数字集群通信系统综述

第三讲 数字集群通信系统综述
3.1 数字集群移动通信系统的特点
模拟集群移动通信网的主要问题是频率低；所能提供的业务种类受限，也
就是说不能提供高速率数据服务；保密性差，容易被窃听；移动设备成本高，体积大，网的管理控制存在一定的问题等等。采用数字通信就表现出了数字集群通信的优缺点。
1. 频谱利用率高
模拟的集群移动通信网可实现频率复用，从而提高了系统容量，但是随着移动用户数量急剧增长，模拟集群网所能提供的容量已不再能满足用户需求，问题的关键是模拟集群系统频谱利用率低，模拟调频技术很难进一步压缩已调信号频谱，从而就限制了频谱利用率的提高。与此相比，数字系统可采用多种技术来提高频谱利用率，如果用低速语音编码技术，这样在信道间隔不变的情况下就可增加话路，还可采用高效数字调制解调技术，压缩已调信号带宽，从而提高频谱利用率。另外，模拟网的多址方式只采用频分多址(FDMA)，即一个载波话路传一路话音。而数字网的多址方式可采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)，即一个载波传多路话音。尽管每个载波所占频谱较宽，但由于采用了有效的语音编码技术和高效的调制解调技术，总的看来，数字网的频谱利用率比模拟网的利用率提高很多。数字系统在提高频谱利用率方面有着不可低估的前景，因为低速语音编码技术和高效数字调制解调技术仍不断发展着。
数字通信系统中采用的多址方式有：
. 频分多址(FDMA)
. 时分多址(TDMA有窄带TDMA和宽带TDMA)
码分多址(CDMA)以及 它们组合而成的混合多址(时分多址／频分多址TDMA／FDMA、码分多址／频分多址CDMA／FDMA)等。
在以往的模拟通信系统一律采用FDMA。TDMA避免了使用价格昂贵的多信道腔体合并器，便于利用现代大规模集成技术实现低成本的硬件设计，便于实现信道容量动态分配，提高信道利用率。TDMA的缺点是可实现的载波信道数有限。西欧GSM和美国较成熟的用户都采用FDMA／TDMA相结合的窄带体制。 CDMA因具有更多的优点而被各国注意。CDMA用于移动信道，可获取分离多经隐分集增益，具有抗信道色散和抗干扰性能，美国已建立了几个CDMA的试验系统。FCC已验收批准Qualcomm公司生产的CDMA数字式电话系统的第一批电话机CD—3000。Pactel和Bell公司将提供这项CDMA 数字通信服务。
(2) 声源编码
又称为参量编码，它是对信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参量，并把其变换成数字代码进行传输。其反过程为解码，即将收到的数字序列变换后恢复成特征参量，再依据此特征参量重新建立语音信号。这种编码技术可实现低速率语音编码，比特速率可压缩2kb／S—4．8kb／S。线性预测编码LPC及其各种改进型都属参量编码技术。
采用数字传输技术，才能真正达到用户信息传输保密的目的。
4.多种业务服务
数字集群移动通信系统可提供多业务服务。也就是说除数字语音信号外，还可以传输用户数字、图像信息等。由于网内传输的是统一的数字信号，容易实现与综合数字业务网ISDN的接口，这就极大的提高了集群网的服务功能。
在模拟集群网中，虽也可传输数字，但是占用一个模拟话路进行传输的。首先在基带对数据信息进行数字调制形成基带信号，然后再调制到载波上形成调频信号进行无线传输，用这种二次调制方式，数据传输速率一般在1200bit／s或是2400bit／s。这么低的速率远远满足不了用户的要求。在目前，计算机网及各种数字网已经十分发达，用户的数据服务要求日益增加。
3.2 数字集群通信的关键技术
集群通信系统数字化的关键技术主要有：数字话音编码，数字调制技术，多址技术，抗衰落技术等。
1．数字话音编码
在数字通信中，信息的传输是以数字信号形式进行的，因而在通信的发送端和接收端，必须相应地将模拟信息转换为数字信号或将数字信号转换成模拟信号。
在通信系统中使用的模拟信号主要是话音信号和图像信号，信号的转换过程就是话音编码／话音解码和图像编码／图像解码。
5.网络管理和控制更加有效和灵活
数字集群移动通信网能实现更加有效、灵活的网络管理与控制。对任何一种通信系统网络管理与控制都是至关重要的，它影响到是否能有效地实现系统所提供的各种服务。在模拟集群系统中，管理与控制依靠网内所传输的各种信令来实现，而模拟集群网的管理与控制信令是以数字信号方式传输的，而网的用户信息是模拟信号，这种信令方式与信号方式的不一致，增加了网管理与控制的难度。在数字集群网中，用户话音比特源中插入控制比特是非常容易实现的，即信令和用户信息统一成数字信号，这种一致性克服模拟网的不足，给数字集群系统带来极大的好处。总而言之，全数字系统能够实现高质量的网络管理与控制。
频谱利用率高，可进一步提高集群系统的用户容量。对于集群移动通信来说，系统容量一直是网的首要问题，所以不断提高系统容量以满足日益增长的移动用户需求是集群移动系统从模拟网向数字网发展的主要原因之一。
2.信号抗信道衰落的能力提高
数字无线传输能提高信号抗信道衰落的能力。对于集群移动系统来说，信道衰落特性是影响无线传输质量的主要原因，须采用各种技术措施加以克服。在模拟无线传输中主要的抗衰落技术是分集接收，在数字系统中，无线传输的抗衰落技术除采用分集接收外，还可采用扩频、跳频、交织编码及各种数字信号处理技术。由此可见，数字无线传输的抗衰落技术比模拟系统要强得多。所以数字网无线传输质量较高，也就是说数字集群移动通信网比模拟集群移动通信网的话音质量要好。
· 编解码时延应短，应控制在几十毫秒之内。
· 在强噪声环境中，应具有较好的抗误码性能，从而保证较好的话音质量。
· 算法复杂程度适中，应易于大规模电路集成。
2．数字调制技术
数字调制解调技术是集群移动通信系统中接口的重要组成部分，在不同的小区半径和应用环境下，移动信道将呈现不同的衰落特性。数字调制技术应用于集群移动通信需要考虑的因素有：
· 在瑞利衰落条件下误码率应尽量低；
· 占用频带尽量地窄；
· 尽量用高效率的解调技术，以降低移动台的功耗和体积；
· 使用的C类放大器失真要小；
· 提供高传输速率。
在给定信道条件下，寻找性能优越的高效调制方式一直是重要的研究课题。数字移动通信系统有两类调制技术，一是线性调制技术，另一类是恒定包络数字调制技术，前者如PSK、16QAM，后者如MSK、GMSK等(也称连续相位调制技术)。
美国MOTOROLA新研制生产的800M数字集群移动通信系统，在16QAM调制技术基础上，自己研发的M16QAM技术。
3．多址方式
在蜂窝式移动通信系统中，有许多移动用户要同时通过一个基站和其它移动用户进行通信，因而必须对不同移动用户和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号，同时各个移动用户又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号，解决上述问题的办法就称为多址技术。
由于无线移动通信的移动信道频率资源十分有限，又考虑到移动信道的衰落会引起较高信道误比特率，因而编码应要求速率较低并应有较好的抗误码能力。对于用户来说，应要求较好的话音质量和较短的迟延。归纳起来，移动通信对数字语言编码的要求有如下几条：
· 速率较低，纯编码速率应低于16kb／S。
· 在一定编码速率下话推动之下，话音编码技术的研究开发迅速，提出了许多编码方案。无论哪一种方案其研究的目标主要有两点：第一是降低话音编码速率，其二为提高话音质量。前一目的是针对话音质量好但速率高的波形编码，后一目的是针对速率低但话音质量却较差的声源编码。由此可见，目前研制的符合发展目标的编码技术为混合编码方案。
在集群移动通信中，使用最多的信息是话音信号，所以话音编码的技术在数字集群移动通信中有着极其重要的关键作用。话音编码为信源编码，是将模拟话音信号变成数字信号以便在信道中传输。这是从模拟网到数字网至关重要的一步。高质量、低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术同时为数字集群移动通信网提供了优于模拟集群移动通信网的系统容量。话音编码方式可直接影响到数字集群移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统容量。话音编码技术通常分为波形编码、声源编码和混合编码三类。混合编码能得到较低的比特速率。在众多的低速率压缩编码中，比如：子带编码SBC、残余激励线性预测编码RELP、自适应比特分配的自适应预测编码SBC—AB、规则激励长时线性预测编RPE—LTP、多脉冲激励线性预测编码以及码本线性预测编码CELP等。欧洲GSM选择了RPE— LTP编码方案，码率为8kb／s；美国和日本的数字蜂窝业选用了矢量和线性预测(VSELP)作为标准的数字编码方式，VSELP使用4．8kb／s数字信息可提高语音质量。话音编码技术发展多年，日趋成熟，形成的各种实用技术在各类通信网中得到了广泛应用。
3.保密性好
数字集群移动通信网用户信息传输时的保密性好。由于无线电传播是开放的，容易被窃听，无线网的保密性比有线网差，因此保密性问题长期以来一直是无线通信系统设计者重点关心的问题。
在模拟集群系统中，保密问题难以解决。当然模拟系统也可以用一些技术实现保密传输，如倒频技术或是模／数／模方式，但实现起来成本高、语音质量受影响。由此，模拟系统保密非常困难。利用目前已经发展成熟的数字加密理论和实用技术，对数字系统来说，极易实现保密。
频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(也称信道)分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。图3.1为FDMA通信系统工作示意图。
(1) 波形编码
是将时间域信号直接变换成数字代码，其目的是尽可能精确地再现原来的话音波形。其基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。解码即将收到的数字序列经过解码和滤波恢复到原模拟信号。脉冲编起调制(PCM)以及增量调制(AM)和它们的各种改进型均属于波形编码技术。对于比特速率较高的编码信号(16kb／S一64kb／S)，波形编码技术能够提供相当好的话音质量，对于低速话音编码信号 (16kb／s)，波形编码的话音质量显著下降。因而，波形编码在对信号带宽要求不太严的通信中得到应用，对于频率资源相当紧张的移动通信来说，这种编码方式显然不适合。