求如表35所示。 表35回传链路服务质量要求 业务种类关键业务名称双向时延抖动丢包率带宽 实时业务语音、短消息、位置信息<100ms≤20ms<0.1%20kb/s 非实时业务网管信息<1.5s<1s<3%10~128kb/s 实时业务信息包含业务控制消息和语音等业务流。PDT标准要求同一交换中心内组呼建立时间小于或等于300ms，一次组呼过程空口最大时延为90ms，加上基站及核心网的处理时间，因此回传链路的双向时延不大于100ms即可。 PDT互联的语音速率为3.6kb/s，在传输链路中所占带宽除语音外，还受IP头、用户数据报协议(UDP)、实时传输协议(RTP)几个因素的影响。考虑这几个因素的影响，单路语音带宽要求为20kb/s。 非实时业务信息主要为网管信息，包括用户数据信息、配置信息、监控信息、告警信息等，该部分数据流量较大，根据网络规模、设备规模和用户量的不同，带宽要求也不同，通常大一点的带宽非实时业务的体验更好一些。 PDT工程建设的单载波所需链路带宽为128kb/s、单基站链路带宽不小于2Mb/s。 出于安全性和可靠性考虑，回传链路通常设置备份链路，避免单点故障造成局部或全网故障。 2. 互联链路要求 PDT系统互联链路建议采用IP地址隔离策略，MSO为内部网元及基站自行分配内网IP地址，实现本地PDT系统的通信。参与联网通信的网元配置互联的外网IP地址和私网IP双地址，分别用于联网通信和系统内通信，实现通信隔离。 交换中心间的链路要求分析与回传链路类似，链路带宽要求为5~10Mb/s； 服务质量要求为网络双向时延不大于200ms，网络抖动不大于50ms，丢包率不大于0.1%。 3.3空口及设备技术 3.3.1数字调制技术 1. 数字调制技术概述 为了使承载信息的数字基带信号能传输得更远，需要将数字基带信号调制到射频上，而且需要利用射频功率放大器将调制之后的信号功率放大。 调制方式通常分为恒包络调制和非恒包络两种。顾名思义，恒包络调制是指调制之后的信号在时域波形上幅度包络恒定，包络不包含任何信息，包络的失真也不会带来承载信息的损失，如图322所示。 图322恒包络调制 非恒包络调制的时域波形的幅度包络不恒定，其中含有信息，一旦幅度包络发生失真，就会带来信息的损失，如图323所示。 图323非恒包络调制 常用的恒包络数字调制方式有FSK、4FSK、MSK、GMSK等，常用的非恒包络数字调制方式有BPSK、QPSK、QAM和π/4DQPSK等。 非恒包络信号的包络起伏会导致信号的瞬时功率波动，通常利用峰值功率和均值功率比(PAPR)来衡量波动的大小。PAPR越大，对PA的要求越高。 恒包络信号的优点是可以使用非线性功放，效率高，成本低； 而非恒包络调制技术的优点是由于幅度相位同时携带信息，频率利用率更高，或者说在单位带宽上可以承载更多的信息。 在无线通信系统的设计中，既要考虑利用有限的RF频谱来传递更多的信息，又要考虑适合的终端发射功率以及设备成本，因此需要综合传输性能、网络、终端成本需求进行权衡，最终确定空口波形的包络特性。 2. PDT对调制波形的选择 大区制、低成本是PDT重要的设计原则之一，空口波形的选择就是最重要的一个环节。在移动通信系统中对网络覆盖距离影响最大的是终端的上行功率，大区制就要求终端有更大发射功率。4FSK调制方式属于恒包络调制类型，调制信号幅度中不包含信息，可以使用非线性功放获得更高的输出功率和效率(直流供电转化为射频能量的能力)，符合大区制对终端上行大功率的要求。同时，非线性功放相比线性功放在电路和散热机构件成本上也有明显优势，有利于制造低成本终端设备。综合考虑了传输性能、业务平滑过渡、产业成熟度等因素，最终PDT确定了4FSK恒包络的调制方式。 3. 4FSK与模拟FM调制电路兼容 模数兼容及平滑过渡是PDT一个重要需求，从控制终端成本的角度考虑，如果模拟和数字体制能共用硬件电路，就可以最大程度降低双模终端成本。目前数字终端都使用了SDR技术，在接收中频之后以及发射基带调制信号变频之前全部使用软件定义，具备了较好的与模拟制式兼容的基础。如果基带之外的硬件电路兼容，就存在改造已有模拟FM设备，升级到PDT数字体制的可能。 1) 接收通路 终端的接收电路框图如图324所示，在模数转换(ADC)之前的接收电路中低噪声放大器、本振、混频器、中频滤波器都是利用模拟技术实现(可能是分立器件也可能是集成电路)，模拟终端和数字终端完全一致。传统模拟终端的基带滤波器、鉴频器等实体电路功能都用SDR技术用软件实现，电路的集成度得到了大幅提升。所以数字终端具备与模拟终端共用接收电路条件，可以实现一套电路支持多种技术体制的信号接收。 图324模数兼容的终端接收电路框图 2) 发射通路 终端的发射电路框图如图325所示。 图325模拟FM调制发射电路框图 4FSK数字调制与模拟FM调制，都属于频率调制方式，区别在于模拟音频与4FSK的基带频谱特性存在的一定的差异。模拟语音在进行FM调制之前通常要经过300~3000Hz的带通滤波，滤除带外的频谱后送到压控振荡器(VoltageControlled Oscillator，VCO)进行频率调制和上变频。而4FSK数字基带信号利用RRC成型滤波滤除高频分量后，0~300Hz仍有较丰富的频谱分量，尤其接近直流（DC）部分，见图326。 图3264FSK基带信号音频特性 模拟FM调制使用的VCO的低频响应不好，但4FSK基带信号在接近DC的频谱中存在低频分量，直接进行4FSK调制性能不理想。使用两点调制技术，对接近DC部分的低频响应进行补偿是比较成熟的方案，如图327所示。 图327两点调制频响 模拟FM终端在后期为支持CTCSS等亚音频信令(频谱上小于300Hz)，大多使用了两点调制技术，具备了较好的低频响应。所以对于使用两点调制技术的模拟FM电路，完全有能力支持4FSK调制，支持模数兼容，如图328所示。 图328模数兼容发射电路 图328所示的数字处理平台中的模拟功能可以使用SDR技术实现，再利用两点调制技术进行FM调制和上变频。具有两点调制基础的FM模拟设备，既可以通过增加数字处理平台方式进行数字化改造，也可以利用数字平台实现数字、模拟双模。 4. 射频功率放大器 为了使调制信号利用天线发射并传输得更远，就需要上变频到指定RF频率，并进行功率放大。用于RF功率放大的放大器称为射频功放(Radio Frequency Power Amplifier，RFPA)。RFPA按照电流导通角的不同，分为A类(class A)、B类(class B)和C类(class C)3类工作状态。其中C类PA输出功率和效率是3种工作状态中最高的。 根据对PA的线性度不同要求，同一个RFPA器件可以通过工作点配置让其工作于不同的状态。典型的RFPA的输出功率与效率及失真关系曲线如图329所示，从PA的效率(RF输出功率与DC电源功率消耗之比)曲线可以看到，随着输出功率的增加，效率不断提升，失真也逐渐增大，直至PA进入饱和区，效率和失真都达到最高。 PA的输出功率与输入功率之间在A类工作状态基本保持线性放大关系，输出功率与输入功率比值(增益)保持恒定，如图330所示。在接近饱和区时功率增益开始下降，输出信号的包络开始被压缩，直至进入饱和状态，输出功率也不再随着输入激励信号功率的增加而增加，出现时域信号的幅度包络失真(幅度信息损失)。 图329功放输出功率、效率和失真之间的关系 图330功放各工作区域功率输出性能曲线 在PA接近饱和区开始体现明显的非线性特性，当输入多个频率信号时，PA除了放大有用信号之外，还会产生有害的互调干扰，恶化杂散指标。不同的功放器件以及不同的工作点区域，产生的互调产物的大小也不相同。 如果需要做功率放大的信号是非恒包络信号，就要利用线性化技术确保调制信号峰值功率不超出线性区域，避免包络信息损失。常用的线性化方法有功率回退(Power backoff)和预失真(Predistortion)。 1) 功率回退 如果希望PA工作区始终保持在线性区域，就需要根据输入调制信号PAPR来确定PA回退范围，避免功率峰值进入PA饱和区。窄带非恒包络调制信号的PAPR通常小于6dB，为了确保信号在PA的线性区，就需要配置4倍以上标称功率的PA器件。这些较大额定功率的PA工作在效率较低的线性区域，会消耗更多的电能和产生更多的热，付出更高的器件和散热机构件成本。 如图331所示为某PA和要放大的非恒包络信号功率特性，PSAT(max)是PA进入饱和区增益下降3dB的最大功率，是PA器件标称的最大峰值功率。在使用功率回退方式时，将输入激励从20dBm降低到13dBm，回退了7dB，使PA最大的峰值功率不超出线性工作区。 图331不使用预失真技术的功率回退PA非线性性能 功率回退方法相比预失真方法最大的优势是电路相对简单，选择额定功率足够大的PA即可。采用功率回退技术的PA线性度指标依赖于PA器件的品质，互调指标通常不超过50dBc，如果希望继续提升线性度，则需要继续加大回退比例并结合使用预失真技术。 2) 预失真技术 预失真技术分为数字预失真(Digital PreDistortion，DPD)和射频预失真(Radio Frequency PreDistortion，RFPD)两种，这两种技术都是通过检测PA输出，反馈到PA的输入端，控制修正输入信号来减少PA输出端的整体失真。如图323所示，功放进入饱和区，输出包络产生了失真。 如图332所示，如果对输入信号进行预失真处理，经过功放后输出信号还原出原有信号包络特性，可有效降低输出信号失真。 图332预失真线性化补偿后的PA输出特性 预失真线性化技术扩大了PA线性工作区范围，提高了PA效率，减少了失真和杂散。相比功率回退技术，在使用相同额定功率PA器件保持线性的前提下可以多输出3~6dB功率和获得2~4倍的效率。如图333所示。 图333预失真技术提高了功放输出功率 预失真技术的反馈补偿也具有一定的局限性。如果输入信号PAPR过大，导致输出信号进入PA饱和区过深，随着输出信号削顶部分的增大，产生修正信号的困难就越来越大，直到无法产生，预失真也无法达到预期补偿效果。所以利用预失真技术越过PA饱和点的深度(等效为效率提升的幅度)要结合系统设计的邻道功率比 (Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)、频谱发射模板(Spectrum Emission Mask，SEM)和误差矢量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)指标综合考虑。 5. 包络特性与电路成本的关系 性价比是产品设计的最重要因素之一。从电性能的角度考虑，能满足指标要求的最低成本设计就是最合理的设计，所以通常会根据信号的包络特性来选择PA的工作状态。恒包络信号使用效率较高且成本较低的C类功放； 非恒包络信号则需要使用效率较低的线性功放。虽然利用预失真线性化技术可以提高线性PA的效率，但仍无法达到C类PA等同效率，要达到C类功放相同的功率输出，就需要配置更大额定功率的功放器件。如果使用功率回退技术要达到C类功放等同的输出功率，一般需要配置4倍以上额定功率的功放器件。工程中实测的PA效率通常低于理论值，功率回退效率一般不超过10%，预失真一般不超过40%，而C类非线性功放效率一般都在50%~60%。无论预失真还是功率回退，都意味着比C类功放付出更多的器件和散热机构件成本。 根据恒包络信号和非恒包络调制技术各自的优点，在无线通信系统的设计中，需要综合传输性能、网络、终端成本需求进行权衡，最终确定空口波形的包络特性。最典型的代表就是PDT因为大区制选择了4FSK恒包络调制，而TETRA因为小区制选择了π/4DQPSK非恒包络调制。技术上没有绝对的合理，只存在某些应用场景下的相对合理。 3.3.2发射互调产物 1. 互调产物概述 互调产物是由于信号通路中存在非线性器件，导致多个频率信号及多次谐波混频，生成了新的频率分量，奇数阶互调产物会出现在主载频附近形成干扰，其中三阶互调产物能量最大，是最主要的互调干扰。 在PDT系统中，出于大功率、功率效率和成本因素，RF PA采用了C类非线性功放，只要是多个载波频率信号进入功放，就会 产生三阶互调产物。 从互调的信号源头分可以分为内生互调和外生互调两种。内生互调是指PA输入信号为基站内部信号，由非线性生成的互调干扰，例如RRU中的互调； 外生互调是指PA的输入信号不仅有基站或设备内部信号，还有外部馈入的信号，在PA上生成的互调干扰，例如移动台之间产生的互调干扰。 2. PDT的内生互调干扰 PDT的移动台工作时，发射通路的PA输入只有工作载频调制信号，不存在内生的互调干扰，互调干扰只能来自外部。 PDT基站通常载波数超过2载频，而且无论使用非线性PA还是使用线性的宽带PA，都存在非线性特性，一定会产生内生互调产物。 下面将根据不同基站RF方案分析内生互调干扰。 1) 使用合路器的独立载波基站 传统PDT基站使用独立载波发射机，每个载频一个发射机，多个发射机输出的功率信号使用合路器合并成一路，利用馈线连接到发射天线，减少多信道基站馈线和天线的数量。例如图334为一个四载波独立载波使用合路器的基站框图。 图334使用合路器的独立载波基站 合路器分为腔体固定载频合路器、腔体电调合路器和宽带合路器3种，原理各不相同，都能起到多路有用信号合并和无用信号隔离的作用。 (1) 腔体固定载频合路器。腔体固定载频合路器的组成如图335所示。 发射机(Txn)的功率信号经过环形器单向隔离后进入经过谐振校准的腔体滤波器，再与其他载频的功率信号合并输出到发射天线。由于谐振腔只能通过匹配频率的信号，其他频率的功率信号只有极少部分会通过谐振腔到达与之相连的环形器。 环形器的作用是只能正向通过信号，而且具有很小的插入损耗(通常小于1dB)，而对反向通过的射频功率信号却具有几十分贝的衰减(通常大于30dB)，从而提高了多个发射机间的隔离度，减少了互调干扰的产生。 即使有少量的其他路功率信号穿过本路谐振腔，经过本路环形器进入负载，这些无用功率信号会被负载吸收，漏入发射机的功率通常都衰减70dB以上(谐振腔失配衰减+环形器反向衰减)，与本路载频产生互调产物也通常低于-80dBc，完全可以忽略。 图335四载波腔体固定载频合路器原理 腔体合路器使用需要注意的问题是同一合路器的多路载频间距需要大于250kHz，原因是谐振腔的Q值不可能做得太高，否则体积太大。如果载频间距过小，就会有一部分功率透过其他路谐振腔和环形器泄漏到吸收负载中，导致合路器输出功率下降和插入损耗增加。载频间距越小，功率泄漏越多，插损越大，而且由于环形器反向隔离能力有限，太大的功率泄漏至发射机也会增加互调干扰。 (2) 腔体电调合路器。腔体合路器可以有效地防止基站三阶互调产物产生，但其通常体积较大(工作频率越低体积越大)，不方便运输和安装。并且腔体合路器由于谐振腔需要利用专用仪器进行调谐，一般只能在工厂实施。工程现场往往因为频率干扰等原因需要现场调整合路器的工作频率，因此在腔体合路器基础上发展出腔体电调合路器(简称电调合路器)，极大方便了基站工作频率调整。电调合路器近些年来成为基站设备采购的首选。 腔体电调合路器与腔体固定载频合路器工作原理和性能指标基本相同，差别在于可以通过外部接口控制步进电机进行精准的谐振腔频率调整，网管系统可以远程实现基站工作频率切换，彻底解决了传统基站频率更改的困难。 腔体电调合路器的最小频率间隔要求与腔体固定载频合路器相同，通常不小于250kHz。 (3) 宽带合路器。宽带合路器利用定向耦合器将两路功率信号合并，由于不需要腔体调谐，所以体积较小，不需要进行频率调谐。定向耦合器的原理决定了每两路合并就会产生3dB的插损，在载频数较多时就会有太多功率损耗在合路器上而不能有效从天线辐射出去。所以一般宽带合路器不超过4路。 宽带合路器使用的定向耦合器具有单向传输特性，再结合环形器的反向隔离，整体隔离度通常也超过70dB，可以有效地阻止基站内其他载频的功率信号倒灌到本路功放生成三阶互调产物。 通过对上述三种常用的合路器分析，可以看到合路器本身都提供了较好的隔离性能(>70dB)，与主载波进行互调的其他载波功率相差都在70dB以上，互调衰减通常在-80dBc以下的水平，完全可以忽略。 腔体合路器各通道之间的隔离原理决定了无论是基站内部的各路信号，还是天线耦合倒灌进来的外部频率强信号，只要与腔体谐振频率相差250kHz以上，都会产生较大的衰减，再配合环形器隔离之后衰减至少70dB，产生的三阶互调产物非常小。 因此可以得出结论： 使用合路器的独立载波发射机基站内生和外生发射互调干扰可以忽略不计。 2) 使用RRU的基站 在解决多路载波合并输出共用天线的方案中，除了合路器方案，还有宽带放大器的软合路方案。只是因为指标、成本等因素并未得到广泛使用，后续被宽带平台RRU取代。 RRU的原理与合路器不同，它是一个宽带的RF平台。在BBU中调制好的多载波基带信号在RRU上变频到指定发射频率，并利用宽带PA放大到额定功率从天线发射出去。RRU技术主要源自公网宽带系统，主流设备采用2T4R(2路发射4路接收)方式共用4根天线，其中两根天线为收发共用，需要使用双工器，如图336所示。 图336典型的2T4R RRU组成框图 使用RRU技术的基站在工作载频选择时不受频率间隔的限制，但仍需要遵守无三阶互调频率分组原则，避免宽带PA的非线性产生三阶互调干扰。目前PDT的RRU内生三阶互调指标略低于腔体合路器指标。 3. PDT移动台的互调产物 移动台由于成本和体积限制，天线连接器至功放电路之间既没有反向隔离的环形器，也没有腔体滤波器阻挡异频信号。当某个移动台发射时附近如果还有其他移动台发射，就会有功率信号从天线耦合进入功放电路生成互调产物。大量移动台密集使用场景下，移动台之间的发射互调产物是PDT基站接收的主要干扰源之一。 3.3.3PDT码元、时隙与帧参数设计 TDMA体制的空口物理层最小的时间单位是码元，若干个码元组成空口时间片基本单位——时隙，若干个时隙组成帧，根据业务管理需求还可以在此基础上将若干帧组成复帧、超帧等。 码元的阶数和单位时隙码元数量决定了基本业务承载能力，时隙数量决定了并行业务数量，帧长决定了业务延时。任何一个TDMA体制空口设计中都要权衡业务承载能力、控制能力、业务延时、并行业务能力、业务传输可靠性等多方因素。 1. 码元阶数 码元阶数m与一个码元承载的信息量n(比特)之间的关系是： n=log2m，例如4FSK信号码元一共有4种(+3，+1， -1，-3)，一个码元承载的信息量就是n=log24=2。说明4FSK每个码元可以承载2比特信息，同理64QAM每个码元可以承载6比特信息。码元阶数越高，每个码元承载的信息量就越大，码元宽度固定的前提下信道的传输速率就越高。 2. 码元宽度与抗干扰能力的关系 码元宽度越宽，码率就越低，在发射功率固定的前提下，每个码元的能量就越大，传输距离就越远，抗干扰能力就越强。图337为PDT采用的208μs码元(码率4.8kBd)和采用104μs码元(码率9.6kBd)弱信号误码率特性仿真，可以看到在弱信号条件下大码元宽度比小码元宽度信号误码率性能有明显的优势。 图3374.8kBd码率PDT和9.6kBd码率误码率特性对比 3. 相位偏差对同频干扰的敏感性 如图338所示为两路场强相同、相位偏差1/8、1/4和1/2码元的信号进入接收机时，在不同的场强下的误码率和丢帧率仿真结果。其中“单路”代表无干扰情况，“1/8码元符号同播”代表相位偏差1/8码元情况，通过仿真分析得出误码率和丢帧率影响最接近无干扰。而1/2和1/4码元偏差即使在信号强度较好的条件下也存在较高的误码率。 图339所示为两路信号强度不同的信号进入接收机时，在不同的相位偏差下的误码率仿真结果。 PDT标准规定的共信道抑制为-12dB，两路信号场强差超过12dB时弱信号就不会对强信号产生干扰。相差8dB是大部分设备实际可以达到的临界经验值。仿真结果显示，两路信号场强差超过12dB时，码元偏差对误码率影响不大； 两路信号场强差小于8dB时，1/8码元偏差情况下无论误码率还是丢帧率都比较接近无干扰情况。超过1/8码元偏差，达到1/4码元、1/2码元时，误码率和丢帧率显著上升，出现码元级同频干扰。在处理同播同频干扰问题时，以1/8码元作为门限比较合理。 图338场强差的误码率和丢帧率 图339不同功率差时相位偏移的误码率 4. 大区制系统对码元宽度的考虑 大区制系统的通信覆盖距离通常都比较远，有可能出现码元级的同频干扰，所以就需要设计足够宽的码元，减低码元级同频干扰的影响。信息速率I与码元阶数m、码速率s及码元宽度w的关系如下： I=s·log2m=log2mw 信息速率与码元阶数成正比，与码元宽度成反比。过宽的码元会导致码元速率过低，影响信息速率，进而影响系统的通信承载能力。虽然可以通过提高码元阶数来提升信息速率，但较高的阶数就需要使用非恒包络调制，移动台大功率发射的代价较高。例如TETRA使用π/4DQPSK非恒包络调制，手持台通常最大发射功率只有1W，要实现PDT通常4W的发射功率比较困难。 在设计无线通信系统时，除了需要满足承载能力要求之外，还要考虑系统应对各种复杂通信环境的能力，码元宽度和码元阶数之间权衡就是最重要的考虑因素之一。大区制系统的主要需求是远距离通信能力，既要为抗码元级同频干扰而选择足够大的码元宽度，又要选择恒包络调制方式能承载的码元阶数，达到最佳的整体性价比效果。PDT标准的码元宽度208μs，1/8码元换算为信号路程差为7.8km，可以满足绝大部分场景抗码元级同频干扰要求； 结合4进制码元的4FSK调制实现了每信道3.6kb/s的业务承载能力，满足语音和小数据传输要求，是各方面权衡之后的最佳结果。 5. 码元宽度与同频同播基站间距的关系 在同频同播系统的覆盖区域内，有些地点可以同时收到多个基站的下行信号。虽然同频同播系统各基站的下行频率和码元相位保持一致，但因为不同基站与移动台的距离不同，到达移动台的码元相位无法保持一致。如果相位偏差超过1/8码元会带来误码率和丢帧率快速上升的问题。 通过码元宽度推算出可接受的基站间距，就可判断某种通信系统是否适合使用同频同播技术。例如PDT空口的码元宽度为208μs，1/8码元换算的时间差为26μs，距离为7.8km。只要基站间距小于7.8km，就不会出现大于1/8码元相位差。而TETRA系统情况则不同，TETRA的码元宽度为56μs，1/8码元换算的距离为2km，要实现同频同播的基站间距必须小于2km，系统建设成本较高。 通过上述分析可以看到，同频同播基站与普通异频集群基站在网络设计时最大的不同是同频同播需要考虑由1/8码元宽度计算出来的理论基站间距上限，而异频集群基站则没有这个限制。理论上任何无线通信技术体制都可以使用同频同播技术，但如果码元不够宽，要求基站间距过小，从网络建设的投资效益角度分析就不适合了。 6. 时隙宽度、承载能力、延时、用户体验 时隙是TDMA类型数字集群空口的基础承载单元，其中包括固定的开销(例如时隙保护间隔、同步字、前导码、训练序列等)和业务承载空间。 时隙宽度固定时，业务承载空间所占比例越大传输效率越高。由于同步等开销无法省略和缩减(会影响传输性能)，要提高传输效率，只能增加时隙宽度。但时隙宽度越大业务延时就越大，复杂通信环境中遇到突发干扰破坏整个时隙的概率就越大。所以时隙也不是越长越好，要综合考虑传输效率、业务延时和可靠性等多方面因素。PDT标准设计的30ms时隙宽度也是参考了TETRA、DMR、P25等其他数字集群标准之后权衡各方利弊的结果。 3.3.4帧同步 帧同步是利用从串行的信息流中识别出特殊设计的同步字序列，确定帧的开始和结束位置，获取帧承载信息的过程。同步字通常是具备特殊相关特性的码序列，便于利用相关运算从码流中发现同步，具备较高的同步概率和较低的误同步概率特性。 1. 同步字位置设计 PDT的突发有两种： 一种是27.5ms的普通突发； 另一种是10ms的反向信令突发，这两种突发的同步字宽5ms，都位于突发的正中间。同步字位于时隙突发中间位置的设计突出了同步对通信链路的重要性，使发射电路开/关稳定时间、对方接收机开/关时间、时隙开关过程中可能产生的干扰等对同步的影响最小。 2. 同步字宽度 通常同步字越宽，误码环境下同步性能越好(相关峰越尖锐)，但占用的时间也越长，挤占了业务承载能力。PDT同步字24个字符48比特，占业务时隙的16.7%，占反向信道的50%，在误码率较高的条件下仍具有较好的自相关(高同步概率)和互相关性能(低误同步概率)，抗误码能力略高于业务信道5%的抗误码能力。 3. 同步字类型 PDT标准从语音、数据，下行、上行、反向信令等多个维度设计了多种同步字，利用同步字就可以识别突发的基本类型，对于不符合的业务类型无须进行解码(可能是干扰)。例如终端在接收系统下行信令或数据时，接收到不合理的终端上行信令同步字，终端无须解码时隙内容浪费电能，直接丢掉即可。 系统如果使用多种同步字，接收方需要先将接收到的信号缓存，在可能的范围内进行多次同步运算，以识别出其中某种同步类型。所以数字通信标准需要尽量减少下行同步字的种类，以降低移动台设备的处理负荷。 3.3.5时隙结构设计 1. 功率上升/下降时间 在PDT双时隙TDMA技术体制中，基站采用的是连续发射模式，而终端采用的是非连续发射方式，发射一个时隙，接收一个时隙，循环往复直至发射结束。因此PDT终端就需要不断地进行“发射停止发射接收停止接收”循环，终端的发射由多个等间隔的突发(burst)组成，发射机的功放电路也同样会存在“功率上升稳定发射功率下降”三个主要阶段，如图340所示。 图340发射机突发功率包络 由于功率上升/下降时间与信号传播保护时间共用时隙保护间隔，功率上升/下降时间越短，功率稳定的速度越快，就可以将更多的时间用于扩大传输距离。但更快的功率上升、下降时间与PA器件成本及周边电路设计有直接关系，最终在产品设计中需要权衡性价比。 2. 基站最大覆盖距离与时隙保护间隔的关系 在PDT系统中，基站的下行发射是连续的，在连续的码流中通过有规律地添加同步字定义了TDMA的时隙和帧结构。移动台可以利用基站的下行同步信号获取由基站提供的时隙定时时基，用于上行对齐时隙，避免造成时隙干扰。 图341中移动台MS1使用时隙1，MS2使用时隙2，正常情况下由于两个移动台都严格遵守TDMA时基定时，即使同时发射也不会造成相互干扰。 如果MS1距离基站较远，MS2距离基站较近，由于电波传播延时导致MS1在利用接收到的下行信号获取到的TDMA时基产生了T1的时延。而在MS1发射时，基于已经发生延时T1的时基进行发射时，终端发射的信号到达基站又延时了T1的时间。传输距离导致了移动台和基站之间的时基误差为2×T1，这就是在TDMA系统中最常见的Roundtrip问题。当2×T1大于或等于时隙保护间隔时，MS1的突发信号尾部在基站端就会串入MS2发射的时隙，带来时隙间干扰。所以TDMA系统中都存在一个共同特点，就是时隙保护间隔的大小决定了系统最大的无时隙干扰通信距离。 保护间隔时间除了给Roundtrip提供保护时间之外，还需要给PA功率上升/下降时间、移动设备晶振温漂导致定时偏差预留保护。陆地移动通信系统的通信距离通常都是有限的(一般不超过50km)，所以在标准的设计中也不需要预留太大的时隙保护间隔，降低系统的传输效率和用户延时感受。PDT空口标准中时隙保护间隔为2.5ms，其中给Roundtrip预留1ms时间，对应基站最大通信距离150km。 图341传播延时导致的时隙干扰 3. 保护间隔内的基站下行广播 PDT的时隙宽度为30ms，其中下行主时隙27.5ms，两侧的公共广播信道(CACH)2.5ms。下行的公共广播信道除了承载时隙指示(0或1)和上行繁忙状态(AT)之外，在剩余的承载空间里广播了帧序号(Frame Number，FN)、位置区识别码(Location Area Identify，LAI)、接受接入的用户分区等信息。 上述CACH广播信息可以让移动台在同步当前基站后，解码主时隙信令之前判断当前基站是否为可用基站。如果基本信息确定为可用基站，则进一步解码主时隙的控制信息； 如果当前基站不可用，则直接离开寻找下一个可用基站，避免无用解码时隙数据浪费时间和电池电能。 3.3.6时隙对齐模式 PDT集群模式支持对齐和偏移两种对齐模式，在控制信道仅支持对齐模式，话务信道虽然两种模式都支持，仅在全双工呼叫中使用了偏移模式。 控制信道使用对齐模式可以给基站(可能包括核心网)30ms的处理时间，如图342所示，系统有足够的处理时间。 图342对齐模式的组呼建立 控制信道如果使用偏移模式，在接收到终端的请求之后，一种方案是利用仅2.5ms的时隙保护间隔进行解码及呼叫控制，时间过于紧张； 另一种比较可行的方案是再额外增加一个帧(60ms)的处理时间，如图343所示偏移模式的组呼建立。此时呼叫接续时间比对齐模式慢了30ms。90ms和120ms虽然只差30ms，但却占用呼叫建立总时间的30%，说明集群控制信道使用对齐模式可以提高30%的接续速度和控制容量。 图343偏移模式的组呼建立 3.3.7功率控制 1. PDT需要功率控制的原因 在PDT系统中，当移动台距离基站距离比较近时，发射功率控制是十分必要的。原因如下。 1) 抑制远近效应 基站多载波宽带接收机中接收机动态范围不可变，在实际应用中出现远近效应还是有一定概率的。基站单载波接收机两个时隙之间的远近效应概率虽然低于宽带接收机，但理论上仍然存在。 2) 减少互调产物对基站的干扰 基站附近密集分布的移动台之间产生的互调干扰与移动台之间的距离(密集程度)和发射功率直接相关。发射功率越大，进入PA饱和区就越深，失真度越大，互调产物就越多越强。移动台之间的距离不可控(例如在一辆车内移动台之间距离小于1m)，通过功率控制降低发射功率，是降低互调干扰最直接、有效的方法。 3) 设备省电 虽然移动台工作在低功率时进入PA饱和区，效率会降低，但总体的功耗还是会明显降低。如果能够在强信号区降低发射功率，则可以显著提升电池的工作时间。 PDT使用非线性功放，要进行精确的功率控制比较困难。原因是终端电池供电，随着电池电量的变化，电池电压和内阻也在发生变化。大功率发射供电电流较大时，电池电压会下降。为了保持PA稳定的输出功率，需要PA工作在深度的饱和区，小的电压波动不至于使工作点离开饱和区，影响PA的输出功率。从PA输入输出功率曲线可知，深度饱和区输出功率随输入功率变化很小，这也是无法精确控制功率的主要原因。理论上非线性PA在功率回退到线性区时可以进行精确的功率控制，但此时PA输出功率太低，可能无法满足正常通信要求。 采用恒包络体制的终端功率控制一般都只有高低功率两挡，而且功率落差也比较大。例如PDT终端高功率4W，低功率1W(2挡功率，功率步长6dB)。无法像TETRA终端那样规定比较精确和细致的功率控制(8挡功率，功率步长2.5dB)。 2. PDT功率控制方法 PDT标准定义了闭环功率控制功能，利用反向信令(RC)在移动台发射间歇期(另一个时隙转接收状态)的同步字位置携带功率控制信息，实时调整终端的发射功率，PDT最快的调整延时是60ms，如图344所示。 图344PDT功率控制 3.4PDT系统功能 3.4.1基本功能 PDT提供个呼、组呼等基本语音功能，以及短消息等数据功能，此外还提供丰富的语音调度功能，具备完善的无线系统互联方案，主要功能如表36所示。 表36基本功能 编号功能系统移动台 1登记 2去登记 3鉴权 4漫游 5参与组附着 6语音个呼 7语音组呼 8组呼迟入 9组呼并入 10广播呼叫 11紧急呼叫 12优先呼叫 13报警 14环境侦听 15监听— 16插话— 17强拆— 18越区切换 19通话限时 20讲话方身份识别 21PTT 授权 22遥毙 23遥晕 24复活 25动态重组 26呼叫限制 27状态消息 28短消息 29卫星定位信息传输 30网络管理— 31端到端安全 32PDT系统之间的互联— 33有线电话呼叫 34功率控制 续表 编号功能系统移动台 35包容呼叫 36呼叫转移 37繁忙排队 38分组数据 39空口安全 40限定区域呼叫— 41圈选呼叫 42空闲指示 43数据点名 注： —提供； —不提供。 3.4.2独创功能 PDT参考了已有模拟标准在专网领域的成功应用经验，同时参考了TETRA和P25的优势功能，结合了常规同播系统的优势，在支持基本功能的同时，还增加了例如组呼越区切换、集群同播等创新功能，本节对PDT系统几个典型的创新功能做简要介绍。 1. 组呼越区切换 国际上窄带数字集群越区功能普遍简单，语音连续性差，并且在一部分场景下不支持终端越区，组呼情况下越区切换能力弱。PDT在参考国际标准的基础上对越区功能进行了优化，尽量保证切换过程中语音的连续性。 组呼发起时，所有参与组呼的基站都会在当前呼叫的信道上广播参与该呼叫的邻近基站信息，移动终端当前信号状态弱化到小区重选状态时，启动背景扫描检测邻近基站信号强度，越区到满足条件的基站继续通话。 终端越区可分为4个基本模型： 接收方越区至参与站、讲话方越区至参与站、接收方越区至非参与站，讲话方越区至非参与站。参与站是指对当前呼叫已经分配业务信道的基站，非参与站是指对当前呼叫还未分配业务信道的基站。下面以组呼为例介绍这几个模型的基本过程。 1) 组呼接收方越区至参与站 接收中的终端越区至参与站过程如图345所示，呼叫过程中终端接收系统广播的邻近基站参数信息，在弱场情况下启动背景扫描搜索邻近小区信号，满足切换条件后自行切换至新小区，整个过程无须与系统交互，越区终端语音质量仅受终端切换小区时间以及不同基站之间的链路延迟影响，其他终端不受影响，在终端切换快速且链路质量良好的情况下不影响语音的接续。 图345组呼接收方越区至参与站 图346组呼讲话方越区至参与站 2) 讲话方越区至参与站 讲话终端越区至参与站过程如图346所示。呼叫过程中终端接收系统广播的邻近基站参数信息，在弱场情况下启动背景扫描搜索邻近小区信号，满足切换条件后停止发射自行切换至新小区。切换到新小区后，终端重新发送语音头帧，加密呼叫还需重发加密头帧，之后接续发送语音帧。整个过程同样无须与系统交互，越区过程中所有接收终端的语音质量仅受终端切换小区时间以及不同基站之间的链路延迟影响，链路质量良好情况下语音约丢失1~2个字。 3) 接收方越区至非参与站 接收中的终端越区至非参与站过程如图347所示，呼叫过程中终端接收系统广播的邻近基站参数信息，在弱场情况下启动背景扫描搜索邻近小区信号，若组呼参与站无可用小区，则扫描本站所有邻站列表。检测到可用小区信号后，该终端向系统发送越区请求，携带越区基站的基站识别码，系统向申请越区的基站发送呼叫建立通知，分配信道资源，信道分配成功后，系统向讲话终端发送新小区信道资源信息，并为终端保留话权，终端根据信道信息切换至新小区。切换到新小区后，终端继续接收语音，整个过程语音质量仅受终端切换小区时间以及不同基站之间的链路延迟影响，链路质量良好情况下语音约丢失1~2个字，其他终端不受影响。 图347组呼接收方越区至非参与站 4) 讲话方越区至非参与站 讲话终端越区至非参与站过程如图348所示，呼叫过程中终端接收系统广播的邻近基站参数信息，在弱场情况下启动背景扫描搜索邻近小区信号，若组呼参与站无可用小区，则扫描本站所有邻站列表。检测到可用小区信号后，该终端在语音内嵌信令中携带越区申请发送给系统，系统向申请越区的基站发送呼叫建立通知，分配信道资源，信道分配成功后，系统向讲话终端发送反向信令打断终端发射，随后发送新小区信道资源信息，并为终端保留话权，终端根据信道信息切换至新小区。切换到新小区后，终端不需要重新申请授权，直接发送语音头帧和加密头帧，之后发送语音帧接续本次讲话过程。该过程语音质量会轻微受到影响，整个语音过程约有1s的中断。 图348组呼讲话方越区至非参与站 2. 定位数据上拉 卫星定位数据上拉指授权的调度台通过系统向目标终端下发定位上拉指令(Polling)的方式获取移动台定位数据的业务过程。 PDT数据能力相对较弱，TETRA与PDT标准都规定了利用控制信道短消息主动上传GPS数据的机制，由于两种标准体制控制信道的承载能力的差异，单位时间TETRA的上传能力强于PDT。由于大量的定位数据在控制信道传输会造成拥塞，影响系统正常的呼叫接入控制，因此，PDT创新地利用了控制信道相同载频的另一个时隙作为专用卫星定位信道，在不增加终端能耗的同时，能够提供优于TETRA的定位数据传输能力。 授权调度台向系统订阅目标终端卫星定位数据及上拉周期，订阅成功后，系统按照订阅要求自动周期性向目标终端发送上拉指令，上拉目标终端的卫星数据，直至授权调度台取消订阅。终端上拉的定位数据内容包括经度、纬度(精度为10m)、速度(精确到 每秒几米)等。 周期性卫星定位上拉指令在专用卫星定位信道下发，上拉速率为60ms一条数据/单条专用定位信道。下发指令包含当前上拉周期，当终端处于呼叫状态时，无法接收到卫星定位上拉指令，可根据自身记录的周期信息定期回到专用卫星定位信道等待上拉指令，上传终端数据。终端处于讲话状态时，也可通过语音内嵌信令周期性携带定位数据，保持定位信息的连续性。 3. 集群同播 同频同播技术的发展经历了螺旋式上升的过程。在模拟集群的后期出现常规同播和集群同播技术，是为了解决当时存在的频率不足、联网能力差、越区切换不好、组网难度大等问题。PDT技术体制很好地解决了这些问题。由于同播技术相对落后，无法形成行业标准或国家标准，另一方面PDT系统的频率效率是MPT1327系统的4倍，没必要采用同播技术。PDT技术体制在早期不认可同播技术。 随着PDT的快速发展，很多地方又出现频率紧张的情况。业内PDT厂家坚持开发PDT集群同播系统，作为PDT主干网的补充或延伸，尤其适用于高速公路的场景，在G20峰会的安保中发挥重要作用。PDT联盟顺应形势变化，将同频同播技术纳入PDT技术体系范围。 PDT集群系统在应用中存在三方面问题： 一是频率资源相对紧张，频率复用困难； 二是信号重叠覆盖区多，楼宇密集区和山区极易形成大圈套小圈的情况； 三是新增补点基站，终端需要增加控制信道，即使通过空口写频，也有一定的难度和工作量。前面章节已经分析过，PDT技术制式的码元宽度适宜实现同频同播，因此，在集群中采取同频同播技术，组建集群同播基站(有的公司叫群组基站)，能使用现有频率新增基站，扩大信号覆盖范围，并解决多基站覆盖区可能产生的问题。 一个群组基站包含若干个基站的组合，这些基站配置相同，使用相同的载波频率、基站识别码LAI以及控制信道等。对整个PDT集群系统来说，一个群组基站相当于一个覆盖范围较大的基站，终端在群组基站下接入以及功能与标准基站相同。群组基站如图349所示。 可以看出，增加群组基站功能的集群系统的架构不发生变化，群组集群控制器+同频基站簇相当于集群MSO管控下的一个PDT基站，每增加一个同频区需要增加一个群组控制器。群组基站能够扩大信号覆盖范围，适用于以下场景。 (1) 已建成PDT网络的信号补盲。例如一个城市PDT网络建成后，如果在楼宇密集区、体育场馆、重点会馆等场所需要进行信号增强，但不增加额外的话务量、无须扩展载频时，只需将前述区域的基站扩展为群组基站，即可完成信号的增强与补盲。 图349集群同播组网拓扑 (2) 在系统中扩展低话务量、点状或面状的子网。以地铁为例，地铁在各大城市正在加快建设，覆盖地铁车站和隧道区间，形成地上地下一张网是城市PDT建设的发展趋势。地铁公安用户少，话务量小，沿线范围较长，若建设标准基站需要较多频率资源，容易与地面频率规划产生冲突。此外，地铁运行速度较快，终端越区频繁容易产生掉字等问题，通话效果不好。若使用群组基站覆盖地铁网络，使用独立、较少的频率资源建设群组基站覆盖整个地铁网络，频率上不会与地面产生冲突，并且同频设置让终端通话不存在越区问题，通话效果良好。 4. 安全功能 支持自主加密技术的安全功能是PDT的主要特点之一。本节简要介绍PDT安全功能的基本概念，具体细节在第4章详细阐述。 1) 鉴权 鉴权是验证通信参与方的身份合法性的过程。PDT标准提供了鉴权方法，如软/硬双向鉴权、ESN校验等，从安全性而言，硬鉴权>软鉴权>ESN校验。 2) 遥毙 遥毙是系统利用空口信令禁用移动台的过程，被遥毙的移动台将失去所有操作功能，只有利用授权的编程设备才能将被遥毙的移动台激活。遥毙作为高级别操作，在PDT中要求必须经过鉴权才能执行。 3) 遥晕 遥晕是利用空口信令禁用移动台的过程，授权的网管终端或调度台可将目标移动台遥晕。被遥晕的移动台不能发起或者接收任何网络的服务(包括各类呼叫、短消息等业务)，但应保留登记、去登记、鉴权、复活和数据上拉服务(如卫星定位信息上拉服务等)，用来帮助寻找丢失移动台。被遥晕的移动台可以通过空口复活。 4) 复活 复活是利用空口信令解禁被遥晕移动台的过程，授权网管终端或调度台可以进行复活操作，使移动台恢复到正常工作状态。 5) 端到端安全 端到端安全是对发送端和接收端之间的传输信息进行全程保护的安全机制，包括端到端语音加密及端到端数据加密。端到端安全业务过程中终端之间传输语音或数据信息时始终以密文形式存在，信息在被传输到达目的终端之前不进行解密，在整个传输过程中均受到保护。发送方终端和接收方终端通过各自内部加密算法进行加解密，所有密钥均预先配置在终端设备中，系统设备不参与密钥管理与加解密。 端到端语音加密支持全双工和半双工，单次讲话时，语音头帧之后，语音帧之前必须携带加密头帧PIHeader，PIHeader包含了主要的加密控制信息(例如初始向量、密钥索引等)，语音过程中内嵌信令也包含嵌入式PI，随后进入的终端通过嵌入式PI获取加密控制信息，在获取该信息之前，终端对语音进行静音处理以保证通话质量。 端到端数据加密可以支持任何类型的数据业务(UDT数据，窄带分组数据及使用以上方式承载的各类数据应用)，在原有标准数据头后边附加承载加密控制信息的加密数据头，同时根据具体业务及模式填写正确的DPF和SAP值，其他数据处理流程与明文数据业务处理流程一致。 端到端加密只加密有效用户数据部分，对数据头及数据块中的控制和校验信息等都不进行加密处理。对于有确认数据业务应答部分携带的数据块不需要加密，重传的数据需要采用同样的方法加密后进行传输。 6) 空口安全 空口安全是对移动台和基站之间无线信道上传输的信息进行保护的安全机制，包括空口接口加密和完整性保护。 空口接口加密是对空口传输的原始数据进行加密后再传输，接收方进行解密以恢复原始数据，目的是保护信息的机密性。 空口完整性保护是为了防止对空口传输的原始数据进行非法篡改，目的是保护信息的完整性和一致性，通常采用消息摘要来检验信息是否被篡改。 3.5PDT与TETRA对比 3.5.1概述 除我国制定的PDT标准之外，目前国际上主流的数字集群通信技术还有欧洲通信标准协会制定的TETRA，美国国际公共安全通信官员协会、国家电信管理者协会和联邦政府用户与电信工业协会合作制定的P25，以及欧洲通信标准协会制定的DMR，下面将各技术体制的技术参数、应用领域、应用区域和优劣势进行归纳与比较，如表37所示。 表37主流数字集群技术对比 名称技术参数主要 应用领域主要 应用区域优劣势分析 TETRATDMA制式、四时隙、中小区制、带宽25kHz，数据传输速率28.8kb/s政府与公共安全、公用事业除北美外的80多个国家和地区，以欧洲为主优势： ①数据传输速率高； ②支持更高的用户密度； ③推广时间早，产品成熟稳定，已在世界范围内80多个国家和地区得到广泛应用； ④支持全双工通话及复杂调度管理功能 劣势： ①系统建网、维护成本高，终端价格昂贵； ②高等级加密协议不对欧洲以外国家开放； ③技术与专利门槛高，难以国产化，主要依赖进口； ④没有确定统一的系统互联互通标准 P25在phase Ⅱ阶段，TDMA制式、双时隙，大区制、带宽12.5kHz，数据传输速率： 上行9.6kb/s、下行12.5kb/s政府与公共安全北美为主，其他区域（中东和澳大利亚） 有少量应用 优势： ①产品可兼容模拟系统； ②大区制，覆盖范围大； ③推广时间早，产品成熟稳定，已在北美广泛应用； ④针对北美公共安全用户需求设计 劣势： ①系统、终端价格非常昂贵； ②技术门槛高，主要专利技术集中掌握在少数北美厂商手中； ③不支持较高速率的数据业务 DMRTDMA制式、双时隙，大区制、带宽12.5kHz，数据传输速率9.6kb/s公用事业、 工商业近年来开始在发达国家及地区应用优势： ①产品可以兼容模拟常规； ②终端价格较低； ③技术门槛较低 劣势： ①集群功能不完善，一般用于常规通信； ②通信安全业务能力弱； ③不能支持较高速率的数据业务及全双工通信 PDTTDMA制式、双时隙，大区制、带宽12.5kHz，数据传输速率9.6kb/s政府与公共安全、公用事业、 高端工商业主要目标市场为中国，此外在俄罗斯、泰国、尼泊尔等国家获得应用优势： ①建网及维护成本低； ②系统平滑升级，保护现有投资； ③高级别的安全私密性； ④支持无线编程； ⑤卓越的音频特性，抗干扰能力强； ⑥可实现系统间的互联互通； ⑦分层级的网管架构 劣势： 不能支持较高速率的数据业务 如表37所述，P25技术主要适用于北美地区，在我国不适用。PDT与DMR存在技术兼容性，因此以下将重点对比分析PDT与TETRA间的技术差异性。 3.5.2空中接口差异 1. 信道技术 PDT与TETRA通用信道参数对比见表38，技术特性对比见表39。 表38PDT与TETRA通用信道参数对比 指 标 类 型PDTTETRA备 注 说 明 载波间隔/kHz12.525 时隙数24 每信道等效带宽/kHz6.256.256.25kHz/信道为目前业界频谱利用率的最高水平 调制方式4FSKπ/4DQPSKPDT恒包络，TETRA非恒包络 每载波码元速率/kbaud4.818PDT码元更宽支持同频同播 TDMA时隙保护间隔/ms2.50.4PDT支持更远的通信距离 工作模式TMO/RMO/DMOTMO/DMOPDT支持基站中转台，TETRA只支持移动台DMO的自台中转 移动台发射功率手持台： 5W 车台： 25W手持台： 1W 车台： 3W市场上偶有3W TETRA手持台和10W车台，型号较少见 表39PDT与TETRA技术特性对比 技 术 特 性PDTTETRA备 注 说 明 每信道信息承载能力/(kb/s)3.67.2 同步字宽度/码元2419PDT链路建立、保持能力略强 10%丢帧率SNR/dB816PDT极端弱信号同步能力更强 1%丢帧率SNR/dB1723PDT普通弱场信号同步能力更强 多普勒频移影响小小假定100Hz漂移，PDT误码表现略好 15μs码元级同频干扰误码率0.3%4%SNR=15dB，TETRA用同播技术比较难 控制信道编码抗误码能力(纠正1%误码需要的SNR(dB))1115PDT的信道编码具有更强的纠错能力 2. TDMA两时隙与四时隙对比 1) TETRA四时隙的优缺点 (1) 优点1： 更强的TDD及反向控制能力。 TETRA使用四时隙的TDMA结构，MS与BS错开两时隙的偏移定时模式，可以保证MS在控制信道/业务信道发射时隙与接收时隙分开，中间留给MS进行收发转换的时间为一个时隙14.167ms(目前的终端设备容易实现的指标，也留给系统相对可行的处理时间)，保证了其不会因为发射业务影响业务接收，可以方便地实现TDD。 采用收发偏移定时方式，可以保证MS在发射完一个时隙的数据后，转到接收后可以接收一个完整的下行时隙数据，不但可以利用此模式实现业务双工模式也可以实现发送业务的同时接收另一个业务(例如语音通信的同时接收短消息)，而且增强了系统对终端的反向控制能力。因此在空口的控制及业务传输中，四时隙的优势是非常明显的。 (2) 优点2： 节省基站合路器设备。 一个载频4个时隙代表了4个信道，小用户量的4个信道基站(约承载170用户)，因为只使用一个载频不需要使用合路器，常用的中等用户容量8信道(约承载680用户)也只需要使用两载频的合路器，使用腔体还是宽带合路器插损差别不大，基站频率选择灵活性比较高。大用户容量基站16信道(约承载1900用户)也只需要4载频合路器，4载频合路器通常是性价比最高的配置。 (3) 缺点1： 偏移定时模式对处理器处理时间要求比较高，呼叫建立稍慢。 TETRA采用的偏移定时模式要求MS和BS的响应时间为一个时隙14.167ms，这个时间包括收发转换及发射机的开启/关闭时间(BS常发射不存在收发转换时间问题)，所以通常BS和MS在需要响应的时隙只能进行MAC层的响应，更高层面的响应只能再拖后一个TDMA帧(4个时隙56.7ms)，所以通常从呼叫发起开始计算需要2×4+2=10个帧(约142ms)方可建立呼叫。所以采用4时隙TDMA结构必须采用更短的帧和更短的时隙才能保证快速的呼叫建立。 (4) 缺点2： 因需要更短的时隙，就需要更高效率的调制方式。 为了保证基本的控制能力，空口必须承载足够长度的地址信息、控制类别信息、控制信息实体等不可缺少的信息内容，承载内容不能少，时隙更短，只能靠提高信道承载信息效率来解决问题。而更高效的调制方式正如前文分析过的，付出的代价就是通信距离和抗干扰能力的下降。 2) PDT两时隙的优缺点 PDT标准同时支持收发对齐定时和偏移定时两种模式，其中控制信道只支持对齐定时模式。主要原因是双时隙TDMA的偏移定时模式收发两个时隙是紧挨着的，中间只有时隙保护时间(Guard Time)2.5ms，这个时间对于MS进行收发转换和TS进行信息处理都太短，如果强行达到要求硬件成本会显著上升。 (1) 两时隙的优点有以下两个方面。 ①控制信道对齐模式，呼叫接续速度快。发起呼叫与建立呼叫中间只间隔一个时隙(30ms)，总呼叫建立时间90ms比TETRA快52ms，快速建立呼叫对用户使用体验和提高系统整体呼叫承载能力非常有利。②对MS和TS处理能力要求不高，有利于射频指标及降低设备制造成本。30ms的处理及收发转换时间对MS和TS处理器要求不高，有利于降低设备成本。过快的收发转换会恶化TDMA突发的杂散指标，对器件和RF设计提出更高的要求，更长的收发转换时间意味着器件要求更低，便于降低成本。 (2) 两时隙的缺点有以下两个方面。 ①半双工设备因对齐模式损失了下行信息接收能力。对齐定时模式MS收发时隙相同，MS发射阶段无法同时接收下行信息。PDT只支持当前工作时隙的另一个时隙同步字区域承载反向信道控制信令，实现发射行为控制功能。因为承载信息非常有限(11比特)，所以只能进行简单的控制，无法承载更多的业务信息(例如语音通信过程中接收短信无法实现)。 ②相对TETRA需要多一倍载频数量的合路器。目前腔体合路器最大为8载频，插入损耗在4~5dB，接近可接受的衰减上限(6dB)，8载频PDT提供16信道。如果需要继续增加载频数量，就只能采用多个8载频合路器和多个发射天线，增加了天线工程架设难度。 3. 声码器对比 声码器是以人类语音的产生模型为基础，分析表征语音激励源和声道等的特征参数，再运用这些特征参数重新合成语音信号的设备。声码器也称为“参量编码器”。 声码器在发送端对语音信号进行分析，提取出语音信号的特征参量加以编码和加密，以取得和信道的匹配，经信息通道传递到接收端，再根据收到的特征参量恢复原始语音波形。分析可在频域中进行，对语音信号作频谱分析，鉴别清浊音，测定浊音基频，进而选取清浊判断、浊音基频和频谱包络作为特征参量加以传送。分析也可在时域中进行，利用其周期性提取一些参数进行线性预测，或对语音信号作相关分析。 1) 压缩编码速率 由于TETRA与PDT信道传输带宽的差别，可以承载的压缩语音速率不同，语音质量表现特征也存在差异。 PDT声码器NVOC使用分频带混合激励线性预测(DivisionBand Excitation Linear Prediction，DBELP)编码，输出2.4kb/s的压缩语音，经信道编码后生成3.6kb/s的语音数据，如图350所示。 图350PDT的NVOC声码器编码 TETRA采用代数码激励线性预测(Algebraic CodeExcited Linear Prediction，ACELP)编码，声码器输出4.567kb/s的压缩语音，经信道编码后生成7.2kb/s的语音数据，如图351所示。 图351TETRA的ACELP编码 2) MOS评分 从表310的MOS评分上看，TETRA声码器压缩比128/4.567≈28，PDT为128/2.45≈52。TETRA声码器压缩比低，MOS评分略高。PDT声码器优势在于较强的噪声抑制能力，在噪声环境中通信质量有明显的优势，见表310。 表310PDT、TETRA声码器MOS评分 声码器评分声码器评分 NVOC3.356ACELP3.474 AMBE++3.348GSM(对照)3.7 3) 环境降噪能力 TETRA声码器标配没有降噪功能(可选配)，相比PDT声码器在强噪声环境下通信语音清晰度略差，但更接近模拟系统的声音特点(语音噪声混合)，习惯模拟通信效果的用户比较容易接受。 PDT的NVOC声码器标配中就具有环境降噪功能。NVOC声码器噪声抑制的效果在各种典型噪声背景都是比较好的，但部分习惯模拟通信效果的用户会感觉声音过于干净和生硬，需要一段适应时间。 综上分析，噪声背景环境下PDT语音质量优于TETRA，安静环境下TETRA音质优于PDT。 4) 窄带特性 TETRA声码器码率较高，对声音频谱中的低频段(低于300Hz部分)不敏感。PDT声码器码率较低，编码原理要求使用200Hz以上的频谱。在与模拟系统互联时，因为窄带滤波器导致300Hz以下频谱丢失，进而导致压缩解压缩声音还原能力下降，出现音质下降和识别率降低的问题。实际测试的结果表明，300Hz以下频谱损失后音质和还原性能确实下降，但对可懂度影响不大。因此，窄带性能TETRA略优于PDT。 5) 抗误码能力 由于TETRA接收机灵敏度相对PDT较低，需要更强的编码来提升抗误码能力，减少复杂环境及弱场对语音质量的影响。因此，TETRA声码器信道编码略强于PDT。 6) 加密语音损失 TETRA语音加密采用偷帧的方式，常用的方法是每500ms偷半帧，属于有损加密方式； 而PDT采用的是空闲比特位传输加密相关信息方式，不会对语音质量产生影响。因此TETRA语音加密后可以明显感觉到语音质量的下降，而PDT不会发生类似情况。因此，PDT加密对语音质量影响小于TETRA。 3.5.3语音业务差异 1. 语音业务概述 语音业务是集群系统最主要的业务，语音组呼是使用频度最高的业务功能。TETRA与PDT在语音组呼中都可以支持丰富的细化需求，例如多个参与组、背景组解决参与用户范围问题，区域限制解决呼叫建立地理区域范围问题，优先、紧急呼叫解决信道繁忙时优先保障重要呼叫的问题，越区切换解决移动中跨基站呼叫不断线的问题，利用移动性管理仅在有用户的基站分配信道节约信道资源等。但由于TETRA与PDT存在基站覆盖半径的差别，因此在处理细化需求，尤其是语音组呼时存在一些差异，主要体现在通话过程中的越区切换及组呼漏呼概率上。 2. 通话过程中的越区切换 表311为典型的通告型通话过程中的组呼越区切换实现步骤，可以清楚地看到两种不同思路。 表311组呼越区切换实现步骤 步骤TETRA的通话中越区切换过程PDT的通话中越区切换过程 1MS背景扫描找到可用的邻近基站MS背景扫描找到可用的邻近基站 2用上行信令通知基站希望切换的邻近基站用上行信令通知基站希望切换的邻近基站 3系统为该终端在邻近基站分配信道(如果已经分配信道则无须重复分配)系统为该终端在邻近基站分配信道(如果已经分配信道则无须重复分配) 4基站利用下行切换信令通知该终端切换到邻近基站基站利用下行广播信令通知该基站下所有终端邻近基站可用的业务信道 5终端根据切换指令切换到邻近基站业务信道上继续通话终端根据系统下发的广播信令比较当前基站，择机切换到邻近基站业务信道上继续通话 前三步TETRA与PDT没有分别，后两步思路出现差异，TETRA采用的是系统控制终端切换方式，而PDT采用的是终端根据系统广播消息自主决定切换方式。TETRA方式比较适合个呼越区切换，信道上通话的用户比较少，不会因为切换的信令交互影响正常通话； PDT方式比较适合组呼，信道上通话的用户比较多，一个人申请一组人收益的方式效率更高。TETRA越区切换由系统控制终端逐一进行基站的切换，PDT是终端利用系统广播消息自主切换，支持不限数量的同时切换，在大量用户参与的组呼越区切换中优势明显。 3. 组呼漏呼 虽然TETRA和PDT系统都有完善的移动性管理，包括组用户的位置管理，可以保证只在有组用户的基站分配信道。但由于组呼用户的分布是随机的，每个基站下的用户数量也很难平均，而且每个基站信道配置通常也是有限的。一个组呼在绝大多数情况下需要在多个基站同时分配信道，此时覆盖区域内基站数量会对组呼的漏呼概率产生影响，基站越少，漏呼概率越低。例如图352所示的极端情况，一个PDT基站需要9个TETRA基站完成覆盖，此时PDT基站就不存在漏呼问题，但是TETRA在2、7号基站因为信道全忙出现组呼漏呼。 图352TETRA与PDT的覆盖对比 多基站的集群系统因为信道忙导致的组呼漏呼现象是无法避免的，通常需要利用呼叫的优先级来保证重要呼叫的资源，带来的副作用就是高优先级呼叫抢占低优先级呼叫信道资源，导致低优先级呼叫中断。可以看出，相同面积的覆盖区域，基站越多，组呼漏呼概率越高，反之越低。多基站组呼漏呼率PDT优于TETRA。 3.5.4数据业务差异 1. 数据业务能力 如表312所示，TETRA单位频谱数据承载能力比PDT要强一倍。 表312TETRA与PDT的数据业务能力 项目TETRAPDT 单时隙承载能力/kb/s7.23.6 最多捆绑时隙数/个42 单载频最大数据承载能力/(kb/s)28.87.2 2. 定位数据 根据每条GPS数据占用空口时间及随机接入30%通过率推算如表313所示。可见在控制信道上单位时间TETRA的上传能力强于PDT。 表313TETRA与PDT单位时间内上传的GPS数据量 TETRA控制信道单位时间上传GPS数量PDT控制信道单位时间上传GPS数量 N×150个/min约10个/min 注： N≤4，为控制信道数量。 由于大量的GPS数据在控制信道传输会造成拥塞，影响系统正常的呼叫接入控制，所以PDT设计了基于专用数据信道的GPS上传方法，表314所示为典型的TETRA多个数据信道GPS主动上传和PDT多个专用数据信道系统上传的能力对比。可见在专用数据信道上单位时间PDT的上传能力强于TETRA。 表314TETRA与PDT上传的GPS数据量 TETRA数据信道单位时间上传GPS数量PDT数据信道单位时间上传GPS数量 约N×300个/min约N×1000个/min 注： N为数据信道数量。 3. 状态消息 TETRA和PDT都具备空口效率最高的状态消息传输能力，通常用于发生较为频繁上报终端用户状态(例如忙闲等)和其他对传输时延要求较高的应用，TETRA比PDT状态消息长度要大。但二者的传输时间基本相同，如表315所示。由此可见，TETRA状态信息能力强于PDT。 表315TETRA与PDT的状态消息技术指标 指标TETRAPDT 长度/比特167 状态总数/个65536128 传输时间/ms56.760 4. 数据应用 TETRA与PDT单条短消息承载汉字(双字节)长度对比见表316。从中可以看出，TETRA短消息承载能力强于PDT。需注意的是： TETRA与PDT都支持多条短消息拼接方式，是应用层利用特殊定义的字符完成拼接。 表316TETRA与PDT的单条短消息长度 TETRA/个汉字PDT/个汉字 7023 TETRA与PDT都支持分组数据及利用分组数据开发的各类应用。由于TETRA的单数据信道承载能力是PDT的两倍(7.2k b/s/3.6kb/s)，所以TETRA可以支持更丰富小数据应用，例如WAP查询等。PDT的分组数据也可以支持WAP查询，但因为速度较慢，使用体验效果不理想，更多的是采用简化的短消息查询方式。在这两个技术体制的用户使用及应用过程中，通常可以根据各自数据传输能力设计相匹配的应用功能，各自发挥优势。常用应用功能如表317所示。由此可见，TETRA分组数据能力强于PDT。 表317TETRA与PDT的常用应用功能 应 用 功 能TETRA采用技术PDT采用技术 小数据查询分组数据/短消息短消息 图片传输分组数据分组数据 超长文本短消息短消息拼接短消息拼接/分组数据 OTAP(空口写频)标准未定义分组数据 Telemetry(遥测)分组数据/短消息分组数据/短消息 3.5.5基本业务功能差异 基本业务是一个标准支持的基础业务功能，功能通常需要系统和终端共同完成(不包括直通DMO功能)。表318为基本业务对比，同时列出各层用户群体对该业务的重视程度，其中H代表高，M代表中，L代表低， “”代表支持该业务，“”代表不支持该业务。 表318基本业务功能对比 功能TETRAPDT公共安全专业企事业商业 移动性管理HHML 漫游及越区切换HHML 续表 功能TETRAPDT公共安全专业企事业商业 无线个呼MHMH 无线组呼HHHH 全呼HMHM 紧急呼叫HMHL 优先呼叫HMHL 广播呼叫HMHL PTT授权HHHM 电话互联LMLH 开放信道HMML 状态消息HMHM 短消息HHHH 分组数据HHHH 卫星定位HMML 安全HMML 环境侦听HMLL 动态重组HMML 指令常规HMML 自动功率控制HHML 呼叫转移LLMM 包容呼叫MLLL 呼叫区域限制HHML 遇忙排队MHHH 故障弱化HHHH 调度台应用HHHM 运维管理HHHM MPT1327互联HHLL 系统互联HMLL 数字直通(终端)HMHH 模拟直通(终端)HMHH 数字基站中转HHMH 模拟基站中转HHMH 同频同播支持HHLL 3.5.6终端设备特别要求 TETRA与PDT在不同行业用户终端特殊需求方面基本一致，均能满足用户的特殊需求。对比列表见表319。 表319终端特殊要求 移动终端特性TETRAPDT公共安全专业企事业商业 V+DHHMM 独立数据终端HHML 续表 移动终端特性TETRAPDT公共安全专业企事业商业 直通转发*HMML 支持异频中转HHHH 防尘防水HHMM 防爆HMHL 倒地报警HMLL 高清彩屏HMMH JAVA应用HMMH *： PDT直通转发要求终端设备支持快速收发切换。 3.5.7安全功能对比 安全功能组成及对比如表320所示。由表可见PDT的安全设计更全面，安全性及效率更高。 表320安全功能对比 安 全 机 制 TETRAPDT 是否具备 安全能力评价是否具备 安全能力评价 双向鉴权具备安全，但鉴权交互数据多，流程长，效率低具备安全，鉴权交互数据少，效率高 空中接口安全部分具备无空口完整性保护，信息容易被攻击者篡改具备提供了空口完整性保护，保证信息不被篡改 遥晕、遥毙、复活操作的安全保护有(使用双向鉴权)不安全(利用假基站很容易实现中间人攻击)具备(使用一次性安全令牌)安全 端到端语音加密有安全，但对语音质量有影响。TETRA系统中一般每8/16个subslot(半时隙，对应30ms的语音帧)，挪用一个subslot传同步帧，导致损失30ms语音具备安全，对语音质量影响轻微。通过嵌入式信令传同步帧，不会损失语音 端到端数据加密有安全具备安全 3.5.8组网 1. 系统组网灵活性 PDT的技术标准中明确基于IP软交换技术，TETRA尚无此标准，由表321可见，PDT在技术基础上优于处于2G向3G过渡过程的TETRA。 表321组网链路技术 对 比 项 目TETRA采用技术PDT采用技术 传输链路E1/IPIP/IP over E1 交换模式电路交换IP软交换 2. 交换技术对互联组网的影响 由表322可见，相对TETRA，PDT的软交换技术具备先天的互联互通优势，组网能力更强。 表322交换技术对互联组网的影响 对 比 项 目TETRA采用技术PDT采用技术 交换机形态实体电路域交换机无交换实体的软交换 标准支持的核心网架构2G电信交换3GPP IMS 标准支持的互联控制接口二进制电路域基于IP的文本pSIP 3. 组网多样性 如表323所示，TETRA只能在局部地区利用一个厂商的设备组网，与当地的其他异构网络进行简单语音互通； PDT无论是局部还是大范围(乃至全国)多厂商设备进行同构、异构组网都具备较强的灵活性。 表323组网多样性 对 比 项 目TETRAPDT 同构同厂商系统之间互联具备具备 同构不同厂商系统之间互联不具备具备完整的功能 异构同厂商系统之间互联具备具备 异构不同厂商系统之间互联不具备或简单音频连接具备较全面的功能 3.6PDT技术发展趋势 近年来，随着公网蜂窝宽带通信技术、物联网技术的蓬勃发展，PDT也迎来了跨越式发展的关键窗口期。通过不断汲取当今ICT前沿技术的养分，PDT正向着宽窄共存、公专融合、专网物联网等多个方向持续演进。 3.6.1宽窄共存、公专融合 基于现有许多地域和部门已建成PDT窄带通信网络，考虑应采用兼顾窄带语音网络和宽带数据业务的技术路线，即窄带系统和宽带系统(4G、5G、LTE专网等)的共存。语音用已建的PDT网络，多媒体数据用宽带网络，这种宽窄带共存的方式又细分成多种模式，适用于不同共存阶段的解决方案。 PoC(PTT over Cellular)是一种主要基于公网管道，同时也可支持专网管道，提供PTT语音业务，并同时支持宽带视频对讲等大容量高速率的数据业务。除此之外还可与现有PDT/DMR窄带系统对接，实现多样的宽窄互通业务； 在充分利用现有窄带专网提供高质量应急语音的同时，为窄带通信补充了丰富的多媒体业务。通过实现终端、平台、管理调度、上层应用的全方位深度融合，搭建起新时代的智能集群生态系统。 PDTPoC公专融合可在公网链路上独立构建PoC系统，获得广覆盖、高可靠性的即时通信服务； 也可在PDT & DMR的基础上，使用PoC系统对现有窄带网络进行扩充。由窄带网络过渡到业务更丰富的宽窄共存网络，由专用网扩展到覆盖面更广阔的公专融合网络，从而构建公专融合、宽窄共存的统一通信平台。 PDTPoC公专融合系统可应用于如下场景： (1) 窄带网络覆盖不足需要补盲时使用，因少部分窄带用户活动区域较大且不固定，如增加窄带基站补盲成本较大，可采用新建PoC系统进行PDT覆盖补盲，用户有强烈多媒体业务需求，如图片、视频业务时； (2) 主要针对公安、泛执法等行业用户，用户群体包括民警、交警、辅警、城管、群防群治。 宽窄共存、公专融合是专网发展的必然趋势，将在后续章节做详细介绍。 3.6.2专网物联网 PDT系统目前已在全国铺开，建成了一张全球最大的窄带集群专网，满足公安用户语音及调度应用需要。如何提高资源利用率，扩展网络能力，使资源得到最大化利用是PDT后续技术演进与发展的主要目标。 万物互联是时代发展的必然趋势，低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技术不但实现了人与人的连接，而且逐渐向人与物、物与物连接的方向演进，越来越迅速而深刻地改变着人们的生活与工作方式。近几年，专网指挥调度技术飞速发展，融合语音、视频、大量传感器数据，并结合大数据、云计算、人工智能实现高效预判和决策，成为新一代专网应用的典型特征，专网行业用户对LPWAN技术的需求也愈加迫切。 PDT在语音上具有巨大优势，但数据能力偏弱。基于PDT现有技术体制进行演进，通过定制芯片、轻量级协议栈设计等方式实现低功耗的目标，采用多种调制模式来进一步提升覆盖能力及系统传输能力。在原有语音通信的基础上叠加低功耗、广覆盖、低时延、安全可靠的专网物联网(Professional Internet of Things，PIoT)技术，利用已有频谱、自建专网实现更多增值服务，能够进一步扩展PDT的市场空间和产业价值。 1. PIoT技术的必要性 与公网物联网相比，利用PDT窄带技术进行IoT小数据量数据传输时，在通信距离、组网成本、单位比特能耗等方面具有优势。以PDT构造专网物联网还有如下显著优势。 1) 安全性 现有LPWAN技术多为公网技术，因其自身的公网特点无法做到数据安全和网络自主可控，而PDT作为专用通信网络，具备天然隔离性，更适合专网用户敏感型数据的传输。 2) 可靠性 公网物联网因其面向大众、“尽力而为”的服务特点，无法像专网物联网一样，可对业务优先级进行按需规划，而专网物联网系统允许高优先级节点设备或业务优先占用信道资源，最大限度地保证了特殊场景下专网用户通信的可靠性。 3) 经济性 在专网基础设施的基础上引入物联网，丰富了业务的同时，最大限度地保护了行业用户的已有投资。物联网业务的开展也提高了专网信道资源的利用率，行业用户据此可更加充分地利用已有资源。 2. 技术特点 为兼容现有专网技术体制，PIoT可继续采用4FSK调制技术，其覆盖能力等优势在专网语音通信的多年实践中已得到充分验证。通过定制芯片、轻量级协议栈设计等方式，PIoT可实现低功耗的目标。同时，为满足节点设备的海量接入，实现“无限互联”，PIoT技术采用周期上报与突发竞争接入相结合的接入机制。此外，PIoT可引入多种调制模式，如通过BPSK调制以进一步提高覆盖能力、通过QAM调制技术以提高系统传输能力等，以更好地适配专网物联网的多业务应用场景。 1) 覆盖能力 在远距离模式下，PIoT采用最大发射功率为33dBm，单次发射无重传的条件下接收机的灵敏度为-129dBm，在无接收天线增益和分集增益的条件下，可获得的最大允许路径损耗为33dBm-(-129dBm)=162dB。LoRa、Sigfox、NBIoT的最大允许路径损耗分别为168dB、164dB、164dB。需要注意的是NBIoT 的164dB中包含了通过重传可获得12dB增益。相比于NBIoT，PIoT在无须重传的情况下就能获得162dB的最大允许路径损耗，在相同的覆盖范围下PIoT有着更好的频谱效率。 2) 系统时延 公网特征决定了NBIoT更侧重于网络的公平性，它不会将关键数据的传输设成高优先级业务等级并提供专用的业务信道等保障措施，因此数据的及时性很难保证。为了节省终端能耗，LoRa等技术采用不连续传输体制，只有当终端被唤醒时才会继续传输上行数据，网络时延不可控； 另外，在海量设备连接的场景下，上行LoRa数据帧之间难免会发生相互碰撞，此时终端通过退避重传的机制往往需要重传几十次才能发送成功，网络时延极大。窄带专用频谱专网物联网PIoT可以通过预留紧急业务信道的方式，使紧急业务的网络时延可以达到百毫秒级别。表324给出了各种技术的网络时延性能。由表可知，满足关键数据传输时延小于秒级要求的仅有PIoT技术。 表324网络时延性能对比表 技术体制LoRaSigfoxNBIoTPIoT 网络时延/s<10<305~100.3~3 3) 数据传输 通过QAM调制方式的引入，PIoT数据传输能力从原有的9.6kb/s，最多可提升至38.4kb/s(16QAM)及57.6kb/s(64QAM)。在相同的12.5kHz带宽下，数据承载能力大大增强。 4) 平滑过渡 PIoT数据终端的业务分为上行数据采集和下行控制两种，为了满足原有窄带系统的平滑过渡要求，首先在PDT原有上行4FSK信道上承载PIoT数据业务。考虑PDT系统基站接收机大多采用了SDR技术，接收通道具备线性特性，并采用了IQ解调算法，可以处理QAM信号。通过软件升级可以让现有的PDT信道机支持4FSK和QAM信号的兼容接收，保证了原有PDT移动台和新增的PIoT数据终端共享基站无线信道。 随着PDT基站硬件的不断升级，基站能够具备更强的下行数据能力。如果此时的移动台开始能够发射和接收多种调制信号(例如QAM信号)，PDT系统能够具备根据信道条件自适应调制速率的能力，可以更好地支持语音和数据综合业务，空口的利用率也得到了大幅提升。下行高速数据传输业务的加入，可以拓展原有PDT系统无法很好支持的业务，如OTAP可以更加快速地传输完毕，减少对空口资源的占用； 可以传输大小适宜的图片。GPS上拉业务也可以拥有更高的精度； 语音与GPS同时上行也成为可能； 结合更短的时隙划分，那么类似GPS上拉这类业务的容量可以翻倍提升。 基站可以综合终端支持的调制类型、信号强度、移动速度、处理能力等，选择适合的数据传输速率，提高传输成功率，提升传输效率，达到最有效的语音和数据传输效果。 5) 总结 专用移动通信系统具有忙闲差异极大的特点，总体的平均信道占用时间却不高。据对全国多个城市长时间统计，当前专用移动通信系统的信道利用率在24h中通常不超过30%，以公共安全使用5MHz带宽的频谱资源为例，在频谱不做空间复用的前提下，单个系统70%的空闲态就潜藏着1.2GB/h的巨大传输能力。专网系统自主可控的特点，使新增业务和已有业务彼此兼容、有效协调成为可能。为此，PIoT可以在不影响语音业务的前提下，通过复用空闲信道资源的方式提供物联网增值服务，以提高频谱利用率和系统使用价值。 目前，部分行业用户已在全国范围内建设了通信专网，如PDT专网，具备了直接在原有网络基础上构建专网物联网的条件。为此，PIoT可以利用现有专网通信系统的频谱和基础设施资源，通过“共用硬件、升级软件”的方式，建设行业专网物联网。这将极大地节约网络建设成本，最大限度地保护已有投资。 当前，窄带专网通信系统正在不断引进新的硬件平台，以支持宽窄带共存业务。预计未来几年内，将会出现大量的具备宽带数据传输能力的专网通信系统。一旦窄带语音通信系统在硬件上具备宽带传输能力，也就意味着该系统具备了传输更高速率数据的能力。这也将为PIoT实现更高传输速率、更省电的通信手段提供基础条件。基于宽带专网平台，PIoT可采用更为灵活的技术手段(如频谱效率更高的QAM调制、OFDM技术等)，实现高、中、低多速率可选模式，以更好地适配专网物联网的多业务应用场景。 参考文献 ［1］席剑霄,王汉杰,王德育.PDT系统核心网组网方案若干问题探讨［J］.警察技术,2014(6)： 3336. ［2］Web Service Description Language (WSDL) Version 2.0 Part 1: Core Language ［EB/OL］. 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