无线(集群)数字调度通信系统通用方案

一、系统概述
    探真公司高质量、高可靠的数字无线集群通讯系统在改善劳动生产力和提高工作效率起到关键作用。探真公司无线集群数字机系列拥有更强大的技术基础和增强特性，可以为专业用户在许可频段提供可定制的，业务实时性强的，保密性高的通信解决方案。
    探真公司无线集群数字机系列集出色的双向无线通信功能与数字技术于一身，可提供更高的容量和频谱效率、集成的数据通信和增强的语音通信。

    探真公司无线集群数字机系列是一套集成语音和数据系统的解决方案，由车载台、手持台、音频和电源配件、中继台、文本消息服务，以及第三方应用开发包组成。

    探真公司数字 系统
二、系统总体技术优势
    探真公司数字无线通讯系统总体具备两大技术优势：提高频谱利用率及增强音频质量

    探真公司所使用的数字无线对讲机技术可以概括如下图：

   图 2-1 探真公司 数字无线对讲机技术
   注：Vocoder&Forward Error Correction = 语音编码和前向纠错，Framing＝ 成帧， Transmission Encoding & RF Ampliation = 传输编码和射频放大，2-slot TDMA = 双时隙时分复用
1、数模转换
 当对讲机用户按下PTT（通话按键）开始讲话时，他的声音将传入对讲机的麦克风并被从声波转换成模拟电波。模/数转换器将对这种波形进行抽样。在典型的无线对讲机应用里，以8kHz进行16bit的样本的采样，将产生一个128,000bps的数字码流。这个数字码流包含的信息量远远超过一个12.5kHz或者25kHz的无线信道的带宽。因此必须进行某种形式的压缩。
2、语音编码和前向纠错 (FEC)
 语音编码技术通过将语音信号分解为多个最重要的部分，并利用少量的比特将之编码，从而实现压缩语音信号。由于这种技术主要是对人类的语音信号进行处理，从而大大降低了背景噪声。语音编码技术对语音比特流进行压缩，以适应窄带的（对于华络通信而言）相当于6.25kHz的无线信道。华络通信数字系统采用了业界领先的Digital Voice System有限公司（DVSI）开发的AMBE+2 TM语音编码器。这种独特的编码器将语音分成若干短音段（典型长度为每段20-30毫秒）。通过过分析每个音段提取出一些重要的参数，例如音高、声级以及频响等。AMBE+2TM是第一个能以非常低的比特率提供堪比传统有线电话系统的长话级语音质量的语音编码器。
 结合语音编码技术采用了前向纠错技术。前向纠错是一种数学校验和技术。该技术允许接收机检查出接收信号中可能出现的错码，并可能纠正因射频信道缺陷而产生的误码。前向纠错技术有效的控制了可能对模拟信号造成失真的噪声，从而实现在整个覆盖区域内更一致的语音性能。
3、成帧
 编码后的语音（或数据）信号被组装成一定的帧格式以便发送。成帧过程将语音（或数据）和嵌入式信令信息（例如色彩码，组ID，PTT ID，话务类型等等）生成数字数据包。这些数据包由包头和有效载荷组成—包头包含话务控制和地址信息，载荷包含编码后的语音（或数据）。这种结构也能转播IP包—IP包是华络通信数字对讲机载荷的另外一种形式。包头所携带的信息在整个传输过程中周期性的重复，这增加了信令信息的稳定性，同时也使接收对讲机能够加入一个已经开始的语音呼叫—我们将这种情形称之为“迟接入”。
4、TDMA传输
 成帧后的信号最终通过编码进行调频（FM）传输。包含数字包的码流被编码成符号以表征调制载波的幅度和相位，最后，信号被放大后发射到空中。
 时分多址（TDMA）技术将一个信道分为两个时隙：特定对讲机的发射机只支持短突发，从而延长了电池工作时间。此外，通过仅在其交替时隙上发送信号，两个呼叫可以同时共享一个信道，从而使频谱效率提高一倍。使用TDMA，一台对讲机只在属于它的时隙上发送信号（即，发送一个信息突发包，等待，然后再发送下一个信息突发包）。
5、双时隙TDMA频谱效率
 一个无线电通信信道由它的载频和带宽所定义。可以使用的载频被分为几个主要的频带（如甚高频VHF和超高频UHF），现今在用的模拟信道带宽大多为25kHz或12.5kHz。随着无线通信技术的迅速发展，频谱资源日渐匮乏，能够让一定区域内更多对讲机用户共享频谱的新标准和新技术成为迫切的需要。提高频谱效率的要求来自于国家管理机构。在VHF频段和UHF频段的12.5kHz信道上承载两路话务（相当于6.25kHz效率）成为一个必须的要求。目前，FCC已经制定了要求制造商生产具备6.25kHz效率的VHF频段和UHF频段对讲机的规定。尽管这些规定暂未强制执行，但华络通信数字系统提供的将12.5kHz信道分为两个独立时隙的方案，则已经达到了6.25kHz的效率。
 探真公司无线集群数字系统采用双时隙TDMA技术。这种技术将信道分成两个交替时隙，从而在一个12.5kHz的物理信道内建立了两个逻辑信道。每个呼叫仅使用其中一个逻辑信道，每个用户访问一个时隙就如同访问一个独立的信道。发射对讲机仅在自己的时隙内发送信息，在另一时隙则处于空闲状态。接收对讲机则对两个时隙都进行监视，并依据每个时隙所包含的信令信息来决定接收哪个呼叫。模拟对讲机则工作于频分多址（FDMA）方式。在FDMA方式下，每个发送对讲机在一个指定的信道上连续发射，而接受对讲机则通过调谐到正确的载频以接受相应的信息。TDMA技术为在12.5kHz中继台信道上达到相当于6.25kHz频谱效率提供了一个简单的方法，这为使用日益拥塞的许可信道的用户带来了巨大的便利。

          当今的模拟系统                           VX数字系列

 当今的模拟系统与华络通信数字系统的对比

6、减少基础设施
 双时隙TDMA从根本上使系统容量加倍。这意味着一台华络通信数字的中继台可以替代两台传统的中继台（因为一台数字中继台同时支持两路呼叫）。这节省了中继台的硬件成本和维护成本，同时也降低了多信道配置所需的射频连接设备的成本和复杂度。更重要的，双时隙TDMA信号正好适合用户现有的许可信道，用户无需为增加的系统容量申请新的许可。同时，相对于可能需要不同信道带宽的其他解决方案来讲，双时隙TDMA技术引起邻道干扰的风险较小。
 双时隙TDMA提供的两个时隙（两个逻辑信道）具有大量的潜在用途。配置华络通信数字系统时，可以按照如下一些方式来使用这两个时隙：
 将两个时隙都用作语音信道，从而使每台许可的中继台信道的语音容量加倍；
 增加了系统能够容纳的用户数量
 增加了用户能够消耗的呼叫时间
 将两个时隙都用作数据信道，从而全部提供数据业务；
 将一个时隙用作语音信道，另一个时隙作为数据信道，这种灵活的方案为语音用户同时提供移动数据、文本消息或者位置追踪等业务。
 无论用户采用何种方式配置系统，都将在现有的许可中继台信道上体验到更多的好处。
7、数字音频覆盖范围
 当所有其他因素（如，发射功率、天线高度、地形等等）都相同时， 数字无线通讯系统提供3级DAQ，即，公共安全应用的最低可接受语音质量的覆盖范围，比模拟系统大得多。3级DAQ的定义是：“语音清晰易懂，但偶尔因噪声/失真需要重复”。模拟音频和数字音频在覆盖范围上的最大区别在于其音质在整个覆盖区域内的衰退方式不同。模拟音频的音质是线性衰退的距离越远信号越弱通话质量越差，而华络通信的数字音频则表现更为恒定。因为华络通信数字系统的差错保护技术将噪声影响降到最低，从而保证了极为出色的音质。

   模数信号音质-强度对比

   注：AUDIO QUALITY = 音频质量，SIGNAL STRENGTH = 信号强度，Area of Improved Performance = 性能提升的区域

   演示相比于相当的模拟站点，具备相当语音质量的华络通信数字系统站点的覆盖范围。
8、数字音频性能的用户预期
   从终端用户（收听者）的角度来讲，数字音频的表现同模拟音频相比具有许多不同之处。因此，为用户设定合适的使用预期是系统规划的一个重要方面。
   数字语音业务将带给用户以下体验：
   在整个覆盖区域内一致的语音性能，不会在边缘地带降低通话质量：
   模拟信号会随着接收器远离发射器而逐渐衰退，而数字信号在整个覆盖区域内表现更加恒定。
   然而，在跨越覆盖区域边界的时候，数字信号更容易突然地从“好”变“无”。这意味着用户无法依据逐渐衰退的音质来得知已临近覆盖区的边缘。但另一方面，在到达边界之前，数字信号仍能保持清晰，而此时模拟音频将充满噪声。
   数字语音听起来不一样：
   语音编码处理用最少的比特带来最优的音质。一些用户发现数字语音的音质听起来和模拟语音不一样。因为语音编码专门强化人声，对其他声音诸如音乐和音调并不准确重现。而且，数字音频可能带来端到端的声音延迟。当遇到不可恢复的错误或信息丢失时，数字音频还会“人为”生成一些特有的声音。
   背景噪声降低：
   探真公司无线集群数字系统强大的声码功能还降低了背景噪声。无论发送端环境如何，接收端只对语音进行重建，而背景噪声（如机器噪声、风噪声和交通噪声）都不会被重建，因此也不会被听见。这是华络通信数字语音解决方案优于典型的模拟方案的关键所在，在噪声环境下（如工厂，商店，工地或多风的场地）都不会明显的影响通信的可理解度。
   数字语音业务不能为用户提供的体验：
   提供“CD级”音质
   首款业内使用AMBE+2TM 低比特率声码器提供通信级音质的对讲机。终端用户不应认为对讲机系统中的“通信级”数字音频可与CD和DVD的高保真音质相比。
三、集群系统实现的主要功能
1、动态分配信道
   集群系统通过嵌入中继台内的复杂控制逻辑软件实现了动态信道分配与系统信道管理。只有当用户发起呼叫时，才会占用信道，通话结束则立即释放信道，所有系统用户可共享所有信道资源。信道利用率远高于常规用户只能使用固定信道的方式。
 1）集群系统的动态分配信道的特点
   （1）动态的守候信道
   （2）守候信道可以是系统中的任何一个信道
   （3）守候信道在系统运行时频繁地切换
   （4）守候信道是空闲或不工作的对讲机守候的唯一信道
   （5）不在呼叫状态的用户会停留在最近的休闲信道上
   （6）所有新的语音呼叫都在休闲信道上开始
 2）集群系统信道管理的基本方法
   （1）当新的呼叫开始时，休闲信道会：
   （2）转移到一个新的空闲信道上
   （3）通知所有空闲的对讲机转移到空闲信道上
   （4）原有的空闲信道转换为通话信道
   （5）开始在这个通话信道上中继语音通信
   （6）当通话中止时，这个通话信道会：
   （7）该中继台会通知对讲机新的休闲信道或相关的信道
   （8）对讲机会转移到中继台通知的信道上
2、话音功能
 1）呼叫功能
    组呼
    通过数字组呼，通话组可以共享一个信道，而不会干扰其他对讲机用户。通常，需要相互通信的对讲机用户可组成一个通话组，被配置为该通话组的成员。
    私密呼叫
    通过私密呼叫，对讲机用户可以直接与另一位对讲机用户进行通信，而不论其是否属于同一个通话组列表。 通过私密呼叫，可以在发射端和接收端的对讲机之间，进行一对一通信。 员工可以通过私密呼叫，私密地向特定管理者提示某个安全意外事件，而不是发起组呼，使全组成员都知道。
 2）数字信令功能
    数字信令功能包括PTTID和别名、遥毙对讲机、远程监控、检查对讲机、呼叫提示和数字紧急呼叫等。
    PTTID和别名
    通过客户端软件（CPS）或前面板进行编程时，屏幕将显示一个简单明了的 “名称”。这样，目标对讲机就可以识别呼叫发起方。
    遥毙对讲机
   通常，主管对讲机可利用该功能，通过无线信令，遥毙另一台对讲机。遥毙的对讲机的屏幕将显示空白，并且不能发起或接听呼叫。 利用该功能，可以阻止任何不当使用对讲机，或使被窃对讲机无法工作
   远程监控
   远端用户可以利用这个功能，在一段时间内激活目标对讲机的麦克风和发射机，从而不知不觉地在目标对讲机上建立呼叫，并远程控制其PTT功能，而最终用户对此却一无所知。 该功能主要用于探明已开机但无响应的目标对讲机的状态，包括诸如对讲机被窃、对讲机用户不会使用等情况，或者允许紧急呼叫发起方在紧急状况下进行免提通信。
   检查对讲机
利用这个功能，发起方对讲机可以检查系统中的目标对讲机是否处于激活状态，而其用户不会知道。除了繁忙LED指示灯，发射LED指示灯也会点亮（以表明发送了确认消息）。
目标对讲机上不会出现可以看见或听见的指示，目标对讲机将不知不觉地自动向发起方对讲机发送一条确认消息。 如果对讲机用户无响应，那么，可以借助检查对讲机功能，确定目标对讲机是否开机并监控信道。如果目标对讲机发出了确认消息，那么，发起方可以执行其他操作，如发出远程监控命令，激活目标对讲机的 PTT。
   呼叫提示
   利用该功能，发起方对讲机基本上可以确保呼叫到另一位对讲机用户。 当目标对讲机收到呼叫提示命令后，将发出持续的视听提示，并显示该呼叫提示的发起方。 如果当呼叫提示屏幕处于激活状态时，目标对讲机用户按下了PTT键，那么，目标对讲机会向该呼叫提示的发起方发起私密呼叫。 对于车载台，该功能常常与喇叭和车灯结合使用。当用户不在车内时，呼叫提示可以使车辆的喇叭鸣叫、车灯闪烁，从而告知用户返回车辆，呼叫发起方。

   数字紧急呼叫    

   对讲机允许处于危急状况的对讲机用户，向系统中的主管对讲机发送经确认

的紧急报警消息和紧急呼叫。紧急报警消息包含了发起方的对讲机ID。
 3）数据功能
   支持数据通信，包含短信、遥感遥测等。

   单站集群示意图