群组基站在公安PDT数字集群系统中的应用分析

tianyi142 · 发表于 2019-11-6 20:08:48

摘要：讨论在PDT集群架构下，通过部分群组基站的构建，解决警用专网普遍大区制覆盖下存在的频率资源紧张、多重叠覆盖区、电台漫游切换、小范围补盲等难题。重点介绍该系统结构，分析了基站备份、扩展应急网、地上地下联网、增强县区基站可靠性、优化隧道覆盖等应用前景。
关键词：PDT集群系统同频同播群组基站时钟同步应急通信
一、引言
公安PDT数字集群系统大多采用大、中区制覆盖方式，在城市里因为高楼、立交、高架桥等的遮挡，一些区域无线信号覆盖不够理想。为了扩大信号覆盖范围或者针对盲点补盲，通常的手段是增加基站。但通过新建基站补点存在三方面问题：一是频率资源相对紧张，频率复用困难；二是信号重叠覆盖区增多，在楼宇密集区极易形成大站套小站的情况，增加终端电台切换基站的难度；三是每次新增基站，终端电台都需要增加控制信道，即使支持空口写频，也有一定的难度和工作量。采取同频同播技术组建群组基站，能使用现有频率新增基站、扩大信号覆盖范围，并解决多基站重叠覆盖区可能产生的问题。
二、采用同频同播技术构建群组基站系统
如果在PDT集群系统网络中，对需要补点的区域增加若干新基站，这些新基站的配置和网内某个集群基站完全一样，如载波数量、载波频率、基站位置识别码LAI、控制信道等，并且这些新基站也能像标准基站一样接入当前数字集群系统网络中一起工作。这些新建的特殊基站就类似于多个基站的组合，对于整个PDT集群系统相当于一个基站，我们将这些配置相同的基站称为一个群组基站。而对于电台终端来说，一个群组基站亦相当于一个基站，电台终端在群组基站中工作实现的功能与在标准基站中相同。
群组基站系统结构示意图如图1所示。
1. 集群系统架构不变，新增同频区群组基站控制器以及群组基站；
2. 从整体上看,群组基站控制器+群组基站相当于集群MSO内的一个集群基站，每增加一个同频区需要增加一个群组基站控制器；
3. 基于有中心架构实现，群组基站控制器作为同频区群组基站的交换控制中心；
4. 引入虚拟子网（VSN）概念（简称子网），将同频区群组基站下的CHU划分为多个VSN，VSN使用同一对频点资源；
5. 新增VCHU网元（virtual CHU，虚拟信道机），每个VCHU控制一个VSN，VSN实现同频同播功能，对于TSC来说VCHU+VSN等同于原集群基站CHU。

三、适用场景
（一）扩大基站信号覆盖范围
在一个城市的PDT网络建设完成后，仍然会存在信号覆盖盲区，如楼群密集区域、体育场馆、重点会馆和重点宾馆等，这些区域只是需要解决信号增强问题，对通话的话务量不高，不需要增加额外的信道数。因此，可以把这些区域中的基站新建扩展成多个基站，并通过将这些多基站组成一个群组基站的方式，来增强该区域内的信号覆盖，却不需要增加额外的频点。
采用群组基站能减少建站频率需求、增强这些区域信号覆盖、降低电台终端通话越区概率。
增强基站信号覆盖范围组网示意图如图2所示。

（二）重要基站热备份
PDT数字集群网络的一大优势就是在PDT集群系统组网方案中设计了多级故障弱化技术，从交换中心、链路设备以及基站上的关键设备都有对应的故障弱化能力，如交换控制中心的本地备份和异地备份、链路热备、基站控制器热备、控制信道热备、基站电源热备等。而基站除了内部关键部件的热备份能力外，基站整体也有对应的弱化能力，如单基站集群。
但是，如果基站长时间停电、链路中断或者遇到不可抗拒因素等情况，这个基站的信号就会消失。一个城市PDT网中一些重要区域的基站，要能不间断无故障工作，就是基站信号覆盖也需要热备份。
用群组基站组网方式实现基站覆盖的热备份，在原有重要基站附近再建设一个参数相同的基站，两个基站组成群组基站而同时工作。因为使用相同频率工作，不互相干扰。任何一个基站故障，由于两基站覆盖范围大致相同，在覆盖区内电台终端仍能接受信号，正常通话，不受影响。这样能最大程度增强系统的可靠性。
重要基站热备份组网示意图如图3所示。

（三）系统中扩展应急子网
一些城市公安部门经常有重要的警保任务，警卫部门需要一个相对独立的子网，满足通信区域信号良好覆盖和通话信道保障需求。在处置突发事件时，指挥层面也需要一个相对独立的通信子网，满足指挥层面人员的通话保障需求。同理，消防部门的一级通信网也有类似需求。
另外，相对独立的子网可以解决集群网中大范围组呼呼叫时的漏呼问题（由于基站信道配置数量不均衡或基站通话数量不同，某些参与基站可能没有空闲话务信道）。
我们可以在已建设系统的基站中增加2载频基站（共址建设2套基站，天馈设备共用），再辅助增加一些扩展覆盖的基站共同组成应急通信子网的群组基站。需要使用该应急通信子网的成员，将电台选择该子网允许的通话组，电台自动锁定在子网中（对应电台终端的组登记功能）。在应急通信子网中的成员仍然可以通过选组，与大网中任意其他的通话组进行通话。
在系统中扩展应急通信子网的组网示意图如图4所示。

采用群组基站扩展应急通信子网与常规同频同播网的区别主要有：
1. 群组基站子网中的电台终端仍工作在集群模式，具备所有集群系统多级别调度通话、短信、定位、状态信息等功能，同时与集群网中的其他用户可任意互通；常规同频同播网是一套独立的子网，只具备网内单独的、基本的语音通话功能。
2. 扩展的应急通信子网具备独立工作的能力，即使MSO出现故障，应急通信子网仍可提供全覆盖区域的集群通信服务。
（四）构建地上地下一张网
地铁在大城市中正在加快建设步伐，覆盖地铁车站和隧道区间公安PDT系统已是地铁建设的标准配置。地铁PDT 网络日常为地铁公安警员提供通信服务，应急时刻还要为地面警员进入地下处置突发事件提供应急通信服务。因此，一个城市理想的公安PDT无线通信网应把地上和地下进行通盘考虑。
采用群组基站建设地铁公安PDT网是一个较好的选择方案，其优势主要在于：
1. 地铁公安用户少，话务量小；
2. 地铁内使用的频率不与地面频率规划冲突；
3. 群组基站信道是同频设置，电台终端通话不存在越区切换问题，通话效果最佳；
4. 每条线路配置成一个群组基站区域，每增加一条地铁线路，地面系统相当于增加一个基站；
5. 将所有地铁线路的群组基站纳入地面集群网中统一管理，不需要为地铁PDT网分配新的系统区号（PDT标准中每个城市一个），从而形成全市统一的一张网络；
6. 即使地面交换中心出现故障，每条线路仍可独立工作，提供完备的集群服务。
构建地上地下一张通信网组网示意图如图5所示。

（五）增强县级基站联网的可靠性
按照PDT标准技术规范要求，每个地市在市局建设一套交换控制中心，县级基站直接接入市局交换控制中心。如果市局交换控制中心故障或者市局到县局的链路故障，则县局的基站将失去联网功能，各个基站仅能独立工作。
可以应用群组基站组网的方式增强县级城区基站联网的可靠性。一般情况下，县一级公安机关城区的话务量不高，每个县城城区配置2～3个基站（每个基站6～8载频）组成一个群组基站即可满足工作需要。县城城区以外的基站仍按照传统方案设计。
此方案中，城区基站可以保持独立联网工作的能力。
增强县级城区基站联网的可靠性组网示意图如图6所示。

（六）优化隧道覆盖问题
目前，很多城市建设了过江、过湖和过山隧道，这些隧道成为城市的交通要道，隧道中遇突发事件时需快速处置，因此，隧道中无线信号覆盖的需求十分明确。
传统的隧道无线信号覆盖采用直放站技术。但是，直放站要在信号完全隔离的环境中才能发挥作用。如果隧道引入附近基站的信号，在隧道入口，信号要中断以避免直放站自激问题发生；如果引入远处基站的信号，远处的基站通话信道全忙时，将造成越区失败。另外，直放站的工作完全依赖于施主基站，一旦施主基站故障，直放站也无法工作。
采用群组基站方式实现隧道信号覆盖，在隧道中增加一个与隧道附近基站相同参数的基站，这些基站组成一个群组，信号覆盖隧道两端及隧道内，可以完全交叠覆盖。对讲机在通过隧道的整个过程中，通话都不存在越区切换问题。
解决隧道覆盖问题组网示意图如图7 所示。

四、关键性问题探讨
（一）与标准集群基站的区别
群组基站就是一些参数相同的标准基站组成一个基站群组，但是并不能完全用群组基站来代替标准集群基站。
PDT系统的建设除了要满足信号覆盖要求外，还要满足话务量的要求，而话务量与使用的频率数量相关。一个城市的PDT系统要满足多警种（辅警也可能使用）共网的应用（语音、定位、短信、状态信息、分组数据等）需求，建网时必须要先考虑建设一定数量的标准基站并配置一定规模数量的载频。
群组基站是在解决了话务量的基础上，扩展基站的覆盖范围和增强系统工作的稳定性。
全部采用群组基站建设PDT系统是不能满足话务量要求的，一个群组中基站配置数量不易过多，以不与整网频率规划发生冲突为宜，地下（地铁）群组基站可以按照车站数量配置（地铁公安话务量需求较小并且不存在频率规划冲突问题）。
（二）重叠覆盖区的判选
重叠覆盖区内终端讲话，多个基站可以接收到信号，将面临判选哪个基站作为信号源的问题。
一般来说，选择信号质量最佳的基站作为信号源，保证高保真的语音与信令数据。当终端处于N个基站的重叠覆盖区时，系统需要收集齐这N个基站的上行信号场判选条件的数值后，才能从中判断出最佳信号通路，做出判选。假设N个链路之间最大时延差值为△T的话，那么系统必须要至少设置△T的接收信号缓冲区，这样会增大系统的话音时延。
根据数字集群的特点，由于信道纠错功能的存在，在一定覆盖范围内，基站接收到的信号强度与数据完整性无关，数字信号有一定的容错能力，因此在做判选的时候，不一定每次都选择信号质量最好的基站，只要当前基站的信号质量满足通话要求就可以，所以可以设定一个门限值，只要上行信号满足门限值的要求，系统就可以选中该路信号。如果不符合条件，则继续等待来自另外基站的数据，直到满足判选门限值，否则不允许建立业务（此种情况下说明判选门限值不合理，需要进行调整）。这样即可以提高判选速度，减少系统时延，也可以防止频繁的基站切换带来的其他影响（比如说由于各个基站到MSO IP链路之间延时的不一致性，在不同基站之间切换时容易导致语音包之间的延时抖动加剧）。
判选过程图如图8所示。

（三）多基站下行同频信号干扰
由于群组基站系统的特性，需要保证基站在下发数据时的同步发射，以保证同频区群组基站下的同频同相覆盖。
对GPS锁定要求更严格，基站需提供更为精确的守时功能。
同时，群组基站服务器通过向群组基站发送数据包，包含数据下发时间戳的方式，保证基站同步下发数据。时间戳的基准选择方式应综合考虑精度、系统时钟同步难度等问题。
（四）时延问题
由于需要处理重叠覆盖区问题，系统侧处理终端业务时延迟会比集群基站要大。并且存在多基站并行信号处理问题，多设备间同步问题，都会给系统带来额外的时延。为了不影响用户正常使用，群组基站这些问题造成的时延应控制在120ms以内。
（五）与集群基站互相切换
群组基站在硬件上与集群基站基本保持一致，公安用户在后期使用过程中，因需要而产生对系统规划的变化，能方便群组基站与集群基站进行互相切换。
为了将切换给系统带来的影响减至最低，做到迅速反应，应允许通过在中心侧远程实施完成所有切换动作，且数据库在切换后快速同步更新。
（六）建站建议

在PDT系统中，同频数字信号相位误差小于1/8码元时间才可满足正常通话要求。如：1码元时间约为200μs，1/8码元时间约为25 μs，即无线电波传播7.5公里。建设群组基站时，应当注意在各个基站重叠覆盖区内，尤其是在场强相当（场强差

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