集群系统设计规划中若干问题考虑

一、概述

随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，集群通信应运而生。80年代，国际上相继推出了模拟集群系统，欧洲以400MHz频段为主，主要系统有诺基亚MPT1327模拟集群系统;美国以800MHz频段为主，主要系统有通用公司EDACS模拟集群系统、摩托罗拉公司Smartnet模拟集群系统、E.F Johnson LTR模拟集群系统等。

频率资源的匮乏和计算机通信的飞速发展以及计算机网络与通信网络的融合又推动了集群通信的进一步发展，集群通信数字化已势不可挡。上世纪末本世纪初，国际上相继推出了各种标准的数字集群系统，主要有欧洲的TETRA标准、美国的APCO标准、摩托罗拉公司的iDEN标准、以色利的FHMA跳频标准等等，而在这些标准中，以TETRA标准为代表的数字集群系统发展最为迅速。目前，我国正着手研究制定警用数字集群通信标准PDT。

二、集群系统的设计考虑

集群系统的建设是一个规模盛大的系统工程，需要考虑众多问题，如制式选择、覆盖估算、系统容量估算、用户分组、基站选址、机房与传输链路建设等等。在系统设计阶段，人们往往注重考虑系统覆盖估算与系统容量估算、基站选址、机房与传输链路建设等等，在覆盖制式和用户分组等方面考虑较少，而这些问题往往关系到系统的建设成本、信道利用率以及运行效果等等，具有举足轻重的地位，也是不容忽视的。

1、 制式选择

就集群系统的信号传输模式来说，有数字集群与模拟集群之分，就入网方式来说有频分多址(FDMA)与时分多址(TDMA)，就覆盖方式而言有大区制、中区制和小区制，究竟选用哪种方式则要根据用户方的具体需求来确定。从信号传输质量即语音通信质量方面考虑，数字通信的抗干扰能力明显优于模拟通信，语音清晰无噪声积累这已是众所周知的事，而且数字集群系统的功能特别是在数据传输方面明显占优势，所以数字集群系统成为众多用户的选择已毋庸置疑。在覆盖方面是选大区制还是中、小区制，则需根据实际的传输环境来考虑。就上海这种超大型城市来说，建大区制系统已毫无意义，因为建筑物对电磁波传输的影响已非常显著，盲区也越来越多。

1991年，当上海公安800MHz模拟集群系统建成时，系统的覆盖距离手持台半径约为25公里、车载台半径约为35公里，4个基站基本覆盖上海全市的室外地区，而到了2001年底，当上海公安建成800MHz TETRA数字集群系统时，经过测试比较，两个系统的覆盖距离基本相当，主要原因是近10年间上海城市发展迅速，高层建筑明显增多，建筑物对电磁波的传输影响已非常显著，造成覆盖范围缩小及盲区增多。同样，上海公安于1994年建成的350MHz模拟集群系统也受到了建筑物对其覆盖所产生的影响。所以对大都市来说适宜建小区制系统，对郊区城镇来说宜建中区制，而平原开阔地则宜建大区制。

2、 覆盖方式对建设成本、系统容量及信道利用率的影响

无线通信的覆盖方式一般分为单区制与多区制两种，多区制又分为大区制、中区制和小区制三种。在这三种覆盖方式中，小区制因每个基站的覆盖范围小，因此要满足同样的覆盖，需要的基站数比大区制、中区制多，所以建设成本是三者中最高的。除此之外，小区制对系统容量和信道利用率也有一定的影响。

与GSM、CDMA等公众电话通信系统不同，集群调度系统不是以一对一的单点通信为主，而是以一对多的多点通信为主。在集群系统中，用户被划分成不同的通话组，以群组方式进行通信，组呼时启用多个基站是非常有可能的，其概率与基站覆盖范围与组内用户数有关，即覆盖范围越小、组内用户数越多，则组呼时启用的基站数越多的概率越大，同时被占用的话音信道数量越多，频率利用率也就越低。从TETRA数字集群系统日常话务统计来看，组呼时启用1至11个基站以上的可能都有，而概率最高的是5至7个基站(如图一、图二)。由此可见, 集群调度系统不同于GSM、CDMA等公众电话通信系统，它较难通过缩小基站的覆盖范围来有效提高系统容量和频率利用率。为此，在集群系统设计规划阶段，应着重考虑到跨区通信对系统容量的影响。

图一

图二

3、 用户分组对呼叫产生的影响

在集群系统设计规划阶段，用户分组也是非常重要的，它不仅影响系统容量，而且还影响到用户的呼叫遇忙程度。

(1)用户分组对系统容量的影响

在集群系统中，用户是按组进行通信的。如果用户通话组太大，也就是说每个通话组内的用户太多的话，那么同组内的用户分布在多个基站的概率就增大，组呼时同时启用多个基站数的概率也增大，而且组内用户越多的话、其分布基站数越多的概率也就越大。组呼时多个基站话音信道只能当作一个基站话音信道来使用，这对话音信道的利用率和系统容量都有一定的影响。

(2)用户分组对呼叫遇忙程度的影响

众所周知，集群系统设计的理论基础是随机事件的概率论，技术基础是大规模集成电路与计算机技术的迅速发展。根据随机事件的概率论可知，相同事件同时发生的概率很高，而不同事件同时发生的概率很低，几乎为零。在集群系统中，同组用户可以看作是相同事件，而不同组用户则视为不同事件。根据随机事件的概率论我们可以知道，同一通话组内的用户同时发起呼叫的概率要远大于不同通话组用户同时发起呼叫的概率。这是因为，当某个通话组处于通话状态时，组内只有一个用户可以说话，其余用户均处于接收守听状态，如想说话须等前者用户松键退出发射状态，而不同通话组用户则不受其影响，他们随时可以发起呼叫。如果用户占据太多的时间处于发射说话状态的话，那么在这段时间内就会积聚众多的同组用户等待呼叫，而且时间越长、组内用户越多(即组越大)则积聚的等待呼叫用户概率就越高。一旦说话用户释放PTT，就会出现众多用户同时发起呼叫的现象，而这样一来就会增加控制信道的碰撞概率，因碰撞而导致呼叫请求失败又会增加用户的呼叫请求次数，无形中增加了控制信道负荷，使控制信道遇忙而堵塞的概率增加。如果通话组太大话务量过高的话，还会出现组内用户一个接一个不停地发起呼叫的现象，对这个组内用户来说就如同常规通信，他们无法分享集群通信信道共享的益处。

与组太大会增加控制信道遇忙概率不同的是，组太小则会增加话音信道的遇忙概率。因为不同通话组用户可以在不同时间内发起呼叫，如果通话组越小即分组越多的话，那么在同一段时间内建立的呼叫越多的概率就越大，话音信道同时被占用的概率也越大，由此导致话音信道遇忙概率也就越大。

所以，通话组大小应适中，太大或太小都会对系统产生负面影响。

4、 用户分组原则

用户分组是个非常复杂的问题，组内用户以多少为宜，很难定论，因为每类用户的呼叫话务量不同，分布与活动区域也各不相同，所以不能一概而论。用户分组主要掌握如下原则：因业务不同必须分组的，因话务量过高必须分组的，因用户分布范围太广而必须分组的。所以，用户分组后还应根据实际的应用情况作适当调整。

5、 TETRA数字集群系统身份号(ID)规划考虑

目前，以TETRA标准为代表的数字集群系统在我国已得到较为广泛的应用，不仅有800MHz频段，而且还有350MHz频段。根据TETRA标准，ID长度为8位，取值范围为1-13999999，包括用户个人ID、用户组ID、调度台ID、系统所用ID等等。为便于管理、便于记忆，在实际应用中将ID按一定规则划分，原则是号码位数越短越好，编程和使用时越简单方便越好。对共网来说，通常把ID分成三大部分：第一部分为各个系统部门，如公安、医疗、民防、水电煤等等;第二部分为各系统部门下属单位;第三部分为用户个人ID或组ID，各部分位数长度视具体情况而定。一般来说组ID数目远小于个人ID数，位数可以少些，以此可以区分是个人ID还是组ID。另外，通过在首位加识别位也可以加以区分，但此方法较适用于用户数或系统部门较少的情形。如下分别介绍一下专网系统和共网系统的ID分类方法。

1、 用户个人ID与组ID分段使用

此方式适用于专网系统。在这种方式中，ID被划分成两段，一段为用户个人ID、另一段为用户组ID，每个单位的个人ID和组ID的前2位使用相同数字作为前缀，后面若干位用于用户个人或组，如对于用户数少于1万的专用系统可以用4位数表示个人ID，范围1000-9999，3位数表示组ID，范围100-999，其中前2位作为ID前缀用于区别单位，后2位或1位用于表示该单位下的用户个人或组，如下表所示：

若大多数单位的用户都在1000以上，则可扩大位数。此方式优点是组号位数短，组号与个呼号前缀相同，便于记忆与编程。

2、用户个人ID与组ID交错使用

此方式适用于多系统部门共享的共网系统。在这种方式中，ID被划分成若干号段，每一段都包含有用户个人ID与组ID。 ID通常由6-7位数字组成，其中的前2位数字用来区分各系统部门，如10表示电力系统，号码段为1000000-1099999，在这段号码中再划分组ID与个人ID;11表示卫生系统，号码段为1100000-1199999，等等，如下表所示：

三、结束语

以上从覆盖制式与用户分组两方面分析了其对系统容量、信道利用率的影响，以及用户分组大小对呼叫遇忙程度的影响。随着数字集群的不断发展，目前已有越来越多的用户选择了TETRA标准，为此，在系统规划建设时一定要综合考虑基站覆盖、用户分组及与系统容量等之间的关系，以使所建系统能最大限度地满足用户的通信需要，发挥出最大效益。