一种便携式数字集群快速部署系统的研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇一种便携式数字集群快速部署系统的研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
分析了一种便携式数字集群快速部署系统的工作原理，并对无线覆盖范围进行了计算和预测，通过多个实际使用测试效果验证了覆盖效果。最后，与其他覆盖解决方案进行对比，并提出了各种应用场景的使用方法，得到可将其应用于数字集群网络应急补盲的结论。
数字集群 应急补盲 便携式 快速部署
Research on A Portable TETRA Rapid Deployment System
HE Zi-bin
The working principle of a portable TETRA rapid deployment system was analyzed and wireless coverage was calculated and forecast. The coverage effect of the system was verified through multiple practical tests. Finally， compare with other coverage solutions， the usage in different scenarios was presented and the conclusion on emergency blind area coverage of TETRA network was drawn.
TETRA emergency blind area coverage portable rapid deployment
1 引言
TETRA数字集群技术已经在国内专业通信市场占据主导地位。在北京、上海、广州、深圳等城市，覆盖全城的TETRA数字集群网络已经建成并投入运营。然而，受到投资的制约，目前已经建成的TETRA数字集群网络普遍现状是仅能实现地面基本覆盖和极少数重要场所室内覆盖。以广州为例，2010年投资建设的“广州市800M数字集群共网”共有191个室外基站和20个室内基站，网络规模仅次于北京正通数字集群网。但是，所有的地铁、地下商场、停车场和99%的大型建筑内部没有网络信号。同样，地面建筑密集区域以及山野区域也都属于网络盲区。因此，TETRA数字集群市场迫切需要一种便携式、可快速部署的应用系统来解决上述问题。
本文将研究一款基于ETSI 300 392和ETSI 300 396协议的便携式数字集群快速部署系统（GCI-T800-RG100），介绍其工作原理并重点研究其在不同场景下的使用效果。
2 设备原理
2.1 网络架构
便携式数字集群快速部署系统（以下简称快速部署系统）在整个TETRA数字集群网络中的位置是位于无线网和终端之间，可以把无线网信号转发为直通信号，将工作在直通模式的终端接入到网络中。那些工作在数字集群网络盲区的终端，可以在本系统的覆盖范围内，通过直通模式接入本系统提供的业务，直接与集群网络覆盖下的终端或调度台进行各类通信。通过这种方式可以解决当前集群终端在网络盲区就无法进行指挥调度通信的难题，实现用较小的投资解决网络覆盖不足的大问题。
系统架构图如图1所示：
GCI-T800-RG100快速部署系统是基于TETRA空中接口协议标准EN 300 396-5以及EN 300 392-2研制的产品。遵循这些协议可以确保互联兼容性，可接入不同生产厂家的基础网络，也能为不同厂家的终端提供接入服务。
TETRA协议模型如图2所示：
图2 TETRA协议模型
GCI-T800-RG100快速部署系统的基本工作原理是同时监听集群网络和直通网络的信号，并且能够将集群网络或者直通网络的呼叫转发至另外一个网络，满足让不同网络下的终端进行跨网络通信的需求，使得直通网络成为集群网络的延伸。通过这样的网络延伸，无需对集群网络进行扩容、补盲等费时费钱的传统覆盖操作，就可以快速、便捷地实现一定范围内、有紧急使用需求的盲区覆盖。工作原理图如图3所示。
2.2 实现原理
TETRA采用了TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）接入方式，无论集群模式还是直通模式，每个载波上可以承载4个时隙作为逻辑信道。GCI-T800-RG100快速部署系统在集群网络中和其他普通终端一样，占用上行和下行频率的各1个时隙进行业务通信，也具有个人身份号码和组身份号码作为身份识别。GCI-T800-RG100快速部署系统在直通网络中会固定占用1个时隙进行发射广播信息，以标明自身的存在。那些使用相同频率且具有相同通话组组号的直通终端可以接收到该信息，进入这个直通网络并在屏幕界面上提示有网关设备存在。
此时直通终端发起呼叫，会占用直通时隙1，GCI-T800-RG100接收这个时隙1的信号后，按照EN 300 396-5协议进行逐层解析操作，分析出呼叫源地址、目的地址、呼叫内容等信息后，再按照EN 300 396-2协议进行逐层打包操作，将以上信息通过网络模式下的上行频率某个时隙发送到网络基础设施。同样，GCI-T800-RG100接收到从网络侧发来的呼叫信息后，按照EN 300 396-2协议进行逐层解析操作，分析出呼叫源地址、目的地址、呼叫内容等信息后，再按照EN 300 396-5协议进行逐层打包操作，将这些信息通过直通时隙3进行发射，守候在直通时隙3的终端都可以接收到该呼叫。产品时隙图如图4所示。
3 覆盖预测
GCI-T800-RG100在直通侧可以提供的最大输出功率为10W（40dBm），在这样的功率等级下，通过计算可以预测在不同环境下的覆盖范围。
3.1 室内覆盖计算
建筑物穿透损耗如表1所示：
考虑空间传播损耗计算公式为：
L=32.45+20lgf+20lgD （1）
其中，f为频率，这里是800MHz;D为距离。
发射功率为10W（40dBm，无天线增益），TETRA终端规范要求接收灵敏度至少为-100dBm，则允许传输损耗为140dB。
考虑穿透2层楼板（2×10dB），且覆盖范围内有两面无窗的混凝土墙（2×20dB），此时容许空间传播损耗L=140-2×10-2×20=80dB。通过公式（1），可以计算D约为300m。
通过以上分析可以预计，GCI-T800-RG100快速部署系统可以覆盖半径300m（以设备为圆心）的地下2至3层范围。如果用做转发模式，可以覆盖半径300m（以设备为圆心）的地下3至4层范围。
3.2 室外覆盖计算
进行室外无线传输计算时，Okumura-Hata模型是一种常被用来进行分析的简单模型。该模型将无线环境划分为市区、郊区、开阔地。其中，市区又可以分为中、大城市和小城市。
Okumura-Hata模型如下：
L（市区）=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a（hm）+（44.9-6.55lghb）×lgd （2）
L（郊区）=L（市区）-2×（lg（f/28））2-5.4 （3）
L（开阔区）=L（市区）-4.78×（lgf）2+18.33lgf-40.98 （4）
其中，d为收发天线之间的距离，单位为km;f为工作频率，单位为MHz;hb为基站天线有效高度，单位为m;hm为终端天线高度，单位为m;a（hm）为终端天线高度校正因子，由下式计算：
（5）
发射功率为10W（40dBm，无天线增益），TETRA终端规范要求接收灵敏度至少为-100dBm，则允许传输损耗为140dB。假定快速部署系统室外使用时，架设高度为2m，终端手持高度为1.5m。通过公式（2）至（5）计算可知，在密集市区模型下，覆盖距离半径最大约为500m;在郊区模型下，覆盖距离半径最大可以达到1km;在开阔地模型下，覆盖距离半径最大可以达到5km。
通过上述计算也可以得到一个结论：快速部署系统室外使用时，架设高度会影响到覆盖范围。架设高度越高，覆盖范围则越广。
4 对比分析
通过上述原理和计算预测可知，快速部署系统基本可以实现对各种类型的TETRA网络盲区的应急覆盖需求。而传统上进行网络补盲的操作是建设覆盖系统。但是由于TETRA网络属于专业通信网络，这就决定了其用户数量一定是有限的，网络经济效益不是追求的目标。在进行网络建设时，必须考虑投资、维护、周期以及机动性等。
4.1 快速部署系统和室内覆盖系统的比较
（1）从投资角度看，建设室内覆盖系统覆盖全市楼宇、地下空间等可能需要投资数十亿元，用户难以承受如此规模的投资压力。而便携式、能快速部署的数字集群应用系统则是按需投资，仅一线工作部门需要使用，可以由政府部门根据自身需要采购，投资规模大幅降低。
（2）从维护角度看，建设室内覆盖系统分布广、维护复杂，在无用户使用的时候也需要工作，能源消耗大。而便携式、能快速部署的数字集群应用系统维护简单，不使用时不工作，节省能源。
（3）从建设周期看，需要耗时数年才可能完成全城室内覆盖建设。而便携式、能快速部署的数字集群应用系统无需建设周期，即开即用。
（4）从机动性看，室内覆盖系统在发生火灾等突发事件时有可能瘫痪而无法使用。而便携式、能快速部署的数字集群应用系统则可以全天候地在各种环境中使用。
4.2 快速部署系统和光纤直放站的比较
为解决数字集群网络存在的室内或者地下覆盖不足的问题，除了采用GCI-T800-RG100快速部署系统这样的思路，即利用TETRA标准协议中的网关和转发接口进行信号重生转发外，还有其他产品利用了另外一种思路，即用光纤直放站的方式，将TETRA无线信号通过光纤传递到需要覆盖的地方。
（1）便携性
GCI-T800-RG100采用的解调解析无线信号后重新发射的方法，和手持终端的原理一致，所以可以借鉴手持终端的设计，体积、重量方面可以设计得便于携带，即使加上电池和外壳，整体重量仅为10kg。通过一个便携包，单兵即可背负或手提至现场。
光纤直放站产品采用的是接收无线信号后，进行放大、光电转换等完全模拟信号处理的方法。完全的模拟信号放大带来的问题是效率低，导致整机设计需要考虑散热、供电等无法做到像终端一样小型化。另外，光纤直放站需要将主机、从机分开设计，还需要配置光纤盘。总体重量超过30kg，体积较大，携带相当不便。
（2）现场操作性
GCI-T800-RG100被携带至现场后，只需要按下开关，选择合适的工作模式后，参考提示的信号强度选择合适的部署位置即可。使用过程中，视现场情况，最多只需要1人值守。每套系统投入使用后，在直通网络覆盖区内，可以保障1个通话组进行集群网络通讯。该通话组的终端需要提前设置直通模式和直通通话组。
光纤直放站产品被运送到现场后，需要进行多步操作才能投入使用。首先要选择主机安置位置，然后铺设光纤以及携带从机至从机安置位置。因光纤直接放置在地面，需避免被碾压。设备安装到位后，还需要进行复杂的调试。使用过程中至少需要3人进行维护，分别负责主机、从机和光纤链路。
（3）对环境的要求
GCI-T800-RG100可以部署在室内、地下、地面等各种场景，设备自带电池，使用时无需考虑供电。另外，系统配置交流适配器，连接至外部电源即可持续工作。系统是完全无线信号转发，使用时不需要维护有线传输链路。
光纤直放站产品因为主机天线和从机天线之间必须达到一定的隔离度才能避免系统自激，所以主机必须部署在从机的覆盖范围之外。这就限制了这类产品仅能用于有较好屏蔽效果的地下空间。光纤直放站主机端的部署位置选择条件较为苛刻，一般需要使用外部交流供电。
（4）覆盖和使用效果
无线系统的覆盖效果主要取决于发射功率、天线位置以及覆盖区地形地貌。在地形地貌无法改变的情况下，发射功率和天线是改善覆盖效果的主要因素。
在广州某地铁站，GCI-T800-RG100和一款光纤直放站产品进行过一次相同的覆盖测试。
光纤直放站产品从机放置在地铁站站厅内，可以实现站厅大部分区域（约87%）覆盖，1号线站台扶梯口处3m范围内覆盖，8号线无法覆盖。
GCI-T800-RG100放置在B出入口位置，可以实现站厅全覆盖，1号线80%范围覆盖，8号线30%的覆盖。
综合以上对比，光纤直放站产品的特点在于用户终端无需调整即可使用，从机可以级联用于链式覆盖。而GCI-T800-RG100在便携性、现场操作简便性、对外界环境的要求以及覆盖效果上存在较大优势。
5 使用效果
GCI-T800-RG100自从问世以来，先后由多个用户在众多环境下进行了实际使用，包括：地铁站、地下室、城中村、地面以及楼宇间等。
5.1 地铁站覆盖
GCI-T800-RG100在广州某地铁站进行过部署应用。地铁站可以实现站厅全覆盖，8号线90%覆盖，覆盖效果分别如图5和图6所示。
5.2 地下室覆盖
GCI-T800-RG100在丽影广场、中电七所、广州东站、天河城、珠江新城西塔等地下停车场进行过应用。地下停车场信号覆盖效果如图7所示。
对于丽影广场地下停车场、中电七所地下停车场这样的1至2层、面积不大的地下空间，可以实现全部覆盖。
对于广州东站地下停车场、珠江新城西塔地下停车场这样的4层地下空间，基本可以实现地下1至2层的覆盖，地下3至4层的通道口处有信号。
对于天河城地下停车场这样面积较大的地下空间，可以实现70%面积的覆盖。
5.3 城中村覆盖
GCI-T800-RG100在广州海珠区新市头村进行过应用。结果表明：如果系统直接部署在地面，可以实现50%面积的城中村覆盖，如图8所示;如果系统部署在相邻的高楼顶，可以实现80%面积的城中村覆盖，如图9所示。
6 应用分析
快速部署系统无论从原理还是实际效果来看，都可以满足应急性的小范围TETRA网络补盲应用需求。下面将分析一些典型的需要快速部署系统的应用场景：
（1）1至2层地下停车场以及规模较小的地铁站
市内大多数小区配置的地下停车场为1至2层规模，且大多内部无法收到800M网络信号。这些区域内如果发生突发事件时，现场工作人员无法通过集群终端汇报处理情况。
在这种场景下，可以携带一套快速部署系统到现场，部署在停车场入口处，打开网关模式，现场工作人员终端调至直通模式，即可和指挥调度中心进行通信。
（2）大型地下空间以及规模较大的地铁站
市内有一定数量的大型地下空间用于商业、餐饮或娱乐等用途，也有几个规模较大、出入口数量多的地铁交汇站，800M网络信号基本没有覆盖这些区域。
可以选择使用快速部署系统的转发功能，扩大直通终端通信距离。和网络指挥调度中心的直接通信通过人力接续的方式进行。
（3）城市密集区域网络信号受遮挡区域（如城中村）
在城区中，由于受到高楼、高架桥以及建筑密度高等各种因素的影响，存在部分室外区域、底层高密度城中村等区域无信号或者信号极弱等情况。这些区域也很难利用800M网络进行指挥通信。
针对这样的区域，使用车载网关也可以解决部分问题，但是使用快速部署系统能够更加方便地选择部署位置，可部署至相邻较高位置，以达到覆盖范围更广的效果。
（4）30层以下住宅小区
由于800M网络基站密度较低，一些住宅小区的室内可能无法使用集群终端。对于30层以下的住宅小区，应急时可使用一套快速部署系统，以解决室内临时指挥调度需求。
（5）30层以上楼宇
对于30层以上的商业写字楼或者住宅，通常在楼宇的最中间位置收不到800M网络信号，而靠近窗户的位置一般能够收到网络信号。应急时可将一套快速部署系统部署在楼宇的中间层靠窗户位置，以满足一定范围内的通信需求。
（6）周边县市城区网络信号盲区
800M网络的基站在周边县市的密度更低，这些区域的城区还存在不少的网络盲区。
（7）山野区域
800M网络对于山野区域没有做到百分百覆盖，如果这些区域需要排查、搜索或者救火应急时，可以通过部署快速部署系统来实现临时覆盖。
（8）大量警力集结情况
如果出现应急事件，需要大量警力或者工作人员集结。通常此时的话务量并不是很大，但是因为位置更新、GPS上报信息等占用控制信道而导致网络服务能力下降，出现通话阻塞等现象。这时可以将话务量较少的组设置到直通组，通过快速部署系统来和网络进行通信，降低网络负荷，提升网络接通率。
7 结束语
GCI-T800-RG100快速部署系统是一款经济实用、便于携带、快速部署的TETRA网络补充覆盖设备，特别适用于政务共网这样投资有限但重要性、时效性要求高的网络，其使用效果已经过大量的实战验证，在TETRA数字集群共网建设和维护工作中应得到广泛使用。
参考文献：
[1] 沈勇. TETRA集群网关功能研究及在地下建筑应急通信中的应用[J]. 移动通信， 2012（19）： 82-87.
[2] 郑祖辉，陆锦华，郑岚. 数字集群移动通信系统（第二版）[M]. 北京： 电子工业出版社， 2002.
[3] 陈德荣，刘永乾，蒋丽. 移动通信网络规划与工程设计[M]. 北京： 北京邮电大学出版社， 2010.
[4] 朱志宇. 便携式数字集群快速部署系统可行性研究报告[R]. 2012.
[5] 邓祖培，邓子桓. 钢筋混凝土对无线通信的影响[A]. 第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C]. 杭州： 浙江大学出版社， 2008.
[6] ETSI 300 392-2. Voice+Data Air Interface （AI）[S]. 2010.
[7] ETSI 300 396-2. DMO： Radio Aspects[S]. 2010.
[8] ETSI 300 396-3. DMO： Mobile Station to Mobile Station （MS-MS） Air Interface （AI） Protocol[S]. 2010.
[9] ETSI 300 396-4. DMO： Type 1 Repeater Air Interface[S]. 2010.
[10] ETSI 300 396-5. DMO： Gateway Air Interface[S]. 2010.