王冰 祖永芹 唐鵬程 陳佳洲

1. 公安部第一研究所 2. 河北省張家口市公安局 3. 北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司

引言

警用數(shù)字集群通信系統(tǒng)（以下簡稱PDT系統(tǒng)）作為公安無線通信專網(wǎng)，是公安機關(guān)全國性的主要通信基礎(chǔ)設(shè)施。經(jīng)過八年建設(shè)，PDT系統(tǒng)已然成為公安機關(guān)警務(wù)保障工作的主要組成部分，為公安執(zhí)法執(zhí)勤提供了有力支撐，更是大型活動安保、反恐處突、搶險救災(zāi)等任務(wù)中不可缺少的通信手段。隨著近些年國內(nèi)大型活動增多，PDT系統(tǒng)很好地驗證了安全保密性、運行穩(wěn)定性以及開放兼容性等特點。2020年，PDT系統(tǒng)被指定服務(wù)于賽會指揮通信。該系統(tǒng)通過前期規(guī)劃設(shè)計，將賽會組織者的需求落實到建設(shè)并實現(xiàn)與異地1.4GHz B-TrunC寬帶網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，展現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PDT系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與不同制式集群系統(tǒng)整合兼容的技術(shù)先進(jìn)性和開放性特點。

一、技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用案例

（一）案例一

賽會用PDT系統(tǒng)采用公安專用350MHz頻率，是在屬地公安PDT系統(tǒng)基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和流程，針對特定業(yè)務(wù)需求進(jìn)行的補充建設(shè)，是賽會組織的核心指揮調(diào)度手段，是賽事組委會各部門之間協(xié)同工作和應(yīng)急聯(lián)動的重要通信方式。賽后該系統(tǒng)使用的P95頻率由屬地省廳收回，全部設(shè)備移交屬地公安局用于補充覆蓋以及提升單警裝備比例。

賽會用PDT系統(tǒng)在規(guī)劃階段充分考慮到：賽事組織指揮對于集群通信服務(wù)的關(guān)鍵功能需求為語音調(diào)度，需要實現(xiàn)賽區(qū)紅線內(nèi)競賽和非競賽場館的室內(nèi)和室外信號全覆蓋，能夠提供充分滿足賽事舉辦所需的全部集群通信服務(wù)；具備高可靠性、低時延和應(yīng)對突發(fā)大話務(wù)量及突發(fā)公共事件的應(yīng)急通信保障能力；具備在室外惡劣氣候條件下正常工作；須實現(xiàn)與異地1.4GHz B-TrunC寬帶集群網(wǎng)的互聯(lián)互通，滿足賽事運行指揮層級的跨場協(xié)同指揮與互聯(lián)互通需求等要求。從前期的規(guī)劃設(shè)計到后期的建設(shè)維護，賽會PDT系統(tǒng)采用多項保障措施和最佳解決方案，在覆蓋、備份、延時、頻率及耐寒等方面作了相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化。

1. 全程全域覆蓋

PDT系統(tǒng)能不能用、好不好用，覆蓋是關(guān)鍵。為更好滿足賽事組織指揮、地空一體化的語音調(diào)度需求。設(shè)計并建設(shè)賽會用PDT系統(tǒng)的5個室外PDT標(biāo)準(zhǔn)基站、4個PDT室內(nèi)基站及相應(yīng)的4套室內(nèi)分布系統(tǒng)和1個對空基站并分別接入主、備（異地）節(jié)點。

對于涉及人員活動密集場所的室內(nèi)采用基站并通過光纖直放站的形式將基站信號拉遠(yuǎn)至相應(yīng)大區(qū)的地下覆蓋地點，然后通過室內(nèi)分布系統(tǒng)（含吸頂天線）實現(xiàn)地下區(qū)域的無線信號覆蓋。室內(nèi)公共活動、辦公室及出入口等區(qū)域的無線信號可以從基站的功率分配器中將信號耦合輸出，但無線電波傳播到達(dá)接收機的路徑會受到多重墻體的阻擋、房內(nèi)物體的反射及狹長走道內(nèi)的多徑反射和拐角處折射等因素的影響，經(jīng)實地測試驗證吸頂天線覆蓋半徑為20米。

2. 雙備份高可靠性

為保證賽會用PDT系統(tǒng)可靠運行，系統(tǒng)采用多種備份手段，包括傳輸鏈路雙備份，異地容災(zāi)雙備份，以及核心交換單元物理器件雙備份等。

傳輸鏈路雙備份，是指所有交換節(jié)點和傳輸鏈路沒有單點故障，網(wǎng)絡(luò)傳輸采用不同鏈路傳輸信息。

異地容災(zāi)雙備份，是指系統(tǒng)平時在兩地分別有一套交換中心在線工作，雙套系統(tǒng)數(shù)據(jù)在平時完成同步。在主用系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性故障或者設(shè)備故障時，可以自動切換到異地的另外一套核心節(jié)點，接管工作。在主用系統(tǒng)恢復(fù)正常時，可以自動切換回主用節(jié)點。切換期間，業(yè)務(wù)基本保持不中斷。

核心節(jié)點物理器件雙備份，包括業(yè)務(wù)單板、交換單板、電源板和風(fēng)扇等關(guān)鍵器件雙備份，在其中單個節(jié)點發(fā)生故障或者物理損壞時，業(yè)務(wù)能平滑不中斷的進(jìn)行。

3. 低時延優(yōu)化

賽會用PDT系統(tǒng)是為組委會工作人員及賽區(qū)安保人員提供安全、穩(wěn)定、暢通的通信服務(wù)。這其中，賽事裁判員對于系統(tǒng)的響應(yīng)要求極高并明確提出：單呼建立時延≤300ms、組呼建立時延≤300ms、話權(quán)申請時延≤200ms，必須到達(dá)到“即按即說，首字不丟”的使用效果，因此針對PDT組呼接續(xù)時長，進(jìn)行了逐段耗時的分析，包括終端發(fā)送起呼消息、系統(tǒng)下發(fā)信道指派消息、終端上行語音頭、系統(tǒng)下發(fā)下行語音頭等。針對每一段時長進(jìn)行流程處理優(yōu)化，經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化和測試，最終達(dá)到了用戶感知的呼叫建立時延（Mouth-to-Ear）在260ms以內(nèi)，且話音清晰不丟字。

具體的優(yōu)化措施包括終端側(cè)優(yōu)化和系統(tǒng)側(cè)優(yōu)化。在遵循PDT標(biāo)準(zhǔn)的前提下，終端和系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)部處理效率，將串行處理優(yōu)化為并行處理，縮短處理時間，提升端到端的呼叫接續(xù)速度。終端側(cè)的優(yōu)化包括縮短按鍵掃描時間，調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級，縮短用戶按鍵到發(fā)送起呼消息的時間。同時為了盡快讓終端發(fā)出語音頭，終端接收到基站的信道指配消息后快速切換到業(yè)務(wù)信道，在保證上下行同步的前提下盡快在業(yè)務(wù)信道發(fā)出上行語音頭。系統(tǒng)側(cè)的優(yōu)化主要是優(yōu)化內(nèi)部處理流程，將不同網(wǎng)元、不同模塊間的交互處理從串行改為并行，通過信道指派和呼叫鑒權(quán)并行，加快分配業(yè)務(wù)信道資源，向終端發(fā)出信道指派消息，縮短終端在接入時的等待時間。在控制面處理完成，基站收到終端的上行語音頭后（包括后續(xù)語音包），直接在基站進(jìn)行本地環(huán)回轉(zhuǎn)發(fā)給當(dāng)前基站下的接聽終端。同時，還要向交換中心轉(zhuǎn)發(fā)主叫終端的語音頭（包括后續(xù)語音包），讓其他基站的終端也能接聽到。

4. 最佳頻率規(guī)劃

PDT系統(tǒng)在賽區(qū)建設(shè)了兩套350兆PDT網(wǎng)絡(luò)，分別用于承擔(dān)公安安保和賽會服務(wù)，這兩張網(wǎng)是疊加的，覆蓋區(qū)域基本相同。為支撐兩類用戶高話務(wù)量，每套系統(tǒng)的基站（包括室外和室內(nèi)）都規(guī)劃了8載頻。按照《公安350兆P95頻段雙頻頻率無三階互調(diào)規(guī)劃及配置使用方案》的基站頻率配置基本原則：不同類別的頻率不得混用；同站無三階互調(diào)、鄰頻干擾；同站信道占用總帶寬最??；相鄰站無鄰頻干擾，復(fù)用站無同頻干擾；充分考慮地形地物影響，因地制宜做好頻率規(guī)劃，須將兩套系統(tǒng)全部基站的頻率按照“一張網(wǎng)”思路去規(guī)劃和使用。

經(jīng)測算，現(xiàn)有P95頻段已無法滿足，首先要解決的是增加頻率資源。在總體保持P95頻率類別需要分組基礎(chǔ)上，通過申請借用（賽后歸還）P96頻段部分頻率替換掉少部分P95干擾頻率，這樣組合成新的頻率方案；其次就是充分利用SDR（軟件定義無線電）技術(shù)，賽區(qū)的兩套350兆PDT系統(tǒng)均采用了此技術(shù)而不受合路器頻率間隔的約束。使得同一基站的最小信道頻率間隔達(dá)到100kHz，突破了不小于 250kHz的技術(shù)約束。在更小的載頻間隔粒度上規(guī)劃頻率，得到了滿意的用頻結(jié)果。

網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃是一件非常有挑戰(zhàn)的任務(wù)，在有限的載頻集合中要規(guī)劃兩張網(wǎng)15個基站共120對頻點，且要滿足同站和鄰站的各項干擾約束，如果純粹依賴自動算法，將是一項運算量相當(dāng)大的工作。因此，最終采用工具輔助+人工調(diào)整的策略。先基于P95的頻率類別分組，得到各基站內(nèi)的無互調(diào)及鄰頻干擾的標(biāo)準(zhǔn)頻率組合，然后將全部基站已規(guī)劃頻點中有干擾關(guān)系的頻點篩選出來用P96頻率逐一替換，如果不同基站新的頻率規(guī)劃出現(xiàn)沖突（如鄰頻），則需要手工進(jìn)行微調(diào)，最終整個網(wǎng)絡(luò)都要滿足頻率規(guī)劃的各項約束。為了提升頻率規(guī)劃效率，還專門開發(fā)工具包，能方便地根據(jù)當(dāng)前頻點組合來填充新的無干擾頻點，同時也方便對頻點組合是否存在干擾進(jìn)行判斷。

5. 低溫耐用性

賽區(qū)室外平均溫度在-20℃，極限低溫甚至達(dá)到-30℃。為應(yīng)對PDT終端的嚴(yán)苛實用要求，確保在室外低溫環(huán)境下的穩(wěn)定工作。此次PDT終端在耐寒方面進(jìn)行優(yōu)化：改進(jìn)終端主機的電量模式；選用專業(yè)低溫電芯；降低低溫時電源電壓征集關(guān)機門限并通過權(quán)威機構(gòu)的測評認(rèn)證，在-33℃低溫整機低溫續(xù)航時間（發(fā)射:接收:待機比例為1:1:8時）為8.5小時。

（二）案例二

公安無線通信系統(tǒng)是公安機關(guān)的專用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，具備了成熟、穩(wěn)定、高效、安全保密的特性。特別是通信指揮對PDT系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和音質(zhì)都提出極高要求，每個環(huán)節(jié)是絕對不允許出現(xiàn)任何問題，一定要做到“萬無一失”。

在某活動保障中，由于警力分布集中，PDT系統(tǒng)在單基站下存在大量終端（以數(shù)千計算）同時鑒權(quán)登記入網(wǎng)的情況。在窄帶通信中，空口資源在不考慮碰撞的理想條件下每分鐘滿載只有1000條消息交互；大量終端同時登錄同一個基站會產(chǎn)生相當(dāng)大的空口碰撞。經(jīng)過實地驗證和系統(tǒng)優(yōu)化，最終解決了此難題。

1. 使用雙控制信道

采用用戶分類機制，將終端用戶分為A、B類并分別通過主備控制信道進(jìn)行入網(wǎng)登記。在用戶無感知的情況下，入網(wǎng)效率提升了一倍。

2. 使用隨機接入

為減少終端間的空口持久碰撞，采用空口隨機接入機制。終端隨機接入依賴C_ALOHA的UP、SF、MASK條件，分別表示用戶等級、業(yè)務(wù)類別、地址范圍，三者條件都滿足才能進(jìn)行隨機接入。隨機接入時間參數(shù)包括：響應(yīng)定時等待時隙數(shù)、重發(fā)退避幀長時間。終端依據(jù)這些關(guān)鍵信息，完成快速穩(wěn)定入網(wǎng)登記。

3. 動態(tài)調(diào)整隨機接入?yún)?shù)

根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)繁忙程度，系統(tǒng)可以動態(tài)調(diào)整隨機接入條件和時間參數(shù)，在整個登記入網(wǎng)進(jìn)程中，加速終端入網(wǎng)。

4. 緊湊設(shè)置AT繁忙標(biāo)志位

針對登記鑒權(quán)進(jìn)程已經(jīng)有效開始的終端，通過系統(tǒng)高效緊湊設(shè)置AT位，避免其它終端的接入干擾，保證此終端流程的完整性，從而加快整個大量用戶入網(wǎng)的進(jìn)程。

PDT系統(tǒng)在使用中有時會遇到頻率干擾，嚴(yán)重時會影響通話。對PDT系統(tǒng)而言，通常需要排查上行信號的干擾。傳統(tǒng)排查方法比較麻煩，需要攜帶設(shè)備到基站進(jìn)行掃頻。采用PDT系統(tǒng)的頻譜掃描功能可以方便快捷地進(jìn)行處理，只需在后臺遠(yuǎn)程對基站啟動頻譜掃描，即可獲得實時掃頻結(jié)果。后臺下達(dá)頻譜掃描命令給基站，基站射頻對351MHz-355MHz全頻段每間隔1.5kHz的數(shù)千個采集點進(jìn)行掃描取平均數(shù)值并上報后臺網(wǎng)管。網(wǎng)絡(luò)管理者可以了解頻率干擾情況，及時作出規(guī)避和調(diào)整。

二、寬窄帶集群系統(tǒng)的互聯(lián)互通

在案例1中，為確保賽會異地統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)工作和應(yīng)急聯(lián)動，賽會用PDT系統(tǒng)實現(xiàn)與異地1.4GHz B-TrunC寬帶集群網(wǎng)的互聯(lián)互通。達(dá)到兩地賽時統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一安全管理、統(tǒng)一運行維護和統(tǒng)一指揮調(diào)度的要求，滿足語音單呼時延、語音組呼時延、話權(quán)申請時延性能指標(biāo)均≤500ms的指標(biāo)要求，滿足寬窄帶混合編組以及語音單呼、組呼、緊急呼叫、遲后接入等語音業(yè)務(wù)要求。

賽會用350MHz PDT窄帶集群網(wǎng)和1.4GHz B-TrunC寬帶集群網(wǎng)的互聯(lián)互通，嚴(yán)格遵照PDT系統(tǒng)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，實現(xiàn)了單呼、組呼、短消息、動態(tài)重組、緊急呼叫等多項集群標(biāo)準(zhǔn)功能。為保證兩地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的可靠性，兩地交換中心之間的傳輸鏈路進(jìn)行雙備份，當(dāng)某條傳輸鏈路發(fā)生故障時，兩地網(wǎng)絡(luò)會自動切換到備份傳輸鏈路，確保兩地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通不中斷。兩套系統(tǒng)間也實現(xiàn)了高話務(wù)量、呼叫接續(xù)快、話音清晰，很好地滿足現(xiàn)場指揮調(diào)度的需求。

PDT和B-TrunC兩張網(wǎng)絡(luò)雖然標(biāo)準(zhǔn)體系有所不同，但通過精心的設(shè)計，在網(wǎng)管、調(diào)度、安全、業(yè)務(wù)、終端等各個層面給網(wǎng)絡(luò)管理者和使用者提供了統(tǒng)一的視角，兩張網(wǎng)絡(luò)不光可以互聯(lián)互通，還邁向了深度融合。寬窄帶深度融合不光是一種理念，它已經(jīng)成為了現(xiàn)實。

三、結(jié)語

截至2020年底，全國31個?。ǔ邸?、臺外）及新疆建設(shè)兵團建設(shè)PDT基站15199套、載頻數(shù)46760個、PDT終端116萬部，全國31個省完成與公安部PDT系統(tǒng)的互聯(lián)工作，取得了十分顯著的成績。著眼“十四五”規(guī)劃部署，還應(yīng)繼續(xù)深化警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng) “全國一張網(wǎng)”目標(biāo)，快速推進(jìn)PDT全國“省省聯(lián)網(wǎng)”進(jìn)程。PDT采用系統(tǒng)軟件化、應(yīng)用一體化等思路，與信息安全、地理信息等多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有效融合，規(guī)范并豐富接口，提高信息化、智能化管理水平，從而使得PDT系統(tǒng)能更好的為公安實戰(zhàn)業(yè)務(wù)提供強力支撐。