数字集群自组网技术研究
摘要 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。
关键词 数字集群 自主组网 通播组呼
1 当前数字集群系统结构及其局限性
数字集群通信系统是一种高效使用无线信道资源的专用指挥调度系统，能够提供安全、可靠以及高效率的语音和数据通信，目前在轨道交通、公共安全、政府部门、港口和民航等单位得到广泛应用。现代战争对通信系统的时效性、机动性、抗毁性、互联互通性及安全保密性有着越来越高的要求，数字集群通信系统能够很好地满足战场环境下的通信指挥需求，因此数字集群通信系统在军事领域大有可为。
如图1 所示为一个多层次、多控制中心的多区系统，将各基站通过有线与一个控制中心相连，并受其统一管理和控制，区域交互中心主要负责越区用户的身份登记、不同区间业务的管理、控制信道的分配和管理以及区间用户的漫游业务等。
上文所介绍的数字集群系统为常驻系统，并不能满足部队机动过程中的应用需求。同时，多基站互连时都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，控制中心会成为敌方的重要目标，很可能遭到破坏，这将造成各基站之间的连接中断，系统崩溃，这对数字集群通信系统在战场环境下的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。
2 数字集群自组网技术原理
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。
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的，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。
如图2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，接收台可以接收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。
3 数字集群基站自组网通播组呼业务
如图3所示，基站间有线联网断开，只能通过基站自主组网通播组呼业务实现基站间通信业务。新定义数字集群基站自主组网通播组呼号码对应的组呼基站识别码为GTSI i，在MSC1中有通播组成员MS1位于BS1—2和MS2位于BS1—3；在MSC2中有通播组成员MS3位于BS2—2；在MSC3中有通播组成员MS4位于BS3—2；在MSC4中有通播组成员MS5位于BS4—2。此时MSC2的接收台AS2—2监听MSC1的下行信令信道TSCC1；MSC1的接收台AS1—1监听了MSC2的下行信令信道TSCC2，接收台AS1—2监听了MSC3的下行信令信道TSCC3；MSC3的接收台AS3—1监听了MSC2的下行信令信道TSCC2，接收台AS3—2监听了MSC4的下行信令信道TSCC4；MSC4的接收台AS4—1监听了MSC3的下行信令信道TSCC3。即此时基站间已经形成一个逻辑上的双向链状网络。
为不失一般性，选择通播组呼组成员MS1作为通播组呼的主叫移动台。主叫用户通过MSC1的BS1—2下的移动台MS1人机界面选择通播组呼号码通过上行信令信道U—TSCC发起一个组呼请求，MSC验证MS1的合法性之后，首先查询该组呼号码对应的组呼集群识别码为GTSI i。由于基站之间并没有通过有线联网，基站GVLR中只包含在本基站覆盖范围内的组成员位置信息和组呼配置信息。MSC1查询的组呼访问位置寄存器GVLR1得知在本交换中心下有该组成员分别位于BS1—2、BS1—3，且基站下的两个接收台AS1—1、AS1—2为该组的默认组成员。MSC1为本次组呼分配组呼业务信道TP1，并在下行信令信道TSCC1上通知所有该组成员加入本次组呼并切换到组呼业务信道TP1上，MS1、MS2收到通知后切换到组呼业务信道TP1上。
此时MSC2的接收台AS2—2和MSC3的接收台AS3—1均已监听MSC1的下行信令信道TSCC1，收到通知后也作为通播组呼的组成员切换到MSC1为本次通播组呼分配的业务信道TP1上，同时分别作为主叫向各自的本地基站发起通播组呼呼叫。MSC3收到集群组呼识别码为GTSI i的组呼建立请求后查询GVLR3后得知在本交换中心下由该组成员MS4位于BS3—2下，MSC3为通播组呼分配组呼业务信道TP3，并在下行信令信道TSCC3上通知所有该组成员加入该组呼并切换到业务信道TP3上。在MSC2中亦对本次呼叫做相同处理。
MSC4的接收台AS4—1在监听的MSC3的下行信令信道上收到加入该组呼的通知后切换到MSC3为本次通播组呼分配的组呼业务信道TP3上，并作为主叫向MSC4发起通播组呼呼叫。MSC4收到集群组呼识别码为GTSI i的组呼建立请求后查询其GVLR4后得知在本交换中心下由该组成员MS5位于BS4—2下，MSC4为通播组呼分配组呼业务信道TP4，并在下行信令信道TSCC4上通知所有该组成员加入该组呼并切换到业务信道TP4上。
至此，覆盖MSC1、MSC2、MSC3和MSC4通播组呼业务建立完成，各基站下的通播组成员均加入到通播组呼中。
4 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通播组呼呼叫接续流程。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。
参 考 文 献
[1] ETSI EN 300 392—2 Terrestrial Trunked Radio （TETRA）；Voice plus Data （V+D）；Part 2： Air Interface （AI）.2006年9月.
[2] ETSI EN 300 392—1 Terrestrial Trunked Radio （TETRA）；Voice plus Data V+D）；Part 1： General network design.2005年6月.
[3] Kam P.MACA—A new channel access method for packet radio. In： ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Comference，1990
[4] IEEE std 802.11. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical specifications，1999
[5] Duke Lee. Wireless token ring protocol. Master Thesis， University of California at Berkeley， March 2001
[6] H.Y Hsieh ， R. Sivakumar， “On Using the 自组网 Network Model in Cellular Packet Data Network”， Proceedings of ACM MOBICOM， Jun.2002，pp.36—37
[7] ETSI TS 102 361—3： Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters；Digital Mobile Radio Systems ： DMR data protocol，2007.
[8] IETF RFC 2508： Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low—Speed Serial Links.
[9] 吴少川，数字集群系统的ad hoc路由技术.电子器件，2005，9.
[10] 郑祖辉，陆锦华等. 数字集群移动通信系统（第3版）北京，电子工业出版社 2008，1.
[11] 谢希仁.计算机网络（第4版）. 北京，电子工业出版社，2003年6月.
[12] 宋茂强. 通信软件设计基础（第二版）. 北京，北京邮电大学出版社，2008年2月.
[13] 郑祖辉，陆锦华等. 数字集群移动通信系统（第3版）北京，电子工业出版社 2008年1月.
[14] 军用综合移动通信系统总体技术方案报告. 2007年7月.