賀自斌

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

一種便攜式數(shù)字集群快速部署系統(tǒng)的研究

賀自斌

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

分析了一種便攜式數(shù)字集群快速部署系統(tǒng)的工作原理，并對無線覆蓋范圍進行了計算和預測，通過多個實際使用測試效果驗證了覆蓋效果。最后，與其他覆蓋解決方案進行對比，并提出了各種應用場景的使用方法，得到可將其應用于數(shù)字集群網(wǎng)絡應急補盲的結論。

數(shù)字集群應急補盲便攜式快速部署

1　引言

TETRA數(shù)字集群技術已經(jīng)在國內(nèi)專業(yè)通信市場占據(jù)主導地位。在北京、上海、廣州、深圳等城市，覆蓋全城的TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡已經(jīng)建成并投入運營。然而，受到投資的制約，目前已經(jīng)建成的TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡普遍現(xiàn)狀是僅能實現(xiàn)地面基本覆蓋和極少數(shù)重要場所室內(nèi)覆蓋。以廣州為例，2010年投資建設的“廣州市800M數(shù)字集群共網(wǎng)”共有191個室外基站和20個室內(nèi)基站，網(wǎng)絡規(guī)模僅次于北京正通數(shù)字集群網(wǎng)。但是，所有的地鐵、地下商場、停車場和99%的大型建筑內(nèi)部沒有網(wǎng)絡信號。同樣，地面建筑密集區(qū)域以及山野區(qū)域也都屬于網(wǎng)絡盲區(qū)。因此，TETRA數(shù)字集群市場迫切需要一種便攜式、可快速部署的應用系統(tǒng)來解決上述問題。

本文將研究一款基于ETSI 300 392和ETSI 300 396協(xié)議的便攜式數(shù)字集群快速部署系統(tǒng)（GCI-T800-RG100），介紹其工作原理并重點研究其在不同場景下的使用效果。

2　設備原理

2.1網(wǎng)絡架構

便攜式數(shù)字集群快速部署系統(tǒng)（以下簡稱快速部署系統(tǒng)）在整個TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡中的位置是位于無線網(wǎng)和終端之間，可以把無線網(wǎng)信號轉(zhuǎn)發(fā)為直通信號，將工作在直通模式的終端接入到網(wǎng)絡中。那些工作在數(shù)字集群網(wǎng)絡盲區(qū)的終端，可以在本系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)，通過直通模式接入本系統(tǒng)提供的業(yè)務，直接與集群網(wǎng)絡覆蓋下的終端或調(diào)度臺進行各類通信。通過這種方式可以解決當前集群終端在網(wǎng)絡盲區(qū)就無法進行指揮調(diào)度通信的難題，實現(xiàn)用較小的投資解決網(wǎng)絡覆蓋不足的大問題。

系統(tǒng)架構圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)架構圖

GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)是基于TETRA空中接口協(xié)議標準EN 300 396-5以及EN 300 392-2研制的產(chǎn)品。遵循這些協(xié)議可以確保互聯(lián)兼容性，可接入不同生產(chǎn)廠家的基礎網(wǎng)絡，也能為不同廠家的終端提供接入服務。

TETRA協(xié)議模型如圖2所示：

圖2　TETRA協(xié)議模型

GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)的基本工作原理是同時監(jiān)聽集群網(wǎng)絡和直通網(wǎng)絡的信號，并且能夠?qū)⒓壕W(wǎng)絡或者直通網(wǎng)絡的呼叫轉(zhuǎn)發(fā)至另外一個網(wǎng)絡，滿足讓不同網(wǎng)絡下的終端進行跨網(wǎng)絡通信的需求，使得直通網(wǎng)絡成為集群網(wǎng)絡的延伸。通過這樣的網(wǎng)絡延伸，無需對集群網(wǎng)絡進行擴容、補盲等費時費錢的傳統(tǒng)覆蓋操作，就可以快速、便捷地實現(xiàn)一定范圍內(nèi)、有緊急使用需求的盲區(qū)覆蓋。工作原理圖如圖3所示。

圖3　工作原理圖

2.2實現(xiàn)原理

TETRA采用了TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）接入方式，無論集群模式還是直通模式，每個載波上可以承載4個時隙作為邏輯信道。GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)在集群網(wǎng)絡中和其他普通終端一樣，占用上行和下行頻率的各1個時隙進行業(yè)務通信，也具有個人身份號碼和組身份號碼作為身份識別。GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)在直通網(wǎng)絡中會固定占用1個時隙進行發(fā)射廣播信息，以標明自身的存在。那些使用相同頻率且具有相同通話組組號的直通終端可以接收到該信息，進入這個直通網(wǎng)絡并在屏幕界面上提示有網(wǎng)關設備存在。

此時直通終端發(fā)起呼叫，會占用直通時隙1，GCI-T800-RG100接收這個時隙1的信號后，按照EN 300 396-5協(xié)議進行逐層解析操作，分析出呼叫源地址、目的地址、呼叫內(nèi)容等信息后，再按照EN 300 396-2協(xié)議進行逐層打包操作，將以上信息通過網(wǎng)絡模式下的上行頻率某個時隙發(fā)送到網(wǎng)絡基礎設施。同樣，GCI-T800-RG100接收到從網(wǎng)絡側(cè)發(fā)來的呼叫信息后，按照EN 300 396-2協(xié)議進行逐層解析操作，分析出呼叫源地址、目的地址、呼叫內(nèi)容等信息后，再按照EN 300 396-5協(xié)議進行逐層打包操作，將這些信息通過直通時隙3進行發(fā)射，守候在直通時隙3的終端都可以接收到該呼叫。產(chǎn)品時隙圖如圖4所示。

圖4　產(chǎn)品時隙圖

3　覆蓋預測

GCI-T800-RG100在直通側(cè)可以提供的最大輸出功率為10W（40dBm），在這樣的功率等級下，通過計算可以預測在不同環(huán)境下的覆蓋范圍。

3.1室內(nèi)覆蓋計算

建筑物穿透損耗如表1所示：

表1　建筑物穿透損耗表

考慮空間傳播損耗計算公式為：

其中，f為頻率，這里是800MHz；D為距離。

發(fā)射功率為10W（40dBm，無天線增益），TETRA終端規(guī)范要求接收靈敏度至少為-100dBm，則允許傳輸損耗為140dB。

考慮穿透2層樓板（2×10dB），且覆蓋范圍內(nèi)有兩面無窗的混凝土墻（2×20dB），此時容許空間傳播損耗L=140-2×10-2×20=80dB。通過公式（1），可以計算D約為300m。

通過以上分析可以預計，GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)可以覆蓋半徑300m（以設備為圓心）的地下2至3層范圍。如果用做轉(zhuǎn)發(fā)模式，可以覆蓋半徑300m（以設備為圓心）的地下3至4層范圍。

3.2室外覆蓋計算

進行室外無線傳輸計算時，Okumura-Hata模型是一種常被用來進行分析的簡單模型。該模型將無線環(huán)境劃分為市區(qū)、郊區(qū)、開闊地。其中，市區(qū)又可以分為中、大城市和小城市。

Okumura-Hata模型如下：

其中，d為收發(fā)天線之間的距離，單位為km；f為工作頻率，單位為MHz；hb為基站天線有效高度，單位為m；hm為終端天線高度，單位為m；a(hm)為終端天線高度校正因子，由下式計算：

發(fā)射功率為10W（40dBm，無天線增益），TETRA終端規(guī)范要求接收靈敏度至少為-100dBm，則允許傳輸損耗為140dB。假定快速部署系統(tǒng)室外使用時，架設高度為2m，終端手持高度為1.5m。通過公式（2）至（5）計算可知，在密集市區(qū)模型下，覆蓋距離半徑最大約為500m；在郊區(qū)模型下，覆蓋距離半徑最大可以達到1km；在開闊地模型下，覆蓋距離半徑最大可以達到5km。

通過上述計算也可以得到一個結論：快速部署系統(tǒng)室外使用時，架設高度會影響到覆蓋范圍。架設高度越高，覆蓋范圍則越廣。

4　對比分析

通過上述原理和計算預測可知，快速部署系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)對各種類型的TETRA網(wǎng)絡盲區(qū)的應急覆蓋需求。而傳統(tǒng)上進行網(wǎng)絡補盲的操作是建設覆蓋系統(tǒng)。但是由于TETRA網(wǎng)絡屬于專業(yè)通信網(wǎng)絡，這就決定了其用戶數(shù)量一定是有限的，網(wǎng)絡經(jīng)濟效益不是追求的目標。在進行網(wǎng)絡建設時，必須考慮投資、維護、周期以及機動性等。

4.1快速部署系統(tǒng)和室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的比較

（1）從投資角度看，建設室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)覆蓋全市樓宇、地下空間等可能需要投資數(shù)十億元，用戶難以承受如此規(guī)模的投資壓力。而便攜式、能快速部署的數(shù)字集群應用系統(tǒng)則是按需投資，僅一線工作部門需要使用，可以由政府部門根據(jù)自身需要采購，投資規(guī)模大幅降低。

（2）從維護角度看，建設室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)分布廣、維護復雜，在無用戶使用的時候也需要工作，能源消耗大。而便攜式、能快速部署的數(shù)字集群應用系統(tǒng)維護簡單，不使用時不工作，節(jié)省能源。

（3）從建設周期看，需要耗時數(shù)年才可能完成全城室內(nèi)覆蓋建設。而便攜式、能快速部署的數(shù)字集群應用系統(tǒng)無需建設周期，即開即用。

（4）從機動性看，室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)在發(fā)生火災等突發(fā)事件時有可能癱瘓而無法使用。而便攜式、能快速部署的數(shù)字集群應用系統(tǒng)則可以全天候地在各種環(huán)境中使用。

4.2快速部署系統(tǒng)和光纖直放站的比較

為解決數(shù)字集群網(wǎng)絡存在的室內(nèi)或者地下覆蓋不足的問題，除了采用GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)這樣的思路，即利用TETRA標準協(xié)議中的網(wǎng)關和轉(zhuǎn)發(fā)接口進行信號重生轉(zhuǎn)發(fā)外，還有其他產(chǎn)品利用了另外一種思路，即用光纖直放站的方式，將TETRA無線信號通過光纖傳遞到需要覆蓋的地方。

（1）便攜性

GCI-T800-RG100采用的解調(diào)解析無線信號后重新發(fā)射的方法，和手持終端的原理一致，所以可以借鑒手持終端的設計，體積、重量方面可以設計得便于攜帶，即使加上電池和外殼，整體重量僅為10kg。通過一個便攜包，單兵即可背負或手提至現(xiàn)場。

光纖直放站產(chǎn)品采用的是接收無線信號后，進行放大、光電轉(zhuǎn)換等完全模擬信號處理的方法。完全的模擬信號放大帶來的問題是效率低，導致整機設計需要考慮散熱、供電等無法做到像終端一樣小型化。另外，光纖直放站需要將主機、從機分開設計，還需要配置光纖盤?？傮w重量超過30kg，體積較大，攜帶相當不便。

（2）現(xiàn)場操作性

GCI-T800-RG100被攜帶至現(xiàn)場后，只需要按下開關，選擇合適的工作模式后，參考提示的信號強度選擇合適的部署位置即可。使用過程中，視現(xiàn)場情況，最多只需要1人值守。每套系統(tǒng)投入使用后，在直通網(wǎng)絡覆蓋區(qū)內(nèi)，可以保障1個通話組進行集群網(wǎng)絡通訊。該通話組的終端需要提前設置直通模式和直通通話組。

光纖直放站產(chǎn)品被運送到現(xiàn)場后，需要進行多步操作才能投入使用。首先要選擇主機安置位置，然后鋪設光纖以及攜帶從機至從機安置位置。因光纖直接放置在地面，需避免被碾壓。設備安裝到位后，還需要進行復雜的調(diào)試。使用過程中至少需要3人進行維護，分別負責主機、從機和光纖鏈路。

（3）對環(huán)境的要求

GCI-T800-RG100可以部署在室內(nèi)、地下、地面等各種場景，設備自帶電池，使用時無需考慮供電。另外，系統(tǒng)配置交流適配器，連接至外部電源即可持續(xù)工作。系統(tǒng)是完全無線信號轉(zhuǎn)發(fā)，使用時不需要維護有線傳輸鏈路。

光纖直放站產(chǎn)品因為主機天線和從機天線之間必須達到一定的隔離度才能避免系統(tǒng)自激，所以主機必須部署在從機的覆蓋范圍之外。這就限制了這類產(chǎn)品僅能用于有較好屏蔽效果的地下空間。光纖直放站主機端的部署位置選擇條件較為苛刻，一般需要使用外部交流供電。

（4）覆蓋和使用效果

無線系統(tǒng)的覆蓋效果主要取決于發(fā)射功率、天線位置以及覆蓋區(qū)地形地貌。在地形地貌無法改變的情況下，發(fā)射功率和天線是改善覆蓋效果的主要因素。

在廣州某地鐵站，GCI-T800-RG100和一款光纖直放站產(chǎn)品進行過一次相同的覆蓋測試。

光纖直放站產(chǎn)品從機放置在地鐵站站廳內(nèi)，可以實現(xiàn)站廳大部分區(qū)域（約87%）覆蓋，1號線站臺扶梯口處3m范圍內(nèi)覆蓋，8號線無法覆蓋。

GCI-T800-RG100放置在B出入口位置，可以實現(xiàn)站廳全覆蓋，1號線80%范圍覆蓋，8號線30%的覆蓋。

綜合以上對比，光纖直放站產(chǎn)品的特點在于用戶終端無需調(diào)整即可使用，從機可以級聯(lián)用于鏈式覆蓋。而GCI-T800-RG100在便攜性、現(xiàn)場操作簡便性、對外界環(huán)境的要求以及覆蓋效果上存在較大優(yōu)勢。

圖5　地鐵站站廳覆蓋效果

圖6　地鐵站8號線乘車廳覆蓋效果

5　使用效果

GCI-T800-RG100自從問世以來，先后由多個用戶在眾多環(huán)境下進行了實際使用，包括：地鐵站、地下室、城中村、地面以及樓宇間等。

5.1地鐵站覆蓋

GCI-T800-RG100在廣州某地鐵站進行過部署應用。地鐵站可以實現(xiàn)站廳全覆蓋，8號線90%覆蓋，覆蓋效果分別如圖5和圖6所示。

5.2地下室覆蓋

GCI-T800-RG100在麗影廣場、中電七所、廣州東站、天河城、珠江新城西塔等地下停車場進行過應用。地下停車場信號覆蓋效果如圖7所示。

對于麗影廣場地下停車場、中電七所地下停車場這樣的1至2層、面積不大的地下空間，可以實現(xiàn)全部覆蓋。

對于廣州東站地下停車場、珠江新城西塔地下停車場這樣的4層地下空間，基本可以實現(xiàn)地下1至2層的覆蓋，地下3至4層的通道口處有信號。

對于天河城地下停車場這樣面積較大的地下空間，可以實現(xiàn)70%面積的覆蓋。

圖7　地下停車場信號覆蓋效果

5.3城中村覆蓋

GCI-T800-RG100在廣州海珠區(qū)新市頭村進行過應用。結果表明：如果系統(tǒng)直接部署在地面，可以實現(xiàn)50%面積的城中村覆蓋，如圖8所示；如果系統(tǒng)部署在相鄰的高樓頂，可以實現(xiàn)80%面積的城中村覆蓋，如圖9所示。

圖8　產(chǎn)品部署在地面覆蓋效果

圖9　產(chǎn)品部署在附近高樓覆蓋效果

6　應用分析

快速部署系統(tǒng)無論從原理還是實際效果來看，都可以滿足應急性的小范圍TETRA網(wǎng)絡補盲應用需求。下面將分析一些典型的需要快速部署系統(tǒng)的應用場景：

（1）1至2層地下停車場以及規(guī)模較小的地鐵站

市內(nèi)大多數(shù)小區(qū)配置的地下停車場為1至2層規(guī)模，且大多內(nèi)部無法收到800M網(wǎng)絡信號。這些區(qū)域內(nèi)如果發(fā)生突發(fā)事件時，現(xiàn)場工作人員無法通過集群終端匯報處理情況。

在這種場景下，可以攜帶一套快速部署系統(tǒng)到現(xiàn)場，部署在停車場入口處，打開網(wǎng)關模式，現(xiàn)場工作人員終端調(diào)至直通模式，即可和指揮調(diào)度中心進行通信。

（2）大型地下空間以及規(guī)模較大的地鐵站

市內(nèi)有一定數(shù)量的大型地下空間用于商業(yè)、餐飲或娛樂等用途，也有幾個規(guī)模較大、出入口數(shù)量多的地鐵交匯站，800M網(wǎng)絡信號基本沒有覆蓋這些區(qū)域。

可以選擇使用快速部署系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，擴大直通終端通信距離。和網(wǎng)絡指揮調(diào)度中心的直接通信通過人力接續(xù)的方式進行。

（3）城市密集區(qū)域網(wǎng)絡信號受遮擋區(qū)域（如城中村）

在城區(qū)中，由于受到高樓、高架橋以及建筑密度高等各種因素的影響，存在部分室外區(qū)域、底層高密度城中村等區(qū)域無信號或者信號極弱等情況。這些區(qū)域也很難利用800M網(wǎng)絡進行指揮通信。

針對這樣的區(qū)域，使用車載網(wǎng)關也可以解決部分問題，但是使用快速部署系統(tǒng)能夠更加方便地選擇部署位置，可部署至相鄰較高位置，以達到覆蓋范圍更廣的效果。

（4）30層以下住宅小區(qū)

由于800M網(wǎng)絡基站密度較低，一些住宅小區(qū)的室內(nèi)可能無法使用集群終端。對于30層以下的住宅小區(qū)，應急時可使用一套快速部署系統(tǒng)，以解決室內(nèi)臨時指揮調(diào)度需求。

（5）30層以上樓宇

對于30層以上的商業(yè)寫字樓或者住宅，通常在樓宇的最中間位置收不到800M網(wǎng)絡信號，而靠近窗戶的位置一般能夠收到網(wǎng)絡信號。應急時可將一套快速部署系統(tǒng)部署在樓宇的中間層靠窗戶位置，以滿足一定范圍內(nèi)的通信需求。

（6）周邊縣市城區(qū)網(wǎng)絡信號盲區(qū)

800M網(wǎng)絡的基站在周邊縣市的密度更低，這些區(qū)域的城區(qū)還存在不少的網(wǎng)絡盲區(qū)。

（7）山野區(qū)域

800M網(wǎng)絡對于山野區(qū)域沒有做到百分百覆蓋，如果這些區(qū)域需要排查、搜索或者救火應急時，可以通過部署快速部署系統(tǒng)來實現(xiàn)臨時覆蓋。

（8）大量警力集結情況

如果出現(xiàn)應急事件，需要大量警力或者工作人員集結。通常此時的話務量并不是很大，但是因為位置更新、GPS上報信息等占用控制信道而導致網(wǎng)絡服務能力下降，出現(xiàn)通話阻塞等現(xiàn)象。這時可以將話務量較少的組設置到直通組，通過快速部署系統(tǒng)來和網(wǎng)絡進行通信，降低網(wǎng)絡負荷，提升網(wǎng)絡接通率。

7　結束語

GCI-T800-RG100快速部署系統(tǒng)是一款經(jīng)濟實用、便于攜帶、快速部署的TETRA網(wǎng)絡補充覆蓋設備，特別適用于政務共網(wǎng)這樣投資有限但重要性、時效性要求高的網(wǎng)絡，其使用效果已經(jīng)過大量的實戰(zhàn)驗證，在TETRA數(shù)字集群共網(wǎng)建設和維護工作中應得到廣泛使用。

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[10] ETSI 300 396-5. DMO: Gateway Air Interface[S]. 2010.★

賀自斌：工程師，畢業(yè)于電子科技大學，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要從事數(shù)字集群通信系統(tǒng)的應用研究及推廣工作。

Research on A Portable TETRA Rapid Deployment System

HE Zi-bin
(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

The working principle of a portable TETRA rapid deployment system was analyzed and wireless coverage was calculated and forecast. The coverage effect of the system was verifi ed through multiple practical tests. Finally, compare with other coverage solutions, the usage in different scenarios was presented and the conclusion on emergency blind area coverage of TETRA network was drawn.

TETRAemergency blind area coverageportablerapid deployment

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.16.012

TN929.52

A

1006-1010(2015)16-0060-07

2015-07-22

責任編輯：袁婷yuanting@mbcom.cn

引用格式：賀自斌. 一種便攜式數(shù)字集群快速部署系統(tǒng)的研究[J]. 移動通信, 2015,39(16): 60-66.