（通信与信息系统专业论文）一种实用的数字集群方案的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 专业移动通信是移动通信的重要组成部分，市场十分广阔。集群移动通信系 统是专业移动通信系统发展的高级阶段。数字化对集群系统带来的好处正如蜂窝 系统数字化一样。目前发展迅速的是采用t d m a 多址方式的第二代数字集群系统， 应用广泛的如m o t o r o l a 公司的i d e n 系统、欧洲的t e t r a 数字集群系统。数 字集群通信系统与模拟集群通信系统相比，可望得到更丰富的业务种类、更强的 抗干扰能力、更好的保密性、更高的频谱利用率等。) 笨文介绍了我们研究的一种 数字集群移动通信方案。 基于国内的技术水平，结合第二代移动通信系统g s m 蜂窝网及欧洲t e t r a 数字集群网提出了一种实用的数字集群移动通信方案。即采用t e t r a 系统的信源 编解码和信道编解码技术 而塑堕! ! 塑则采用g s m 蜂窝移动通信系统的g m s k 技术。采用此方案对国内成熟的模拟集群系统稍加改进，如将基带话音处理及载 波调制数字化，就成为国内企业可批量生产的数字集群系统。在l i n u x 平台上用 a n s ic 语言编程仿真信源编解码算法，用m a t l a b 工具仿真信道编解码算法， 用软硬结合的方式对整个系统进行仿真，得出仿真结果，并对仿真结果进行了分 析。分析结果表明这是一种易于实现，性能良好的数字集群移动通信系统方案。 关键词：移动通信 字集群系统，迈i 垂匿：；重逝：亘亘】画。、 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o f e s s i o n a lm o b i l er a d i o ( p m r ) i sa ni m p o r t a n tp a r to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dh a sav a s tm a r k e td e s i r e t r u l l k e dr a d i os y s t e mi s ah i g hl e v e ld e v e l o p m e n t s t a g e f o rt h ep m rs y s t e m d i g i t i z a t i o no ft h et r u n k e dr a d i os y s t e mb r i n g sm a n y a d v a n t a g e sj u s t a st h ed i g i t i z a t i o no fc e l l u l a rs y s t e m c u r r e n t l yt h es e c o n dg e n e r a t i o n d i g i t a lt r u n k e dr a d i ou s i n gt d m a t e c h n i q u e i sd e v e l o p i n gf a s t t h e r ea r es e v e r a lt y p i c a l t r u n k e dr a d i os y s t e m ，s u c ha si d e no fm o t o r o l a a n dt e t r ai ne u r o p e c o m p a r e d d i g i t a lt r u n k e ds y s t e mw i t hc u r r e n ta n a l o gp r i v a t em o b i l es y s t e m ，t h ed i g i t a lt r u n k e d s y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fa b u n d a n tb u s i n e s sk i n d s ，p r e f e r a b l es e c r e c y , e x c e l l e n t a n t i - i n t e r f e r e n c ea n de f f i c i e n ts p e c t r a l c o m b i n e dt h et e t r a d i g i t a lt r u n k e ds y s t e mw i t hg s m m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，as u i t a b l ed i g i t a lt r u n k e ds c h e m ei sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h es c h e m ei s c o m p o s e d o ft h e s p e e c hc o m p r e s s i o ne n c o d i n g a n dd e c o d i n g a l g o r i t h m ，c h a n n e l e n c o d i n g a n dd e c o d i n g a l g o r i t h m i nt e t r as y s t e ma n dg m s km o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ni ng s ms y s t e m t h ea n a l o gt r u n k e ds y s t e mc a r lb ei m p r o v e dt h r o u g h i m p l e m e n t i n g t h e d i g i t a la u d i o ，m o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o n s ot h a t m a n y c o r p o r a t i o ni no u rc o u n t r yc a np r o d u c et h es y s t e m w eu s ecl a n g u a g et os i m u l a t et h e s p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m i nl i n u xa n du s em a t l a bt os i m u l a t e s p e e c hc h a n n e l c o d i n g t h es c h e m ei sw h o l l ys i m u l a t e db yu s i n gs o f ta n dh a r dm e t h o d s a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w na n d a n a l y z e d i t s h o w st h a tt h es c h e m eh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f e a s yr e a l i z a t i o na n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d i g i t a lt r u n k e ds y s t e m ，t e t r a ，a c e l p r c p c ，g m s k 一 i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 我国集群通信的现状 集群移动送信系绫鞋吱1 是一耱专矮静移动遁信系统，主要提供调度遴信激务， 敞也称无线调度通信。该系统应用予国民经济各部门，对国民经济的发展，社会 的稳定和人民生命财产的安全起着十分重要的作用。集群系统可分为模拟集群系 统与数字集群系统。模拟集群系统怒指它采用模拟话音进行通信，信令可分为模 拟和数字两穆。数字集群通信剿放各个环节都实现了数字处璜。数字集群通信系 统与模拟黛群遗售系绞相毖，霹望褥到更丰富的业务秘类、更强数撬干扰能力、 更好序勺保密性、更高的频谱利用率等。我国集群移动通信的市场到底有多大? 要 不要建专用集群移动通信调度网? 对此一直存在争议。信息产业部电子信息产品 管理司于1 9 9 9 年一季度组织了对数字集群移动通信系统市场的调研，通过对公安 部、国家安全部、铁遴部、承利部、交逶都、建设都、司法部、农犍帮、海关总 爨、卫生部、民舷总局、圈家煤炭局、国家电力总公司、北方石油集团、北京华 讯集团等十五个部门调研，了解到我国集群通信的现状及市场需求。为提高篱理 水平、工作效率和经济效髓，各部委十分重视信息网的建设和改善，基本上都建 肖鲁蠢的专用遗信网，戬翌星通信为主，微波与先纤通信为辅，主要孺于管理部 门阀懿信惑传递，僵趣于工终与生产一线瓣专题移动遵信设备滋较落蓐。在肇静， 专用移动通信设备5 0 年代6 0 年代主要应用常规对讲机，7 0 年代8 0 年代应用 无线拨号系统，8 0 年代9 0 年代主骚应用模拟集群移动通信系统，进入9 0 年代 螽期开始发展数字集群移动通信系统。而从调瘴中了解到，在我国，用于工作、 生产一线懿无线谡疫鞫应急移动逶僖设备鞋点爨点的短滚、越短波电台帮常耱对 讲机为主，甚至不少信息嚣人工采集传递，摆当落脬，远远不轭适应国民经渗发 展和现代化管理的需娑。 我国模拟集群通信系统起步不晚，但使用不当，发展缓慢，8 0 年代米9 0 年代 拐开始使靥摸掇集群移动遴信系统，主要楚进溺国豁的产品。知日本u n i d e n 公司 的f a s t n e t 系绫( 约4 0 0 0 个镶道) ，美国m o t o r o l a 公霹的s m a r t n e t 、s m a r t z o n e l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 我国集群通信的现状 集群移动通信系统“。1 是一种专用的移动通信系统，主要提供调度通信服务， 故也称无线调度通信。该系统应用于国民经济各部门，对国民经济的发展，社会 的稳定和人民生命财产的安全起着十分重要的作用。集群系统可分为模拟集群系 统与数字集群系统。模拟集群系统是指它采用模拟话音进行通信，信令可分为模 拟和数字两种。数字集群通信则从各个环节都实现了数字处理。数字集群通信系 统与模拟集群通信系统相比，可望得到更丰富的业务种类、更强的抗干扰能力、 更好的保密性、更高的频谱利用率等。我国集群移动通信的市场到底有多大? 要 不要建专用集群移动通信调度网? 对此一直存在争议。信息产业部电子信息产品 管理司于1 9 9 9 年一季度组织了对数字集群移动通信系统市场的调研，通过对公安 部、国家安全部、铁道部、水利部、交通部、建设部、司法部、农业部、海关总 署、卫生部、民航总局、国家煤炭局、国家电力总公司、北方石油集团、北京华 讯集团等十五个部门调研，了解到我国集群通信的现状及市场需求。为提高管理 水平、工作效率和经济效益，各部委十分重视信息网的建设和改善，基本上都建 有自己的专用通信网，以卫星通信为主，微波与光纤通信为辅，主要用于管理部 门间的信息传递，但用于工作与生产一线的专用移动通信设备比较落后。在国外， 专用移动通信设备5 0 年代- - 6 0 年代主要应用常规对讲机，7 0 年代8 0 年代应用 无线拨号系统，8 0 年代9 0 年代主要应用模拟集群移动通信系统，进入9 0 年代 后期开始发展数字集群移动通信系统。而从调查中了解到，在我国，用于工作、 生产一线的无线调度和应急移动通信设备以点到点的短波、超短波电台和常规对 讲机为主，甚至不少信息靠人工采集传递，相当落后，远远不能适应国民经济发 展和现代化管理的需要。 我国模拟集群通信系统起步不晚，但使用不当，发展缓慢，8 0 年代末9 0 年代 初开始使用模拟集群移动通信系统，主要是进口国外的产品。如日本u n i d e n 公司 的f a s t n e t 系统( 约4 0 0 0 个信道) ，美国m o t o r o l a 公司的s m a r t n e t 、s m a r t z o n e 华中科技大学硕士学位论文 系统( 约3 0 0 0 个信道) 等厂家的系统，共约1 万个信道，2 0 万部手机。由于各部 门初建集群系统时，主要供领导和管理干部使用，是以电话互联为主的双工通信， 很少用于一线的生产调度，同时由于使用定位的不当严重阻碍了专用集群网的发 展速度。但是为指挥调度而建的模拟集群网近年来不断完善和发展，发挥了很好 的作用。 发展数字集群移动通信系统有无必要呢? 我们先得弄清专用集群移动通信网 与公众蜂窝移动通信网之间的关系。从信息产业部电子信息产品管理司对数字集 群的调查情况可知，除农业部外，其它1 4 个部门均建有自己的专用卫星( 或卫星 + 微波或卫星+ 光纤) 通信网。专用集群移动通信系统除公安部已在1 0 0 多个大 中城市建网联网，初具规模外，大部分单位仅是局部使用。但在被调查的1 5 个业 务部门中有1 1 个部门认为公众移动通信网与专用移动通信网虽在技术性能上有所 渗透，在使用上可相互补充，但是不能相互代替。原因如下： ( 1 ) 两网在通信方式。业务范围等方面具有区别( 详见表1 1 ) 。 表1 1 数字集群网与公众蜂窝网的区别 序号类别数字集群通信网g s m 蜂窝通信网 1应用 专用网公众网 2服务对象专业人员、一线工作人员私人 3 通信方式双工、单工、直接模式全双工 4 业务范围电话、数据传输、静止图电话、f a x 、少数有短数据 象、电子邮件、g p s 、车业务 辆自动定位、车辆自动控 制、多媒体业务 5 接通速度快速接入，高速列车要求接入速度慢，一般约为1 0 o 4 秒接通秒 6功能 群呼、组呼、优先、强拆、无调度功能、无组呼和群呼 强插、广域调度功能 7 接续方式7 0 移动用户间通信、 2 0 移动用户间通信、8 0 3 0 移动与有线用户移动用户与有线用户 8 移动忍户5 0 为车载台 9 0 为手机 类别 2 华中科技大学博士学位论文 9网络结构多种形式网络结构( 单区一种网络结构( 大容量、多 网、链状网、大容量网区网) ，必与p s t n 互连 等) ，可与p s t n 互连或 不连 1 0加密加密等级高 一般安全通信 ( 2 ) 集群通信系统的功能更能满足指挥调度工作的需要 从信息产业部电子信息产品管理司对数字集群的调查情况可知，随着公众网 不断扩容、完善，满足领导层日常工作联络是可以的，但其功能不能完全满足一 线指挥调度需要。专用集群移动通信系统除具有选呼、群呼、等级优先、强拆强 插等调度功能外，还具有单工、脱网直通和较强的加密功能，这是公众网所不能 满足和保证的。在指挥调度中持续时间的快慢往往是事情成败、经济损失大小以 及能否保障人民生命财产安全的关键，集群系统的持续时间小于3 0 0 m s 5 0 0 m s ， 而在热点地区、突发事件和抢险救灾时，公众网常出现信号阻塞，无法保证通信 及时，往往贻误战机，造成损失。 ( 3 ) 两网服务对象各异，单独建网为宜 通信网的建设和使用都是采用多种通信手段、多种系统、，以确保通信在任何 b , i 、日 、任何环境和地点都能畅通无阻，这对于信息化社会更为重要。移动通信网 是面向社会面向个人的，而专用网是面向企事业单位，用于一线工作的指挥调度， 尤其是用于应急事件和抢险救灾，因此必须单独建网，这并不是重复建设，而是 通信手段的相互补充。 ( 4 ) 两网分设有利于各自利用分配的频率资源 频率资源不能再生和制造，只能想法充分利用。在我国公众移动通信和专用 移动通信都已分配有频率使用范围，随着信息化的迅速发展，频率资源更为紧张， 将专用调度和公众网共用，从频率利用上是不合理的，也是没有必要的。 ( 5 ) 两网运营方式不同，分开建网便于按需选用 公众网是经营型网，专用网多是非经营型的。各业务部门认为公众网即使具 有全部调度功能，但收费高，一线的指挥调度工作使用的次数多及时间长，所需 费用也是各部门无法承受的。 从以上几点可以看出，建专用集群移动通信网是有必要的，而且应尽快生产 出国产数字集群通信设备，以满足市场的需求。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 2 集群通信的市场需求 不同的部门对数字集群系统有着不同的要求，我国专用移动通信系统的要求 可概括为三种类型： ( 1 ) 向大区域覆盖的大容量、多用户部门系统即面向城市公用服务的公用调 度移动通信和专用数据移动通信，适合建立公众接入的集群移动通信网来提供服 务； ( 2 ) 链状覆盖的中小容量、多用户部门系统即面向公路、水运、铁路、交通 运输服务的专用调度移动通信和面向数据分发、采集的专用移动通信，适合建立 专用集群移动网来提供服务。 ( 3 ) 面向大区域覆盖和链状覆盖相结合的全国联网的大中容量、增强安全的 多用户部门系统，可称作增强型集群移动通信网，它是面向公安、铁路等需要高 可靠、高保密、高安全信息传输的部门，提供专用调度移动通信和专用数据移动 通信服务。 公安系统( 包括消防、警卫、边防) 是数字集群潜在的最大用户。目前，全 国有1 2 0 万公安干警，目标配置为平均每3 人一部无线电台，则需要4 0 万部移动 台。根据国内各部门的需求情况，以及数字集群移动通信系统的性能和建网特点， 得出如下保守预测：数字集群的潜在市场需求：8 0 0 万至9 0 0 万部移动台，1 4 万 至1 5 万个信道，5 0 0 亿元的市场价值，其中2 0 0 5 年前，需要1 3 5 部移动台，2 3 5 0 0 个信道，约8 0 亿元，2 0 0 5 年至2 0 1 0 年需3 8 0 万部移动台，5 4 0 0 0 个信道，2 5 0 亿 元。其中最有市场潜力是共用的经营性的( 或称为商用的) 集群调度通信网( 国 际电联称为p a m r ) ，这也是国际集群通信系统发展的趋势。 1 3 课题意义 根据信息产业部电子信息产品管理司的调研情况“我国预测有5 0 0 亿元以上 的潜在市场需求，其中2 0 0 5 年前的市场需求约为8 0 亿”，数字集群通信在我国有 着相当诱人的市场潜力，对各类专网业务需求和重要集会事件，尤其对2 0 0 8 年北 京承办奥运会等，有着独特的重要作用。市场的需求就是我们产业发展的方向， 为我们大力发展数字集群移动通信系统创造了条件，但因为国内还没厂商推出数 4 华中科技大学硕士学位论文 字集群系统，而国外设备昂贵，经费承受不起，所以数字集群系统尽管市场潜力 大，但大面积推广还有几年，所以在这转轨之际，数字集群移动通信设备的开发 与产业化是专业移动通信产业发展的重点。尽早为使用部门提供数字集群设备成 为国内厂家的当务之急。我们国家可利用的财力有限，电信公司规模有限，其投 入难以达到在短期内开发一种先进的系统所要求的那么多那么快，同时国内在电 信方面的技术不强，这就决定了我国在发展数字集群移动通信系统上必须走一条 适合我国的道路。在此我们提出了一种实用的数字集群移动通信系统方案，以解 决我国电信公司技术不强，财力有限与必须尽快为使用部门提供数字集群通信设 备的矛盾，这也是此课题的目的和意义所在。 华中科技大学硕士学位论文 2 数字集群通信系统 集群通信系统是多信道用户共享的专用调度通信系统。集群通信可分为模拟 集群通信与数字集群通信。模拟集群通信是指它采用模拟话音进行通信，信令可 以采用模拟式或数字式。数字集群通信则在各个环节都实现了数字化。集群通信 数字化不仅使通信质量提高，信道数、容量也大大增加，容易满足多区联网要求。 现在推出的几种数字集群通信系统中大部分都采用时分多址方式( 也有少数采用 频分多址) ，而在信源编解码、信道编解码都采用了高效的算法。而数字调制技术 基本上都能满足占用频带小、误码率特性好、频谱特性好和带外辐射小等要求。 2 1 数字集群移动系统的特点 模拟集群通信网的主要问题是频率利用率低，所能提供的业务种类受限，也就 是说不能提供高速率数据服务：保密性差，容易被窃听；移动设备成本高，体积 大，网络的管理控制存在一定问题等。采用数字通信就表现出数字集群移动通信 系统b 1 的优点。数字集群移动通信具有如下特点，同时也是其优点。 ( 1 ) 频谱利用率高 模拟的集群移动通信网可实现频率复用，从而提高了系统容量，但是随着移 动用户数量的急剧增加，模拟集群网所能提供的容量已不能满足用户需求，问题 的关键是模拟集群系统频谱利用率低，模拟调频技术很难进一步压缩已调信号频 谱，从而限制了频谱利用率的提高。与此相比，数字系统可采用多种技术来提高 频谱利用率，如果用低速语音编码技术，这样在信道间隔不变的情况下就可增加 话路，还可采用高效数字调制解调技术，压缩已调信号带宽，从而提高频谱利用 率。另外，模拟网的多址方式只采用频分多址( f d m a ) ，而数字网的多址方式可 采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，尽管每个载波所占频谱较宽，但 由于采用了有效的语音编码技术和高效的调制解调技术，总的来看，数字网的频 谱利用率比模拟网的利用率提高很多。而频谱利用率高，可进一步提高集群系统 的用户容量。 ( 2 ) 信号抗信道衰落的能力提高 6 华中科技大学硕士学位论文 数字无线传输能提高信号抗信道衰落的能力。对于集群移动系统来说，信道 衰落特征是影响无线传输质量的主要原因，须采用各种技术措施加以克服。在模 拟无线传输中主要的抗衰落技术是分集接收，在数字系统中，无线传输的抗衰落 技术除采用分集接收外，还可采用扩频、跳频、交织编码和各种数字信号处理技 术。由此可见，数字无线传输的抗衰落技术比模拟集群系统强得多。所以数字网 无线传输质量较高，也就是数字集群移动通信系统网比模拟集群通信网的话音质 量要好。 ( 3 ) 保密性好 数字集群移动通信网用户信息传输时的保密性好。保密性问题长期以来一直 是无线通信系统设计者重点关一i i , 的问题。在模拟集群系统中，保密问题难以解决。 当然模拟系统也可以用一些技术实现保密传输，如倒频技术等，但实现起来成本 高，语音质量受影响。由此模拟系统保密非常困难。利用目前已经发展成熟的数 字加密理论和实用技术，对数字系统来说，极易实现保密。 ( 4 ) 多种业务服务 数字集群移动通信系统可提供多业务服务。也就是说除数字语音信号外，还 可以传输用户数字、图像信息等。由于网内传输的是统一的数字信号，容易实现 与综合数字业务网i s d n 的接口，这就极大的提高了集群网的服务功能。在模拟集 群网中，虽也可以传输数字，但是占用一个模拟话路进行传输的。首先在基带对 数字信息进行数字调制形成基带信号，然后再调制到载波上形成调频信号进行无 线传输，用这种二次调制方式，数字传输速率一般在1 2 0 0 b i t s 或2 4 0 0 b i t s 。这么 低的速率远远满足不了用户的要求。 ( 5 ) 网络管理和控制更加有效和灵活 数字集群移动通信网能实现更加有效、灵活的网络管理与控制。对任何一种 通信系统网络管理与控制都是至关重要的，它影响到是否能有效地实现系统所提 供的各种业务。在模拟集群系统中，管理与控制依靠网内所传输的各种信令来实 现，而模拟集群网的管理与控制信令是以数字信号方式传输的，而网络的用户信 息是模拟信号，这种信令方式与信号方式的不一致，增加了网络管理与控制的难 度。在数字集群网中，用户话音比特流中插入控制比特是非常容易实现的，即信 令和用户信息统成数字信号，这种一致性克服模拟网的不足，给数字集群系统 带来了极大的好处。总而言之，全数字系统能够实现高质量的网络管理与控制。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 数字集群通信的几种典型系统 2 2 1m o t o r o l ai d e n 数字集群通信系统 1 系统概述 美国m o t o r o l a 公司生产的i d e n 数字集群系统口1 利用先进的m 1 6 q a m 、 t d m a 、v s e l p 及越区跟踪等技术，能在2 5 k h z 的信道内容纳6 个话音信道，在 现有的8 0 0 m 模拟集群信道上增容6 倍，再加上频率复用技术和蜂窝组网技术，从 而使得有限频点的集群通信网具有大容量、大覆盖区、高保密和高通话清晰度的 特点。该系统具有蜂窝无线通话、调度通信、无线寻呼台及无线数传功能。 2 系统功能 调度通信( 无线直通无线) ： 独呼： 群呼； 自动排队和回呼；最近的用户优先： 常规； 全双工： 可置不答或遇忙转移； 可置长时转移： 有完善的计费系统； 众多的服务功能，短信寻呼，传真和无线数据接口。 3 无线性能 频率范围：发送频带为8 5 1 8 6 6 m h z ，接收频带为8 0 6 8 2 1 m h z ； 频率合成产生器； 频率间隔2 5 k h z ； 收发( 双工器) 频率间隔4 5 m ： 调制方式：m 一1 6 q a m 调制，该技术是线性的，是有调制效率高、密度大， 具有高的c i 比值和低的邻道干扰； 语音编码( 含前向纠错) 速率：7 4 k b p s ； 信道比特率：6 4 k b p s ； 8 华中科技大学硕士学位论文 语音编码方式：v s e l p 即矢量和激活线性预测编码技术； 接入协议：时隙a l o h a 协议，即把用户的发信时间划分为等长的时隙， 用户必须在每时隙的开始点发送； 接入方式：t d m a ( 每个2 5 k h zr f 信道可容纳6 个话音信道) 。 4 系统组成 ( 1 ) 移动台( m s ) 含有固定台、车载台、便携台、手持台，可进行通话及数据传输。 f 2 1 中央交换控制中心 有电话交换管理部分( m s c ) ( v l r ) ，调度通信部分( d a p ) ( m p s ) ，系统管理 ( o m c ) ，验证计费( a u c ) 等部分。 ( 3 ) 主要位置寄存器( h l r ) h l r 是登记移动台m s 的基本数据，包括m s 的操作数据、m s 的指配数据、 m s 的服务状况和m s 的活动情况。 ( 4 ) 访问位置寄存器( v l r ) v l r 是在m s c 中的一个全软件程序块，对全网的所有m s 的现在位置数据进 行临时登记，它也复制了h l r 的大部分数据。 ( 5 ) 操作维护中一b ( o m c ) 操作维护中心是全网管理操作维护中心，为工程管理和规划提供各种数据， 其管理对象分为：经分组网对d a p ，e b t s ，b s c x c d r 进行管理；从模拟口对 d m c d m s 和h l r 进行管理，其管理项目包括：事件告警管理、错误管理、运行 管理、设置管理和安全管理。 ( 6 ) 调度机( d a p ) d a p 是为调度通信服务的控制全部m s 快速响应的网络控制器。其控制的调 度通信功能为：专一呼叫、组呼、组呼选择通话、空中编程、空中诊断、p t t _ 一i d 、 提示回呼以及改组别。 ( 7 ) 网内分组交换( m p s ) m p s 是i d e n 系统内高速数字e l 型节点处理器。它为网内各e b t s 终端节点 的调度业务和有关控制信息联接虚电路，它是一个用d s o 规程通道组成的星形网 络。 ( 8 ) 数字交换系统( d a c s ) d a c s 是m s c 交换机和e b t s 或p s t n 之间的数字信号交换设备。 华中科技大学硕士学位论文 ( 9 ) 语音转码器( x c d r ) 与p s t n 接口的语音编码是6 4 k b i t s 的u 率p c m 编码。语音换码器是 p c m f v s e l p 的转换设备，即将b s c e b t s 送来的v s e l p 语音编码变换成p c m 编 码后，再送入m p s 、o m c 或m s - m s c 交换机。 ( 1 0 ) 基站控制b s c b s c 是m s c 和e b t s 之间控制交换的交换器。以使i d e n 系统能扩大覆盖范 围和节约线路造价。它可近置和远置。m s c 直接经x c d r 去控制b s c 或去遥控 b s c 。 ( 11 ) 基地台e b t s e b t s 是陆地网络和移动台之间的无线电通信链路的加强型基地收发系统。 5 i d e n 与模拟集群比较 由于i d e n 有效的利用了频率资源，使其不仅在互联容量上比模拟集群有很大 增加，而且其话音容量也比模拟集群扩大了6 到1 5 倍，再加上网络技术和地理复 用技术的使用，使其地理覆盖范围也随之扩大。 模拟集群信号强弱对话音质量的影响较大，而数字集群对信号强弱表现出相对 稳定的话音质量。 22 2t e t r a 集群系统 泛欧数字集群系统t e t r a ( t r a n s e u r o p e n t r u n k e dr a d i o s y s t e m ) h 巧1 是由欧洲 通信标准协会( e t s i ) 1 9 9 0 年开始制定的一种多功能数字集群无线电标准。1 9 9 6 年， 为了在全球推动t e t r a ，更名为陆地集群无线系统( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 。 t e t r a 整套设计规范可提供集群、非集群以及具有话音、电路数据、短数据信息、 分组数据业务的直接模式( 移动台对移动台) 的通信。t e t r a 可支持多种附加业务， 其中大部分是t e t r a 独有的。t e t r a 系统是一种非常灵活的数字集群标准，它 的主要优点是兼容性好、开放性好、技术最先进、参与生产厂商最多的数字集群 标准。 2 2 2 1t e t r a 技术指标 ( 1 ) 主要技术特性 华中科技大学硕士学位论文 信道问隔：2 5 k h z ； 调制方式：n 4 d q p s k ，a ( 滚降因子) = o 3 5 ： 调制信道比特率：3 6 k b i “s ； 语音编码方式：a c e l p 即代数码激励线性预测编码技术； 语音编码速率：4 5 6 7 k b i t s ； 调制信道比特率：3 6 k b i “s ： 用户数据速率：7 2 k b i t s 每时隙： 数据速率可变范围：2 4 k b i t s - 2 8 8 b i f f s ； 接入方式：t d m a ，四个时隙构成一个信道； 接入协议：时隙a l o h a 。 ( 2 ) 集群方式 t e t r a 标准支持三种集群方式：消息集群、传输集群和准传输集群是在调度 通话期间，控制系统始终给用户一条固定的无线信道。消息集群不是信道动态分 配方式而是按需分配方式，所以频谱利用率不高。传输集群是指用户双方在单工 或半双工工作时，用户按下p t t 开关，就占用一个空闲信道工作，当用户发完第 一个消息松开p t t 开关时，就有一个“传输完毕”的信令送到基地台的控制器， 这个信令用来指示该信道可以再分配给其它用户使用。传输集群的信道分配是动 态的，频谱利用率高，但可能导致通话不连续和不完整。准传输集群兼顾消息集 群和传输集群的优点，增加了用户每次发话完毕的松开p t t 开关后的时间，而不 会使消息中断。准传输集群的信道利用率比传输集群低。 ( 3 ) t e t r a 的频谱资源 t e t r a 标准的显著特点是其频谱资源的灵活性，t e t r a 系统以设计成能在 所有适合于移动通信使用的频段内工作。频谱范围从v h f 的1 5 0 m h z 到u h f 的 9 0 0 m h z ，收发频率间隔为1 0 m h z ( 9 0 0 m h z 时为4 5 m h z ) 。我国信息产业部无线电 管理局已明确规定数字集群通信系统的工作频段( 包括t e t r a 和i d e n ) ，见图2 ，1 ： 8 0 6 m h z8 51 m h z8 6 6 m h z 匡旱 图2 1 我国使用的数字集群频段 ( 4 ) 系统设计 l l 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= # = = = = = = = = = = ；= = = = = = i = = = l = = = = z = 一= t e t r a 系统采用大区制设计，系统参数如表2 1 所示。 表2 1 ：t e t r a 系统参数 呼叫建立时间 3 0 0 m s 邻道功率 6 0 d b c 基站r f 功率0 6 w 4 0 w 移动台r f 功率1 ，3 ，1 0 ，3 0 w ( 5 ) 网络结构 t e t r a 标准对无线电网络的结构没有明确的限制，其基础结构只定义了6 个 规定的接口标准，包括空间和直接模式空问标准，用于确保网内操作互联和网络 管理。这6 个规定的接口是无线空中接口、有线站接口、系统之间的接口、移动 台与终端设备之间的终端接口( 包括有线终端与终端设备之间的终端接口) 、网络管 理接口、直接模式无线电空中接口。一个独立的t e t r a 系统由基站、交换机、操 作台、管理中心以及相关的控制和管理设备组成。移动台由移动终端单元( m t u l 和终端设备( t e ) 组成，通过移动台与终端设备之间的终端接口联接。有线台由有线 终端单元和终端设备之间的终端接口联接。中央网络管理单元通过定义的网络管 理接口连接。移动台通过连接定义的直接模式无线电空中接口进行直接模式通信。 2 2 2 2t e t r a 数字集群系统的优点 ( 1 ) 标准为公开标准 由于t e t r a 数字集群是公开标准，形成了开放和公平竞争的市场，有利于用 户获得性能、功能、价格最适合的产品，以获取最佳的经济利益。 ( 2 ) t e t r a 具有灵活多变的直通方式 移动台即可以实现常规的直通方式，又可以工作在既入网又直通的双模式，还 可以作为网关起到中继作用。 ( 3 ) 可适应各种业务要求 t e t r a 数字集群同时可传数据和话音，该系统从设计的开始就周密地考虑了 话音和数据两种业务的处理。此外，t e t r a 采用了时分多址技术，在单个2 5 k h z 的无线r f 信道上可提供4 个通信信道，这些信道可以是数据和话音的任意组合， 还可以将多个时隙捆绑成一个高速的数据信道，因而具有强大的数据传输功能， 很容易在系统中加入g p s 等特殊使用功能。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 系统加密更具特色 系统加密既可以采用空中加密方式，也可以采用端到端的加密方式：加密算 法可以采用t e t r a 标准的保密算法，也可以采用用户自己的算法，加密端口为公 丌的，特殊用户容易增加硬件加密电路。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 系统总体方案 3 1 系统构成 此系统是以模拟集群系统为基礁，将占据2 5 k h z 带宽酌射频遥道内传输的萃 路模拟调频话音，改进为数字话音。除基带话音处理及载波调制数字化外，原模 亍鳆集群系统的大帮分硬件软件可僚持不变。这有利于国内已生产过模拟寨群的厂 家糖于国内技术力量进入数字集群的研发生产，也为生产标准数字集群积累相关 技术和经验。怎么将基带话音娃理及载波谲截数字化呢，这正是本课题礤究的内 容。根据数字信息传输的特征( 图3 1 为数字信息传输方框图) ，即包括信源编解码、 信道编解粥、诵剿解调等部分。我们在仔缁眈较几种常弼的数字鬃群系统螽+ 郧 t e t r a 和i d e n ，提出了一种适合国内厂家研发生产的数字集群移动通信方案。 系统主要掖术指标如表3 ，1 所示：系统中倍源编解鹤、信遵编解码均采用t e t r a 的技术，主要考虑到t e t r a 标准舆有兼容性好、开放性好、频谱利用率高、保密 径强等优点，是西箭国际上制定褥最餍密、开放设好、技术最先遂、参与生产厂 商最多得数字集群标准。此系统中，调制解调则采用了g m s k 调制解调技术，而 不楚t e t r a 的4 - d q p s k 和i d e n 的赫一1 6 簖黼，黻旋其它谲翩解调技术，原因在后 有述。 表3 1 系统主要技术指标 l 信道间隔 2 5 k h z l 调制方式 g m s k l 语音编码速率 4 5 6 7 k b i t sa c e l p 编码方式 | n n n n ；弑 r c p c i 用户数据速率 7 2 k b i t s l 接入方式 n ) m a 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 2 信源编解码技术 图3 1 数字信息传输方框图 干 扰 在数字通信中，信息的传输是以数字信号形式进行的，因而在通信的发送端 和接收端，必须相应的将模拟信息转换为数字信号或将数字信号转换成模拟信号。 在通信系统中使用的模拟信号主要是语音信号和图像信号，在集群移动通信中， 使用最多的信息是话音信号，所以话音编码技术在数字集群移动通信中有着极其 重要的关键作用。将模拟话音信号变成数字信号以便在数字中传输，这是从模拟 网到数字网至关重要的一步。高质量、低速率的话音编码技术与高效率数字调制 技术同时为数字集群移动通信网提供了优于模拟集群移动通信网的系统容量。话 音编码方式可直接影响到数字集群移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统 容量。话音编码技术通常分为波形编码。声源编码和混合编码三类。 ( 1 ) 波形编码 波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样， 然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。解码即将收到的数字序列经过解 码和滤波恢复到原模拟信号。脉冲编码调制( p c m ) 以及增量调制( m ) 和它 们的各种改进型均属于波形编码技术。 ( 2 ) 声源编码 又称为参量编码，它是对信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参量， 并把其变成数字代码进行传输。其反过程为解码，即将收到的数字序列变换后恢 复成特征参量，再依据此特征参量重新建立语音信号。这种编码技术可实现低速 率语音编码，比特速率可压缩到2 k b s - - 4 8 k b s 。线性预测编码l p c 及其改进型都 属于参量编码技术。 ( 3 ) 混合编码 15 华中科技大学硕士学位论文 混合编码是波形编码和参量编码相结合的一种较新的编码技术，它能够把波 形编码较高的语音质量和参量编码低速的优点结合起来。因为在混合编码的数字 语音信号中既包括若干语音特征参量，又包括部分波形编码信息。混合编码可将 传输速率压缩到4 1 6 k b s ，而在8 1 6 k b s 范围内能达到良好的语音质量。其代表 技术为规则码激励长期预测编码( r p e l p t ) 和码激励线性预测编码( c e l p ) 。混 合编码技术是能够在数字移动通信系统和i p 电话中使用的。 t e t r a 语音压缩编码5 “7 1 使用代数码激励线形预测编码a c e l p 噶1 ，其 编码后的速度为4 5 6 7 k b i t s ，低于同样采用a c e l p 算法的g 7 2 9 协议。它通过使 用代数码本和聚焦搜索技术，与传统c e l p 算法相比降低了算法的复杂度。 3 2 1 编码器功能描述 人的话音产生过程可以用一个全极点模型模拟，即自回归模型。但要使此模 型能较好地符合语音产生模型，主要有两个因素必须考虑：首先是模型的阶数p 要与共振峰个数相吻合，一般取p = 1 0 ，其次是声门脉冲形状和v 1 唇辐射影响的补 偿，可以在进行l p c 分析之前进行预加重来解决这个问题。 t e t r a 编码器的语音数据帧长3 0 m s ，每帧分为4 个子帧，每子帧长7 5 m s ( 对 应6 0 个取样值) 。要求短时滤波器( l p 滤波器) 每帧计算和传输一次，而基音和 代数码本参数每子帧传输一次。在t e t r a 编码信号中每帧3 0 m s ，帧数据量为 1 3 7 b i t ，信号速率为4 5 6 7 b i t s ，在开始编码过程之前，使用偏移量补偿滤波器对话 音信号进行预处理。 短时预测( l p 或l p c 分析) 是一种线性预测器1 1 2 - 1 3 1 每3 0 m s 进行一次，使 用自相关方法与不对称汉明窗。对原始语音信号加窗后计算出自相关函数，使用 延迟窗对自相关函数值作6 0 h z 带宽扩展。最终通过解式( 3 1 ) 获得l p 滤波器序数 a ( k = 1 , 2 一，1 0 ) 1 0 吼，+ ( 卜i ) = 一，( f ) ( f _ 1 , 2 ，1 0 ) ( 3 1 ) k = l r ( f ) 为修正后的白相关函数，式中使用列文森一杜宾算法求解| 1 4 - 1 5 1 0 ，( f ) 的推导过 程如下： 汉明窗由下面的公式给出： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = # ； 其中分析窗的总长度为3 2 m s ，在8 k h z 取样率下为2 5 6 个取样，厶= 2 1 6 ， 上z 24 0 该窗中有4 0 个取样来自未来帧。加窗后的语音信号自相关： r ( 女) = 5 + ( n ) s 一) ，k = o 一1 0 使用以下延迟窗对自相关作6 0 h z 带宽扩展。 p _ 圭( 等) 2 】一1 ，l 。 r ( ) = r ( k ) 0 ( ) ，k = o 1 0 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) l p 滤波器系数将转换成线谱对( l s p ) 1 1 6 i 表示，用于量化和插值。l p 系数的 很小变化，甚至会造成不稳定现象。将l p 系数转化成频域系数即l s p 参数，就较 好地解决了这一问题。l s p 的计算方法如下：对于一个1 0 阶l p 滤波器，l s p 分 别定义为以下多项式的根： f 。( z ) = 4 ( 2 ) + z 。1 a ( z “) ( 3 6 ) 和 e ( z ) = 一