第二代数字集群通信标准的研究现状和最新发展

 

TETRA是欧洲电信标准协会(ETSI)于1990年开始制定的数字无线电集群通讯标准，最早称为移动数字集群无线电系统MDTRS（Mobile Digital Trunked Radio System），在90年代初改称为泛欧集群无线电系统（Trans European Trunked Radio System）。TETRA标准的制定工作从酝酿起草到全部完成，共耗时10年，其核心标准超过4000页，由于该标准的公开性，引起了世界范围的广泛重视。欧洲电信标准协会在1997年5月又将TETRA的含义更正为陆地集群无线电系统（Terrestrial Trunk Radio System）。

TETRA数字集群通信系统具有丰富的业务功能、更高的频谱利用率、更好的通信质量以及更为灵活的组网方式，许多新的应用（如自动车辆定位AVL、实时图像传输、移动互联、数据库查询等）都已得到实现。TETRA版本1中已经提供了相当多的业务和功能，但是随着时间的推移和新技术的发展有必要改进和加强部分的技术和功能，就像GSM向GPRS、EDGE和UMTS/3G发展一样，TETRA也需要不断发展以满足用户对新业务功能的需求以及新技术的应用。

由ETSI和TETRA MoU协会共同合作改进和修订的TETRA 版本2新协议标准，主要增强了以下方面的业务功能：

Ø         提供比TETRA版本1快10倍的高速数据传送速率；

Ø         新的语音编解码器的选择和标准化，使TETRA系统和公共蜂窝网络相互通信而不需要译码，以及通过使用最新的低位速率语音编解码技术来提高TETRA的语音质量；

Ø         进一步增强TETRA空中接口标准，以便在频谱利用率、网络容量、系统性能、业务质量、终端性能、电池寿命等相关方面做更好地优化；

Ø         发展SIM卡的应用，达到与通用用户定义模型（USIM）的兼容，从而实现与公共蜂窝网络取得互联和漫游的同时满足TETRA的特定业务；

Ø        实现TETRA网络和公共蜂窝网络（如GSM，UMTS）之间的互联和漫游。

 

TETRA数字集群通信系统中的业务性能明确指出是V+D^[2]，V+ D是话音和数据的意思，它是指在25kHz带宽中的4个时隙可传话音、也可传数据（但不支持数据和话音并传）。TETRA数字集群通信系统支持每时隙数据传输速率最高可达到7.2 kbps，单载频4时隙最高可支持28.8kbps。TETRA数字集群通信系统能够提供短数据、电路数据、分组数据业务，即数据业务^[3]的引入使TETRA具有更好的适应性与实用性。但是，随着公共蜂窝网络中更快更好的数据业务的实现，用户对TETRA系统中的数据业务能力也提出了更高的需求：

Ø         支持更好的多媒体应用能力，如实时视频传输；

Ø         支持小区边缘最低50-150kbps的可用数据速率，并随着接收信号质量的提高，数据速率要更高；

Ø         对称的、上行不对称和下行不对称的数据传输的结合，提供多种应用；

Ø         平滑过渡、后向兼容，使用现有TETRA系统设备支持高速数据业务；

Ø         保留TETRA的窄带特性，使之与TETRA V＋D网络以及其它共享相同频带的窄带技术共存；

Ø         集成的TETRA V＋D和HSD通信终端设备。

在TETRA 版本2中，WG4（ETSI 第4工作组）分别提出两种高速数据业务的解决方案，TAPS和TEDS。TAPS是“TETRA先进的分组业务（TETRA　Advanced　Packet　Service）”，它是在200kHz内传输约380kbps速率的数据，但仅支持数据业务；TEDS是“TETRA增强型数据业务（TETRA　Enhanced　Data　Service）”，它是在现有系统平台上平滑过渡实现传输384kbps的数据业务。

TAPS技术是基于GPRS和EDGE标准改编的，是在现有TETRA网络中叠加覆盖一个仅支持数据业务的网络。该标准是ETSI TETRA项目最先交付给版本2的，并且在2001年就已经发布^[5]。TAPS使用GPRS和EDGE技术，在200kHz信道上提供最大380kbps左右的数据速率。采用TAPS技术实现TETRA高速数据业务主要是针对目前TETRA技术在PAMR共网中的应用。

TEDS技术完全兼容现有的TETRA V+D标准，支持包括技术和系统设备的平滑过渡，通过增大带宽（50kHz,100kHz, 150kHz）、改进调制技术（4 QAM、16 QAM、D8PSK）和采用新的信道编码方案（PCCC ，Parallel Concatenated Convolutional Coding ），TEDS在选择数据速率、占有带宽和覆盖范围等性能上提供度量能力、适应力和灵活性，实现最大384kbps的数据速率。TEDS技术标准仍在制订和完善中，主要用于满足传统PMR用户团体（可能没有额外的频谱资源，或对高速数据业务的系统设备没有足够的投资）的需求。

 

TETRA版本1的ACELP语音编解码器已经非常适应PMR和PAMR的语音通信要求，特别是在公共安全部门，90％的当前用户反应不需要新的编解码器，并且版本1中的编解码器的高抗噪性能很强。但是，随着UMTS/3G和TETRA在不同市场的推广和渗透，用户对语音编解码技术提出了新的特性与功能需求。因此，在TETRA 版本2中提出并采用了新的语音编解码标准。

引进新的语音编解码器的主要目的是加强TETRA语音质量、允许与UMTS/3G蜂窝网络有效交互。因为TETRA版本1标准中可支持多达4个语音编解码器，利用这个灵活性，新的终端可在现有TETRA编解码器和新增的编解码器上同时运行。

新的语音编解码器主要增加和提高了以下功能：

Ø         改进语音编解码器的语音质量；

Ø         实现与公共蜂窝网络的交互和自动译码；

Ø         提高与低位速率标准语音编解码技术的兼容性；

Ø         进一步提高语音编解码器的抗噪性。

 

为了便于与公共蜂窝网络的交互，在评定和仿真显示（如图1所示），可以在TETRA移动终端环境中提供可接受的性能后，WG5（ETSI 第5工作组）的成员决定采用自适应多速率AMR （Adaptive Multi-Rate）编解码技术，AMR具有8种固定的信源速率模式，可为了便于与公共蜂窝网络的交互，在评定和仿真显示（如图1所示），可以在TETRA移动终端环境中提供可接受的性能后，WG5（ETSI 第5工作组）的成员决定采用自适应多速率AMR （Adaptive Multi-Rate）编解码技术，AMR具有8种固定的信源速率模式，可在不同的无线传播环境中提供不同容错率的编码器，从而实现系统中语音质量和系统容量的最佳折衷。通过对4.75kbps, 5.15 kbps, 5.9 kbps 和 6.7 kbps低速率AMR编码技术的评估，WG5分析了每种编码技术在TU-50环境下的载干比 C/I (Carrier-to- Interfere ratio)值，最终选定了4.75 kbps的AMR模式为新版本协议中的语音编解码器。新增的技术描述补充在语音编解码协议部分ETS 300-395-2 v3.0.0 中。

 

 

TETRA标准支持集群和直通两种通信模式，其空口协议结构遵循OSI模型，但空中接口标准仅定义了下3层协议内容，底层协议标准是开放的，而高层通信协议TETRA标准没有进行定义。虽然TETRA曾被认为在性能方面比其他所知的PMR技术优越，但经过大量实验的验证，已经确认在某些领域的性能可以通过修改TETRA空口标准来加强。TETRA 版本2中关于空中接口设计^[6]主要做了以下改进：

Ø         提高频谱利用率；

Ø         增强网络容量；

Ø         基站RF覆盖范围超越TETRA版本1 的58km半径的限制；

Ø         精确定位性能要优于小区定位；

Ø         改进的小区切换策略和漫游管理。

Ø         根据此部分新标准协议的修订，我们可以从系统和终端两方面进行分析和总结。

3.1 系统方面

增强系统频谱效率、容量和系统性能（改进的越区切换、分级小区结构）。

修订的越区切换标准主要是规定了当发生小区切换时每个小区内支持的业务类型，即各小区针对越区切换的用户，根据小区的覆盖范围、业务类型、用户容量和用户业务量等，定义了能够提供的服务。

新增的分级小区结构标准主要是根据小区内用户特殊的业务需求（业务类型、用户容量和用户业务量等），在网络覆盖范围上定义了微小区、宏小区和重叠小区等概念。

新标准还定义了特殊专用无线信道用以扩大覆盖范围，验证表明最大半径可到80km。

3.2 终端方面

增强终端性能（节能模式、不连续发射、开环和闭环功率控制）的多项新标准主要是通过改进和增加终端的工作方式，来达到降低功耗、延长工作时间、提高服务质量等目的。

节能模式（energy economy mode）是用户终端根据当前工作情况设定是否进入节能模式，在长时间没有业务时进入此模式可以降低手机终端的功耗、延长电池的使用时间。

系统基站一般都是工作在连续发射状态，而终端设备可以选择工作在非连续发射模式。新标准中定义了语音激活检测（Voice Activity Detection）功能，即定义了终端设备的非连续发射模式，通过检测系统基站下行的语音激活信号，终端设备开启进入正常连续工作模式，否则工作在非连续发射模式下节省功耗。

终端设备通过采用开环和闭环功率控制，检测下行信号强度，确定与系统基站的远近，从而调节终端上行的发射功率，进一步实现降低功耗。系统基站则通过检测终端的上行发射功率，实现终端的小区定位和精确定位。

 

TETRA 版本2中SIM卡标准^[4]符合IC（Integrated Circuit）和UICC（Universal Integrated Circuit Card）规范。SIM卡可用作集群终端用户的号码分配和身份鉴别，同时也用作网络管理和调度管理。由于TETRA数字集群通信系统的主要用户是公共安全、军队警察和交通运输等部门，他们对通信的安全性有一定的要求，于是在新标准中对通过SIM卡进行安全加密做了相关规定，可以在SIM卡中存储加密密钥实现用户与系统间的双向鉴权、无线空中接口的加密以及端到端的加密。随着新技术的发展，新型的智能卡（Smart Card）也许在将来会替代SIM卡实现更复杂和更安全的通信功能。

 

TETRA 版本2中进一步完善了网络系统间互联和不同网络间互联漫游的功能，主要是为了适应当前公网（GSM、UMTS）中互联互通的发展趋势，满足专网通信网络的互联互通和集群调度管理，并实现专网和公网间的自由漫游。

系统设备间的互联涉及不同网络设备的接口能力，TETRA新标准中加强了系统设备内部接口ISI和系统设备间互联接口TIP的标准，并在此基础上增加了与公网互联接口的设计标准，实现专网和公网的互联互通可为不同网络中的用户提供更高层次的业务功能。

漫游功能可为离开本地服务网络的用户提供在另一网络中的接入服务。在不同TETRA网络之间的漫游是当前最基本的且是最重要的需求。这是由于在发生国际重大灾难的情况下，不同的团体和部门之间需要不同网络间的通信。在所有形式的漫游中，用户需要完全接入全部业务，语音和数据漫游是最基本的需求。

TETRA新标准中还考虑到用户在不同技术的网络（如GSM、GPRS、EDGE和UMTS）使用TETRA终端的需求。这个需求对在不同国家旅行而无法接入TETRA网络的用户或是在同一国家但在TETRA网络外的其它移动网漫游的用户来说很重要。

 

第二代数字集群通信系统标准 TETRA 版本2，结合专网通信和公网通信的特点，根据用户的最新需求和新技术的发展，在业务功能、通信安全、互联互通和网络系统及终端设备的性能方面做了新的改进和补充。新标准的制定和发布，一定会推进TETRA技术在全球范围内更为广泛的应用。

 

[1] TWC2003 TETRA世界大会论文集

[2] ETSI EN 300 392：Terrestrial Trunked Radio（TETRA）； Voice plus Data（V + D）；[3] ETSI EN 300 393：Terrestrial Trunked Radio（TETRA）； Packet Data Optimized；

[4] ETSI EN 200 812：Terrestrial Trunked Radio（TETRA）；Subscriber Identity Module to Mobile Equipment（TSIM-ME）interface；

[5] ETSI TR 101 976 Terrestrial Trunked Radio（TETRA）；Guide to TETRA Advanced Packet Service（TAPS）；

[6] ETSI TR 101 987 Terrestrial Trunked Radio（TETRA）；Proposed Air Interface Enhancements to TETRA Release2。

 

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