專用無線通信方案的比較

0集群方案的比較隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵和輕軌等特殊無線通信得到了迅速發(fā)展?？偟膩碇v，目前專用無線通信采用的方案分為專用頻道方案和共用信道方案（集群方案）兩種，但究竟采用哪種方案為好，由于缺少定量的分析和比較，一直沒有定論。本文提出了以系統(tǒng)話務(wù)量作為判斷系統(tǒng)方案優(yōu)劣的基本參數(shù)，并且對(duì)專用頻道方案、集群方案以及集群方案的大區(qū)制和多區(qū)制的系統(tǒng)話務(wù)量等進(jìn)行了計(jì)算，可供讀者直接用于工程。1呼損率n的影響系統(tǒng)在一定呼損率E下能夠容納的話務(wù)量A可以作為該系統(tǒng)基本性能的定量指標(biāo)。在工程設(shè)計(jì)中，需要忙時(shí)話務(wù)量的指標(biāo)，每一用戶的忙時(shí)話務(wù)量可用下式表示：式中：a———每用戶的忙時(shí)話務(wù)量（Erl)α———每用戶在一天內(nèi)的呼叫次數(shù)β———忙時(shí)集中率=忙時(shí)話務(wù)量/每天話務(wù)量t———每用戶占用信道的平均時(shí)間（h)很顯然，在呼損率E保持不變的情況下，系統(tǒng)最多能夠容納的用戶數(shù)M由下式?jīng)Q定：如果假定：用戶數(shù)M足夠大，大于信道數(shù)N，并且單位時(shí)間的呼叫次數(shù)與已呼叫的用戶數(shù)無關(guān)，是一個(gè)常數(shù)，而且通話時(shí)長的概率分布服從指數(shù)規(guī)律，則可得E和A、N的關(guān)系，見式（3）。根據(jù)式（3），可得E和A、N之間的關(guān)系表———巴爾姆表。表1為巴爾姆表的摘錄。通過對(duì)式（2）和式（3）或表1的分析，可得在呼損率E不變的條件下，A越大，系統(tǒng)容納的用戶數(shù)M越多；另一方面，A越大，如果系統(tǒng)容納的用戶數(shù)M不變，則呼損率E越小。由于系統(tǒng)容納的話務(wù)量A直接決定了系統(tǒng)的用戶數(shù)和呼損率，而用戶數(shù)和呼損率直觀地表示了系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此系統(tǒng)能夠容納的話務(wù)量A很好地表示了系統(tǒng)的基本性能，可以作為系統(tǒng)基本性能的定量指標(biāo)。2計(jì)算呼叫量2.1案例介紹由于話務(wù)量的計(jì)算與方案密切相關(guān)，因此有必要介紹專用無線通信系統(tǒng)采用的方案。2.1.1某一固定公共平臺(tái)上的“排他”按用途配置頻道，每個(gè)頻道只作一種用途，不作它用，即使它處于空閑狀態(tài)，而當(dāng)某一頻道被占用時(shí)，全線均不能使用，必須排隊(duì)等候。在專用頻道方案中，一個(gè)頻道只有一個(gè)信道，因此專用頻道方案也可稱為專用信道方案。2.1.2控制信道的分配所謂集群，指的是不按用途配置信道，而是為所有用戶共用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和信道共享，因此又稱為共用信道方式。一般它采用設(shè)置一個(gè)控制信道和多個(gè)通話信道，平時(shí)所有用戶均處于控制信道，接收中心對(duì)其控制和向中心返回信息，通話時(shí)由中心分配一個(gè)通話信道，通話結(jié)束后自動(dòng)返回控制信道。集群方案按話音模擬或數(shù)字和對(duì)載頻的調(diào)制方式分為模擬集群和數(shù)字集群，按工作區(qū)域的構(gòu)成分成單區(qū)制和多區(qū)制。2.1.3模擬集群方案話音以300～3000Hz的模擬信號(hào)方式傳輸，并且模擬的話音信號(hào)對(duì)載頻的調(diào)制采用調(diào)頻（調(diào)相）方式，從而實(shí)現(xiàn)信道的頻分復(fù)用（FDMA），因而一個(gè)載頻只有一個(gè)信道，這樣的無線集群方案稱為模擬集群方案，我國通常采用MPT1327標(biāo)準(zhǔn)。2.1.4數(shù)字集群tdma采用低碼率話音編碼方法構(gòu)成數(shù)字的話音信號(hào)，話音信號(hào)對(duì)載頻的調(diào)制采用窄帶數(shù)字調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)信道的時(shí)分復(fù)用（TDMA），因而一個(gè)載頻具有多個(gè)信道，并且頻道間隔值保持不變，這樣的無線集群方案稱為數(shù)字集群方案。我國規(guī)定采用TETRA集群標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)載頻具有4個(gè)信道。2.1.5系統(tǒng)的構(gòu)成：多個(gè)車站單區(qū)制：無論車站數(shù)多少，整個(gè)無線集群系統(tǒng)作為一個(gè)工作區(qū)域，因此又稱為大區(qū)制。多區(qū)制：整個(gè)無線集群系統(tǒng)由多個(gè)工作區(qū)域構(gòu)成。為了區(qū)分，當(dāng)每個(gè)車站及其管轄區(qū)間為一個(gè)工作區(qū)域時(shí)，稱為小區(qū)制；當(dāng)幾個(gè)車站及其管轄區(qū)間為一個(gè)工作區(qū)域時(shí)，稱為中區(qū)制。2.2第二，信道的控制根據(jù)方案介紹的情況，對(duì)系統(tǒng)話務(wù)量的計(jì)算說明如下：a）由于在專用頻道方案和模擬集群方案中，1個(gè)頻道就是1個(gè)信道，因此頻道即信道，信道即頻道；而在數(shù)字集群方案中，采用TETRA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)1個(gè)頻道有4個(gè)信道，因此頻道與信道不同。對(duì)于系統(tǒng)話務(wù)量的計(jì)算，直接相關(guān)的是信道。b）考慮到本集群方案（無論模擬或數(shù)字）中采用集中控制方式，設(shè)有1個(gè)專門的控制信道，因此應(yīng)用式（3）或表1時(shí)，信道數(shù)N應(yīng)為實(shí)設(shè)信道數(shù)N′減1。c）對(duì)于專用頻道方案，應(yīng)用式（3）或表1時(shí)，應(yīng)理解為信道數(shù)N=1的N′個(gè)相互獨(dú)立的無線系統(tǒng)。2.3計(jì)算2.3.1壓力值設(shè)呼損率E=0.05、0.1、0.2，而α=3次/（天·用戶），β=0.1,t=2min/呼=0.033h/呼。按式（1），求出a=0.01，查表1得出A，再應(yīng)用式（2）求出用戶數(shù)M。求得不同信道數(shù)和呼損率下專用頻道方案和集群方案的用戶數(shù)比較表（如表2）。2.3.2移動(dòng)臺(tái)用戶與固定用戶互通表2是兩種方案為單區(qū)制時(shí)的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)集群方案（無論模擬或數(shù)字）采用多區(qū)制時(shí)，假設(shè)話務(wù)量均勻分布，各個(gè)工作區(qū)域的話務(wù)量相同，因此系統(tǒng)的話務(wù)量等于工作區(qū)域個(gè)數(shù)L與一個(gè)區(qū)域話務(wù)量相乘。而一個(gè)區(qū)域的話務(wù)量如何計(jì)算呢？如果該區(qū)域的移動(dòng)用戶只與固定用戶通話，那么可以用表2單區(qū)制的計(jì)算結(jié)果，假設(shè)用符號(hào)A1表示。實(shí)際上，一個(gè)區(qū)域的移動(dòng)臺(tái)用戶除了與固定用戶通話外，還與本區(qū)域或其他區(qū)域的移動(dòng)用戶通話。假設(shè)與固定用戶通話的比例系數(shù)用符號(hào)P表示（很顯然P小于1，對(duì)于專用無線通信移動(dòng)用戶主要是與固定用戶通話，因此P大于或等于0.5），而移動(dòng)用戶與任一移動(dòng)用戶通話的概率假設(shè)相等，經(jīng)分析則可得L個(gè)工作區(qū)域系統(tǒng)的話務(wù)量AL如下：式中：FP———與P相關(guān)的系數(shù)當(dāng)移動(dòng)臺(tái)采用單工通話時(shí)，由于2個(gè)移動(dòng)臺(tái)在同一小區(qū)時(shí)，只占用1個(gè)信道，F(xiàn)P的計(jì)算公式為當(dāng)移動(dòng)臺(tái)采用雙工通話時(shí)，由于2個(gè)移動(dòng)臺(tái)在同一小區(qū)時(shí)，占用2個(gè)信道，F(xiàn)P的計(jì)算公式為根據(jù)式（4）、（5）和（6），設(shè)P=0.7，可得多區(qū)制系統(tǒng)容量的計(jì)算結(jié)果如表3。3幾個(gè)結(jié)論3.1專用無線通信平臺(tái)的根據(jù)從表2可見：當(dāng)實(shí)設(shè)信道數(shù)N′=1或2時(shí)，專用頻道方案系統(tǒng)的系統(tǒng)容量和用戶數(shù)大于集群方案；但當(dāng)N′=3以后，集群方案的系統(tǒng)容量和用戶數(shù)大于專用頻道方案，而且隨信道N′的增加，K值迅速增加，當(dāng)N′到達(dá)一定值后，增加平緩；并且，隨著呼損率E的減小，K值加大。因此，通過基本性能的比較，從理論上講，當(dāng)信道數(shù)大于3個(gè)信道以后，就應(yīng)采用集群方案。事實(shí)上，以往地鐵和輕軌等專用無線通信系統(tǒng)都采用專用頻道方案，而現(xiàn)在隨著技術(shù)的進(jìn)步，加上無線通信的用途增加，基本上都采用集群方案。還需要說明的是：在其他性能方面，例如擴(kuò)容、呼叫、檢測(cè)、占用無線電頻率等，集群方案都優(yōu)于專用頻道方案。3.2數(shù)字集群方案的全面取代由于數(shù)字集群方案實(shí)現(xiàn)了信道的時(shí)分復(fù)用（TDMA），因而一個(gè)載頻具有多個(gè)信道（對(duì)于TETRA標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)載頻具有4個(gè)信道），而模擬集群方案一個(gè)載頻只有1個(gè)信道，因此數(shù)字集群系統(tǒng)除了具有模擬集群系統(tǒng)相對(duì)于專用頻道系統(tǒng)的全部優(yōu)點(diǎn)外，還可以解決模擬集群系統(tǒng)存在的頻率效率低、業(yè)務(wù)單一、不便加密、功能弱等技術(shù)問題，數(shù)字集群方案現(xiàn)在已經(jīng)逐漸取代模擬集群方案。3.3多區(qū)制的數(shù)字集群結(jié)構(gòu)通過多區(qū)制系統(tǒng)話務(wù)量的計(jì)算，求得多區(qū)制系統(tǒng)的話務(wù)量為單區(qū)制系統(tǒng)的話務(wù)量A1、工作區(qū)域個(gè)數(shù)L以及一個(gè)與P相關(guān)的系數(shù)FP的乘積。P越大，F(xiàn)P越大，當(dāng)P=1時(shí)，F(xiàn)P=1；當(dāng)P=0（如移動(dòng)臺(tái)采用單工）時(shí)，F(xiàn)P=1/L+(1-1/L）/2（當(dāng)L足夠大時(shí)，F(xiàn)P≈1/2），如移動(dòng)臺(tái)采用雙工時(shí)，F(xiàn)P=1/2。從上述分析可見，多區(qū)制系統(tǒng)的話務(wù)量與工作區(qū)域個(gè)數(shù)及單區(qū)制的話務(wù)量成正比，但要乘以一個(gè)小于1、大于0.5的系數(shù)，這個(gè)系數(shù)定量表示了每個(gè)區(qū)域話務(wù)量的減少。從話務(wù)量的計(jì)算來看，雖然乘了一個(gè)小于1的系數(shù)，但由于與工作區(qū)域的個(gè)數(shù)L和單個(gè)區(qū)域的話務(wù)量A1成正比，因此采用多區(qū)制比單區(qū)制要好。表3定量表示了多區(qū)制優(yōu)于單區(qū)制的結(jié)果。地鐵和輕軌等專用無線通信系統(tǒng)采用多區(qū)制的數(shù)字集群方案是沒有疑義的，但是目前有的地鐵工程采用小區(qū)制（即每個(gè)車站及其管轄區(qū)作為一個(gè)工作區(qū)域）的方案則是可以商榷的。因?yàn)閿?shù)字集群方案即使采用1個(gè)載頻也有4個(gè)信道，如果采用2個(gè)載頻則有8個(gè)信道，從表2和表3來看，每個(gè)車站及其管轄區(qū)并沒有那么多的話務(wù)量和用戶數(shù)，，因此地鐵或輕軌等專用無線通信系統(tǒng)宜采用中區(qū)制（即幾個(gè)車站及其管轄區(qū)作為一個(gè)工作區(qū)域）的數(shù)字集群方案，至于工作區(qū)域的個(gè)數(shù)可根據(jù)表2和表3按遠(yuǎn)期話務(wù)量和用戶數(shù)來決定。3.4雙工互通平臺(tái)從表3看，移動(dòng)臺(tái)采用單工通話比雙工通話系統(tǒng)話務(wù)量大，且節(jié)省投資，但大得不多，而且雙工通話比單工使用方便，因此重要的