数字集群技术对比之：TETRA与PoC

主页（http://www.pttcn.net）：数字集群技术对比之：TETRA与PoC

　　1、引言 
　　PTT又称为“一键通”，是一种实现walkie-talkie功能的移动话音业务，其特点是呼叫建立时间短，说话时才占用信道，接听时只监听信道，接收方不需要摘机即可随时接听下行的呼叫信息。 
　　目前，PTT业务的实现方式主要有两种技术体系结构，一种是基于信令通道的解决方案，即通话过程中，语音数据和信令数据都汇集到事先建立好的电路通道上传输，这种方式一般都基于专用的移动通信系统，就是通常所说的数字集群系统。另一种是基于VoIP技术，即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，这种方式一般基于公众蜂窝移动通信系统，也就是目前比较流行的POC(PTT over Cellular)业务。 
　　数字集群和POC虽然都能实现PTT功能，但是在业务性能、目标用户群、组网模式等方面都有很大的差异。本文将介绍二者的技术实现方式、网络结构特点，比较二者的业务特点，说明它们各自的应用市场和发展方向。 
　　2、数字集群技术 
　　集群通信(trunked communication或trunked radio)的原意是将一些诸多类别的稀疏容量的专用用户集中起来构成一个共同有效利用同一干线(总线)无线信道，进行以指挥调度为主体的多用途、高效能专用无线通信。数字集群是现今专用无线通信的主体，它同属于移动通信的范畴，可集调度、电话、数据、短信和多媒体图像于一体，PTT呼叫方式是数字集群的最重要的通信方式。与公众移动通信相比，数字集群具有一系列特殊功能，因而在社会生活中起着不可获缺的重要作用。 

　　目前，我国存在的主要数字集群技术是TETRA，iDEN，GT800和GoTa。TETRA和iDEN是在2000年推出的我国数字集群移动通信体制SJ/T1128-2000推荐的数字集群标准，在国内已经有了商用的经验，但是TE-TRA和iDEN都是国外基于TDMA的数字集群标准，在核心技术上没有完全公开。这两种集群标准没有解决技术向前发展和共网运营的管理问题。由于无线通信技术正逐渐向第三代移动通信技术发展，集群通信由于面临的业务多样化和宽带化也需要引入更先进的无线技术，集群必须走共网发展的道路才能降低使用的门槛。因此，在国家的大力推动下，国内积极研制开发出了具有自主知识产权的、满足数字集群专网和共网用户需要的GoTa和GT800。GoTa(Global open Trunking architecture)是中兴公司提出的基于cdma2000 1x的数字集群技术，GT800是华为公司提出的基于GSM的数字集群技术。 
　　2.1　基于cdma2000的GoTa数字集群技术 
　　GoTa是基于cdma2000开发的数字集群技术。它采用16QAM和QPSK的调制方式，QCELP语音编码技术，频分双工，上下行各1.25M带宽，间隔45M。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。 
　　(1)GoTa的基本体系结构包含终端、无线子系统BSS、调度子系统DSS。为了能支持电话互联业务、数据业务和短信息服务，GoTa还可以在其基本结构上接入交换子系统、数据业务子系统及短信息服务中心。 

　　(2)BSS主要完成各种集群业务、数据业务和普通电话业务的无线接入功能，它由BTS和调度控制器PDC组成。BTS完成GoTa基带信号的调制与解调、射频信号收发、无线资源的分配等功能。PDC完成无线资源的分配、调度呼叫控制、功率控制、集群呼叫切换、汇集和分发集群语音数据流等功能。 
　　(3)DSS主要完成集群调度业务，它由调度服务器PDS和调度位置器PHR组成。它是集群呼叫的总控制点，完成集群调度呼叫的处理，包括鉴别集群用户、建立各种集群呼叫、判断集群PTT请求等。PDS还接收反向链路来的集群语音数据，根据呼叫的性质再分发到对应的前向链路。PHR完成数据库的管理和配置功能，为集群用户提供群组注册、群组成员注册，并提供集群成员的本地信息以及集群成员的业务权限记录，完成呼叫统计和计费功能。 
　　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。GoTa采用的呼叫方式是PTT方式的语音呼叫。为了提高呼叫接续速度，GoTa定义了一套相应的体制结构和协议栈，以满足集群通信系统的快速连接。为了支持群组呼叫，GoTa优化了空中接口，实现了同小区下同一群组的用户在呼叫时能够共享同一条空中信道。GoTa在处理通信连接时也采用了共享的方式，减少了网络处理呼叫的时延，对用户来说，信道选择和分配过程是透明的。因此，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。由于GoTa是在cdma2000技术基础上发展起来的，因此GoTa还可以集成大量的业务(如呼叫普通用户、短消息、定位以及无线数据业务等)，这些业务组合起来为专业集团用户提供综合业务解决能力。 

　　2.2　基于GSM的GT800数字集群技术 
　　GT800是基于GSM开发的数字集群技术。华为公司提出的GT800数字集群系统分为两个发展阶段。第一阶段是以TDMA技术为基础，对GSM网络的信令流程和网络结构进行优化和扩展，实现PTT语音呼叫功能，提供快速呼叫、组呼、动态重组、优先级控制、遥开遥闭、环境监听、故障弱化、虚拟专网等业务特性，满足共网集群用户的需求。数据传输方面采用GPRS网络满足。第二阶段继承了第一阶段的业务特性，引入TD-SCDMA技术提供高速数据业务和更高的系统容量，同时对网络和终端功能进行增强，提供端到端加密、直通等安全保密方面的业务特性，满足特殊行业用户的需求。 
　　GT800数字集群系统汲取了GSM网络成熟稳定的技术特点，突出指挥调度应用节点的作用，如FFN(功能号码节点)、GCR(组呼寄存器)等，增加了排队设备，便于调度台接入网络，为指挥调度应用提供更为灵活的支持。GT800增加了用户接入管理平台，VPN用户可以直接管理本集团用户，引入了智能业务平台来支撑指挥调度扩充功能，同时还采用GPRS作为数据承载平台，满足行业用户对数据传输的需求，计费平台的建设使集群共网运营商能够采用更加灵活的运营方式来促进业务发展。 
　　GT800对TDMA和TD-SCDMA进行了技术创新，在共享信道增强、组呼、快速呼叫、动态重组、安全性增强、故障弱化等方面进行了技术改进，可以公开并标准化。GT800通过对无线空中接口的优化和呼叫流程的针对性设计，实现了满足专业移动用户严格的呼叫接续速度要求。成功设计了增强半速率语音编码方式，使小区业务信道数量提高一倍，大大增加了系统的容量。GT800数字集群系统可以快速实现PTT功能，满足专用网用户对快速呼叫建立的要求，适用于应急调度应用。 

　　3、POC技术 
　　基于公众蜂窝移动通信网络的PTT业务称为POC。POC基于2.5G网络(GSM/GPRS，cdma2000)或3G网络(WCDMA，cdma2000)，它充分利用了GPRS或cdma 1x移动分组网络的特性，通过半双工VoIP技术来实现PTT。同时，POC还结合了即时消息，Presence等业务属性，成为一种综合了话音和数据的个性化业务。 
　　未来PTT/POC还将与基于存储转发的非实时的PTM(Push-To-Multimedia)相结合，最终成为PTC(Push-To-Connect)。其中，PTM是指通过按键发送非实时语音消息，MMS等多媒体消息的业务。在技术上PTT与PTM的主要区别是PTT使用基于UDP/IP的实时传输技术，而PTM使用基于TCP/IP的可靠的存储转发技术。 
　　在POC的国际标准颁布之前，各厂家对POC自由解释，提出了许多自由的解决方案，这些方案大部分都是基于分组交换(PS)域的，即面向现有的2.5G网络，通过在GPRS或cdma 1x核心网上直接增加POC服务器来实现POC业务，因此可以称为“基于PS域的方案”。国际标准方面，移动开放联盟(OMA)于2003年4月正式成立了POC工作组，制定相关的POC体系结构规范。新制定的POC国际标准要求POC基于具有IMS能力的SIP/IP核心网，这种方案可以称为“基于IMS域的方案”。 
　　3.1　基于PS域的方案 
　　基于PS域的PTT/POC方案的特点是面向现有的2.5G(GPRS，cdma 1x)，为了尽可能提高QoS，一般都采用一些私有的优化技术(如通信模式，编解码技术等)，互联互通性很差。由于体系结构简单，技术难度低，对现有网络改造小，部署方便，成本低，便于试验网和小规模的商用网。这种特点虽然不足以支持大规模的PTT/POC网络建设，但在PTT/POC的发展初期仍对运营商有很强的吸引力。

 
　　在组网过程中，POC服务器一般直接和GGSN或者PDSN相连，负责POC业务的提供。由于没有统一的IMS网络支持，业务发现、地址解析、呼叫信令路由、鉴权、信令压缩等功能都无法以规范的方式实现，因此POC服务器较复杂，一般难以支持漫游，无法组建大规模网络。 
　　3.2　基于IMS域的方案 
　　(1)特点 
　　基于IMS域的POC方案的特点是互联互通性很好，体系结构庞大而严谨，技术难度高，需要增加IMS域实体，对现有网络改造大，部署难度大，成本高，是最终大规模商用网的最佳选择。 
　　POC使用的接入网既包括无线接入网又包括提供IP连接和IP移动性的节点。POC使用基于IMS能力的SIP/IP核心网来提供寻址、选路和漫游等功能。 
　　(2)解决方案 
　　基于IMS的POC解决方案主要包含POC客户端、POC服务器、群组列表管理器、SIP/IP核心网等部分。其中，POC客户端位于移动终端上，用以接入和使用POC业务。POC服务器提供POC会话处理，提供媒体的分发，呼叫权控制，SIP会话处理等功能，是POC业务实现的最重要的功能实体。群组列表管理器用于管理群组和列表信息；SIP/IP核心网基于3GPP和3GPP2的IMS能力，主要包括一些SIP代理和SIP登记服务器，负责SIP信令路由，提供地址解析与寻址，支持SIP压缩等功能。 
　　(3)在IMS域实现POC的三个关键技术 
　　·快速连接。POC实现半双工呼叫，如果呼叫延迟超过2s，用户将无法接受。减少呼叫延迟的方法包括无线分组接入技术和SIP协议压缩。无线分组接入技术使移动终端可以附着在IP网上保持永远在线的状态，在用户需要发送分组的时候才动态分配无线资源。用户在启动POC业务时无需拨号，只需重新激活连接即可。SIP协议的压缩可以减少信令单元数据在无线信道上的传送时延，保证快速呼叫的建立。 

　　·信道共享。信道共享是在一对多的群组通话中，一个成员的话音可以被群组中所有其他成员接听，即POC终端将语音封装成RTP包传送给POC服务器后，POC服务器需要在前向信道上将这些RTP包分发给群组中其他用户。每个成员和POC服务器都是SIP Session，RTP的媒体通道。POC服务器在收到某个RTP媒体通道过来的RTP包后，只需向其他媒体通道分发即可，由于是半双工通信，因此POC服务器也不需要混音功能，从而保证了分发的速度和语音质量的均衡。 
　　·通话权控制。通话权控制即floor control，通常由POC服务器进行调度、协调和控制。 
4、数字集群和POC的业务特点比较 
　　4.1　组呼成员容量 
　　在组呼中，数字集群系统无线接口采用的是一个小区仅分配一对上下行信道，其中上行无线信道被讲话者使用，下行信道被同一小区的其它组呼成员共享。对于有多个小区的组呼区域，组呼过程中，数字集群小区仅在监测到有组呼成员的条件下才分配无线信道资源，既节约了无线资源，又没有限制组呼成员的容量，一个组可以有成百上千个成员，在多组呼成员的集群应用场合具有优势。 
　　POC的实现方式是上行信道抢占，每个组呼成员各自分配一个下行信道的方式，下行信道不能共享。而小区信道数有限，如果所有用户均在同一小区，则带来网络拥塞、业务性能下降的问题。 
　　4.2　通话质量 
　　通话质量的几项重要衡量指标有： 
　　(1)RTS(Right to Speak)，指从主叫建立呼叫(拨出被叫号码或组号)到得到系统提示可以说话的时间。 

　　(2)STS(Start to Speak)，指从按下PTT按键到收到允许讲话提示的时间。 
　　(3)ETED(End-to-End Channel Delay)，指讲者说话到听者听到的延迟时间。 
　　(4)TaT(Turn around Time)，指主叫结束按键讲话到听到被叫答复的时间。 
　　数字集群使用的是常规电路域方式，而POC使用VoIP技术实现话音数据流的交换和传送，有较大的接入和传播的延迟时间。从表1的指标对比可以看出，通话质量方面数字集群有着较大的优势。 
表1　POC和数字集群通话质量比较 

　　4.3　可靠性 
　　数字集群系统能够满足高可靠性的要求。系统以信道为单位预留资源给指定的高等级集团用户使用，网络再繁忙，也可以为集团用户提供高质量的服务。应急联动应用环境下，调度员数秒即可把多个集团部门的组合并为大组。在传输中断应用环境下，基站把信道开放给特定的集团用户或用户组使用，使集群系统在灾害条件下也能提供可靠性的服务。 
　　POC是在GPRS/UMTS或者CDMA网络上，为大众用户提供服务，没有有效的手段保护集群用户在紧急情况下的正常工作。 
　　4.4　指挥调度 
　　数字集群系统中调度台提供一个操作平台，支持调度员对多个组或者在特定区域内活动人员的工作进行指挥调度。引入调度台的主要目的是提高指挥调度效率。调度台和调度功能是否成熟是集群系统商用的重要标志。调度员经过系统的授权和分级，可完成组呼等业务的调度、录音、转接、组合并/拆分、核查、成员状态显示、针对行业用户的特殊应用等功能。 
　　POC目前无论在规范和商用上均欠缺调度功能。 
　　4.5　目标用户群 
　　数字集群系统适合诸如公共安全(警察、消防、安全、保安、军队等)、交通运输(航空、铁路、内河航运、公共交通、出租汽车等)、社会联动、市政管理、水利电力、厂矿企业生产管理等行业或部门以及抢险救灾、处理各种突发事件等场景的调度指挥通信，是保障社会稳定、确保安全生产、提高工作效率、降低事故损失的重要手段。就数字集群的作用而言，具有社会效益和经济效益的双重性。 
　　POC业务是人们方便日常联络沟通、提高生活品质的手段之一，虽然在提高工作效率等方面也具有一定的促进作用，但就其本身性质而言，没有被赋予明确的社会责任，也更趋向于追求经济效益。 

　　4.6　优先级方面 
　　数字集群的最主要业务是群组呼叫，个体用户或群组之间分为不同的等级，表现为占有通信资源和通话主导权的优先级别不同。一般情况下，被叫用户无权拒绝主叫用户的通信要求。群组通信时要采取“前向信道共享”、用户和群组优先级判别等技术手段。而POC业务中用户之间的级别是平等的。 
　　4.7　运营管理方面 
　　POC业务是由公众移动运营商统一进行运营维护和日常用户管理，用户可以向运营商申请POC业务，并需要运营商的认可和操作实施，用户自己不能自行管理。 
　　数字集群要求具备强大的VPN功能，利用VPN功能，用户通过远程操作维护终端，在应用层面上自行管理本单位的用户，包括用户分组、用户业务权限、优先级甚至用户的开通和停用，还包括用户签约信息等。用户只能管理和操作本部门下属的用户，用户权限是在运营者事先授权的范围内。 
5、结束语 
　　数字集群和POC都有各自的技术特点和市场定位。POC可以利用公众蜂窝移动网络资源实现点对多点的功能，使宽带业务更加丰富化。国外移动运营商提供POC业务的成功经验说明，POC业务在我国的推广也具有美好的前景。P0C提供的PTT业务在性能要求和调度等功能上还无法满足专业用户的要求，数字集群通信仍将是实现指挥调度等集群功能的最重要也是最有效的技术方式。