王鷹 劉燕嵋
一、概述
數字集群移動通信系統是近幾年來移動通信領域的發展熱點之一，具有接續快、頻譜利用率高、組網靈活的優點，主要應用于生產調度、指揮控制的專用移動通信系統，對于提高生產和工作效率、保證安全等有著極重要的作用。由于我國集群通信基本還處于模擬階段，只有很少一些數字集群系統，為使人們更多地了解其功能和技術，本文將在技術與應用方面與GSM做一些比較性的介紹。
二、數字技術及其比較
數字集群通信的技術基礎是先進的數字移動通信技術，數字集群系統在話音編碼、調制、多址、組網等多方面采用的是當前最先進的技術：數字集群系統有更高的頻譜利用率，可以用相對不多的頻譜組成一個很大的網絡；由于信號已經數字化，因而可以采用高密級的數字加密技術；數字集群應用面廣，可以通過一個移動終端完成電話、調度、數據、短信息等業務。像公眾移動通信網一樣，數字集群也采用了各種數字信號處理技術和信道編碼技術，增強了抗干擾能力，具有較好的傳輸質量；同時可與PSTN、PDN以及ISDN所提供的業務兼容；由于系統也具有漫游、位置登記和越區切換等功能，因而可跨區域組織全國連網。與公眾移動通信網相比，集群系統連續時間短，調度指揮不需要撥號，通話簡練，并具備半雙工，單工以及脫網直接對講功能；具有群呼、組呼、會議呼和優先、強拆強插等功能；有動態重組功能，在緊急情況下可以臨時將幾個系統進行指揮調度。目前在我國應用的數字集群系統有兩種：TETRA和iDEN系統，下面將對其中的編碼、調制技術做一些簡要介紹 1.語音編碼技術
GSM系統采用規則脈沖激勵長時預測(REP-LTP)編碼技術。它的純編碼速率為13kbit/s。話音質量MOS可達3.6。
在數字集群系統中，TETRA系統采用代數碼激勵線性預測(ACELP)編碼，iDEN系統采用矢量何激勵線性預測(VSELP)編碼技術。
(1).ACELP話音編碼技術
ACELP編碼器是將話音分解成一系列源編碼的編碼器，它將代數碼本作為激勵源來表示人的話音的建立過程。其原理是把殘差信號可能出現的、已經量化了的、按一定規則排列的各種樣值作為碼本事先存儲在收、發的存儲器中，在線性預測的過程中，先在本端檢查出與這個信號最接近的樣值組合的地址碼發送到對方，對方收到這個地址碼后從本端同樣的碼本中取出這個地址的殘差信號，經濾波后得到重建的話音。由于不傳輸殘差信號的本身，所以減少了傳輸的比特數，大大降低了編碼數率。
把30ms段PCM編碼話音加載到編碼器中作為一個處理組，然后進行下面三個階段的處理：短期預測STP(線性預測編碼LPC),長期預測LTP(基于基音延遲何增益的的碼本)，代數碼本(激勵單音分析)。其中短期預測的線性預測編碼在整個30ms幀上完成，反映了濾波器的特性；長期預測和代數碼本都在較小的7.5ms的子幀上工作。
可以看出，每個30ms幀在對這些參數編碼的過程中產生的137比特，因此編碼數率為4.567kbit/s。
通過對ACELP編碼器進行主觀評估等級(MOS)測試，在線性輸入條件下，MOS得分為3.02，而IRS輸入條件下，(經過中間參考系統預處理)得分為3.63.
(2)、VSELP話音編碼技術
矢量何激勵線性預測編碼技術(VSELP)是將矢量量化的方法用于碼本的編制，它可以在較低的碼速情況下仍保持較高的話音質量。這種編碼方法是CELP的一種，并已經成為CELP編碼的主要發展方向。VSELP編碼器使用兩種碼本，一種是矢量碼本，一種是長時預測自適應碼本。線性預測編碼LPC分析也是每幀計算一次，它的碼本就是過去一幀的編碼序列，每處理完一個子幀，就將新的比特移入該序列，使整個碼本的序列長度保持不變，但每個子幀都在變，故稱自適應碼本。通過來自長時濾波器的狀態可以求得最佳長時預測的時延及增益，再依次從碼本中尋找最佳激勵矢量，然后經過一定的電路運算就可以得到合成的話音。
iDEN數字集群系統采用了兩種可選的編碼器，它們分別對應用于3時隙和6時隙這兩種時分多址的工作方式。一種是信源編碼速率為8kbit/s的編碼器，以20ms的語音作為一個編碼子幀，得到160比特的語音編碼輸出；另一種是信源編碼速率為4.2kbit/s的編碼器，將30ms的語音作為一個編碼子幀，得到126比特的語音編碼輸出。前者利用每條25KHz信道中6個時隙中的2個時隙將這些語音編碼發送出去，與后者相比其編碼速率幾乎提高了一倍，從而提高了話音連接通信的總體質量。
在話音質量方面，當調度系統使用6時隙時，話音質量MOS為3.6-3.8；當雙工互連無線電話通信采用3時隙時，話音質量可超過4.2或更高。
從源編碼方式來看，集群系統在保證通話質量的前提下，話音編碼速率比GSM系統更低，無疑可以節省更多的帶寬。
2.調制技術
調制技術是數字移動通信系統射頻接口的重要組成部分。與有線通信相比，無線信道傳輸環境是一種較為惡劣的傳輸環境。它不像有線信道那樣具有固定的和可預見的特性，而是有較強的隨機性，還存在同頻道干擾和鄰頻帶干擾等，尤其是在通常情況下，無線電頻率管理部門不能安排專用通信網使用連續頻道(像GMS那樣可以通過連續信道分配，合理安排信道來解決鄰信道的干擾問題)，因此，調制技術的性能還需要有更高的要求。在當今的移動通信領域，常用的調制方式有高斯最小頻移鍵控GMSK、π/4差分四相移動相鍵控π/4-DQPSK、多進制正交振幅調制M-QAM等。它們分別被GSM、TETRA和iDEN系統采用。下面介紹集群系統中的兩種調制方式。
(1)、π/4-DQPSK(π/4差分四相移相鍵控)
π/4－DQPSK是對QPSK信號特性改進后的一種調制方式，它主要是將QPSK中±π的跳變降為±π3/4，載波的相移限制為±π/4和±π3/4，信號星座的轉換不經過原點，這樣就不會產生±π的瞬間變化，因而降低了QPSK的包絡波動并改善了頻譜特性。同樣其解調方式也得到了改進，不僅可以使用相干解調，也可以使用非相干解調(差分檢測和限幅鑒頻)。差分檢測非常適合于需要快速同步的窄帶TDMA信道和突發工作模式的TDMA系統。由于鑒頻檢測既可用于模擬FM也可用于數字π/4－DQPSK的解調，因而可以容易的實現雙摸接收機，有利于模擬系統向數字系統的平滑過度。
π/4－DQPSK需要的帶寬較窄而帶外衰減減慢，非恒定包絡，需要線性放大器。在TETRA系統標準制定之初，π/4－DQPSK還屬于比較新的技術，它可以適應信道間隔為25kHz的頻率劃分，并在25kHz信道上能夠傳遞36kbit/s的數據。將這種技術與濾波技術相結合，使發射頻譜非常緊湊，鄰信道干擾很小。
(2)、16QAM調制技術
在較長的一段時間中，移動通信中沒有采用振幅變化的調制，這是由于信道中的衰落會干擾振幅的變化，而且對發射機末級高放的線性要求過高，在電路技術水平受限的情況下，技術實現的難度較大，所以移動通信一般都以恒幅調制為主。隨著信道編碼技術的提高，通過利用糾錯技術，使移動通信中能采用的調制方案更加廣泛了。為了獲得更高頻譜效率的調制方式，人們通過研究對相位和振幅的聯合控制，認為QAM這種多進制的混合調幅調相的方式，也可以用于移動通信中。iDEN系統采用16QAM調制技術。它是專門為數字集群系統開發的一種調制技術。這種調制方式具有線性頻譜，使25kHz信道具有傳輸64kbit/s的信息。該種調制方式還可以克服時間擴散所產生的不利影響。這一線性技術提供了調制效率、信道敏感度、可接受C/I比例種及鄰信道干擾小等高度理想的組合。
16QAM的基本特征是將傳送的信息比特首先分為4個并聯的頻分復用子信道，然后再經編碼變換成為16QAM的信號，同時插入導引和同步信號符號。每個合成的信息流經過脈沖濾波，與分路載波一起調制，并在頻分復用器中與其它的副載波信號混合，合成的總信號形成16QAM信號。16QAM的接受方則執行相反的操作，分別解調和檢測每個信道的標志號，從總的信號中經過檢測挑選和時域分割會的所需的話音或數據信號。16QAM這種線性調制技術具有非常理想的調制效率、靈敏度、可接受的C/I平衡及低鄰信道干擾等綜合特點。
從以上兩種調制方式可以看出，數字集群系統在25kHz的頻帶內實現了36-64kbit/s的傳輸速率，其頻譜利用率比GSM系統更高。另外，由于數字集群系統中正如前面介紹的采用了更低的話音編碼速率，因而在一個載波中可以容納3-6個信道，大大節省了頻率資源。
三、數字集群系統與GSM系統的主要區別
GSM是由共用電信企業投資建設，面向整個社會，以公眾用戶為服務對象的，這些用戶一般以個體用戶為主。這些個體用戶間不必要存在一定的組織關系，并且呼叫級別往往時平等的。網絡運營者建設并運行電信網絡的目的是為廣大用戶提供滿意的電信服務，亦即提高服務質量，擴大服務范圍，以賺取更多的利潤。
數字集群目前還是由專業單位自行投資建設，以專業用戶為服務對象的，這些用戶一般以集體用戶為主，并且呼叫往往是不平等的。網絡所有者建設并運行電信網絡的目的完全是為內部工作的需求向用戶提供必要的電信服務，強調保證本部門正常運轉的特殊要求。
與GSM比較，數字集群網絡更強調組呼、廣播呼叫、緊急呼叫、強插強拆和不同的呼叫優先級別等調度指揮功能。更強調縮短呼叫的建立時間，一個GSM的電話用戶，打一個電話從撥號到接通所需要的時間一般為幾秒鐘到十幾秒種甚至更長；而對專業網用戶來說這個時間就太長了，在緊急情況下，希望一按就通。
調度指揮要求簡明扼要，一般通話時間較短。移動諸多那段·終端之間在脫離網絡的情況下，還要求能直接互通。無線用戶在系統覆蓋區外或盲區工作，例如在隧道中，在沒有設置基站的寄去工作，例如在山區；在網絡基礎設施出現故障以及在系統過載以致難于快速接入等等情況下，移動臺之間仍可保持聯系，這種直接方式通信是非常有用的。
四、數字集群網絡的應用
數字集群系統面向群體用戶，用于調度指揮控制，而各部門需求具有其特殊性，因此對集群系統的功能要求既有很強的個性。通常將用戶分為三類：完成任務型、提高經濟效益型、保障生產安全型。
政府用戶的需求一般為完成任務型，包括日常工作中對人員的指揮，自然災害、重大事故等拯救和處理、治安、刑事事件、緊急事件中人員的調度，國際國內大型政治、經濟、文化體育活動的保安工作。這類用戶不僅需要基本的話音通信系統，其中一些用戶還需要移動數據功能，進行數據庫查詢，計算機輔助調度及自動車輛定位等,對于發達地區及國際化大都市還要求綜合通信指揮控制的社會聯動系統，可以共享多個信息資源，將政府各個獨立的應急部門有機地結合起來，提高城市數字化和信息化的管理水平。政府調度通信系統要求保障通信安全，系統可靠性高，能夠集成其它信息系統，同時系統要基于開放標準的技術，由多供貨商開發和供貨。
企業用戶的需求一般為提高經濟效益型，實現日常工作中對人員的指揮，這類用戶的需求為商業集群系統，通過使用集群系統可以提高企業的生產效率，減少調度人員的數量，節省移動通信的費用和生產成本。 保障安全生產型的用戶一般為專網用戶，如軍隊、鐵道等部門的指揮調度，它們對系統有不同的要求，對于列車調度系統來說，通信系統要與信號系統互連。這類系統僅供這些部門自己使用，屬于非經營性的移動通信網絡，安全效益是系統的首要目標，運營商承擔不了這類用戶的風險。
數字集群系統提供的基本業務可分為三類：
(1)用戶終端業務
允許直接移動對移動和用戶任選的成組語言呼叫功能，允許選擇并保密呼叫。提供電話、傳真和某些擴展也，例如交互視傳、用戶電報等。
(2)承載業務
電路方式數據功能，分組方式面向連接數據功能和無連接數據功能。
(3)補充業務
如接入優先、搶占優先、優先呼叫、內部呼叫、控制轉移、遲入網、由調度員授權的呼叫、環境監聽、地區選擇、短號碼尋址、通話方識別、動態組數目指配等等。電話類補充業務，如表列搜尋呼叫、呼叫轉移--無條件/忙/不回答/達不到、呼叫禁止--呼入/呼出、呼叫報告、呼叫等待、呼叫/被連接線路身邊表示、呼叫/被連接線路識別限制、對遇忙用戶/對不回答呼叫接通等等。
五、數字集群系統的發展
作為由專業移動通信發展演變出來的一個數字無線通信系統的標準，它不是蜂窩技術的競爭者或替代品，而是針對自己的目標市場與蜂窩技術并行發展的一種技術。象GSM向GPRS和3G發展一樣，TETRA在1999年啟動了RELEASE 2計劃，滿足新業務的需求。新的標準采用新的話音編碼器提高話音質量，并與GSM/3G網絡互連，優化空中接口以提高頻譜效率，網絡容量，系統性能和電池壽命。TETRA RELEASE 2標準還定義了兩種新的高速數據業務，即高級分組數據業務(TAPS)和增強數據業務(TEDS),可以將現有的數據業務速率提高到384kbit/s.
目前，iDEN系統已完成64QAM的調制技術，并在向256QAM發展，使系統獲得更高的頻譜利用率和更高速的分組數據，也異味同樣頻率配置時系統容量可以大大提高，話音容量加倍，系統更加靈活。
可以看出，目前的數字集群通信系統在應用上并不比公眾移動通信網落后，相反它具有許多公眾網無法提供的個性化服務，因而在專網通信中有著廣泛的應用.
注：
MOS:Mean opinion score主觀評估等級
TAPS:Tetra advanced data service 增強分組數據業務
TEDS:Tetra enhanced data service 增強數據業務
VSELP:Vector sum excited linear prediction 矢量和激勵線性預測
ACELP:Algebra codebook excited linear prediction代數碼激勵線性預測
RET-LTP:Regular pulse excitedlong term prediction 規則脈沖激勵長時間預測
TETRA:Terrestrial trunked radio 地區集群無線電
