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無線(集群)數字調度通信系統通用方案
作者:管理員    發布于:2017-04-24 16:43:23    文字:【】【】【
一、系統概述
   華絡通信高質量、高可靠的數字無線集群通訊系統在改善勞動生產力和提高工作效率起到關鍵作用。華絡通信無線集群數字機系列擁有更強大的技術基礎和增強特性,可以為專業用戶在許可頻段提供可定制的,業務實時性強的,保密性高的通信解決方案。
   華絡通信無線集群數字機系列集出色的雙向無線通信功能與數字技術于一身,可提供更高的容量和頻譜效率、集成的數據通信和增強的語音通信。

華絡通信無線集群數字機系列是一套集成語音和數據系統的解決方案,由車載臺、手持臺、音頻和電源配件、中繼臺、文本消息服務,以及第三方應用開發包組成。

   華絡通信數字 系統
二、系統總體技術優勢
   華絡通信數字無線通訊系統總體具備兩大技術優勢:提高頻譜利用率及增強音頻質量

   華絡通信 所使用的數字無線對講機技術可以概括如下圖:

   圖 2-1 華絡通信 數字無線對講機技術
   注:Vocoder&Forward Error Correction = 語音編碼和前向糾錯,Framing= 成幀, Transmission Encoding & RF Ampliation = 傳輸編碼和射頻放大,2-slot TDMA = 雙時隙時分復用
1、數模轉換
   當對講機用戶按下PTT(通話按鍵)開始講話時,他的聲音將傳入對講機的麥克風并被從聲波轉換成模擬電波。模/數轉換器將對這種波形進行抽樣。在典型的無線對講機應用里,以8kHz進行16bit的樣本的采樣,將產生一個128,000bps的數字碼流。這個數字碼流包含的信息量遠遠超過一個12.5kHz或者25kHz的無線信道的帶寬。因此必須進行某種形式的壓縮。
2、語音編碼和前向糾錯 (FEC)
   語音編碼技術通過將語音信號分解為多個最重要的部分,并利用少量的比特將之編碼,從而實現壓縮語音信號。由于這種技術主要是對人類的語音信號進行處理,從而大大降低了背景噪聲。語音編碼技術對語音比特流進行壓縮,以適應窄帶的(對于華絡通信而言)相當于6.25kHz的無線信道。華絡通信數字系統采用了業界領先的Digital Voice System有限公司(DVSI)開發的AMBE+2 TM語音編碼器。這種獨特的編碼器將語音分成若干短音段(典型長度為每段20-30毫秒)。通過過分析每個音段提取出一些重要的參數,例如音高、聲級以及頻響等。AMBE+2TM是第一個能以非常低的比特率提供堪比傳統有線電話系統的長話級語音質量的語音編碼器。
   結合語音編碼技術采用了前向糾錯技術。前向糾錯是一種數學校驗和技術。該技術允許接收機檢查出接收信號中可能出現的錯碼,并可能糾正因射頻信道缺陷而產生的誤碼。前向糾錯技術有效的控制了可能對模擬信號造成失真的噪聲,從而實現在整個覆蓋區域內更一致的語音性能。
3、成幀
   編碼后的語音(或數據)信號被組裝成一定的幀格式以便發送。成幀過程將語音(或數據)和嵌入式信令信息(例如色彩碼,組ID,PTT ID,話務類型等等)生成數字數據包。這些數據包由包頭和有效載荷組成—包頭包含話務控制和地址信息,載荷包含編碼后的語音(或數據)。這種結構也能轉播IP包—IP包是華絡通信數字對講機載荷的另外一種形式。包頭所攜帶的信息在整個傳輸過程中周期性的重復,這增加了信令信息的穩定性,同時也使接收對講機能夠加入一個已經開始的語音呼叫—我們將這種情形稱之為“遲接入”。
4、TDMA傳輸
   成幀后的信號最終通過編碼進行調頻(FM)傳輸。包含數字包的碼流被編碼成符號以表征調制載波的幅度和相位,最后,信號被放大后發射到空中。
   時分多址(TDMA)技術將一個信道分為兩個時隙:特定對講機的發射機只支持短突發,從而延長了電池工作時間。此外,通過僅在其交替時隙上發送信號,兩個呼叫可以同時共享一個信道,從而使頻譜效率提高一倍。使用TDMA,一臺對講機只在屬于它的時隙上發送信號(即,發送一個信息突發包,等待,然后再發送下一個信息突發包)。
5、雙時隙TDMA頻譜效率
   一個無線電通信信道由它的載頻和帶寬所定義。可以使用的載頻被分為幾個主要的頻帶(如甚高頻VHF和超高頻UHF),現今在用的模擬信道帶寬大多為25kHz或12.5kHz。隨著無線通信技術的迅速發展,頻譜資源日漸匱乏,能夠讓一定區域內更多對講機用戶共享頻譜的新標準和新技術成為迫切的需要。提高頻譜效率的要求來自于國家管理機構。在VHF頻段和UHF頻段的12.5kHz信道上承載兩路話務(相當于6.25kHz效率)成為一個必須的要求。目前,FCC已經制定了要求制造商生產具備6.25kHz效率的VHF頻段和UHF頻段對講機的規定。盡管這些規定暫未強制執行,但華絡通信數字系統提供的將12.5kHz信道分為兩個獨立時隙的方案,則已經達到了6.25kHz的效率。
   華絡通信無線集群數字系統采用雙時隙TDMA技術。這種技術將信道分成兩個交替時隙,從而在一個12.5kHz的物理信道內建立了兩個邏輯信道。每個呼叫僅使用其中一個邏輯信道,每個用戶訪問一個時隙就如同訪問一個獨立的信道。發射對講機僅在自己的時隙內發送信息,在另一時隙則處于空閑狀態。接收對講機則對兩個時隙都進行監視,并依據每個時隙所包含的信令信息來決定接收哪個呼叫。模擬對講機則工作于頻分多址(FDMA)方式。在FDMA方式下,每個發送對講機在一個指定的信道上連續發射,而接受對講機則通過調諧到正確的載頻以接受相應的信息。TDMA技術為在12.5kHz中繼臺信道上達到相當于6.25kHz頻譜效率提供了一個簡單的方法,這為使用日益擁塞的許可信道的用戶帶來了巨大的便利。

          當今的模擬系統                           VX數字系列


   當今的模擬系統與華絡通信數字系統的對比

6、減少基礎設施
   雙時隙TDMA從根本上使系統容量加倍。這意味著一臺華絡通信數字的中繼臺可以替代兩臺傳統的中繼臺(因為一臺數字中繼臺同時支持兩路呼叫)。這節省了中繼臺的硬件成本和維護成本,同時也降低了多信道配置所需的射頻連接設備的成本和復雜度。更重要的,雙時隙TDMA信號正好適合用戶現有的許可信道,用戶無需為增加的系統容量申請新的許可。同時,相對于可能需要不同信道帶寬的其他解決方案來講,雙時隙TDMA技術引起鄰道干擾的風險較小。
   雙時隙TDMA提供的兩個時隙(兩個邏輯信道)具有大量的潛在用途。配置華絡通信數字系統時,可以按照如下一些方式來使用這兩個時隙:
   將兩個時隙都用作語音信道,從而使每臺許可的中繼臺信道的語音容量加倍;
   增加了系統能夠容納的用戶數量
   增加了用戶能夠消耗的呼叫時間
   將兩個時隙都用作數據信道,從而全部提供數據業務;
   將一個時隙用作語音信道,另一個時隙作為數據信道,這種靈活的方案為語音用戶同時提供移動數據、文本消息或者位置追蹤等業務。
   無論用戶采用何種方式配置系統,都將在現有的許可中繼臺信道上體驗到更多的好處。
7、數字音頻覆蓋范圍
   當所有其他因素(如,發射功率、天線高度、地形等等)都相同時, 數字無線通訊系統提供3級DAQ,即,公共安全應用的最低可接受語音質量的覆蓋范圍,比模擬系統大得多。3級DAQ的定義是:“語音清晰易懂,但偶爾因噪聲/失真需要重復”。模擬音頻和數字音頻在覆蓋范圍上的最大區別在于其音質在整個覆蓋區域內的衰退方式不同。模擬音頻的音質是線性衰退的距離越遠信號越弱通話質量越差,而華絡通信的數字音頻則表現更為恒定。因為華絡通信數字系統的差錯保護技術將噪聲影響降到最低,從而保證了極為出色的音質。

   模數信號音質-強度對比

   注:AUDIO QUALITY = 音頻質量,SIGNAL STRENGTH = 信號強度,Area of Improved Performance = 性能提升的區域

   演示相比于相當的模擬站點,具備相當語音質量的華絡通信數字系統站點的覆蓋范圍。
8、數字音頻性能的用戶預期
   從終端用戶(收聽者)的角度來講,數字音頻的表現同模擬音頻相比具有許多不同之處。因此,為用戶設定合適的使用預期是系統規劃的一個重要方面。
   數字語音業務將帶給用戶以下體驗:
   在整個覆蓋區域內一致的語音性能,不會在邊緣地帶降低通話質量:
   模擬信號會隨著接收器遠離發射器而逐漸衰退,而數字信號在整個覆蓋區域內表現更加恒定。
   然而,在跨越覆蓋區域邊界的時候,數字信號更容易突然地從“好”變“無”。這意味著用戶無法依據逐漸衰退的音質來得知已臨近覆蓋區的邊緣。但另一方面,在到達邊界之前,數字信號仍能保持清晰,而此時模擬音頻將充滿噪聲。
   數字語音聽起來不一樣:
   語音編碼處理用最少的比特帶來最優的音質。一些用戶發現數字語音的音質聽起來和模擬語音不一樣。因為語音編碼專門強化人聲,對其他聲音諸如音樂和音調并不準確重現。而且,數字音頻可能帶來端到端的聲音延遲。當遇到不可恢復的錯誤或信息丟失時,數字音頻還會“人為”生成一些特有的聲音。
   背景噪聲降低:
   華絡通信無線集群數字系統強大的聲碼功能還降低了背景噪聲。無論發送端環境如何,接收端只對語音進行重建,而背景噪聲(如機器噪聲、風噪聲和交通噪聲)都不會被重建,因此也不會被聽見。這是華絡通信數字語音解決方案優于典型的模擬方案的關鍵所在,在噪聲環境下(如工廠,商店,工地或多風的場地)都不會明顯的影響通信的可理解度。
   數字語音業務不能為用戶提供的體驗:
   提供“CD級”音質
   首款業內使用AMBE+2TM 低比特率聲碼器提供通信級音質的對講機。終端用戶不應認為對講機系統中的“通信級”數字音頻可與CD和DVD的高保真音質相比。
三、集群系統實現的主要功能
1、動態分配信道
   集群系統通過嵌入中繼臺內的復雜控制邏輯軟件實現了動態信道分配與系統信道管理。只有當用戶發起呼叫時,才會占用信道,通話結束則立即釋放信道,所有系統用戶可共享所有信道資源。信道利用率遠高于常規用戶只能使用固定信道的方式。
 1)集群系統的動態分配信道的特點
   (1)動態的守候信道
   (2)守候信道可以是系統中的任何一個信道
   (3)守候信道在系統運行時頻繁地切換
   (4)守候信道是空閑或不工作的對講機守候的唯一信道
   (5)不在呼叫狀態的用戶會停留在最近的休閑信道上
   (6)所有新的語音呼叫都在休閑信道上開始
 2)集群系統信道管理的基本方法
   (1)當新的呼叫開始時,休閑信道會:
   (2)轉移到一個新的空閑信道上
   (3)通知所有空閑的對講機轉移到空閑信道上
   (4)原有的空閑信道轉換為通話信道
   (5)開始在這個通話信道上中繼語音通信
   (6)當通話中止時,這個通話信道會:
   (7)該中繼臺會通知對講機新的休閑信道或相關的信道
   (8)對講機會轉移到中繼臺通知的信道上
2、話音功能
 1)呼叫功能
   組呼
   通過數字組呼,通話組可以共享一個信道,而不會干擾其他對講機用戶。通常,需要相互通信的對講機用戶可組成一個通話組,被配置為該通話組的成員。
   私密呼叫
   通過私密呼叫,對講機用戶可以直接與另一位對講機用戶進行通信,而不論其是否屬于同一個通話組列表。 通過私密呼叫,可以在發射端和接收端的對講機之間,進行一對一通信。 員工可以通過私密呼叫,私密地向特定管理者提示某個安全意外事件,而不是發起組呼,使全組成員都知道。
 2)數字信令功能
   數字信令功能包括PTTID和別名、遙斃對講機、遠程監控、檢查對講機、呼叫提示和數字緊急呼叫等。
   PTTID和別名
   通過客戶端軟件(CPS)或前面板進行編程時,屏幕將顯示一個簡單明了的 “名稱”。這樣,目標對講機就可以識別呼叫發起方。
   遙斃對講機
   通常,主管對講機可利用該功能,通過無線信令,遙斃另一臺對講機。遙斃的對講機的屏幕將顯示空白,并且不能發起或接聽呼叫。 利用該功能,可以阻止任何不當使用對講機,或使被竊對講機無法工作
   遠程監控
   遠端用戶可以利用這個功能,在一段時間內激活目標對講機的麥克風和發射機,從而不知不覺地在目標對講機上建立呼叫,并遠程控制其PTT功能,而最終用戶對此卻一無所知。 該功能主要用于探明已開機但無響應的目標對講機的狀態,包括諸如對講機被竊、對講機用戶不會使用等情況,或者允許緊急呼叫發起方在緊急狀況下進行免提通信。
   檢查對講機
利用這個功能,發起方對講機可以檢查系統中的目標對講機是否處于激活狀態,而其用戶不會知道。除了繁忙LED指示燈,發射LED指示燈也會點亮(以表明發送了確認消息)。
目標對講機上不會出現可以看見或聽見的指示,目標對講機將不知不覺地自動向發起方對講機發送一條確認消息。 如果對講機用戶無響應,那么,可以借助檢查對講機功能,確定目標對講機是否開機并監控信道。如果目標對講機發出了確認消息,那么,發起方可以執行其他操作,如發出遠程監控命令,激活目標對講機的 PTT。
   呼叫提示
   利用該功能,發起方對講機基本上可以確保呼叫到另一位對講機用戶。 當目標對講機收到呼叫提示命令后,將發出持續的視聽提示,并顯示該呼叫提示的發起方。 如果當呼叫提示屏幕處于激活狀態時,目標對講機用戶按下了PTT鍵,那么,目標對講機會向該呼叫提示的發起方發起私密呼叫。 對于車載臺,該功能常常與喇叭和車燈結合使用。當用戶不在車內時,呼叫提示可以使車輛的喇叭鳴叫、車燈閃爍,從而告知用戶返回車輛,呼叫發起方。

   數字緊急呼叫    

   對講機允許處于危急狀況的對講機用戶,向系統中的主管對講機發送經確認

的緊急報警消息和緊急呼叫。緊急報警消息包含了發起方的對講機ID。
 3)數據功能
   支持數據通信,包含短信、遙感遙測等。

   單站集群示意圖
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