無線專網通信技術體制與標準的發展

2019-06-27 00:01:54 移動通信2019年3期

【摘? 要】回顧國際主流和國內無線專網通信技術和標準的發展歷程,說明無線專網技術和標準因應市場需求而不斷演進,最后介紹現階段專網發展“寬窄融合”、“公專結合”的發展思路。

【關鍵詞】無線專網;專用對講;數字集群;寬帶集群標準

中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)03-0006-06

引用格式:陸錦華. 無線專網通信技術體制與標準的發展[J]. 移動通信, 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? 市場需求逐步驅動專網通信技術和標

準發展

本文所討論的“專用移動無線電網絡(以下簡稱為專網)”僅指有關部門和單位為了提供日常調度指揮通信和應急通信等服務的無線電通信網絡。使用部門選擇專網是因為公用移動網不能滿足其指揮調度通信要求,或者公用網提供服務的地點、容量、時限等方面不能適應某些部門的需要。

從1920到1950年代,移動通信主要使用對象是船舶、車輛、飛機等,使用頻段主要是短波波段,設備為電子管的。從1950到1960年代,主要使用150 MHz頻段,后期發展到400 MHz頻段,由于晶體管的出現,移動臺向小型化得到了巨大的發展。1970年代,由于集成電路技術的應用,電臺的體積、重量和耗電都有明顯改進,這一時期人們開始研究800 MHz頻段的電波傳播特性和進行設備的研制,同一時期,國際移動通信開始制定專網通信標準。

時至今日,專網通信已經發展成為由常規專用對講機、數字集群、無中心對講機、寬帶集群多層次的技術體制,以滿足不同用戶群的需求,本文接下來將對無線專網通信技術體制與標準的發展進行探討。

2? ?模擬常規對講機的技術體制和標準

國際移動通信到1970年代才建立起自己的標準。1972年,國際電工委員會(IEC)發布了IEC 489-1~IEC 489-8有關調頻無線電話機和單邊帶電臺的測量方法,構成針對移動通信設備的一整套較完善的測量方法。

有關調頻無線電設備的性能要求主要反應在國際電聯無線電咨詢委員會CCIR第VIII組(后重組到ITU-R)的有關報告中,主要是CCIR 478-3號和319-6有關25 MHz—1 000 MHz陸地移動業務的設備技術特性和管理頻道劃分原則的報告。

有關移動通信調頻收發信機的性能要求和測量方法,先進國家和地區也都制定了標準,原美國電子工業協會EIA標準EIA 316《移動通信設備發射機性能標準》和EIA 204《移動通信設備接收機性能標準》和歐洲ETSI標準ETS 300 086《無線電設備與系統 陸地移動業務 主要用于模擬話音的帶內部或者外部射頻連接器的無線電設備的技術特性和測量條件》最具有代表性。

我國民用移動通信產品真正起步于1970年代中期,當時國產調頻機受元器件和研發和生產條件限制,只能規定100 MHz頻率以下產品的信道間隔為50 kHz,100 MHz頻率以上產品的信道間隔為100 kHz。產品的技術條件和測量方法結合當時生產廠的產品水平而定,產品可靠性也比較低。這就是通稱 的74系列調頻電臺通用技術規范,74系列是中國移動通信的啟蒙產品。

1980年代,我國電子部組織制定電子部標準SJ 2710、SJ2711、SJ2712,對27 MHz—470 MHz小型調頻(調相)無線電話機的技術條件、測量方法、檢驗規則、環境測試和可靠性試驗等都作了明確的規定。80系列標準規定在470 MHz頻率以下信道間隔定為25 kHz。從此我國調頻無線電話機標準得到基本完善,開始與國際標準接軌。

1990年代,隨著改革開放的擴大和深入,調頻無線電話機的市場需求越來越大,用戶對產品要求也更高。隨著國外產品大量進入中國,國產化的呼聲也高漲。為了監督進口產品的質量,給國產化產品有一個目標,同時給用戶進一步了解產品,急需一套與國際標準接軌的關于調頻無線電話機的標準。

1980年代中期,電子部廣州通信研究所對相關調頻無線電話機的國際標準,即IEC 489系列進行了驗證工作,該項工作為后來制定國家標準打下了基礎。1990年由國家技術監督局正式頒布實施GB 12192《移動通信調頻發射機測量方法》和GB 12193《移動通信調頻接收機測量方法》兩項標準。隨后,電子部廣州通信研究所又廣泛收集國際和先進工業國標準著手,了解和測試多個國家的市場銷售產品技術條件和性能,重新編制調頻無線電話機通用技術條件標準,1996年國家技術監督局頒布GB/T15844《移動通信專業調頻收發信機通用規范》,這三項標準組成了業內通稱的90系列標準。

3? ?模擬集群技術體制和標準

1970年代,美國500 MHz以下頻率資源已經幾乎分配完畢,而需求單位有增無減。美國聯邦通信委員會(FCC)決定開放使用800 MHz頻段。但是頻率使用必須采用一組頻率供若干個單位共同使用的方式,達到網內頻率資源共享的目的。美國FCC只規定了集群系統使用的頻段,沒有給予確定的技術體制,造成北美地區800 MHz集群系統的技術體制及設備多種多樣。但是,北美模擬集群系統的共同點是他們的頻率共用方式相同,都采用數字信令。

北美APCO(Association of Public-Safety Communications Officials-International,國際公共安全通信官員協會)曾經制定了APCO 16標準。APCO 16標準規定了信道接入時間、自動優先級識別、數據系統接口、系統用戶的個性化、指揮控制靈活性、系統擴容能力、頻率使用和可靠性等方面。雖然這項工作成功地制定了基本的性能標準和功能特性要求,但是沒有制定信令標準。

1980年代,歐洲(西歐)移動通信頻率資源緊張,面臨無頻率可分配的狀況。歐洲電信機構研究決定將VHF的電視頻段(174 MHz—225 MHz)提供給移動通信使用,必須采用頻率共用技術,使用一組頻率建成頻率資源共享的共用專業網。后來由英國電信與貿易工業部牽頭,制定出以MPT 1327《集群系統標準 信令規約》為主體的系列模擬集群標準。

MPT1327系列標準取得很大的成功,很快全球多個國家的移動通信設備提供商都能夠按照標準生產產品。后來,我國公安部也采納MPT 1327標準。

1990年代,我國頒布的國家標準GB15539《集群移動通信系統技術體制》和GB15874《集群移動通信系統設備通用規范》并沒有規定信令協議,但為產品進出口檢驗和國內設備研發提供了依據。

4? ?無中心多信道選址移動通信系統

無中心控制并非不要控制,而是充分發揮高速發展的單片微機的作用,把中心控制臺的集中控制轉化為各移動臺的分散控制。無中心屬于一種自集群系統,使移動臺由通常的被中心控制的從屬地位轉變為分散控制的自主地位。

1994年,我國發布了國家標準GB15160-1994《無中心多信道選址移動通信系統體制》,當時的主要依據是ITU-R建議M.1032附件1《個人無線電系統》,并參照了日本個人電臺RCR標準。

2007年,國家標準GB15160-2007發布,用以代替GB15160-1994。修訂后的標準較1994年國家標準和ITU-R建議M.1032更為先進。

5? ?窄帶數字集群和常規對講技術和標準

5.1? TETRA

TETRA是歐洲應不同歐洲申根國家之間跨境執法和應急救助的互聯互通需求而研制的支持互聯互通的數字集群通信標準。

1995年,歐洲電信標準協會(ETSI)發布了第一版的TETRA標準。除了語音和調度臺服務以外,TETRA系統還支持多種數據通信。TETRA采用TDMA(4:1)多址方式,信道帶寬為25 kHz,調制方式為π/4 DQPSK,調制速率為36 kbit/s,話音編碼為ACELP,數據傳輸速率為7.2 kbit/s(單時隙)到28.8 kbit/s(4時隙捆綁)。TETRA在全球取得巨大成功,成為應用最廣泛的數字集群標準。我國原信產部于2000年發布的SJ/T 11228《數字集群移動通信系統體制》采納了TETRA標準(體制A)。

5.2? APCO 25

APCO 25是美國應各個應急機構互聯互通的操作需求而研制的支持互聯互通的數字集群通信標準。

APCO 25分兩期實施。APCO 25 Phase 1要求APCO 25系統間能夠互聯互通,并且兼容模擬FM對講通信。

APCO 25 Phase 1的無線接口主要技術特征為:信道帶寬為12.5 kHz,多址方式為FDMA,調制方式為C4FM,載波調制速率為9.6 kbit/s,話音編碼為IMBE。

從2012年開始,各地的APCO系統將逐步升級到符合APCO 25 Phase 2標準。為了提高頻譜利用率,APCO 25 Phase 2使用2時隙TDMA方案。新建的700 MHz頻段數字集群集群系統必須采用P25 Phase 2標準。Phase 2使用AMBE+2聲碼器來降低所需的比特率,一個語音信道只需要6 kb/s(包括糾錯和信令)。Phase 2不向后兼容Phase 1(TDMA與FDMA操作)。有的廠家提供的APCO Phase 2系統能夠在需要的時候支持Phase 1的FDMA操作。對講機與對講機之間的直接通信模式仍采用FDMA。這樣使模擬窄帶調頻在一段時間內還可以稱為事實上的“互可操作”模式。

5.3? DMR

數字移動無線電(DMR)是歐洲電信標準協會(ETSI)為企業移動無線電用戶制定的數字無線標準。DMR標準分為三層(Tiers)。

DMR標準旨在于全球許可陸地移動頻段使用的現有12.5 kHz信道間隔內運行,并滿足未來等效于6.25 kHz信道的監管要求。主要市場目標是低復雜度的、比較經濟的數字系統。DMR提供語音、數據和其他輔助服務。

DMR Tier I標準僅適用于歐洲地區免許可PMR446無基礎設施(即不使用中轉臺)的直通對講通信,對講機的最大發射功率為0.5 W。在歐洲以外的地區,此頻率不存在免許可證分配。

DMR Tier II標準適用于從66 MHz到960 MHz的專網常規通信。DMR提高了頻譜效率,具有先進的語音功能和集成的IP數據服務。

DMR TierIII標準適用于從66 MHz到960 MHz頻段的集群通信。Tier III內置128個字符的狀態消息和短消息處理,最多可處理288位各種格式的數據。它還支持各種格式的數據包服務,包括對IPv4和IPv6的支持。

DMR無線接口的主要技術特征為:信道帶寬為12.5 kHz,多址方式為TDMA(2:1),調制方式為4FSK,EIST標準沒有規定話音編碼,但DMR協會推薦采用AMBE+。

由于DMR與其他數字對講和集群相比成本和復雜性相對較低,而功能逐漸豐富,所有該技術和標準在專網市場頗受歡迎。

5.4? PDT

PDT是中國“專業數字集群產業技術創新戰略聯盟”提出的警用數字集群通信標準。PDT標準分為集群標準和常規標準兩部分,并向下兼容模擬對講標準。2011年我國公安部科信局下發通知開始推廣,迄今已經在大部分省市公安系統得到廣泛應用。

PDT參考了DMR標準協議,對業務功能、PDT系統間互聯、話音編碼(NVOC)、與MPT 1327系統互聯、警用加密等做了規定。到2018年,制定了7項PDT國家標準,已經發布4項。

5.5? 專用數字對講設備標準

我國自2005年開始研究和發展數字對講機,2008年國家下達數字對講機標準制定任務,但是各層次企業對標準定位和技術體制選擇的訴求差別很大,因此標準技術體制的制定既要照顧到國內產業的自主技術創新,又要注重與國際先進技術的融合,既要有利于外向型企業的發展,又要滿足互利共贏、技術創新等新要求。

2016年,我國發布國家標準GB/T 32659-2016《專用數字對講設備技術要求和測量方法》。標準并列了A、B、C三種技術體制。體制A和B都采用TDMA技術,信道間隔都為12.5 kHz。體制A參照采用DMR標準,也包含國內企業的相關專利,并兼容模擬對講,適用于高端用戶。體制B包含較多自主創新的技術,也兼容模擬對講,適用于特殊用戶。體制C采用FDMA技術,信道間隔為12.5 kHz,完全自主創新,不兼容模擬對講,適用于中低端用戶。該標準不對聲碼器做具體要求。

5.6? 我國規定的其他數字集群標準

原信產部于2000年發布的SJ/T 11228《數字集群移動通信系統體制》采納了iDEN技術體制(體制B)。摩托羅拉公司向原信產部和數字集群標準工作組成員開放了iDEN標準。iDEN是美國摩托羅拉公司于1990年代初研制的數字集群技術,意思是綜合數字增強型網絡。它最初設計是做共網用的,因此除了以指揮調度業務為主外,還兼有性能較強的雙工電話互聯、分組數據和短消息等功能。

2004年信產部發布YDC 030-2004《基于GSM技術的數字集群系統總體技術要求》和YDC 031-2004《基于CDMA技術的數字集群系統總體技術要求》通信標準技術參考文件,確立了GT800和GoTa在中國的標準地位。GoTa和GT800都提供以數字集群共網為主,兼顧數字集群通信專網調度的業務模式,其網絡能夠吸引大量專業型大客戶群、高端商業用戶群,從而形成獨特的運營模式。

6? ?寬帶關鍵通信技術和標準

6.1? 技術體制的探索

從2000年到2009年,歐洲ETSI和美國TIA曾經合作開展“應急和安全應用移動性”(MESA)研究項目,ETSI也發表了有關最終功能和技術要求的技術報告,工業界對其熱情不高,因此MESA項目于2010年停止。

2010年以后,全球專網行業達成共識,采用主流寬帶技術(3GPP)實現高速數據和視頻應用。

6.2? 3GPP的MCPTT開放標準

關鍵通信寬帶解決方案要使用與主流移動網絡業務相同的技術。然而,從技術實現的角度來看,這并不是簡單拿來就可以使用的,因為關鍵通信的操作過程提出了當前消費品標準所沒有的要求,例如組通信和直接設備到設備通信。為了符合關鍵通信要求,需要對運營商的3GPP網絡技術進行額外的標準化工作。

2012年,3GPP開始著手啟動任務關鍵(Mission Critical)課題,研究鄰近服務(ProSe)和組通信(GCSE)。2014年,在R13標準研制中開始了任務關鍵型按講(MC Push To Talk)和公共安全孤站操作(Isolated E-UTRAN)的課題。2015年1月,成立SA6工作組,研究公共安全寬帶架構,同年啟動MCData和MCVideo研究課題(R14)。

從3GPP的R13標準版本開始,逐步引入MC PTT(任務關鍵按講通信)的業務。MC PTT包括任務關鍵型話音業務、任務關鍵型數據業務和任務關鍵型視頻業務。

6.3? B-TrunC

我國提出的B-TrunC(LTE寬帶集群通信技術)標準在兼容LTE數據業務的基礎上,增強了寬帶集群業務能力,提供專業級的數據接入和集群功能。

在集群調度業務方面,B-TrunC標準在3GPP R9的基礎上,保持了與LTE標準相同的空口協議棧結構,新引入部分邏輯信道,對NAS協議進行集群擴展,增加部分控制管理功能,以實現可靠的集群控制,B-TrunC還規定了面向行業應用的開放的調度業務接口。

B-TrunC的R1和R2寬帶數據接入業務與3GPP R9完全兼容,R3將與3GPP的R13/R14兼容。

7? ?現階段“寬窄融合”和“公專結合”的無線專網發展思路

專網用戶至今仍在使用高質量的以話音調度指揮為主的窄帶通信網絡,并獲得窄帶數據服務。這些窄帶專網技術和標準與專網用戶的運行操作需求非常匹配——豐富的功能、高可用性、高可靠性以及適應專網特殊操作場景。他們的商業模式也是專網,用戶自建網絡,或者用戶加入受政府控制的專網運營商提供的通信服務。

顯然,專網用戶也需要高速寬帶數據服務和相應的業務應用。隨著4G/LTE的出現,這種能力成為現實。從技術角度,3GPP標準制定需要分階段研制,才能最終實現類似TETRA那樣的關鍵通信功能。3GPP標準從R13版本開始,出現組呼、鄰近服務等規范,但是還達不到關鍵通信型的要求。從R15版本開始,將出現關鍵通信數據(MCData)和關鍵通信視頻(MCVideo)的功能要求。后續版本的關鍵通信要求還將不斷演進。因此,全球許多TETRA和APCO 25數字集群用戶還在采用新設備來更新即將報廢的系統設備,以滿足窄帶語音調度的要求。這些用戶同時采用商用LTE運營商的服務,或者自建LTE專網,提供非關鍵通信型的寬帶數據服務。現在也出現了融合窄帶數字集群和寬帶LTE的融合終端,但是,大多數用戶依然攜帶兩部終端,即窄帶對講機加智能寬帶手機的方式,因為大多數認為這樣使用起來更加合適,從全壽命使用成本來看也更加經濟。

從投資角度,寬帶網絡的建設投資和運營成本將遠遠超過窄帶數字集群網絡。在實踐中,不少國家對寬帶專網的“公專結合”的商業模式也進行積極探索。例如,美國為公共安全用戶在700 MHz頻段分配了2×10 MHz專網頻率,由寬帶網絡運營負責寬帶專網的運營,由服務提供商提供公共安全行業業務應用,并要求在沒有700 MHz專網的地方,網絡運營商要基于商用寬帶網為用戶提供寬帶服務(允許降級)。即采用“專網寬帶”加“基于公網的虛擬寬帶專網”的“公專結合”方式。英國則不分配寬帶專網頻率,招標運營商在商用寬帶網上,用虛擬移動運營商的模式建設虛擬寬帶專網。我國工信部已經分配了1.4 GHz和1.8 GHz寬帶專網頻率,地方政府對寬帶專網發展給與大力政策支持,不少地方和用戶也對“公專結合”的方式進行積極探索。

8? ?結束語

2018年全球知名市場研究公司IHS發表的研究報告表明,模擬對講設備和數字對講設備的發貨量在2017年持平,預計未來10年,窄帶對講設備的發貨量還將持續增長。而寬帶專網通信市場正蓄勢待發,預計到未來10到15年,寬帶專網通信設備發貨量將接近窄帶專網通信設備發貨量。

傳統的窄帶專網都是采用與公眾移動網不同的技術,例如TETRA,他們使用專用的頻譜資源,系統提供豐富的調度指揮業務,符合用戶群的管理和成本要求。由于寬帶無線通信技術的特性,基于3GPP(4G、5G及后5G)的寬帶關鍵通信技術將隨3GPP技術快速演進。

參考文獻:

[1] 電子工業部通信標準化技術委員會. 移動通信組網及工程設計[Z]. 1993.

[2] 電子工業部通信標準化技術委員會. 國家標準宣貫資料(GB 12192-90等)[Z]. 1997.

[3] 電子工業部通信標準化技術委員會. 電子行業標準《數字集群移動通信系統體制》報批報告[R]. 2000.

[4] 李進良. 《無中心多信道選址移動通信系統體制》標準解讀[J]. 中國無線電, 2007(9): 39-43.

[5] 百度文庫. 《數字對講設備技術要求和測試方法》送審稿通過專家組評審[EB/OL]. [2019-02-28]. https://wenku.baidu.com/view/0c35141f0722192e4536f65e.html.

[6] PDT聯盟. PDT標準簡介[EB/OL]. [2019-02-28]. http://www.pdt.org.cn/html/930/.

[7] APCO. International website, About APCO Projectse[EB/OL]. [2019-02-28]. https://apcoworldwide.com/.

[8] TCCA. TCCA View on Broadband Roadmap[Z]. 2019.

[9] TCCA White Paper. 4G and 5G for Public Safety Technology Options[S]. 2019.

[10] 3GPP/ETSI. Mission Critical Standard Roadmap[S]. 2017.

?
(function(){ var bp = document.createElement('script'); var curProtocol = window.location.protocol.split(':')[0]; if (curProtocol === 'https') { bp.src = 'https://zz.bdstatic.com/linksubmit/push.js'; } else { bp.src = 'http://push.zhanzhang.baidu.com/push.js'; } var s = document.getElementsByTagName("script")[0]; s.parentNode.insertBefore(bp, s); })();
战争彩金