警用宽带数字集群的技术路线分析

周运伟

(中国人民公安大学信息安全工程系，北京 100038)

1 产业背景

在集群移动通信中，从第1代(模拟集群)到第2代(窄带数字集群)的技术换代标志是数字化;窄带数字集群的代表TETRA于2000年初推出，至今已有10年之久;按照10年换1代的大致规律推算，目前应处于推出第3代集群的阶段。在当前公众移动通信引领中、高速数据业务潮流的背景之下，集群移动通信从第2代到第3代的技术换代标志自然就是中、高速数据业务;由于沿用旧的窄带技术体制不可能实现中、高速数据传输，因此宽带数字集群也就自然地成为了第3代集群移动通信的代表。

目前，集群通信产业界正在积极推动宽带数字集群的发展。在国外，美国已在700 M“数字红利”频段中为专用移动通信留出了相应的双频频段，摩托罗拉公司已开始在我国开展有关的宣传工作，欧洲电信标准协会ETSI已经公布了TETRA空中接口新版最终草案，欧洲宇航公司联合阿朗公司推出了工作于400 MHz频段的数字集群移动宽带数据业务系统等。在国内，宽带多媒体集群系统的研究列入国家重大专项“十二五”规划并已经开始实施，已经有国内企业推出了McWiLL和TD-LTE两种制式的宽带数字集群通信系统，一些主营公众移动通信的厂商(如中兴、华为、鼎桥)也开始重视宽带数字集群市场。可以说，在现阶段，国内外有关宽带数字集群的发展基本上处于同一起跑线上，我国在发展宽带数字集群的政策、技术和市场资源等方面还具有一定的优势。

2 宽带数字集群的系统类型

发展宽带数字集群遇到的首要问题就是频率资源。宽带数字集群需要采用比窄带数字集群更大的载波信道带宽，在一定地域范围内用宽带数字集群进行连续覆盖组网自然也需要占用比现有窄带数字集群更大的带宽。在当前频率资源日趋紧张的形势之下，频率资源成为决定宽带数字集群系统类型的重要因素。

2.1 采用TDD体制的小区制宽带数字集群

在频率规划中，单频频段是相对容易获得的，采用TDD体制发展宽带数字集群，只需使用单频频段，能降低频率申请的难度。采用TDD体制时，无论是发射还是接收，均要求收、发信机在通信过程中频繁切换(每秒钟几十至几百次);因此，在移动终端侧不便于实现大功率发射，不利于实现大区制覆盖，但适于用来发展小区制宽带数字集群，典型的小区覆盖半径在3～5公里之间(发射功率不大于1 W)。如果定位于小区制宽带数字集群，为进一步提高获得频率许可的可能性，可以申请使用频率较高、用户较少的频段(如2 700 MHz频段)，这样就有可能获得较大的总带宽，有利于采用较大的载波信道带宽(如3 MHz)来实现高的传输速率(如达到8 Mbps)。

采用TDD体制的小区制宽带数字集群适于地铁、机场、港口这类以点式覆盖为主的市场。由于这类应用的环境相对简单，以点式覆盖为主，要求的室外覆盖距离较近，还允许做室内覆盖或可以利用泄漏电缆来进行覆盖延伸，不要求大区域联网，建设机会也较多(尤其是地铁)，因此很可能会成为最先推广使用的宽带数字集群。

2.2 采用FDD体制的大区制宽带数字集群

FDD是前两代集群系统沿用的双工方式。与TDD体制相比，FDD体制不要求收、发信机在通信过程中频繁切换，移动终端侧上行发射时的开销更少，移动终端侧实现大功率发射也相对容易一些，有利于实现大区制覆盖;如果还能配合使用传播特性相对较好的1 GHz以下的频段，则更有利于减少基站数量，降低建网成本，并减轻后期的运行维护压力;因此，这种类型的宽带数字集群适于政务网、公安专网这类需要大区域连续覆盖的市场。

目前，政务网和公安专网已经分配有上、下行各5 MHz左右的专用带宽，现有的窄带数字集群已经能较好地满足当前主流业务(调度话音)的需求，再为宽带数字集群申请新的专用频段肯定存在一定的困难;因此，在建设宽带数字集群的初期，采用FDD体制的大区制宽带数字集群最好能适应现有上、下行各5 MHz左右带宽的频率规划。由于窄带集群已经大量存在，在发展宽带数字集群的过程中必然会有一个宽、窄带共存的阶段;为了能适应现有的频率规划，此类宽带数字集群还应能支持不同带宽的载波信道。

基于上述考虑，受5 MHz左右总带宽的限制，采用FDD体制的大区制宽带数字集群的最大载波信道带宽不宜太宽(如1 MHz左右);而为了成为名符其实的宽带数字集群，其数据传输速率又不能太低(如不低于2 Mbps)。但是，在1 MHz左右的带宽之内达到2 Mbps的数据传输速率时又不可能实现大区制覆盖，因此还要求能实现数据传输速率和覆盖范围之间的灵活折衷，即:当距离基站较近或信道传输条件较好时，采用较高的数据传输速率(如2 Mbps);当距离基站较远或信道传输条件较差时，通过降低数据的传输速率(如降至500 kbps)来保证覆盖范围。同时，此类宽带数字集群在设计上还应具有载波信道带宽200 kHz左右的中带数字集群模式，以便能插空使用现有窄带集群同一基站中相邻两个载波信道之间的频率保护间隔(250 kHz)，待窄带信道腾退之后再改用更大的载波信道带宽。

3 警用宽带数字集群的技术路线

根据上述分析可知，公安专用的集群通信网是需要大区域连续覆盖的，最好能采用FDD体制的大区制宽带数字集群。然而，最终采用何种类型的宽带数字集群还要受到多种因素的影响，如:国家对宽带数字集群的频率规划，厂商对宽带数字集群市场的判断和态度，厂商的技术水平，技术标准和市场的竞争结果等。从目前已公开的信息来看，发展警用宽带数字集群的技术路线主要有两种:一种是窄带数字集群厂商选择的“由现有窄带集群向宽带集群演进”方案，另一种是国内主营公众移动通信的厂商选择的“现有窄带集群+新的宽带集群”方案。目前还不能对两种技术路线的未来下结论，但技术特性差异却是明显的。

3.1 由现有窄带集群向宽带集群演进

一般而言，采用这种技术路线时，窄带和宽带所采用的双工方式和调制体制是一致的;也就是说，现有的模拟集群(MPT-1327)和警用数字集群(PDT)采用的是FDD方式和频率调制，则新的警用宽带数字集群也是采用FDD方式和频率调制。这样的选择能带来诸多的好处，如:便于共用同一个C类谐振功率放大器，便于实现大区制覆盖，便于实现兼容和平滑过渡，便于实现控制信道共用以减少宽带业务的传输开销等。

前已指出，在采用FDD体制的大区制宽带数字集群中，最大载波信道带宽以1 MHz左右为宜，还要具有载波信道带宽200 kHz左右的中带数字集群模式，最高数据传输速率在2 Mbps左右，还要能实现数据传输速率和覆盖范围之间的灵活折衷。在如此多的功能要求之下，宽带数字集群的调制方式选择就成为关键。对于载波信道带宽200 kHz左右的中带数字集群而言，GSM系统中采用的GMSK调制就是一个值得考虑的选择;但是，对于载波信道带宽在1 MHz左右的宽带数字集群而言，所面临的形势却相当的严峻:现在流行的高速数字调制方式几乎都是调相制的，公开已知的高速数字频率调制方式很少，更谈不上能找到适合的调制/解调芯片了;而为了实现数据传输速率和覆盖范围之间的灵活折衷，还很可能需要采用2～3种不同的频率调制方式;由此看来，发展采用FDD体制和频率调制的大区制宽带数字集群所面临的主要技术挑战就是高速数字频率调制方式。

为了应对这种挑战，需要剖析宽带数字集群系统中可能存在的技术潜力和可以付出的技术代价，以便能利用现有的成熟技术来尽快地推出宽带数字集群。首先，上、下行链路允许设计成不对称的，下行发射时可以采用比上行更大的功率，对下行发射所使用的功率放大器的效率没有严格要求，能否实现大区制覆盖的关键因素是上行发射功率和上行接收灵敏度;其次，上、下行链路中承载的业务允许设计成不对称的，下行链路因是一对多而要求实现宽带、高速传输，上行链路是多对一，单个移动终端的上行传输采用中等带宽(如200 kHz)和中等速率(如270 kbps)也可以基本上满足要求，多个移动终端的上行接入可以采用中等带宽(如200 kHz)按FDMA方式共用一个宽带数字集群的上行载波信道;再之，中、高速数据业务是单个移动终端与基站之间的数据交互(类似于集群通信中的个呼)，可以根据每个移动终端与基站之间传输条件的不同而采用不同的调制参数和信道编码参数。

基于这样的认识，在没有合适的高速数字频率调制方式可供使用时，宽带数字集群的下行链路可以考虑改用调相制，而上行链路仍沿用调频制。这样调整之后，上行链路沿用调频制，宽带和窄带的上行发射可以共用同一个C类谐振功率放大器;下行链路改用调相制之后需要采用线性功率放大器，而这种线性功率放大器也可用于发射窄带调频制数字集群的下行信号;因此可以实现宽带对窄带的射频兼容。同时，为了实现与现有窄带数字集群(PDT)相同的覆盖范围，当移动终端距离基站较远或信道传输条件恶劣时，可以在与其相对应的时隙上采用较低的码元调制速率、强度较大的纠错编码等手段，所付出的代价是实际的信息数据传输速率下降。为了估算大区制覆盖时数据传输速率的下降程度，以载波信道带宽1 MHz、5个移动终端同时采用中等带宽(200 kHz)上行接入的极端情况为例进行分析。由于集群基站的覆盖范围受限上行的发射功率和接收灵敏度，因此以下的分析仅针对上行链路。

1)移动终端的发射功率4 W，采用GMSK调制在200 kHz中等带宽内传输270 kbps中速数据，参考GSM系统的接收灵敏度指标可知，上行的动态接收灵敏度为 -104 dBm［1］。

2)选择TETRA系统作为参考，TETRA移动终端的发射功率为1 W，基站的上行动态接收灵敏度为 -106 dBm［2］;因此，采用200 kHz带宽以270 kbps中等速率上行接入时允许的链路衰耗比TETRA系统大4 dB，其覆盖距离已大于TETRA系统。此时，单个移动终端的上行数据传输速率为270 kbps，总的上行数据传输速率为270 kbps×5=1.35 Mbps。

3)在载波信道带宽不变的情况下，在距离基站较远的地区采用降低码元调制速率、纠错编码等手段来提高数据传输的可靠性;当实际的信息传输速率下降至原来的1/3时，可以将上行的接收灵敏度改善4 dB左右;因此，降速后上行接入时允许的链路衰耗比TETRA系统大8 dB左右，这样就可以实现与警用数字集群(PDT)相同的覆盖范围。此时，单个移动终端的上行数据传输速率为270 kbps/3=90 kbps，总的上行数据传输速率为90 kbps×5=450 kbps，仍然可以达到中速数据传输的水平。

上述技术对策是在没有新的高速数字频率调制方式可供使用时的权宜之计。下行链路改用调相制之后需要采用线性功率放大器，这会引起宽带数字集群基站的成本上升，更有可能因带外杂散偏高而影响到上行的接收灵敏度，不利于实现大区制覆盖;采用中等带宽和中等速率进行上行接入，明显降低了单个移动终端可以实现的最高上行数据传输速率，影响到公安用户钟爱的高速上传业务的开展。

对于当前的公安应用而言，单个移动终端的上行传输速率达到90～270 kbps，可以较好地满足数据查询、指纹采集、照片比对等业务的需要。如果能采用更好的高速数字频率调制方式，并能根据需要临时将整个1 MHz带宽调配给一个移动终端使用，在大区制覆盖远区的上行数据传输速率达到675 kbps(频谱利用率只有0.675 bit/Hz，仍低于PDT中在12.5 kHz带宽中传输9.6 kbps数据时的频谱利用率0.768 bit/Hz)，则可以实现数据速率为384～512 kbps的视频图像的上行传输，从而更好地满足公安工作的需要。因此，按此技术路线发展的宽带数字集群，迫切需要找到既能实现高频谱利用率、又能实现可变传输速率的高速数字频率调制方式，充分发挥调频制在大区制覆盖方面的优势，更好地贴合用户的应用需求，在激烈的市场竞争中具有更大的优势。

3.2 现有窄带集群+新的宽带集群

该技术路线是将窄带集群通信模块和宽带集群通信模块进行1+1式的系统集成(尤其是终端侧)。采用这种技术路线，可以直接利用现有窄带集群(MPT-1327和PDT)的已有技术成果，确保与现有窄带集群兼容，还允许宽带和窄带分别采用不同的双工方式、调制方式和工作频段。如果移植公众移动通信中的TD-LTE来发展警用宽带数字集群，那么这种技术路线就是国内主营公众移动通信的厂商快速推出宽带数字集群产品的最佳选择。

采用这种技术路线时，需要注意窄带集群和宽带数字集群的覆盖性能差异。如:PDT终端的最大发射功率4～5 W，上行的动态接收灵敏度在-110 dBm左右［3］(大区制覆盖);TD-LTE终端的最大发射功率一般不大于1 W，上行的动态接收灵敏度在-100 dBm左右［4］(小区制覆盖);在相同的传输环境条件下，PDT允许的传输路径衰耗要比TD-LTE大16 dB以上，TD-LTE的覆盖距离约相当于PDT的覆盖距离的60%(奥村模型，平坦开阔地)。

显然，如此大的覆盖性能差异不仅会给建网时的频率规划、站址选择、成本预算带来很大的麻烦，更会给实际的应用工作带来很大的麻烦。如前所述，如果能实现覆盖范围与传输速率之间的灵活折衷，在距离基站较远的地区只是数据速率下降但不致于造成业务中断，那么用户的操作习惯就不至于发生大的改变;因此，为了满足公安市场对大区制覆盖的强烈需求，还需要对现有的TD-LTE进行改造。

由于TD-LTE移动终端的最大发射功率难以再提高，调相制这一基本的调制体制也不可能改变，因此能做的改造工作主要集中在物理层的载波调制方式、信道编码参数和解调方法3个方面。前已指出，中、高速数据业务是单个移动终端与基站之间的数据交互(类似于集群通信中的个呼)，可以根据每个移动终端与基站之间传输条件的不同而采用不同的调制和编码参数;当移动终端距离基站较远或信道传输条件恶劣时，在与其相对应的时隙上采用较低的码元调制速率、强度较大的纠错编码、扩频调制等手段，以降低实际的信息数据传输速率为代价来保证覆盖范围。显然，这样的改造要求对现有TDLTE处理芯片中底层信号处理程序进行升级，这是需要有一定的研发投入和时间的。

同时，在移动终端侧，将宽带部分的通信模块和窄带部分的通信模块紧密地集成在一个小小的终端上必然会带来电磁兼容、功耗控制等问题。当窄带部分工作于模拟集群模式时，模拟集群的发射容易导致TD-LTE无法正常接收，TD-LTE的间歇性发射也会对模拟集群的接收产生影响;当窄带部分工作于PDT模式时，PDT和TD-LTE均采用的是TDMA，但各自的帧长和时隙宽度是不相同的，要想减轻相互之间的射频干扰，就需要TTD-LTE能根据PDT的TDMA帧结构特点来设计其TDMA帧结构，还要求宽带和窄带的基站的同步时钟能实现协调一致，更要求宽带和窄带在控制协议层面上实现深入的融合。

此外，现有公安专用350 MHz频段的全部带宽包括上、下行各5 MHz带宽的双频频段和3 MHz带宽的单频频段;对于采用TTD-LTE体制的宽带数字集群而言，工作于3 MHz带宽的单频频段内则难以实现大区域连续覆盖组网，工作于上行或下行频段内则不能实现宽带、窄带共存;因此，采用TTDLTE体制的宽带数字集群不能在现有的公安专用350 MHz频段中使用，需要另行指配新的单频频段。

由此看来，这种看似简单的技术路线其实并不简单;不但需要在TTD-LTE的底层信号处理、帧结构设计、控制协议等方面开展一系列的研发工作，还需要用户单位、行业主管部门和厂商共同努力去争取新的频率资源。只有同时做好了这两方面的工作，才能保证按这种技术路线发展的宽带数字集群产品能较好地满足公安用户的需要。

综上所述，采用FDD体制和调频制的宽带数字集群更有利于实现大区制覆盖，选择现有窄带集群向宽带集群演进的技术路线能更好地适应现有的频率规划，也有利于实现宽带和窄带之间的共存、兼容和平滑过渡;按现有窄带集群+新的宽带集群的技术路线发展的采用TTD-LTE体制的宽带数字集群，能利用公众移动通信的技术成就，能较快地推出新的宽带数字集群产品，也为申请新的公安专用频段提供了充分的理由。按这两种技术路线发展的警用宽带数字集群，最终谁能胜出还尚需5年左右的时间，这取决于各方的努力，还会受到频谱资源分配政策、国外标准竞争、国家形势发展等因素的影响。

4 警用宽带数字集群的技术特性

结合窄带集群在公安工作中已有的应用情况，综合考虑频率资源、覆盖性能和技术实现等方面的因素，定位于公安专网市场的宽带数字集群应具有以下技术特性:

1)典型的载波信道带宽1 MHz左右，利用5 MHz左右的带宽可连续覆盖组网;

2)空中接口的下行最高数据传输速率不低于2 Mbps，总的上行最高数据传输速率不低于1.35 Mbps;

3)中、高速数据业务能实现覆盖范围与传输速率之间的灵活折衷，中速数据的覆盖范围与PDT的覆盖范围相同;

4)具有载波信道带宽200 kHz左右的中带数字集群模式;

5)终端兼容PDT和模拟集群(MPT-1327);

6)空中接口和系统互联接口的协议公开和标准化。

在上述技术特性中，最高数据传输速率2 Mbps远没有4 G公众移动通信的最高数据传输速率100 Mbps吸引人，这显然是因为受到了5 MHz总带宽、要求连续覆盖组网和要求大区制覆盖这3方面因素的制约。提出要利用5 MHz左右的带宽实现连续覆盖组网，这意味着在上行链路中必须采用发射功率控制，以便于实现邻频使用，减少对频率资源的需求。如果还能通过采用扩频调制来支持同频组网，则会给频率规划和组网工作带来更大的便利。

同时，对4 G公众移动通信中100 Mbps的传输速率，我们应该有清楚的认识:首先，100 Mbps是在20 MHz载波信道带宽条件下所能达到的峰值速率，实际运营时大多采用3 MHz或5 MHz载波信道带宽，具体在某个应用地点上能达到的峰值速率只有10～20 Mbps;其次，我国的4 G采用的是TTD-LTE体制，这种峰值速率是上、下行链路共享的，具体到上行或下行链路中最多只能达到峰值速率的80%左右;再之，公众移动通信中没有优先级控制，一视同仁地分配到每个用户的实际速率并不是很高(如短时达到1～2 Mbps);此外，随着智能手机的普及，公众移动互联网接入应用的普及率和使用率很快就会呈多倍地增长，目前看来很高的数据传输速率很快就会感觉难以满足需要。因此，依托公众移动通信网建成的中、高速数据业务传输平台，不可能满足公安机关对中、高速数据业务的长远需求，更不可能满足公安机关在应急处置时的需要。相比之下，在公安专用的宽带数字集群中，可以根据需要来调配带宽和时隙资源，能优先保证高级别用户的应用需求，这种看似不太高的数据传输速率是应急之时仍能实实在在地保证可供使用的。我们不能被4 G公众移动通信中令人羡慕的高速率所蒙蔽，更不能受其影响而放松甚至放弃公安专用宽带数字集群的建设和发展。

5 结束语

每当有新的建设机会时，用户总是希望能采用技术更先进、功能更强大的新产品。在公众移动通信引领的中、高速数据业务潮流面前，中、高速数据业务就是技术先进、功能强大的主要标志。现在，15年前大规模建设的模拟集群急需退网，10年前推出的窄带数字集群TETRA也已经使用了多年，现阶段的PDT也只能提供低速数据业务;如果未来3～5年之内又有新的建设机会出现，而用户仍然只能选用不能提供中、高速数据业务的窄带数字集群产品，那么对于用户和集群厂商而言都是一种损失。

从目前集群产业的发展趋势、技术水平和应用需求来看，发展宽带数字集群的时机已经成熟。只有信念坚定地发展符合公安应用需求的宽带数字集群，主动地投入到中、高速数据业务潮流之中，才能更好地支持警务工作模式的变革，才能更好地满足公安信息化建设和发展的需要，才能更好地完成党和政府赋予公安机关的职责和使命。

［1］ 中华人民共和国邮电部.YD/T 855.22—1996 900 MHz TDMA数字蜂窝移动通信网无线接口物理层规范［S］.北京:中国标准出版社，1996:8.

［2］ 郑祖辉，陆锦华，郑岚.数字集群移动通信系统［M］.2版.北京:电子工业出版社，2005:365.

［3］ 公安部科技信息化局.警用数字集群(PDT)通信系统总体技术规范(试行)［S］.北京:公安部科技信息化局，2011:19-20.

［4］ 王映民，孙韶辉.TTD-LTE技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2010:396.