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无线专网通信技术体制与标准的发展

作者:未知

  【摘  要】回顾国际主流和国内无线专网通信技术和标准的发展历程,说明无线专网技术和标准因应市场需求而不断演进,最后介绍现阶段专网发展“宽窄融合”、“公专结合”的发展思路。
  【关键词】无线专网;专用对讲;数字集群;宽带集群标准
  中图分类号:TN929.5
  文献标志码:A        文章编号:1006-1010(2019)03-0006-06
  引用格式:陆锦华. 无线专网通信技术体制与标准的发展[J]. 移动通信, 2019,43(3): 6-11.
  [Abstract] The development history of technologies and standards for international mainstream and domestic private wireless communication is reviewed. The technical standards for private wireless communication evolve with the market requirements. The development idea of "broadband and narrow band convergence" and "public and private network collaboration " is elaborated.
  [Key words]private wireless network; private mobile radio; digital trunking; broadband trunking standard
  1  市场需求逐步驱动专网通信技术和标
  准发展
  本文所讨论的“专用移动无线电网络(以下简称为专网)”仅指有关部门和单位为了提供日常调度指挥通信和应急通信等服务的无线电通信网络。使用部门选择专网是因为公用移动网不能满足其指挥调度通信要求,或者公用网提供服务的地点、容量、时限等方面不能适应某些部门的需要。
  从1920到1950年代,移动通信主要使用对象是船舶、车辆、飞机等,使用频段主要是短波波段,设备为电子管的。从1950到1960年代,主要使用150 MHz频段,后期发展到400 MHz频段,由于晶体管的出现,移动台向小型化得到了巨大的发展。1970年代,由于集成电路技术的应用,电台的体积、重量和耗电都有明显改进,这一时期人们开始研究800 MHz频段的电波传播特性和进行设备的研制,同一时期,国际移动通信开始制定专网通信标准。
  时至今日,专网通信已经发展成为由常规专用对讲机、数字集群、无中心对讲机、宽带集群多层次的技术体制,以满足不同用户群的需求,本文接下來将对无线专网通信技术体制与标准的发展进行探讨。
  2   模拟常规对讲机的技术体制和标准
  国际移动通信到1970年代才建立起自己的标准。1972年,国际电工委员会(IEC)发布了IEC 489-1~IEC 489-8有关调频无线电话机和单边带电台的测量方法,构成针对移动通信设备的一整套较完善的测量方法。
  有关调频无线电设备的性能要求主要反应在国际电联无线电咨询委员会CCIR第VIII组(后重组到ITU-R)的有关报告中,主要是CCIR 478-3号和319-6有关25 MHz—1 000 MHz陆地移动业务的设备技术特性和管理频道划分原则的报告。
  有关移动通信调频收发信机的性能要求和测量方法,先进国家和地区也都制定了标准,原美国电子工业协会EIA标准EIA 316《移动通信设备发射机性能标准》和EIA 204《移动通信设备接收机性能标准》和欧洲ETSI标准ETS 300 086《无线电设备与系统 陆地移动业务 主要用于模拟话音的带内部或者外部射频连接器的无线电设备的技术特性和测量条件》最具有代表性。
  我国民用移动通信产品真正起步于1970年代中期,当时国产调频机受元器件和研发和生产条件限制,只能规定100 MHz频率以下产品的信道间隔为50 kHz,100 MHz频率以上产品的信道间隔为100 kHz。产品的技术条件和测量方法结合当时生产厂的产品水平而定,产品可靠性也比较低。这就是通称 的74系列调频电台通用技术规范,74系列是中国移动通信的启蒙产品。
  1980年代,我国电子部组织制定电子部标准SJ 2710、SJ2711、SJ2712,对27 MHz—470 MHz小型调频(调相)无线电话机的技术条件、测量方法、检验规则、环境测试和可靠性试验等都作了明确的规定。80系列标准规定在470 MHz频率以下信道间隔定为25 kHz。从此我国调频无线电话机标准得到基本完善,开始与国际标准接轨。
  1990年代,随着改革开放的扩大和深入,调频无线电话机的市场需求越来越大,用户对产品要求也更高。随着国外产品大量进入中国,国产化的呼声也高涨。为了监督进口产品的质量,给国产化产品有一个目标,同时给用户进一步了解产品,急需一套与国际标准接轨的关于调频无线电话机的标准。
  1980年代中期,电子部广州通信研究所对相关调频无线电话机的国际标准,即IEC 489系列进行了验证工作,该项工作为后来制定国家标准打下了基础。1990年由国家技术监督局正式颁布实施GB 12192《移动通信调频发射机测量方法》和GB 12193《移动通信调频接收机测量方法》两项标准。随后,电子部广州通信研究所又广泛收集国际和先进工业国标准着手,了解和测试多个国家的市场销售产品技术条件和性能,重新编制调频无线电话机通用技术条件标准,1996年国家技术监督局颁布GB/T15844《移动通信专业调频收发信机通用规范》,这三项标准组成了业内通称的90系列标准。   3   模拟集群技术体制和标准
  1970年代,美国500 MHz以下频率资源已经几乎分配完毕,而需求单位有增无减。美国联邦通信委员会(FCC)决定开放使用800 MHz频段。但是频率使用必须采用一组频率供若干个单位共同使用的方式,达到网内频率资源共享的目的。美国FCC只规定了集群系统使用的频段,没有给予确定的技术体制,造成北美地区800 MHz集群系统的技术体制及设备多种多样。但是,北美模拟集群系统的共同点是他们的频率共用方式相同,都采用数字信令。
  北美APCO(Association of Public-Safety Communications Officials-International,国际公共安全通信官员协会)曾经制定了APCO 16标准。APCO 16标准规定了信道接入时间、自动优先级识别、数据系统接口、系统用户的个性化、指挥控制灵活性、系统扩容能力、频率使用和可靠性等方面。虽然这项工作成功地制定了基本的性能标准和功能特性要求,但是没有制定信令标准。
  1980年代,欧洲(西欧)移动通信频率资源紧张,面临无频率可分配的状况。欧洲电信机构研究决定将VHF的电视频段(174 MHz—225 MHz)提供给移动通信使用,必须采用频率共用技术,使用一组频率建成频率资源共享的共用专业网。后来由英国电信与贸易工业部牵头,制定出以MPT 1327《集群系统标准 信令规约》为主体的系列模拟集群标准。
  MPT1327系列标准取得很大的成功,很快全球多个国家的移动通信设备提供商都能够按照标准生产产品。后来,我国公安部也采纳MPT 1327标准。
  1990年代,我国颁布的国家标准GB15539《集群移动通信系统技术体制》和GB15874《集群移动通信系统设备通用规范》并没有规定信令协议,但为产品进出口检验和国内设备研发提供了依据。
  4   无中心多信道选址移动通信系统
  无中心控制并非不要控制,而是充分发挥高速发展的单片微机的作用,把中心控制台的集中控制转化为各移动台的分散控制。无中心属于一种自集群系统,使移动台由通常的被中心控制的从属地位转变为分散控制的自主地位。
  1994年,我国发布了国家标准GB15160-1994《无中心多信道选址移动通信系统体制》,当时的主要依据是ITU-R建议M.1032附件1《个人无线电系统》,并参照了日本个人电台RCR标准。
  2007年,国家标准GB15160-2007发布,用以代替GB15160-1994。修订后的标准较1994年国家标准和ITU-R建议M.1032更为先进。
  5   窄带数字集群和常规对讲技术和标准
  5.1  TETRA
  TETRA是欧洲应不同欧洲申根国家之间跨境执法和应急救助的互联互通需求而研制的支持互联互通的数字集群通信标准。
  1995年,欧洲电信标准协会(ETSI)发布了第一版的TETRA标准。除了语音和调度台服务以外,TETRA系统还支持多种数据通信。TETRA采用TDMA(4:1)多址方式,信道带宽为25 kHz,调制方式为π/4 DQPSK,调制速率为36 kbit/s,话音编码为ACELP,数据传输速率为7.2 kbit/s(单时隙)到28.8 kbit/s(4时隙捆绑)。TETRA在全球取得巨大成功,成为应用最广泛的数字集群标准。我国原信产部于2000年发布的SJ/T 11228《数字集群移动通信系统体制》采纳了TETRA标准(体制A)。
  5.2  APCO 25
  APCO 25是美国应各个应急机构互联互通的操作需求而研制的支持互联互通的数字集群通信标准。
  APCO 25分兩期实施。APCO 25 Phase 1要求APCO 25系统间能够互联互通,并且兼容模拟FM对讲通信。
  APCO 25 Phase 1的无线接口主要技术特征为:信道带宽为12.5 kHz,多址方式为FDMA,调制方式为C4FM,载波调制速率为9.6 kbit/s,话音编码为IMBE。
  从2012年开始,各地的APCO系统将逐步升级到符合APCO 25 Phase 2标准。为了提高频谱利用率,APCO 25 Phase 2使用2时隙TDMA方案。新建的700 MHz频段数字集群集群系统必须采用P25 Phase 2标准。Phase 2使用AMBE+2声码器来降低所需的比特率,一个语音信道只需要6 kb/s(包括纠错和信令)。Phase 2不向后兼容Phase 1(TDMA与FDMA操作)。有的厂家提供的APCO Phase 2系统能够在需要的时候支持Phase 1的FDMA操作。对讲机与对讲机之间的直接通信模式仍采用FDMA。这样使模拟窄带调频在一段时间内还可以称为事实上的“互可操作”模式。
  5.3  DMR
  数字移动无线电(DMR)是欧洲电信标准协会(ETSI)为企业移动无线电用户制定的数字无线标准。DMR标准分为三层(Tiers)。
  DMR标准旨在于全球许可陆地移动频段使用的现有12.5 kHz信道间隔内运行,并满足未来等效于6.25 kHz信道的监管要求。主要市场目标是低复杂度的、比较经济的数字系统。DMR提供语音、数据和其他辅助服务。
  DMR Tier I标准仅适用于欧洲地区免许可PMR446无基础设施(即不使用中转台)的直通对讲通信,对讲机的最大发射功率为0.5 W。在欧洲以外的地区,此频率不存在免许可证分配。
  DMR Tier II标准适用于从66 MHz到960 MHz的专网常规通信。DMR提高了频谱效率,具有先进的语音功能和集成的IP数据服务。   DMR TierIII标准适用于从66 MHz到960 MHz频段的集群通信。Tier III内置128个字符的状态消息和短消息处理,最多可处理288位各种格式的数据。它还支持各种格式的数据包服务,包括对IPv4和IPv6的支持。
  DMR无线接口的主要技术特征为:信道带宽为12.5 kHz,多址方式为TDMA(2:1),调制方式为4FSK,EIST标准没有规定话音编码,但DMR协会推荐采用AMBE+。
  由于DMR与其他数字对讲和集群相比成本和复杂性相对较低,而功能逐渐丰富,所有该技术和标准在专网市场颇受欢迎。
  5.4  PDT
  PDT是中国“专业数字集群产业技术创新战略联盟”提出的警用数字集群通信标准。PDT标准分为集群标准和常规标准两部分,并向下兼容模拟对讲标准。2011年我国公安部科信局下发通知开始推广,迄今已经在大部分省市公安系统得到广泛应用。
  PDT参考了DMR标准协议,对业务功能、PDT系统间互联、话音编码(NVOC)、与MPT 1327系统互联、警用加密等做了规定。到2018年,制定了7项PDT国家标准,已经发布4项。
  5.5  专用数字对讲设备标准
  我国自2005年开始研究和发展数字对讲机,2008年国家下达数字对讲机标准制定任务,但是各层次企业对标准定位和技术体制选择的诉求差别很大,因此标准技术体制的制定既要照顾到国内产业的自主技术创新,又要注重与国际先进技术的融合,既要有利于外向型企业的发展,又要满足互利共赢、技术创新等新要求。
  2016年,我国发布国家标准GB/T 32659-2016《专用数字对讲设备技术要求和测量方法》。标准并列了A、B、C三種技术体制。体制A和B都采用TDMA技术,信道间隔都为12.5 kHz。体制A参照采用DMR标准,也包含国内企业的相关专利,并兼容模拟对讲,适用于高端用户。体制B包含较多自主创新的技术,也兼容模拟对讲,适用于特殊用户。体制C采用FDMA技术,信道间隔为12.5 kHz,完全自主创新,不兼容模拟对讲,适用于中低端用户。该标准不对声码器做具体要求。
  5.6  我国规定的其他数字集群标准
  原信产部于2000年发布的SJ/T 11228《数字集群移动通信系统体制》采纳了iDEN技术体制(体制B)。摩托罗拉公司向原信产部和数字集群标准工作组成员开放了iDEN标准。iDEN是美国摩托罗拉公司于1990年代初研制的数字集群技术,意思是综合数字增强型网络。它最初设计是做共网用的,因此除了以指挥调度业务为主外,还兼有性能较强的双工电话互联、分组数据和短消息等功能。
  2004年信产部发布YDC 030-2004《基于GSM技术的数字集群系统总体技术要求》和YDC 031-2004《基于CDMA技术的数字集群系统总体技术要求》通信标准技术参考文件,确立了GT800和GoTa在中国的标准地位。GoTa和GT800都提供以数字集群共网为主,兼顾数字集群通信专网调度的业务模式,其网络能够吸引大量专业型大客户群、高端商业用户群,从而形成独特的运营模式。
  6   宽带关键通信技术和标准
  6.1  技术体制的探索
  从2000年到2009年,欧洲ETSI和美国TIA曾经合作开展“应急和安全应用移动性”(MESA)研究项目,ETSI也发表了有关最终功能和技术要求的技术报告,工业界对其热情不高,因此MESA项目于2010年停止。
  2010年以后,全球专网行业达成共识,采用主流宽带技术(3GPP)实现高速数据和视频应用。
  6.2  3GPP的MCPTT开放标准
  关键通信宽带解决方案要使用与主流移动网络业务相同的技术。然而,从技术实现的角度来看,这并不是简单拿来就可以使用的,因为关键通信的操作过程提出了当前消费品标准所没有的要求,例如组通信和直接设备到设备通信。为了符合关键通信要求,需要对运营商的3GPP网络技术进行额外的标准化工作。
  2012年,3GPP开始着手启动任务关键(Mission Critical)课题,研究邻近服务(ProSe)和组通信(GCSE)。2014年,在R13标准研制中开始了任务关键型按讲(MC Push To Talk)和公共安全孤站操作(Isolated E-UTRAN)的课题。2015年1月,成立SA6工作组,研究公共安全宽带架构,同年启动MCData和MCVideo研究课题(R14)。
  从3GPP的R13标准版本开始,逐步引入MC PTT(任务关键按讲通信)的业务。MC PTT包括任务关键型话音业务、任务关键型数据业务和任务关键型视频业务。
  6.3  B-TrunC
  我国提出的B-TrunC(LTE宽带集群通信技术)标准在兼容LTE数据业务的基础上,增强了宽带集群业务能力,提供专业级的数据接入和集群功能。
  在集群调度业务方面,B-TrunC标准在3GPP R9的基础上,保持了与LTE标准相同的空口协议栈结构,新引入部分逻辑信道,对NAS协议进行集群扩展,增加部分控制管理功能,以实现可靠的集群控制,B-TrunC还规定了面向行业应用的开放的调度业务接口。
  B-TrunC的R1和R2宽带数据接入业务与3GPP R9完全兼容,R3将与3GPP的R13/R14兼容。
  7   现阶段“宽窄融合”和“公专结合”的无线专网发展思路
  专网用户至今仍在使用高质量的以话音调度指挥为主的窄带通信网络,并获得窄带数据服务。这些窄带专网技术和标准与专网用户的运行操作需求非常匹配——丰富的功能、高可用性、高可靠性以及适应专网特殊操作场景。他们的商业模式也是专网,用户自建网络,或者用户加入受政府控制的专网运营商提供的通信服务。   顯然,专网用户也需要高速宽带数据服务和相应的业务应用。随着4G/LTE的出现,这种能力成为现实。从技术角度,3GPP标准制定需要分阶段研制,才能最终实现类似TETRA那样的关键通信功能。3GPP标准从R13版本开始,出现组呼、邻近服务等规范,但是还达不到关键通信型的要求。从R15版本开始,将出现关键通信数据(MCData)和关键通信视频(MCVideo)的功能要求。后续版本的关键通信要求还将不断演进。因此,全球许多TETRA和APCO 25数字集群用户还在采用新设备来更新即将报废的系统设备,以满足窄带语音调度的要求。这些用户同时采用商用LTE运营商的服务,或者自建LTE专网,提供非关键通信型的宽带数据服务。现在也出现了融合窄带数字集群和宽带LTE的融合终端,但是,大多数用户依然携带两部终端,即窄带对讲机加智能宽带手机的方式,因为大多数认为这样使用起来更加合适,从全寿命使用成本来看也更加经济。
  从投资角度,宽带网络的建设投资和运营成本将远远超过窄带数字集群网络。在实践中,不少国家对宽带专网的“公专结合”的商业模式也进行积极探索。例如,美国为公共安全用户在700 MHz频段分配了2×10 MHz专网频率,由宽带网络运营负责宽带专网的运营,由服务提供商提供公共安全行业业务应用,并要求在没有700 MHz专网的地方,网络运营商要基于商用宽带网为用户提供宽带服务(允许降级)。即采用“专网宽带”加“基于公网的虚拟宽带专网”的“公专结合”方式。英国则不分配宽带专网频率,招标运营商在商用宽带网上,用虚拟移动运营商的模式建设虚拟宽带专网。我国工信部已经分配了1.4 GHz和1.8 GHz宽带专网频率,地方政府对宽带专网发展给与大力政策支持,不少地方和用户也对“公专结合”的方式进行积极探索。
  8   结束语
  2018年全球知名市场研究公司IHS发表的研究报告表明,模拟对讲设备和数字对讲设备的发货量在2017年持平,预计未来10年,窄带对讲设备的发货量还将持续增长。而宽带专网通信市场正蓄势待发,预计到未来10到15年,宽带专网通信设备发货量将接近窄带专网通信设备发货量。
  传统的窄带专网都是采用与公众移动网不同的技术,例如TETRA,他们使用专用的频谱资源,系统提供丰富的调度指挥业务,符合用户群的管理和成本要求。由于宽带无线通信技术的特性,基于3GPP(4G、5G及后5G)的宽带关键通信技术将随3GPP技术快速演进。
  参考文献:
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论文来源:《移动通信》 2019年3期
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