武警研究院 陳 思

數(shù)字集群是一種專用移動通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)可用信道為所有用戶共享，是集資源共享、信道共用、費(fèi)用分擔(dān)為一體，具有信道自動選擇功能的無線通信系統(tǒng)。其概念的產(chǎn)生是從有線電話通信中的“中繼”得來的。數(shù)字集群通信的特點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)組呼和群呼功能、可創(chuàng)建用戶優(yōu)先級、采用大區(qū)制組網(wǎng)方式等，是一種多功能、高效率的通信方式。集群業(yè)務(wù)可廣泛應(yīng)用于搶險救災(zāi)、醫(yī)療急救、公共交通、公共調(diào)度、會議展覽、企業(yè)和小區(qū)管理、公安、交警以及家庭小團(tuán)體等不同場景，可極大提高生產(chǎn)和工作效率，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著極其重要的作用。對于數(shù)字集群通信系統(tǒng)而言，調(diào)制方式必須滿足窄帶寬、高頻譜效率和抗衰落性能強(qiáng)等要求，因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)字集群通信，需要數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、信道編碼、多址接入和抗衰落等多種關(guān)鍵技術(shù)做支撐。

1 數(shù)字語音編碼技術(shù)

語音信號是數(shù)字集群系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的信號，語音編碼技術(shù)是支撐數(shù)字集群通信的關(guān)鍵技術(shù)。語音編碼為信源編碼，是將模擬語音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號在信道中傳輸，是在盡可能少占用通信容量的前提下傳送盡可能高質(zhì)量的語音信號，可以分為參量編碼、波形編碼和混合編碼三大類。

參量編碼是在語音發(fā)聲機(jī)理的基礎(chǔ)上找出表征語音的特征參量，對特征參量進(jìn)行編碼的技術(shù)。該技術(shù)傳輸語音質(zhì)量較低，因此采用率也較低。波形編碼是對模擬語音信號經(jīng)過取樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語音技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠使用于較寬范圍的語音特性，在噪音環(huán)境下也能夠保持穩(wěn)定，主要包括脈沖編碼調(diào)制、差分脈沖調(diào)制、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制和增量調(diào)制等。為了獲得較好的語音質(zhì)量，改善以上兩種編碼技術(shù)的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了混合編碼方式，在混合編碼信號中，既含有特征分量，又有波形信息，在集群通信中應(yīng)用較多。

2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

數(shù)字調(diào)制是在模擬調(diào)制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，用載波信號的某種離散狀態(tài)來表征所傳送信息。數(shù)字調(diào)制大幅提高了抗干擾性能，抗信道衰落能力強(qiáng)，安全性更好。在數(shù)字調(diào)制中，將調(diào)制信號表示為符號或脈沖的時間序列，每個符號可以有m種有限狀態(tài)，每個符號又可以用表示為n比特。

數(shù)字調(diào)制可以分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩大類，基本的數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）三種，這三種調(diào)制方式分別是指用不同的幅度、頻率和相位來表示不同符號的調(diào)制技術(shù)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，還對以上三種調(diào)制方式進(jìn)行了改進(jìn)，產(chǎn)生了高斯頻移鍵控（GFSK）、高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）、最小移頻鍵控（MSK）、差分相移鍵控（DPSK）和正交相移鍵控（QPSK）等多種調(diào)制方式。

π/4DQPSK是對QPSK調(diào)制的改進(jìn)，在調(diào)制之前對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行差分編碼，相位變化趨于連續(xù)且較為平滑，大大降低了包絡(luò)波動，誤碼率低，具有較好的輸出頻譜特性。該技術(shù)可以采用差分解調(diào)和相干解調(diào)，可以避免載波恢復(fù)，接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)快速同步。目前，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字集群通信系統(tǒng)中，例如歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織制定的TETRA標(biāo)準(zhǔn)和以色列的FHMA系統(tǒng)。

3 多址接入技術(shù)

當(dāng)把多個用戶接入一個公共的傳輸媒介實(shí)現(xiàn)相互間通信時，需要給每個用戶的信號賦以不同的特征，以區(qū)分不同的用戶，這種技術(shù)稱為多址技術(shù)。當(dāng)前，多址接入方式可以分為頻分多址、時分多址、碼分多址和混合接入方式。

頻分多址（FDMA）：根據(jù)傳輸信號載波頻率不同劃分來建立多址接入稱為頻分多址方式。它是一種調(diào)頻多址技術(shù)，將信道頻帶分割為若干子頻帶，每個子頻帶分給一個用戶專用直至通信結(jié)束，信道每次只能由一個用戶專享，其傳輸效率較低。

時分多址（TDMA）：根據(jù)傳輸信號存在時間的不同劃分來建立多址接入稱為時分多址方式。該技術(shù)是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。這種傳輸方式的特點(diǎn)是多個用戶可以共享一個頻率，是非連續(xù)傳輸，且時間插槽可以根據(jù)動態(tài)TDMA需求分配，因此頻帶利用率較高，系統(tǒng)容量大，通信質(zhì)量高，但是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上較FDMA更為復(fù)雜。

碼分多址（CDMA）：根據(jù)傳輸信號碼型不同劃分來建立多址接入稱為碼分多址方式。該技術(shù)使用不同的偽隨機(jī)碼來區(qū)別基站，特點(diǎn)是通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有用戶可共用同一載波、使用相同帶寬，用戶可同時發(fā)送和接收信號。信號的頻譜加寬，頻譜利用率高，話音質(zhì)量好，保密性強(qiáng)，容量大。

在以上技術(shù)基礎(chǔ)上，我國首次提出了時分同步碼分多址（TD-SCDMA）技術(shù)，該技術(shù)是第三代移動通信技術(shù)，以我國自主知識產(chǎn)權(quán)為主，且在國際社會上得到廣泛認(rèn)可，是我國在移動通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得的重大突破。單用戶在同一時刻雙向通信的方式是時分雙工，在相同的頻帶內(nèi)在時域上劃分不同時隙給上、下行進(jìn)行雙工通信，可以方便地實(shí)現(xiàn)上、下行鏈路間的靈活切換，通過最佳自適應(yīng)資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8kb/s到2Mb/s以及更高速率的語音、視頻電話、互聯(lián)網(wǎng)等各種通信業(yè)務(wù)。華為公司提出的基于集群專網(wǎng)的技術(shù)體制GT80采用的就是TDMA與TD-SCDMA的融合技術(shù)。

4 可靠性技術(shù)

數(shù)字集群通信的信道不是理想化的，是在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，存在噪聲和干擾，容易產(chǎn)生由空間傳播造成的色散，因障礙物影響而產(chǎn)生的陰影衰落，由各種直射波、反射波等產(chǎn)生的串?dāng)_的多徑衰落，經(jīng)過信道傳輸后接受的碼元信息出現(xiàn)一定的差錯。在實(shí)現(xiàn)數(shù)字集群通信的過程中，克服干擾和彌補(bǔ)衰落帶來的損失十分重要。

4.1 信道編碼技術(shù)

信道編碼的目的就在于發(fā)現(xiàn)或糾正碼元在信道傳輸過程中產(chǎn)生的差錯，改善通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，提高通信可靠性，是保證集群通信系統(tǒng)在多徑和衰落信道條件下正常工作必不可少的技術(shù)之一。

信道編碼是對信道干擾進(jìn)行糾錯和檢錯的編碼技術(shù)，通常分為檢錯碼和糾錯碼兩大類，對信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行檢錯的為檢錯碼，對信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行糾錯的為糾錯碼，糾錯碼又包括分組碼和卷積碼等。分組碼中碼元的約束關(guān)系是線性的，而分組是對編碼而言的，可以用近代數(shù)理論中有限維有限域的矩陣來描述的。卷積碼是一種非線性碼，將k個信息比特變成n個比特，但是k和n通常較小，時延較小，其糾錯能力對著約束長度的增加而增強(qiáng)，差錯率卻隨著約束長度的增加而呈指數(shù)下降趨勢，其整體性能優(yōu)于分組碼，因此在數(shù)字集群通信系統(tǒng)中，卷積碼的使用較為廣泛。

4.2 抗衰落技術(shù)

比較典型的抗衰落技術(shù)有分集接收、RAKE接收技術(shù)和自適應(yīng)均衡技術(shù)。

分集接收技術(shù)：實(shí)現(xiàn)方式是在若干個支路上接收相關(guān)性很小且載有同一消息的信號，通過合并技術(shù)再將各個支路信號輸出，在接收終端上大大降低了衰落的概率。分集技術(shù)根據(jù)所涉及的資源不同，可以分為空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集等。接收合并技術(shù)可分為最大比合并、等增益合并和選擇式合并等。

自適應(yīng)均衡技術(shù)：數(shù)字集群通信傳輸信道特性復(fù)雜，幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)呈現(xiàn)非線性特征，容易隨氣候等環(huán)境因素變化而變化，自適應(yīng)均衡技術(shù)可以補(bǔ)償信道參數(shù)變化所引起的畸變，能夠自動調(diào)整參數(shù)以保持連續(xù)均衡，提高通信質(zhì)量。集群通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)均衡器可以分為頻域自適應(yīng)均衡器和時域自適應(yīng)均衡器兩類，在實(shí)際使用過程中，為了最大限度地減小衰落，往往采用兩種自適應(yīng)均衡器。

RAKE接收技術(shù)：是一種多徑分集接收技術(shù)，在時間上分辨出細(xì)微的多徑信號，對這些分辨出來的多徑信號分別進(jìn)行加權(quán)調(diào)整、使之復(fù)合成加強(qiáng)的信號。該技術(shù)并不是適用于所有通信系統(tǒng)，主要用于第三代CDMA移動通信系統(tǒng)中。