数字集群自组网技术研究

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　　在战场环境下以及其它通信基础设施可能遭受破坏的抢险救灾等场合，都要求数字集群系统移动基站能够不依赖基础网络设施进行快速和灵活配置组网，因此考虑在数字集群系统中引入能够满足要求的机动基站自组网技术。数字集群系统能够提供安全、可靠以及高效率的语音和数据通信，目前在军事、轨道交通、公共安全、港口和民航等领域都得到了广泛应用。

　　一、当前数字集群系统结构及其局限性

　　TETRA数字集群系统最早是建立基本系统的单区网，当覆盖范围达不到要求时，就将基本系统的单基站设计为多基站。而当覆盖范围再扩大，用户增加，就发展成以基本系统为基本模块，把基本模块叠加成为多区的区域网。甚至成为多区、多层次网络，这就构成一个或多个大区域，最后在全国或跨国联网。

　　如图所示为一个多层次、多控制中心的多区系统，这种网络结构的基本单元是多基站和单控制中心，构成基本区，并直接管理控制和处理区内的用户业务。区域管理中心与各基本区相连，负责基本区间的用户业务，如过区用户登记、过区用户呼叫建立和对过区用户的控制管理、对各基本区中心站的管理和监控等。

　　上文所述为数字集群常驻网络，并不能满足机动过程中的应用需求。同时，多基站需要通过有线接入到一个固定的控制中心来实现跨基站用户业务，在战场环境下，控制中心容易成为敌方的重要目标而被破坏，这将造成各基站之间的连接中断，系统崩溃，这对数字集群系统在战场环境应用构成了很大限制。

　　针对这一问题，数字集群系统加强了基站的功能，在基站中增加了MSC、VLR、GVLR等功能实体，使之成为机动基站，单个基站在脱离集群系统时也能够在本基站范围内实现集群功能。同时，几个机动基站也可以通过有线组网，选举出一名基站组长来负责该临时移动网络的控制管理。每一个机动基站向组长基站进行注册，组长基站掌握所属机动基站的用户归属前缀信息和组呼服务配置信息，充当常驻网络中控制中心。当组长基站因故障无法正常工作时，可以通过重新选举组长基站的方法增强系统的健壮性。

　　然而在战场环境下，BD 很可能处于快速机动过程，各机动基站通过有线方式共同连接至控制中心或一个组长基站就不具备可操作性了。除了战场环境外，在一些特殊环境或紧急情况下，有一个共同控制中心的有线联网集群系统也不能胜任。比如，发生地震、洪水等自然灾害后，通信基础设施可能遭受破坏，但是仍要求在抢险救灾过程中实现各基站之间的通信。在以上场合中都要求各移动基站能够不依赖基础网络设施进行快速和灵活配置组网，因此在数字集群系统中引入能够满足要求的机动基站自组网技术就势在必行了。

　　对自组网技术的研究是因军事应用而发展起来的，它能够适应军事应用的需要，因此具备先天的技术优势。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，自组网技术一直是数字化战场通信的首选技术。将数字集群系统与自组网技术融合能够在数字集群系统中引入自组网技术的一些技术优势：

　　1)独立组网

　　2)无中心：

　　自组网网络采用无中心结构，所有节点地位平等，组成一个对等式网络，其中的节点可以随时加入和离开网络，任意节点的故障也不会影响整个网络的运行。与有中心的网络相比，具备很强的抗毁性。

　　3)动态拓扑：

　　自组网网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移动模式移动，并且可以随时关闭。

　　二、数字集群自组网技术原理与实现流程

　　近年来，自组网技术与数字集群系统的融合国内外均有研究人员涉及，大部分研究重点在于终端级别的自组网。在无法架设基站或者基站覆盖不到的情况下，集群系统定义了移动台脱网直通操作模式，受移动台功率限制，通信距离有限。因此，研究基站覆盖范围之外的移动台形成一个自组织网络可以在一定程度上增强数字集群系统的脱网工作能力。然而还是受移动台功率的限制，移动台级别的自组织网络仍然不能很好地解决通信距离受限问题。基站的功率相对更大，如果能够实现机动基站的自组网，可以大大增加集群系统在机动过程中的覆盖范围。

　　1)集群系统机动基站自组网技术实现原理

　　数字集群系统基站的覆盖范围为10km，要保证基站原有覆盖范围的前提下实现无线组网，才能真正发挥集群系统基站自组网的优势。

　　数字集群系统工作频率：

　　下行频率 (基站到移动台)：851MHz—866 MHz

　　上行频率 (移动台到基站)：806MHz—821 MHz

　　基站高发低收，移动台低发高收，基站正常条件下只能接收覆盖范围下的移动台发送的信号，无法接收邻近基站的无线信号，在现有条件下无法实现无线组网。

　　因此考虑在基站中增加一个接收台来负责接收邻近基站的无线信号，收发分离，通过接收台与基站配合来实现无线组网。

　　如上图所示，在机动基站中增加了一个具备较高灵敏度的接收台，在需要进行基站自组网时，接收台开机，寻找周围基站定期发射的同步脉冲，接收台只要接收到一个载波的4个时隙的任一时隙的猝发脉冲，就具备跟该基站一致的信息，包括比特同步、时隙、帧和复帧等。同步之后接收台就可以接收周围基站在广播网络信道(BNCH)上发送的系统信息，以及所有邻近基站发送的广播系统信息，这些广播消息中包含接收台接入系统所需要的系统参数。

　　接收台将所有这些小区广播参数存储起来，然后通过基站广播交互几个基站的接收台所接收到的系统参数，通过这些系统参数来共同确定某个接收台需要与哪些邻近基站同步，从而监听相应基站的控制信道，实现机动基站自组网。当自组织网络形成之后，接收台不断更新所接收到的系统参数，如果出现因基站移动等原因造成连接中断，网络无法形成时，则需要再次交互接收到的系统参数，确保形成一个包含尽可能多基站的自组织网络。为了确保网络的连通性，提高呼叫成功率，接收台需要确定合理的监听对象。

　　一种可行的方式是，各机动基站自组织形成一个链状网络，处于中间的机动基站接收台监听前后两个邻近基站的控制信道，确保任何一个基站下移动台发起的呼叫能够到达整个链状网络。在上图中基站 1的接收台监听基站2的控制信道，基站2的接收台同时监听基站1和基站3的控制信道，基站3的接收台监听基站2和基站4的控制信道，最后基站4的接收台监听基站3的控制信道，这样就形成了一个逻辑上的链状网络。

　　2)基站自组网呼叫接续流程

　　数字集群系统用户全号码结构为：192 H1 H2 H3 H4 ABCD，规定机动基站管理用户号码前缀 H1 H2 H3 H4，每个基站只有一个唯一的H1 H2 H3 H4前缀。

　　以下图来说明机动基站自组网的呼叫接续过程，机动基站1管理的用户为0201XXXX，机动基站2管理的用户为0202XXXX，机动基站3管理的用户为0203XXXX。主叫移动用户02013238归属于机动基站1的HLR，而被叫移动用户02021188归属于机动基站2的HLR，目前漫游到机动基站3的覆盖范围中。我们假定此时基站1的接收台监听基站2的控制信道，基站2的接收台监听基站1和基站3的控制信道，基站3的接收台监听基站2的控制信道，基站间的自组织网络已经形成。

　　呼叫接续过程如下：

　　1)主叫移动台02013238通过空中接口发送被叫移动台号码02021188，机动基站1接收后由MSC1处理被叫号码。

　　2)MSC1查询号码前缀，发现被叫前缀为0202，通过本机前缀列表查询到不属于本基站，则此时需要向其它基站发送呼叫请求。为减少工作量，确保在尽可能减少对原有呼叫模式修改的前提下，使其它移动基站能够识别出该呼叫请求，这里需定义一个新的呼叫组。

　　在数字集群用户号码定义H1 H2 H3 H4 ABCD中，后四位ABCD从7500—8100为组呼号码，现取8100作为这类新的呼叫组的号码地址，即此时基站呼叫用户02018100。因为基站会将所有移动台均归入该通播组，所以若被叫用户已漫游到本基站，也可以通过这种方式被找到。

　　3)基站2的接收台2处于监听基站1和基站3的下行信令信道状态，通过被叫号码02018100识别出这是一个通播请求，则接收台2将此通播请求提交给基站2，基站2再呼叫02028100，此呼叫所有基站2覆盖范围内的移动台都能接收到，由于此时被叫用户02022456已经漫游到了基站3，所以基站2下的移动台都不会回应该呼叫请求。

　　4)基站3的接收台3监听到基站2下行信令信道的呼叫请求，识别出这是一个通播请求，则接受台3将此通播请求提交给基站3，基站3再呼叫02038100，该呼叫请求基站3覆盖范围内的所有移动台都能接收到(对于漫游到本基站内的移动台02022456，受传输链路容量的限制，基站3无法与该移动台的归属基站交互信息来确定该移动台的合法性，此时基站3会将此移动台列入一个8100通播组，事实上基站下的所有移动台都会被归入该组中)，此时被叫移动用户发现呼叫的是自己，则给予回应，此时基站3需要为移动台和机动基站2的接收台分配业务信道，机动基站2为机动基站2的接收台1分配业务信道，建立主叫和被叫移动台之间的呼叫链路。

　　这里定义的呼叫模式中，呼叫发起方不需要检查被叫方是否存在才开始通信，此时呼叫发起方已经开始讲话，但不知道被叫移动台是否在信道上收听。如果呼叫一定次数后无法收到回应，则认为呼叫失败。

　　三、结束语

　　自组网技术与蜂窝网络的融合技术是当前国际上研究的热点之一，在研究自组网技术与数字集群系统融合时需要考虑数字集群系统的技术特点和用户需求，才能更好地发挥数字集群系统的技术优势。本文在分析数字集群系统局限性的基础上，提出了在数字集群系统基站中增加一个接收台来实现数字集群系统与自主网技术的融合，并分析了系统实现原理以及呼叫接续流程。该方案的实现可以有效地提高数字集群系统在机动过程的无线组网能力，提高了系统的灵活性，扩大了网络的覆盖范围。