集群移动通信系统的组网设计.pdf

19 9 5年4月第H卷第4期电信科学T E L E COM MUN I C A T ION SS C I E N C EVol.11APril件名毙集群移动通信系统的组网设计傅为民(浙江公安高等专科学校杭州3 10 007)摘要本文对集群移动通信系统在组网设计时应考虑的问题进行了分析,并 提出了具体步骤和方法,可供集群系统组网设计 时参考。关键词集群移动通信设计集群系统的特点和组网设计依据传统的 固定分配信道 移动通信系统中,用 户是固定在某一信道 上通话的,当该信道繁忙时,该信道的其它用户就不能通话,而其它系统中的信道又会出现由于没有通话或通话完毕或通话 间隙等情况 而 空闲。在集群移动通信系统中由于采用 了信道共用动态分配 空闲信道技术,使原专业通信网独立使用频率改变为若干个专业网共同使用。信道虽然共用,但仍保留专业网的各自独立性,自身的业务互不影响。此外,还有一些 固定分配信道的移动通信系统所无法比拟的优点:(1)频率利用率高;(2)阻塞概率低,系统服务质量高;(3)通信保密性好,特别是采用传输集群时,这点更明显;(4)系统 设有不 同的用 户等级,如自动排队、特权优先、紧急 呼叫、强插强拆等,便于 指挥调度;(5)具有同蜂窝网类似 的其 它各种功 能。再 加上 系统结构简单、造价低、组建快、功能强、可靠性和可维护性好,所以 比较适合公安、交通、人 防、水利、电力等专业部 1组建专业移动通信网。正是 由于上述这些特点,近年来,不 少地区和部 门正在分析引进并组建集群通信网。作为设计人员 在设计建网时,要根据专业的特性,主 要 了解以下一些情况:(1)系统的发展规划;(2)系统的服务范 围、用途、要求、功 能及特殊要求或特殊功能;(3)系统的容量,既 要 了解现在的要求,还要考虑到将来扩充的可能性;(4)当地的地 形、地质、气象以及各种干扰和噪声 的状况;(5)设定基 站 的位置、条件;(6)与市话交换网的接口情况;(7)可提供的频段及频道数;(8)用 户对通话业务以外的要求,如数据、传真、图像及R S232C接口等;(9)用 户的投资能 力。设计人员根据用户提供的各种要求、条件和数据作为组 网设计的依据,同时在满足用 户要求的情况下,要考虑所设计的 系统要具有一 定的先进性、经济性、适应性和可扩充性。2系统体制2.1系统的基本模式根据集群系统的特点,它比较适合于组建中、小容量的移动通信网,特别是适合于专业用的中、小容量的调度型移动通信系统。一般采用大区制,即在一 个行政区内只设 一个发射台,与有线电话连接时采用半自动直拨中继 方式或全自动双向模拟中继方式,如图1。如果要求系统的服务区 比较大时,基站可采 用多点分集接收。当服务区域更大时,可采用 多区、多中心、多 层次的网络结构,如图2。36电信科学1 9 95年2.2服务质t和工作方式在移动通信网接入市话 网时,移动用户到控制中心音频输出端 的音频带 内信噪比应大于或等于2 9dB,相当 于话音质量主观评定 的4级话音质量。要求不严的,话音质量也可以定为3级。对于市区、近郊区以及高密度用 户地区,覆盖区边缘的无线可通率要求不低于9 0%,对于农村、山区及低密度用户地区,覆 盖区边缘的无线可通率最低不得低于5 0%。工作方式可以是双工,也可以是半双工。2.3信道控制方式和调制方式集群系统对信道的控制是通 过信令的传输来实现的。信道控制方式大体可分为集 中控制方式和分散控制方式两类,其中集中控制方式又可细分为专用信令信道和非专用信令信道两种形 式。专用信令信道方式指定某一信道专门用 于信令 传输,所有入网接续都必须通过该信道来完成,其余信道为话音信道。而在非专用信令信道方式的系统中,虽也指定 一条信道作信令信道,但当所有话务信道均忙时,该信道可暂作为话务信道用,信令信道并不 固定不变。信道的集中控制优点比较多,系统功能齐全,便于自动化管理,便于 处理特殊功能,也便于联结成区域网;因不需要信道扫描,且可采用高速数字信令,因而建立呼叫速度快,入网接续时间短;还可利用专用信令信道完成紧急 呼叫,连续分配信息更新,提高通信的可靠性等。但在专用信令信道方式 中,由于所有的入网和接续信令都必须通过专用信令信道来完成,因此容易 出现“碰撞”问题,且在系统信道数较少时,信令传输要专门占用一信道,信道利用率低。这时宜采用非专用信令信道方式。P A BXPSTN伙凸固定用户介无一单区单基站集中控制方式集群系统结构中心I区域I区域Nl域图区中心.1(中心I】“(中心l中心.)l 中心11 中心.】:l 中心.基站基站图2基站!基站1 1基站日基站多区、多中心、多层次的网络结构分散控制方式的集群系统中,每个信道都通过配有逻辑控制板或集群控制模块的转发器来负责信道的控制和信令转发,转发器 之间的信 息交换是通过 一条高速数据总线以时分多址方 式进行,移动台 可 在 任何空闲信道 上 实 现接 入系统的操作,如美国Un id en公司的F.A.S.T系统。它的优点是:亚音频数字信令和话音同时传递,不占用信道;不需要扫描,接入时间短;不需要独立的系统控制器,可降低系统成本;某一信道出现故障,不影响整个系统的工作,同时也便于扩充。总的来说,信道的集中控制优点多于分散控制,分散控制适于信道数较少,用户量较少的系统,而集中控制专 用信令信道则更适于信道多、容量大的系统。但也有一个动向,即集中控制和分散控制的互相结合。第4期傅为民:集群移动通信系统的组网设计.3 7为了提高抗干扰能力,话音信号一般采用调频,控制信号一般用FS K或F F S K形式来传递。2.4信令方式信令系统的目的是完成对系统的控制和管理,同时保证通信系统中各个用户进行迅速、准确无 误地接续。集群系统中为了易于与微计算机接口,多用数字信令,但因模拟信令技术比较成熟,且便于与现有市话交换机接口,也使用一些模拟信令。(1)模拟信令集群系统中使用的模拟信令主要有D TMF信号、CTC SS信号、五音调信号等。C T C S S信号常用来选通,以它来控制静噪电路的开或闭,它在多个通信系统公用 一个信道 时,可防止相互干扰,还可以防止非法用 户的进入,由于它是亚音频,可以和话音同时传递,且不影响话音信号。D TMF信号由高频和低频组合而成。利用D TMF信号便于拨号操作,当操作某个按键时,并列送出高低两个频率的组合。D TMF拨号系统速度快,可靠性也好,用户操作起来也比较方便,所以使用得较多。(2)数字信令数字信令由于传输速度快,组码数量大,便于集成 化,所以应 用广泛。集群通信系统中使用的数字信令有低速和高速两大类,三种制式,即已公开的MP T一1 3 2 7信令,它是欧洲、澳洲广泛采用的信令制式;已公开的LT R随 路信令及其改进型,美国E.F.J ohn son公司 和U-n记en公司的集群系统采用 这类信令制式;专用未公开的集群信令,如美国 MOTOROLA公司集群系统的信令、瑞典E r ic ss on一GE公司的E一DA C S系统的信令及其它未公开的专用信令。MP T一1 327信令因已标准化和公开 化,许多国家和公司都采用这种信令,因此 其兼容性好,且具有速度快、系统容量大、扩容方便的优点。但MP T一1 327适用于单个集群系统,对于由多个集群系统合成一个更大的系统,其描述和合成方法已超出该标准范围,不过它可组成多个集群系统的区域网。LT R随路信令用于分散控制信道方式的集群系统。它占据亚音频段(15 0H:以下),与话音信号同时传送,不 另占用信道,其速率为30 0b it/s,在其信令格式中规定,转发器号占sb it,被叫识别号占sb it。可以看出,使用这种信令的系统转发器的个数限制在2 s一3 2个之内,每个信道的用户数最多只能达到2 s一2 56个,它限制了扩展成大容量网的可能,一般只能容纳50 0 0个用户。使用这种信令的优点是网络简单,信道利用率高,系统造价便宜,且易扩容。专用信令因申请了专利,格 式不公开,如MOTOROLA智慧网,它 所 采用 的信令复杂,除了在控制信道上传输数字信令外,在语音信道上还传送音频信令。其优点是因多采用高速数字信令前向纠错便于向数字化过渡,进行数字通信,且针对性强,通信功能齐全,能满足各种组网需要。但其兼容性差,有的由于采 用多重信令、多种格式、多种速率,使得信令的产生 和接收电路 显得多而繁。为便于分析和比较,表1列出了国外有代表性的集群系统所采用的信令情况。2.5与电话交换机的接口接口标准可参考中华人 民共和 国国家标准G B6 282一86“25l0 00MHz陆地移动通信网通过用 户线接入共用通信网的接口参数”。设计中主要参数为:(1)音频带宽:30 03 4。H:;(2)音频 响 应:相对于loZoHz的幅度变化在30 0一3 40 0Hz范围 内变化 应 为一0.2一+0.sd B;(3)接口方式:用 户线方式接口;(4)接口电平:从无线控制终端到有线 电话网音频信号电平为38电信科学19 9 5年一4.sdBm/6。n,从有线网到 无线控制终端的音频信号电平为o dBm/60On;(5)用户线的 用户回路电阻、用户线间绝缘 电阻、线 间 电容应 符合GB3 3 78的相关 规定;(6)D T FM信令按C CIT TQ23标准。3频段选择与频率配置3.1频段选择根据国家无线电管理委员会关于我 国移动无线电通信的频段划分进行频段选择,集群系统经常使 用的移动通信频段有15 0MHz、45 0 MHz、8 0oMHz以及其它有关专业部门使用的频表1国外有代表性的集群系统所采用的信令情况系系统名称称SMA R TNE T T TF.A.S.T T TE D A C S S SACT IONE T T TT A IT T T(美国)(美国)(瑞典)(芬兰)(新西兰)信信道管理方式式专用信令信道道随路信令令专用信令信道道专用信令信道道专用信令信道道集集集中控制制分散控制制集中控制制集 中控制制集中控制制信信令规程程专用信令令L T R亚音频频专用信令令MP T一1 3 2 7 7 7MP T一1 327 7 7速速率率3 60 0bit/s s s30 0bit/s s s9600bit/s s s12 0 0bit/s s s1200bit/s s s调调制方式式直接 调制制直接调制制直接 调制制二次FFS K K K二次F F SK K K纠纠错方式式B CH码码检错错BC H码码BC H码码BCH码码入入网时间间2 60ms s s30 0ms s s240ms s s30 0ms s s30 0ms s s段 如3 5OMHz等。由于1 5oMHz频段已很紧张,4 5oMHz频段也相当拥挤,单独在1 5oMHz频段或45 0MHz频段拿出一定数量的频道已有困难,也可以是15 0MH:频段的几个频道和4 50MH:频 段的几个频道组合起来使用。电波在 自由空间传播时,其传输损耗为:L=32.4 5+Zolgd+Zolgf(dB)(l)式中d为通信距离(km);f为频率(MHz)。可 见在功率相同的条件下,频率越高,通信距离越近,频率越低,通信距离越远,也就是说,频率增高时,传输损耗增加。从 干扰角度看,外部 干扰 随频率的增高而减弱,频率高,外部 干扰就小。例如,城市中汽 车点 火 干扰频谱峰值主 要集 中在50一1 1oMHz左 右,因此,外界 干扰对35oMHz、45oMHz、8 0OMHz等频段的影响比较小。但从地形 地物来看,由于频率越高,绕射能力越差,而对建筑物的穿透能力则越强,对于城市、山 区、林区,要综合诸因素进行考虑。3.2频率的确定使 用什么频率除了 由无线电管理委员会按频 率分配原则及 实际情况外,从设计角度说,主要是考虑频道的干扰问题。在众多干扰中,互调干扰、同频干扰比较严重。另外,如果系统采用多基 站 网络结构时,则要采取传送同步信号方式,使各基站发射信号同步。4系统的话务量、容量和信道数集群系统中,无线信道是根据用 户需要 进行动态分配 的。当系统中所有信道均被占用时,处理新的呼叫流有损失制和等待制两种方法。对于损失制,系统给新的呼叫用户示忙,而对于等待制,用户排队等候服务。如 果集群系统主 要是用于 基地台与移动台之 间或移动 台与移动台之 间的调度,每次通话时间较 短,平均占用时长为205左右,因而 短的排队时间可以为用户所第4期傅为民:集群移动通信系统的组网设计3 9接受,可按等待排队制来考虑。如果 系统用 户与有线电话的连接是 主要任务,通 话 时 间相对长些,集群方式宜采用消息集群,对这种用 户用损失制考虑更为合理。4.1等待制对于等待制来说,遇忙时用 户排队等候,先等待先服务,故可把它 看作是 一种等待制全利用度系统。等待制系统通常存在两 种 占用 时 长分布,即指数分布和常数分布。根据分析,常数占 用时长的等待制全利 用度线束具有更大的话务负载能力。当移动 台数M远远大于信道数N且 呼 叫占用 时 间为常数时,呼叫等待时长r大于给定值t的概率为:P(。,一艺习A(W一:)(w+丁,N+“一一“_,_,、娜下布石于一产一万井了于 不一不下一一不一不兀一一一一eL气洲,广丈夕zv节广二v一1一产产孟(2)W=l产=0式中N为信道数,A为总流入负载强度,a为每信道平均流入负载强度,a一A/N,t为给定的呼叫等待时 间,以占用 时长为时间单位。统计结果,调度用集群系统中,每个空闲话源的平均话务强度夕一0.00 50.o0 8E r l。在实际工作中,用计算机计算(2)式,或用克罗米林分布 曲线直接查得。在系统设计中,一般先设定平均等待时间,那么当信道数N和尸(。:确定后,则可得 出a值,由此得 出:A=a.N(3)由(3)式可很方便地得出用户数:M=A/月(4)同理,当A、t和P(r,)确定后,同可得 出信道数N。4.2损失制在确定系统话务量前,先 设 定系统的呼损率EN,一般可取5%一1 0%,呼损率EN、系统话务量A和信道数N的关系 为:ENAN/(N!)习冲/(,)(5)式(5)计算也比较繁琐,可直接查巴尔姆表。当EN或N确 定后,可得出A值,也就可得出用户数 M一A/夕。当已知M和EN后,则A一户M,查巴尔姆表即可直接得到信道数N。值得 注意的是在一个系统中,总有一些 用户要求能与有线电话连接,因为无线用 户与有线用户通话时间 一般都远远 长于 调度电话,无论是等待制还是损失制,当集群系统 中支持无线一有线用 户互连的用 户太多时,会使系统可容纳的用 户数大大降低。为提高信道的利用率,在可能的情况下,尽 量控制无线一有线电话互连用户数,如1 0%左右;同时无线一无线用户通信可尽量采 用半双工方式,对 全双 工的 用户数也要适当控制,最 好不要 超过1 0%。此外,对 于一 个 系统来说,集群方式不 同,处 理话务量的能力也 不能,处理话务量的能力传输集群最高,准传输集群次之,消息集群最 低,如图3所示。5服务范围预测服 务范 围预测方式 有很多 种,各 有所长。一般可 利 用Egh模型进行工程计算,具体过 程略。电信科学1 99 5年因多数专用集群系统采用的是单基站大用户数(单位:千)区制,当手持台离基站比较远时,由于它的发射功率比基台低得多,造成电波传输上、下行的不平衡,有的相差比较大,这是专 用集群系统组网时普遍碰到的问题,因此在设计时应考虑采取措施解决电波传播中的上、下行平衡问题。(1)采用基站空 间分集接收,以克服由于多径效应所引起的快衰落。(2)适当增大手持机的发射功率,不同产品 其功率一般也不 相 同,可在设备选型时加以考虑,但大多在SW以下。/尸A A A/B B B川川川川川川/争争了洲洲洲/才才卜/训产产/C C C 不/口/沪沪尸/Z Z Z Z Z夕尹尹/厂厂厂厂洲洲洲务/尸尸尸尸尸尸沪沪户沪沪沪沪沪沪沪信道数10152 02 530A:传输集群B:准传输集群C:消息集群图3P(r0)一0.1时三种集群方式处理话务量能力的比较(3)提高接收机灵敏度,当基 站周 围环境噪 声 小时,也可 在基站接收 机前加 低 噪声放大器。(4)采用不 同增益的基站收、发天线,接收天线可选择高增益的有向天线。如把6副6 0。扇形面17 dB增益的定向天线组合起来使用。6现场测试与设 备选型6.1现场测试由于环境各异,电波传播复杂,影响因素多,理论计算会有一定的误差,有 的甚 至误差比较大,必要时,可进行实际测试来验证。6.2设备选型最后根据上述的系统体制、信令方 式、系统容量、信道数、无线电路等诸因素的分析及比较各类产 品的质量、性能,进行设备选型,然后 根据选定的设备情况提出经费预算。参考文献1田翠云,赵荣黎,蒋忠涌.移动通信系统.北京:人 民邮电出版社,19 902张富.电信话务工程.北京:人 民邮电出版社,198 63Co okr amP.Anoutlin eofthesta ndardproto e alfo rB andmtrunkedsystem.In:IE E EIntCo nfo nLa ndMobfileRa-d10.De e em be r,19 8 54MP T一1 3 27:asta nda rdsignallingpr oto e ol forB and.tr unkedsystems.I E E E一2 6 2Communie atio n,1 9865C le a rehann el L T Rap plie ationn ote.EFJohn s o nCompa ny,195 56魏惠琴、姚光忻.F A ST集群 系统分析.移动通信,1 9 94(3)7MOTOR OL A智慧网集群通信系统说明书8芬兰A C T IONE T集群通信系统介绍9新西兰T A IT集群通信系统介绍1 0张中兆等.集群移动通信.北京:人民邮电出版社,19 94作者简介 傅 为民,讲师,1 982年 毕业于南京航空学院,现 为浙江 公安高等专科学校移动通信教研室副主任,曾在有关刊物上发表多篇移动通信方面的文章。1 99 5年4月第n卷第4期电信科学T ELE COM MUNICA TION SS C IE N CEVol.1 1APril叮号瞻统计复用信道的数字用户环路复用设备张 秀茂曾志 民周继成(北京邮电大学培训中心北京10 0 05 5)摘要将信道 传输容量动态分配技术应用 于数字用户环路复用设备中,可有效地解决复用设备线路复用率和话音传输质量之间的矛盾,从而使复用设备具有最佳的传输效果。本文介绍 了一种性能优良的统计复用信道的数字用户环路复用设备。关键词U接口用户环路统计复用前言利 用窄带 I SD NU接口传输技术和A D P CM压缩编译码技术,可实现电话 网中用 户环 路的多路复用 l j。这种数字用 户环路复用设备由于采 用 了数字传输技术,使得原有模拟 用 户环路复用设备在一条用 户电缆的不 同线对中传输信号时,线对间信号相互串扰比较严重的 问题得到较好地解决,因而 得到 了比较广泛的应 用。在这 些数字用 户环 路复用 设备 中,线路信息传输容量一般均为144 kb/S z。由于信道传输容量 固定 地分配给每一 个用 户,因此存在话音传输质量与线路复用率不能兼顾的问题。如“0+8”复用设备线路复用率较高,但每条话路 只占16 kb/s传输容量,话音传输质量较低;“o+2”、“0+4”复用设备每条话路可占6 4kb/s或32k b/s传输容量,话音传输质量较高,但线路复用率较低。本文介绍的统计复用信道的数字用 户环路复用设备,将线路传输容量动态地分配给每一个用户,因此有效地解决复用设备线路复用率和话音传输质量 之间的矛盾,从而 使复用设 备具有 最佳的传输效果。2系统结构统计复用信道的数字用 户环路复用设备分为本地 设备LE和 远地设备R E两部分。LE装二国家8 63计划资助项目NetworkDesignofTr unkedMob i leCom munic ationSystemFuWeimin(Zhejia ngIn stitutefo rPolie eO ffie e r s,Hangzhou31 00 0 7)Abstra etInthispape r,theprob lemsintrunkedeommunieationsystemn etworkdesigna r ea nalys ed.Anditgive sthespe eifiepr o e es sa nd methodoftr unkede om munie ationsystemn etwo rkdesign,whiehgivesr efere n e eforde signingthetr unkede ommunie aito nsystem.Keywordstrunk ing,mobileeom mu nie ation,design(收稿日期:19 9 4一12一02,改定日期:19 9 5一0 1一07)