集群通信系统是什么

小白 QA 2020-04-25 10:11:35 阅读(...)

集群通信系统是一种用于集团调度指挥通信的移动通信系统,主要应用在专业移动通信领域。该系统具有的可用信道可为系统的全体用户共用,具有自动选择信道功能,它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。

集群通信系统是一种用于集团调度指挥通信的移动通信系统,主要应用在专业移动通信领域。该系统具有的可用信道可为系统的全体用户共用,具有自动选择信道功能,它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。

集群通信系统是什么

简介

集群通信的最大特点是话音通信采用 PTT(Push To Talk),以一按即通的方式接续,被叫无需摘机即可接听,且接续速度较快,并能支持群组呼叫等功能,它的运作方式以单工、半双工为主,主要采用信道动态分配方式,并且用户具有不同的优先等级和特殊功能,通信时可以一呼百应。

追溯到它的产生,集群的概念确实是从有线电话通信中的“中继”概念而来。1908 年,E.C.Mo1ina 发表的“中继”曲线的概念等级,证明了一群用户的若干中继线路的概率可以大大提高中继线的利用率。“集群”这一概念应用于无线电通信系统,把信道视为中继。“集群”的概念,还可从另一角度来认识,即与机电式(纵横制式)交换机类比,把有线的中继视为无线信道,把交换机的标志器视为集群系统的控制器,当中继为全利用度时,就可认为是集群的信道。集群系统控制器能把有限的信道动态地、自动地最佳分配给系统的所有用户,这实际上就是信道全利用度或我们经常使用的术语“信道共用”。

发展历程

中国在 1989 年开始引进模拟集群系统,1990 年投入使用。随着数字通信技术的发展,集群通信系统也开始向第二代的数字技术发展,最主要的特点是采用了 TDMA(时分多址)和 CDMA(码分多址)通信方式。但是,中国的集群通信应用主要还停留在模拟技术水平,数字集群的应用较少。同时,由于各集群使用企业为了满足其各自不同的使用要求,采用了独立建设集群通信网络的方案,所以众多企业的集群网络在网间互联互通性、频率资源使用、整体建设等方面存在诸多问题。此外,国外通信巨头通过控制核心技术并设置专利等知识产权保护壁垒,使得内部接口基本不公开,技术开放性很差,系统和终端设备市场价格居高不下,也制约了中国数字集群的产业化进程和规模应用。针对中国数字集群产业发展的“尴尬”情况,信息产业部牵头制定了中国集群技术的发展规划,并在新的《电信管理条例》中第一次将数字集群纳入基本电信业务范畴,同时组织国内六大电信运营商在国内开展 800 兆数字集群商用实验。从运营商的实验情况来看,有中国卫通在济南、南京及天津开展了中兴基于 CDMA 技术体制的 GoTa 共网商用实验,中国铁通在沈阳、长春、重庆开展了中兴基于 CDMA 技术体制的 GoTa 和华为基于 GSM 技术体制的 GT800 两种技术体制的数字集群共网商用实验。从近几年的商用实验情况来看并不理想,在运营成本、市场需求、运营模式、有关标准的成熟性和适用性、与公众移动通信业务的关系上还没有探索出让国家满意的商用运营模式。

阻碍因素

从数字集群商用实验的实践情况来分析,造成我国数字集群共网发展缓慢的原因主要有以下几个方面。在发展数字集群技术上,考虑到国家的通信安全和几千亿元购买国外通信设备的投资成本,国家强调我们需要具有自主知识产权的数字集群通信系统,发挥民族企业的自主创新能力,发展民族的数字集群技术标准,控制核心技术,打破国外数字集群技术垄断。中兴推出的基于 CDMA 技术体制的 GoTa 虽然在国内取得了较快的发展,成功服务于天津港、潍坊城市应急联动、亚欧财长会议、南京十运会、青岛奥帆赛等国内重大项目和体育赛事,取得了 100 多项发明专利,并且已经走出国门,但也应看到同欧美传统数字集群技术体制 TETRA、iDEN 相比,我国数字集群技术体制从组网规模、呼叫延时、技术演进、终端质量和产业链上还存在一定差距。

地方监管

尽管 2001 年信息产业部无线电管理局下发信部无[2001]518 号《关于 800MHz 集群频率使用管理有关事宜的通知》,规定所有模拟集群通信系统在 2005 年 12 月 31 日之前必须停止运行的通知,但时至今日在已经具备共网条件的实验城市,一些传统模拟专网仍在运转,当地无线电管理部门因为自身利益的原因,并没有切实按照 518 号文的《通知》要求履行职责。

传统用户

一些靠国家财政拨款的强力部门和靠资源垄断经济实力较强的行业在国家数字集群运营政策还不太明朗的情况下存在自己建网的幻想,花钱不心疼,仅考虑部门和行业的利益,不算大帐,盲目自建专网,造成重复投资和资源的浪费,这也是中国数字集群共网建设很难推进的因素之一。

市场需求

中国企业经济形态还处于成本优先的初级阶段。改革开放 20 多年来,中国国民经济取得了较快的发展,GDP 连续 3 年成两位数增长,很多民族企业快速发展起来,但同欧美发达国家相比,中国企业的经济形态还处于起步阶段,整体经济水平不高。在很多欧美企业已由成本优先过渡到效率优先阶段的时候,中国大部分企业还处于成本优先阶段,在面对成本和效率时,成本因素考虑的比较多。在美国,像建筑、物流等工作流动性比较多的行业对数字集群的应用相当普遍,而在中国却很难推广。

运营商顾虑

传统模拟专网用户一般都选择自己建网,像公安部门考虑通信安全、保密的因素需要建公安专网。一些没有经济实力建网的用户,成本因素考虑较多,很难说服用户入网,即使入网 ARPU 值也较低,资源贡献率十分有限。随着蜂窝技术的发展,公网运营商通过分组数据技术已能在 2.5G 网络上提供 POC(PTToverCellular,简称 POC)业务,虽说受接通时间过长、占用资源过大、影响公众用户通信的限制,但能满足对接通时间要求不高的小规模低端用户,这对共网集群运营商还是有不小的冲击力。面对不太理想的市场环境,运营企业顾虑重重。

人才匮乏

集群技术在我国发展已有 10 余年,但都是以专网的形式存在,主要是本单位内部使用,缺乏共网提供服务的运营经验。数字集群共网发展需要一种规模效应,国内主导电信运营商对数字集群兴趣不大,而非主导运营商又大量缺乏运营人才,更确切地说是缺乏数字集群运营专才,因此从某种程度上运营人才匮乏也是限制数字集群共网发展的因素。

运营模式

中国经济的发展和城市化进程的加快使得社会经济形态越来越追求高效,社会对于高效处理紧急突发事件、信息安全的要求不断提高,加之频率资源的日趋紧张,如何提高频率利用率,实现资源的最佳配置,加强政府应对紧急、突发事件的快速反应和抗风险能力已经成为我们面临的首要任务。在这种情况下,数字集群共网必将成为未来数字集群通信的发展方向,并且中国数字集群共网的运营必须是在体现社会效益的基础上体现经济效益,毕竟在面对非典、地震、恐怖活动等突发事件时,人的生命是第一位的,这种情况下是无法用经济来衡量集群共网的作用和价值的。

运营案例

在数字集群共网运营方面,欧美等发达国家已有比较成功的案例,美国 Nextel 是发展共网数字集群比较成功的运营商,但其诞生之时正值美国模拟移动通信标准混乱的时代,Nextel 凭借类似于 GSM 的 iDEN 网络取得了较大成就,但我国却没有那么好的市场环境和机遇;欧洲芬兰政府选择芬兰电信 SONERA 作为运营商合作组建专门的运营公司经营 VIRVE 网,该公司由内务部出资 60%,SONERA 公司出资 40%,运营公司只负责物理网络的运营,而用户的管理及通信的管理均由用户部门在各自的虚拟专网中进行;比利时政府于 1998 年专门成立了 ASTRID 公司,作为全国性数字集群政府共用网的运营商,在 ASTRID 公司中,联邦政府占有 61%的股份,地方政府占有 39%的股份,联邦政府每年向 ASTRID 公司拨款作为运营维护费用。

当前运营模式

当前业内很多专家普遍认同的数字集群运营模式是“共网专用(服务于国家公共安全),专网共用(服务于企业生产调度)”的共网与专网并行的运营模式,本文认为在共网专用服务于公共安全通信方面不利于国家吸纳外部资金,为此将可能背上很大的投资包袱,同时造成通信资源不能有效利用的局面;在专网共用服务于企业生产指挥调度方面很可能又回到模拟集群发展时代,各自为政、自筹建网,因为中国当前的经济形态还不足以支撑运营一张数字集群共网,像机场、港口等经济实力较强的行业可能选择自己建网。

适合模式

中国在数字集群共网的运营模式上不妨借鉴参考芬兰和比利时的成功经验,结合中国国情,建立一支由政府控制的“国家队”来管理,必要时牺牲公众用户的通信需求,保证消防、警察、救援等重要部门的通信安全,形成自己的数字集群共网运营模式。我国未来数字集群的发展服务于公共安全指挥和生产调度,公共安全是重中之重,其次是生产调度,也就是说数字集群共网运营必须以体现社会效益为主,像欧洲芬兰、比利时政府,在以公共安全为主导的共网运营模式上,必须以政府为主导,建立一只以政府为主的国家公共安全运营队伍。

为促进无线移动通信产业的健康发展,政府不妨引导公网运营企业在未来 3G 公众移动通信网上开放基于 SIP 协议的 POC(PTToverCellular 简称为 POC)业务,作为公众移动通信的增值业务,在低端非专业集群用户市场上同集群共网展开竞争,处理好共网集群与公众移动通信网之间的竞争关系,促进无线移动通信产业的健康、良性发展。形成以数字集群共网为主服务于国家公共安全和高端企业生产调度,公网 POC 业务为辅服务于低端非专业用户;专业集群以体现社会效益为主经济效益为辅,公网 POC 以体现经济效益为主社会效益为辅,两者相互补充协调发展。

关系

与 PoC 关系

数字集群和 3G 网络 PoC 业务都可以实现 PTT 功能。数字集群是基于信令通道的解决方案,在通话过程中,语音数据和信令数据都汇集到事先建立好的通道上传输;3G 网络的 PoC 业务采用 VoIP 技术,核心网基于 IMS 架构,在移动终端和业务应用服务器间运行高层信令协议,把话音数据捆绑到 IP 链路上。数字集群和 PoC 在技术实现、网络要求和市场定位方面都有很大的差异。数字集群主要应用于移动专网,而 PoC 业务主要是公众蜂窝移动通信系统的无线增值业务。

技术特点

1.中国几种数字集群技术

中国主要应用的几种数字集群技术包括欧洲的 TETRA,美国的 iDEN,以及国内自主知识产权的 GoTa 和 GT800。

(1)TETRA

TETRA 是由欧洲电信标准协会(ETSI)推荐的标准。TETRA 系统是一个空中接口信令开放的系统,并大量借鉴了 GSM 的概念。它基于 TDMA 方式,在 25kb/s 带宽内分 4 个信道,采用较先进的 ACELP 语音编码方式和(π/4)QPSK 数字调制技术。它支持连续覆盖和大区覆盖,并且支持脱网直通和端到端加密功能。TETRA 系统在调度功能上是比较完善的,所以它非常适合做专网,尤其是军队、武警、公检法等单位。

(2)iDEN

iDEN 是由摩托罗拉公司推出的,它也采用 TDMA 制式,在 25kHz 的信道上分 6 个时隙(已经开发出 25kHz 带宽上分成 12 个时隙)。它的 VSELP 语音编码和 16QAM 调制技术都比较先进。iDEN 系统的起源设计就是作共网用的,所以它是集指挥调度、双工互连、分组数据和短消息于一体的工作方式。

iDEN 系统是以调度为主的,又是根据公网考虑设计的系统,所以它的基本调度系统功能包括:组呼通话、私密通话、通话提示、来电显示。调度的先进功能包括:优先级、紧急呼叫、状态信息、多组扫描、区域限制、孤立站运行、调度台等。iDEN 系统也有虚拟网功能,通过虚拟专网(VPN),最终用户可以管理其终端用户的终端配置,包括开户,增加新业务,更改调度私密号、组号、电话号码,重新编组以及随时取得详细通话清单和使用统计等。

(3)GoTa

GoTa(全球开放式集群架构)是由中兴公司自主研发,基于 CDMA1X 技术面向新技术演进的数字集群通信系统,目标是满足共网集群需要,兼顾专网集群应用。

GoTa 系统基于 CDMA 多址方式,它采用 16QAM 和 QPSK 的调制方式和 QCELP 语音编码技术,频分双工,上下行各 1.25MHz 带宽,间隔 45MHz。GoTa 的空中接口在 cdma2000 技术基础上进行了优化和改造,核心网采用独立的分组数据域,基于 A8/A9 和 A10/A11 标准接口,可以公开并标准化。

GoTa 具有一定的技术优势,解决了基于 CDMA 技术实现集群业务的关键技术。在处理通信连接时也采用了共享的方式,减少网络处理呼叫的时延。GoTa 具有快速接入、高信道效率和频谱使用率、较高的用户私密性、易扩展和支持业务种类多等技术优点。

在 GoTa 系统的设计中充分考虑了数字集群通信共网的特点,面向移动运营商开发设计,充分考虑了移动商务用户的需求,可以用一部终端将集群调度业务、普通语音业务、分组数据业务、众多增值业务(短信、定位)等多种通信服务集成于一个网络中。GoTa 系统的灵活性高、性价比优异和功能全面等特征,为运营商开辟出更多的赢利空间。

(4)GT800

GT800 系统是由华为公司研发的基于 GSM 技术的数字集群系统。GT800 是基于 GPRS 和 GSMR 技术开发的系统,其第二阶段将与 TD-SCDMA 技术结合。华为公司研发 GT800 系统是面向国内数字集群市场需求,参考现有数字集群系统的业务特性,尤其是在快速呼叫、群组业务、优先级控制、安全保密、故障弱化方面进行了大量工作,可提供满足国内专业移动通信需求的完整集群调度业务。同时,为满足用户对高速数据业务的需求,GT800 通过 GPRS 技术,实现可变速率的数据传输功能。GT800 的第二阶段通过引入 TD-SCDMA,进一步提供最高速率为 2Mb/s 的数据业务。

GT800 可以提供广泛的业务,包括基本通话、短信、集群调度、优先级抢占、快速接续以及基于位置的路由等,同时还提供基于 GPRS 的数据业务。GT800 适合集群通信的共网运营,也适合民航、铁道、水利、市政、交通、建筑、抢险救灾、矿区等专业部门自建专网。

2.3G 网络的 PoC 业务 3G 网络的 PoC 业务标准主要由 OMA 来制定,并基于 3GPP 和 3GPP2 的 IMS 网络架构。

(1)PoC 业务概念和业务特征

PoC 是一种双向、即时、多方通信方式,允许用户与一个或多个用户进行通信。该业务类似移动对讲业务——用户按键与某个用户通话或广播到一个群组的参与者那里,接收方收听到这个发言声音后,可以没有任何动作,例如不应答这个呼叫,或者在听到发送方声音之前,被通知并且必须接收该呼叫。在该初始语音完成后,其他参与者可以响应该语音消息。PoC 通信是半双工的,每次最多只能有一个人发言,其他人接听。

PoC 的业务特性包括:

●PoC 群组可以是预先定义的,也可以是临时建立(Adhoc)方式的,或者类似聊天室的方式,用户自行加入聊天组。

●用户通过请求发言权实现发言,发言权的控制有一套严格控制机制。

●发言权由 PoC 业务实体授予,如果在一段时间(业务提供商设置)之后用户没有发言,发言权将会超时而失效。

●PoC 业务实体可以在其他被叫用户接受会话邀请之前,先给发起用户发送指示,如果没有用户接收到媒体流,PoC 参与者可以获得提示。

●PoC 可以与互联网现有类似语音性质的业务进行交互,如在线游戏,包括音频功能的即时消息等。

在 PoC 体系结构中,对用户的发言权控制是非常重要的概念。发言权控制主要是在用户平面来完成,基于 RTP/RTCP,同时 OMA 又定义了 RTCP 的一种 APP 应用,称为 TBCP 协议,从而实现了 PoC 媒体流的分发和发言权的控制。对于会话的信令控制主要是应用 SIP/SDP,实现 SIP 注册、路由和安全方面的管理,从而保证 PoC 会话的完成。

(2)IMS 对 PoC 的支持

I MS 对 PoC 的支持主要实现在 PoC 业务的注册和安全、SIP 信令路由、SIP 信令压缩、地址解析、对标识隐藏的管理以及计费等功能。

在 IMS 的注册中,首先用户建立 PDP 上下文,通过 GPRS 请求或者 DNS 解析过程发现 IMS 中的 P-CSCF。P-CSCF 把注册请求转发给 I-CSCF,通过 I-CSCF 问询 HSS 而找到 S-CSCF。在 S-CSCF 中实现注册过程。在这个过程中 PoC 用户和 S-CSCF 通过 AKA 算法实现双方的认证和鉴权。

当用户注册和鉴权成功后,PoC 用户可以发起组呼请求。在会话邀请的 SIP 消息头 Contact 的 Tag 中添加“+g.poc.talkburst”或者“+g.poc.groupad”,从而标明这是一个 PoC 群组会话。P-CSCF 把呼叫邀请转发给 I-CSCF,问询归属的 S-CSCF 的地址,从而把邀请转发给 S-CSCF。S-CSCF 通过从 HSS 下载的 iFC(初始过虑规则),根据业务触发点,把会话邀请转交给响应的 PoCserver。PoCserver 进行会话控制,并通过 IMS 把会话邀请转发给组内其他用户,在经过媒体授权和协商后,组呼可以建立。

PoC 业务的计费基于 IMS 的计费框架,可以根据事件计费、组会话计费、发言计费等。

另外 PoC 业务还应用了 IMS 中的 SIP 信令压缩功能,信令压缩是为了节约链路资源,减少延时,在 PoCClient 和 P-CSCF 上实现 SIP 信令的压缩和解压缩。同时 IMS 还支持对其他用户或部分用户实现用户标识隐藏。另外,在 IMS 中考虑到 PoC 会话媒体承载响应时间和媒体 QoS 平衡,使用了 SIP 信令的 QoS 等级。

发展趋势

发展趋势

数字集群的发展趋势

我国数字集群通信的发展现状同国外发达地区相比还处于初期阶段,具有自主知识产权的数字集群系统也刚刚开始发展,无论从数字集群通信的市场发展还是民族产业发展角度来看,都存在着很大的发展空间,这种现状对于我国今后数字集群通信系统的发展是挑战也是机遇。

在我国数字集群通信发展的过程中首先应处理好和公众移动通信系统的关系。数字集群通信是面向集团用户提供以指挥调度业务为主的专用移动通信系统,而公众移动通信是面向普通大众用户以提供话音和数据业务为主的公共移动通信系统。二者的定位不同,技术特点也不同。应避免重复过去通过集群系统提供公网业务的弯路。同时,从公众移动通信系统的技术发展水平来看,还不能替代集群系统,公网提供 PTT 业务只能作为一种增值业务,其性能指标远不能满足集团用户对专业指挥调度通信的需求,同时也不能提供集群通信所需要的各种服务质量级别和优先级。这些功能在集群网络中,尤其是在集群共网中是非常重要的。

发展未来

第一推动力

中国卫通、中国铁通都把数字集群业务当作发展重点来推广,不过两者略有侧重。中国卫通借助“卫星通信、天地一体”的优势,利用卫星通信与地面集群通信结合,构造了安全保障性能更高的应急通信体系,并已在城市应急联动建设上有所突破。

据中国卫通工作人员介绍,中国卫通在山东潍坊的城市应急联动建设已经成为“样板工程”被广泛推广。又传出了中国卫通中标青岛集群通信建设的消息。中国卫通数字集群通信网已实现北京、上海、天津、济南、南京、青岛和潍坊等城市的覆盖,实现政府部门、港口、交通、能源、物流等多个领域的应用,并成功为“第十届全国运动会”、“上海 APEC 会议”、“上海 F1 大赛”、“天津亚欧财长会议”、“青岛国际奥帆赛”等重大会议和赛事活动提供了高效优质的通信保障。

在奥运通信方面,中国卫通下属的北京正通公司负责北京地区的奥运数字集群建设。2007 年,北京正通成功地为“两会”、“市党代会”、“世界跆拳道锦标赛”等活动提供数字集群调度通信保障服务。北京正通在确保数字集群通信网络三期扩容工程建设圆满完成的同时,正在接受针对数字集群通信保障能力和服务水平的 23 项奥运测试赛的严格检验。

中国铁通则借助铁路集群调度的深厚经验,努力在集群通信市场开创新天地。中国铁通推出“一迅通”数字集群业务后,已在沈阳、长春、重庆三个城市建立了商用试验网络。中国铁通的数字集群业务已经在以上三个城市得到了广泛应用。

此外,中国铁通还承担了秦皇岛市“国际女子足球邀请赛”的通信保障工作,这也是奥运测试赛的一部分,铁通的“一迅通”数字集群业务也将受到严格检验。

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