摘要：數(shù)字集群通信具有按鍵即講、接續(xù)速度快等業(yè)務特點，其結(jié)合通信體制上高效靈活的無線信道共享方式，在專網(wǎng)領域得到廣泛應用。本文從數(shù)字集群通信應急應用場景出發(fā)，提出一種窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)與天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的融合通信應用方法，通過衛(wèi)星的廣域覆蓋能力，解決大跨度下集群覆蓋不足的通信問題。

關鍵詞：數(shù)字集群系統(tǒng)；天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)；應急通信；融合通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.012

中圖分類號：TN 929.52 " " " " "文獻標志碼：A " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Research on the Application of Narrowband Digital Cluster and Tiantong Satellite Fusion Communication

CUI Lidong， ZHAO Rongchang， ZHANG Mohan， GAO Chao

（China Electronics Technology Group Corporation 54th Research Institute， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract： Digital cluster communication has business characteristics such as button to talk and fast connection speed. Combined with the efficient and flexible wireless channel sharing method in the communication system， it has been widely used in the field of private networks. Starting from the emergency application scenario of digital cluster communication， this article proposes a fusion communication application method of narrowband digital cluster system and Tiantong-1 satellite mobile communication system， which solves the communication problem of insufficient cluster coverage under large spans through the wide area coverage capability of satellites.

Keywords： digital cluster system; Tiantong-1 satellite mobile communication system; emergency communication; fusion communication

數(shù)字集群通信從模擬對講發(fā)展而來，逐漸演化出DMR、TETRA、PDT等窄帶通信體制和B-TrunC寬帶集群體制等，在警用、應急、鐵路和軌道交通等行業(yè)用戶中有著廣泛的應用。在集群通信系統(tǒng)中，基站提供信號中繼和交互，終端的應用受基站信號覆蓋范圍影響。在一些特殊場景下，例如，在發(fā)生自然災害時，地面基礎設施遭到破壞，基站無法與其他系統(tǒng)或其他基站進行數(shù)據(jù)交換，終端用戶只能與同一基站信號覆蓋下的終端進行通信，限制了通信的范圍。衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、不受地域限制、不需要地面基站支持等特點，能夠為地面通信系統(tǒng)無法覆蓋的區(qū)域提供通信手段。本文主要分析了數(shù)字集群與天通衛(wèi)星融合通信應用分析，并提供一種數(shù)字集群基站設計和實現(xiàn)方案。

1 " 窄帶數(shù)字集群業(yè)務與互聯(lián)分析

窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)主要以語音和短信業(yè)務為主。以自主知識產(chǎn)權(quán)的一代警用數(shù)字集群（PDT，Police Digital Trunking）為例，其空中接口采用2時隙的TDMA幀結(jié)構(gòu)，把上、下行載波的每一幀劃分為2個時隙，每個時隙都被用作一個無線信道（物理信道），一個無線信道由一對上、下行信道組成。在基站側(cè)，射頻采用連續(xù)發(fā)射的方式工作；而在終端側(cè)，僅在特定載波2個時隙中的1個時隙上進行發(fā)射，即終端為半雙工工作方式。半雙工系統(tǒng)的優(yōu)勢在于節(jié)約無線頻率資源，系統(tǒng)構(gòu)造簡單，故障率低[1]。PDT系統(tǒng)為終端提供語音和數(shù)據(jù)業(yè)務，PDT聯(lián)盟為語音業(yè)務定義了NVOC（Narrowband Voice Coding）低速率窄帶語音編碼方案，該標準定義了2.4 kbps（非密）和2.15 kbps（加密）兩種速率[2]。

在網(wǎng)絡互聯(lián)方面，PDT集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡基礎設備包括交換機、網(wǎng)關、網(wǎng)絡管理設備、基站控制設備和終端等，其連接關系如圖1所示。

在PDT系統(tǒng)之間，基于全IP的方式定義了互聯(lián)協(xié)議來完成PDT交互控制中心之間的信息交互，實現(xiàn)系統(tǒng)漫游和跨系統(tǒng)呼叫控制等功能。PDT系統(tǒng)間互聯(lián)協(xié)議分為控制面和用戶名兩類，互聯(lián)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 互聯(lián)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

PDT系統(tǒng)間互聯(lián)控制面接口使用pSIP協(xié)議，用于移動管理、呼叫控制和網(wǎng)絡維護等，此外還包括媒體流控制協(xié)議pSDP、用戶數(shù)據(jù)定義的協(xié)議MAP和衛(wèi)星定位信息協(xié)議NMEA[3]。

2 " 天通衛(wèi)星通信業(yè)務與應用分析

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是我國首個軍民共用的自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2008年汶川地震后提出和立項，并于2016年8月6日發(fā)射了天通一號01星，隨后于2020年和2021年分別發(fā)射了天通一號02星和03星。其中，01星覆蓋了我國國土、領海及其外延200 km，02星覆蓋了西太平洋區(qū)域，03星覆蓋東南亞地區(qū)。系統(tǒng)由天通衛(wèi)星、天通地面信關站和天通衛(wèi)星移動終端組成，系統(tǒng)通過天通信關站出局，可與地面移動網(wǎng)、PSTN、Internet實現(xiàn)互聯(lián)互通。業(yè)務能力包括語音業(yè)務、短信業(yè)務、G3類傳真業(yè)務及分組數(shù)據(jù)業(yè)務。其中，語音業(yè)務支持速率包括1.2 kbps、2.4 kbps和4 kbps三種，分組業(yè)務速率最高可支持384 kbps，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻回傳和網(wǎng)上沖浪功能[4]。

天通衛(wèi)星位于地球同步軌道，距地3萬千米左右，受鏈路衰減影響，不同速率的業(yè)務對終端整機的EIRP和G/T值要求也不一樣。在民用天通系統(tǒng)中，終端按窄帶業(yè)務和寬帶業(yè)務進行了劃分，其中窄帶終端主要指手持類終端，能夠為用戶提供語音業(yè)務、短信業(yè)務和9.6 kbps低速數(shù)據(jù)業(yè)務能力；寬帶終端主要是指便攜、車載和船載等形態(tài)，相比窄帶終端其天線尺寸更大，終端發(fā)射功率更高。市場典型的終端形式如圖3和圖4所示。

以中電科54所研制的SC120手持終端和SC310便攜終端為例進行對比，兩者都具備語音、短信業(yè)務能力，而SC310因為可支持最高384 kbps的分組業(yè)務，為獲取更高增益的射頻接收能力和發(fā)射功率，終端集成了高增益的平板天線和大容量電池。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)在應用中，除了考慮其系統(tǒng)提供的業(yè)務基礎能力，還需要考慮業(yè)務開通的便捷性和系統(tǒng)能力。參考文獻[5]提出了一種使用高衛(wèi)星便攜站為數(shù)字集群實現(xiàn)異構(gòu)組網(wǎng)能力的通信系統(tǒng)，該應用的優(yōu)點在于組網(wǎng)方式靈活，且通信帶寬較高，能夠傳輸寬帶業(yè)務數(shù)據(jù)。但在面向突發(fā)自然災害，地面通信系統(tǒng)完全中斷的情況下，衛(wèi)星便攜站持續(xù)工作時功耗較高，需要額外的電力支撐，且相比天通窄帶手持終端，便攜站的尺寸和質(zhì)量要高出許多，不利于在惡劣地形條件下機動通信。

天通衛(wèi)星作為高軌衛(wèi)星，不同業(yè)務對衛(wèi)星的功率和信道資源要求也不一樣。當?shù)孛嫱ㄐ畔到y(tǒng)中斷時，衛(wèi)星通信是唯一的對外聯(lián)系手段，衛(wèi)星系統(tǒng)會在短時間內(nèi)呈現(xiàn)業(yè)務集中爆發(fā)的情況，對衛(wèi)星功率和系統(tǒng)容量都是很大的沖擊和挑戰(zhàn)。天通系統(tǒng)目前可支持5 000個語音信道并發(fā)[6]，按衛(wèi)星功率進行折合計算，能夠支持的384 kbps業(yè)務并發(fā)數(shù)量要顯著減少，當衛(wèi)星業(yè)務量集中上升時，可能出現(xiàn)業(yè)務申請失敗的情況。因此綜合系統(tǒng)能力和終端形態(tài)，本文主要考慮使用天通系統(tǒng)的窄帶語音業(yè)務，來實現(xiàn)窄帶數(shù)字集群的跨域交換和通信。

3 " 融合基站方案設計

融合基站方案是指基于窄帶數(shù)字集群便攜式基站原有硬件架構(gòu)，集成天通窄帶通信模組，使用天通2.4 kbps語音信道，實現(xiàn)跨域交換和終端互聯(lián)互通。本文選用的天通基帶模組為中電科54所產(chǎn)品MSM01A，該模組尺寸為55 mm×33 mm×5 mm，外部接口為MiniPCIe，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 MSM01A天通窄帶通信模組

MSM01A板載基帶處理芯片和射頻芯片，并且集成了功放和低噪放單元，對外射頻接口為IPEX，可直接連接無源天線。MSM01A架構(gòu)如圖6所示。

圖6 MSM01A架構(gòu)圖

融合基站在現(xiàn)有PDT集群基站硬件方案基礎上，增加MSM01A模組接口，實現(xiàn)衛(wèi)星通信能力。整體架構(gòu)如圖7所示。

圖7 融合基站架構(gòu)圖

在融合基站中，主控單元負責完成PDT基站的基帶部分，包括協(xié)議處理和物理層中頻處理；PDT信道單元負責完成PDT基站載波信號的收發(fā)功能；天通基帶單元由天通窄帶通信模組組成，通過UART接口承載AT指令的方式完成與主控單元的通信。

在協(xié)議互聯(lián)方面，由于天通衛(wèi)星語音信道的傳輸特點，其信道帶寬和突發(fā)方式無法承載PDT基站標準的pSIP信令，需要自定義信令和傳輸協(xié)議，以支撐基站間的數(shù)據(jù)交換。

天通2.4 kbps語音信道采用非確認模式傳輸，即接收端不對發(fā)送端的語音數(shù)據(jù)進行確認，因此需要基于該信道設計一種適合于該信道的傳輸協(xié)議，增加上層應用的消息確認機制，實現(xiàn)通過2.4 kbps語音信道承載基站間的組呼、單呼等跨基站呼叫控制信令的交互。

4 " 測試與應用

在距離較遠的兩個試驗場分別開啟使用融合基站和集群終端，在兩臺基站無法通過集群載波互通的情況下，控制基站通過天通衛(wèi)星系統(tǒng)建立2.4 kbps的語音鏈路通道，然后在兩臺基站下終端進行跨基站業(yè)務。測試結(jié)果顯示，在天通衛(wèi)星語音信道鏈路下，跨基站終端能夠?qū)崿F(xiàn)語音單呼、語音組呼、短信等基本業(yè)務，滿足應急場景下的跨域通信基本需求。

5 " 結(jié)束語

本文中設計的窄帶數(shù)字集群與天通衛(wèi)星通信融合基站，主要應用于在集群基站缺乏地面基礎設施實現(xiàn)互聯(lián)互通場景下，快速與遠端集群基站的窄帶通信信道實現(xiàn)跨基站終端間的互聯(lián)互通基本通信業(yè)務，同時具備體積小、功耗低等特點，對衛(wèi)星網(wǎng)絡的通信帶寬和開通方式?jīng)]有特殊要求，提升了融合基站在應急場景下的可用性。

參考文獻

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[3] 中華人民共和國公安部.警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)規(guī)范：GA/T 1364-2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[4] 王艷君.“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)應用[C].2020中國衛(wèi)星應用大會報告集，2020.

[5] 樓蘭.數(shù)字集群與便攜式衛(wèi)星站異構(gòu)組網(wǎng)應用[J].太赫茲科學與電子信息學報，2018（12）：997-1002.

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