主頁（http://www.by236.com）：集群系統(tǒng)自主式基站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

集群移動通信系統(tǒng)用來完成如通信調(diào)度、指揮等功能，同時(shí)對系統(tǒng)內(nèi)的用戶有較強(qiáng)的優(yōu)先級別管理功能，但是在某些突發(fā)事件條件下，集群系統(tǒng)往往只能作到在當(dāng)?shù)亟�立指揮系統(tǒng)，在沒有有線或微波中繼的條件下，建立與外界其他網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系有一定困難；或者在偏遠(yuǎn)地區(qū)，建立集群系統(tǒng)投入過大，只建立基站又不能與外界通信。所以，如果能建立一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的基站系統(tǒng)，同時(shí)本基站系統(tǒng)又可作為主集群系統(tǒng)的終端進(jìn)入主集群網(wǎng)絡(luò)，則可以既減少了投入，又?jǐn)U大了集群系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域。基于這些設(shè)想，并結(jié)合我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并運(yùn)行的采用MPT-1327國際標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)[1][2][3][4][5]，同時(shí)考慮系統(tǒng)向數(shù)字化過度的需要，我們提出了集群系統(tǒng)自主式基站的設(shè)計(jì)。

1.系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方案

集群系統(tǒng)基本為大區(qū)結(jié)構(gòu)，無線覆蓋范圍由基站、用戶端的功率以及雙方天線高度決定。集群系統(tǒng)一旦建立，服務(wù)區(qū)域就基本確定。雖然可以通過新增加基站來增大服務(wù)覆蓋區(qū)，但一是要修改系統(tǒng)軟件配置，二是要求更新系統(tǒng)硬件連接關(guān)系，使得系統(tǒng)不能發(fā)揮靈活快速的通信指揮特點(diǎn)。因此，本文在不改變原有集群系統(tǒng)配置的條件下，建立一個(gè)小規(guī)模基站子系統(tǒng)，可以獨(dú)立工作，可以作為用戶接入主集群系統(tǒng)，可以建立在任何需要架設(shè)基站的位置，擴(kuò)大系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域，同時(shí)，由于對于原有系統(tǒng)是作為用戶機(jī)存在，原有系統(tǒng)不必重新配置，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于一般的系統(tǒng)的覆蓋范圍，可以采用Egli模型或奧村模型進(jìn)行估算，如果集群系統(tǒng)的基站天線高度、用戶天線高度以及增益都已知，則基站與用戶之間的傳播損耗為：

在一般的大區(qū)制系統(tǒng)中，服務(wù)半徑大約30km，在這個(gè)范圍內(nèi)可以保證不同類型的用戶如便攜式用戶與車載用戶的可靠通信。但是由于便攜式用戶發(fā)射功率小，所以雙向的可靠通信距離一般在15公里左右，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用主系統(tǒng)通信半徑15公里做作為設(shè)計(jì)參照指標(biāo)。如果主系統(tǒng)基站天線高度為30m，用戶天線高1.5m，工作頻率350MHz，通信距離15km，則由式(1)的Egli模型得到的損耗為173dB。如果以奧村模型，采用公式(2)的奧村圖表法得到損耗為165dB。當(dāng)采用自主基站接入，自主基站覆蓋自己的服務(wù)區(qū)，同時(shí)通過定向高增益天線與主系統(tǒng)連接，則可以使得主系統(tǒng)與自主基站間的通信距離大大超過原有的15km。

由于地球表面曲率的影響，所以上面公式1和2要做一定的修正，由于陸地移動通信的視距傳播，所以要進(jìn)行修正，地球表面視距與天線高度的關(guān)系如下： 

采用式(1)(2)的損耗模型并采用(3)修正后，表1給出了主系統(tǒng)基站間中繼距離的數(shù)值。

從表中可以看到，采用自主基站是可以大幅度提高集群系統(tǒng)的覆蓋范圍。作為調(diào)度通信指揮使用，采用自主式基站接入系統(tǒng)后，通信覆蓋半徑可以近似認(rèn)為是兩個(gè)基站的距離加上自主基站的覆蓋半徑，如果自主基站采用30m天線，其覆蓋半徑可以達(dá)到約15km。所以總的服務(wù)半徑可達(dá)79km，是原有系統(tǒng)的約5倍，服務(wù)覆蓋面積可以從幾百平方公里增加到數(shù)千平方公里。使得系統(tǒng)在大范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度指揮的能力大大加強(qiáng)。  

表1 主系統(tǒng)與自主基站間中繼距離的變化

2.系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

自主基站系統(tǒng)應(yīng)該具備兩方面的功能：一是在沒有與外界的聯(lián)系條件下，完成本基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的調(diào)度通信；二是在需要的情況下，通過中繼連接信道作為主集群系統(tǒng)的用戶終端接入主系統(tǒng)并通過主系統(tǒng)進(jìn)入其他通信網(wǎng)絡(luò)。     

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

系統(tǒng)中的中繼信道機(jī)采用高增益定向天線，中繼控制器具有用戶終端機(jī)的全部功能，數(shù)據(jù)采集單元完成信道控制器與基站控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)以及信令的傳輸，本地交換模塊完成所有信道之間的交換功能，信道控制器負(fù)責(zé)處理本基站用戶的呼叫請求以及相關(guān)的話務(wù)處理，除了中繼控制器外，均可以采用普通集群的控制模塊，來簡化設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中信道控制單元采用了我們已有的設(shè)計(jì)[6]。

當(dāng)本地用戶發(fā)出呼叫指令時(shí)，基站控制單元首先進(jìn)行分析，判斷是否為本地基站用戶，如果是，則通過本基站信令信道下發(fā)用戶有效性檢查AHY指令，并根據(jù)用戶對此指令的回答做出接續(xù)或拒絕的處理；如果本基站以外的用戶，則通過數(shù)據(jù)采集單元向一個(gè)空閑的中繼控制器下發(fā)呼叫指令，中繼控制器經(jīng)過變換，稱為標(biāo)準(zhǔn)的起呼指令RQS發(fā)送到遠(yuǎn)端主集群系統(tǒng)，此時(shí)中繼控制器作為主系統(tǒng)用戶存在，處理主集群系統(tǒng)后續(xù)信令，如果呼叫成功，將按照主系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的話務(wù)信道上，并報(bào)告本地基站控制單元，接續(xù)成功。本地基站再在自己的信令信道上向原呼叫用戶下發(fā)信道分配指令，分配一個(gè)本地通話信道。然后向本地交換模塊發(fā)出端口交換指令，接通本地?zé)o線信道與相應(yīng)的中繼信道。需要說明的是中繼控制可以控制中繼信道機(jī)覆蓋主系統(tǒng)所有頻率，本地信道則可以使用另外的頻率資源。 

中繼控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，與信道控制器相比，它必須完成信道的自動切換與復(fù)原，而普通信道控制器不必控制信道頻率。

圖3中，擴(kuò)展I/O接口用中繼信道機(jī)的頻率合成器控制；MX429用來處理MPT-1327數(shù)字信令；語音單元用于控制調(diào)度通話或?qū)⒃捯羲偷浇粨Q模塊，并行接口則負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行通信將收到的信令上發(fā)或接收數(shù)據(jù)采集單元的指令。 

自主基站系統(tǒng)的目的是對主系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，特別是針對[偏遠(yuǎn)地區(qū)或者意外事件突發(fā)區(qū)，因此基站系統(tǒng)可以是固定模式，也可以是車載模式，當(dāng)采用車載模式后，系統(tǒng)在覆蓋區(qū)域和通信指揮的靈活性將得到更大的發(fā)揮，可以做到在需要時(shí)立即建立服務(wù)區(qū)，不需要時(shí)撤消或轉(zhuǎn)移服務(wù)區(qū)。

3.系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 

在原有集群系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)上，我們重新設(shè)計(jì)了基站控制單元軟件以及中繼控制器的軟件。主控軟件流程如圖4所示。

自主基站的主控流程在初始化之后將系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)下發(fā)給中繼控制單元，鑒于MPT-1327信令時(shí)隙的要求，中繼信道控制單元必須在收到尋呼信令A(yù)HY后立即回答，所以在主控流程中，只處理分配信道以后的系統(tǒng)信令，之前的信令由中繼信道控制單元獨(dú)立處理。中繼控制器軟件流程如圖5所示。 

在中繼控制單元中，程序負(fù)責(zé)將本基站對外的呼叫申請發(fā)送到主系統(tǒng)。對于實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的信令，中繼系統(tǒng)將負(fù)責(zé)將控制單元的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；對于實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的如尋呼AHY信令等，將首先響應(yīng)進(jìn)行回答，發(fā)送ACK信令，然后在將后續(xù)信令報(bào)告自主基站控制單元。

4.多個(gè)自主基站與主系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行 

當(dāng)自主基站系統(tǒng)與主系統(tǒng)聯(lián)合工作時(shí)，特別是當(dāng)一個(gè)主基站與多個(gè)自主基站系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，會構(gòu)成一個(gè)多獨(dú)立區(qū)覆蓋系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

對于多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)加入主系統(tǒng)構(gòu)成的多覆蓋區(qū)系統(tǒng)，一個(gè)主要問題是用戶數(shù)據(jù)的更新問題。由于用戶一定的隨機(jī)性，可能在下一次通話之前從自主系統(tǒng)1移動到自主系統(tǒng)n。自主系統(tǒng)n可以通過用戶的登記請求信令刷新自身數(shù)據(jù)庫，但是自主系統(tǒng)n無法了解到該用戶已經(jīng)離開，所以在主系統(tǒng)對該用戶發(fā)出尋呼指令A(yù)HY時(shí)候自主系統(tǒng)1和n會同時(shí)進(jìn)行應(yīng)答，導(dǎo)致信令的碰撞，進(jìn)而出現(xiàn)接續(xù)失敗。

為了保證通信的可靠，我們?yōu)樽灾飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)了特殊的短數(shù)據(jù)通信，可以保證自主系統(tǒng)加入主系統(tǒng)[1][2][6]完成自動數(shù)據(jù)更新，與MPT-1327信令其他系統(tǒng)聯(lián)合工作時(shí)需要通過有線專線或人工方式解決此問題。獨(dú)立的自主基站系統(tǒng)可以安裝成為車載系統(tǒng)，這樣既可以保證遠(yuǎn)距離通信覆蓋，又可以實(shí)現(xiàn)靈活的覆蓋區(qū)域改變。

6.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種自主基站系統(tǒng)，既可以獨(dú)立工作，又可以與任何MPT-1327信令的集群系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，大大增加系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域。同時(shí)自主基站系統(tǒng)如果采用車載方式，更可以提高系統(tǒng)的靈活性，滿足突發(fā)情況或邊遠(yuǎn)地區(qū)的通信指揮。

參考文獻(xiàn)

1.譚學(xué)治，沙學(xué)軍等，張乃通 一種采用MPT-1327數(shù)字信令的智能集群移動通信系統(tǒng)，移動通信，1995，(4)：39～42.

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3.沙學(xué)軍，譚學(xué)治，張乃通 動態(tài)幀長ALOHA在集群系統(tǒng)中的應(yīng)用通信學(xué)會 第四屆年會，1995：931～934.

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6.譚學(xué)治，沙學(xué)軍，張乃通 一種單片機(jī)控制的數(shù)字信令集群移動通信系統(tǒng)信道控制器 無線電通信技術(shù)，1999年，25卷(3)：47～50.