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数字常规对讲机技术标准比较研究

引言
数字对讲机相比于模拟对讲机具有抗干扰能力强、频谱利用率高、组网灵活等优点，因此国家工业和信息化部在2009年12月发布了《关于150MHz、400MHz频段专用对讲机频率规划和使用管理有关事宜的通知》（简称666号文），要求自2011年1月1日起，停止对模拟对讲机设备的型号核准，并在2016年前完成专用无线通信从模拟到数字的转换。本文对当前业界主要的几种数字常规对讲机技术标准和相关技术进行分析比较，为数字常规对讲机选型提供参考。
数字常规对讲机技术标准简介
目前，国际上数字常规对讲机技术标准主要有欧洲的DMR（Digital Mobile Radio）标准和DPMR（Digital Private Mobile Radio）标准、美国的P25标准和NXDN标准以及国内的NDR（Narrow-band Digital Radio）标准和CDMR （China Digital Mobile Radio）标准等。
一、DMR标准
DMR标准是欧洲电信标准化协会（ETSI）为了满足欧洲各国的中低端专业移动无线通信用户及商业用户对移动通信的需要而制订的开放性标准。DMR标准采用TDMA技术，主要目的是研制复杂程度低、经济性的数字对讲系统，DMR可提供语音、数据和其他辅助服务。DMR协会于2008年12月推出最新的数字移动无线系统标准协议。协议分三个层级：未授权（第I层）、授权常规（第II层）和授权集群（第III层）三种操作模式。
DMR第I层设备可在446MHz频段免许可使用，最大发射功率0.5W。由于信道有限和不使用中继器、电话互联，DMR第I层设备最适合在个人、娱乐、小型零售和其他不需要广域覆盖或先进功能的场景应用。
DMR第II层设备包括在66~960MHz频段运行的已授权常规无线电系统、手机和便携式设备。DMR第II层的服务对象是需要在授权频段使用高级语音功能和集成IP数据业务的用户。DMR第II层规定了在12.5Khz信道中运行双时隙TDMA。
DMR第III层设备可在66~960MHz频段进行集群运行。第III层标准规定了在12.5Khz信道中运行双时隙TDMA。第III层支持语音和短消息处理，有内置128字符状态信息和多种格式的短信息。它还支持多种格式的分组数据服务，包括IPv4和IPv6。
DMR是较成熟完善的体制。在全球范围内，DMR产品占常规数字市场份额的75%左右；在中国也有大规模销售，占常规数字市场份额的90%左右。DMR的主要参数如表1所示：
表1 DMR主要参数
项目
参数
频率范围
30MHz～1GHz
信道间隔
12.5Khz
调制方式
4FSK
多址方式
2时隙TDMA
传输速率
9.6kb/s
语音编码速率
2.4kb/s AMBE++
时钟漂移误差
±2ppm
发射功率
完全礼让的接入方式
50～137MHz
-101dBm
载波检测门限
-137～300MHz
-107dBm
>300MHz
-113dBm
色码匹配礼让
30MHz～1GHz
-122dBm
用户电话号码
单呼号、组呼号都为十进制7位或8位数字的用户电话号码，经编码后变成24bit的二进制码
转发
同频转发或异频转发
二、DPMR标准
DPMR标准由ETSI在2005年提出。该标准采用FDMA技术，4FSK调制，6.25khz信道间隔，业务速率4.8kbps，语音编码算法未作强制规定，可兼容模拟调频设备，成本低廉，技术容易实现，可提供语音和数据业务。标准包括小功率和大功率两个版本。小功率标准规定发射功率不大于0.5W、不需要许可、不需要缴纳频率占用费、可以供普通消费者任意选购。标准规定了空中接口物理层、数据链路层以及业务和设备。大功率标准适用于工作频率小于1000MHz、信道间隔为6.25khz、采用FDMA技术、需要申请执照的DPMR设备。标准定义了三种工作模式：模式1为直通模式，没有基站和其它基础设施的支持；模式2为转发模式，有一个或多个基站用于转发或作为系统网关；模式3为可控基站接入模式，有一个或多个基站设备。DPMR协议分层结构如图1所示：

图1 DPMR协议分层结构
三、NXDN标准和P25标准
NXDN是KENWOOD公司和ICOM公司针对美国市场联合制定的数字对讲机标准。NXDN论坛成立于2008年7月，成员单位已发展到15家，采用FDMA制式，大区制，6.25khz，传输速率4.8kbps。由NXDN形成的产品系列为NEXEDGE。
P25是Project25的简称，由美国国际公共安全通信官员协会（APCO）、国家电信管理协会（NASTD）和联邦政府用户与电信工业协会（TIA）合作制定推行的，提供给各无线电工作者遵循的标准。P25采用大区制设计，单站覆盖范围大，建网系统基站数量少，适合覆盖区域广阔、调度功能应用复杂的用户使用。使用范围主要在美洲市场（美国市场最多P25标准的演进分为两个阶段，第一阶段为P25 PhaseⅠ，采用FDMA技术， 4FSK调制，信道带宽为12.5khz，数据传输速率9.6kbps，数模兼容；第二阶段为P25 PhaseⅡ，采用TDMA双时隙技术，QPSK调制，等效信道带宽6.25 khz，语音编码采用IMBE4.4kbps，数据上行速率为9.6kbps，下行速率为12kbps。
四、NDR标准和CDMR标准
NDR标准是由数字对讲机标准联盟（DRA）正在制定的开放的数字对讲机标准。DRA联盟由来自中国优秀对讲机企业、知名院校、科研机构等30家会员单位组成，2009年7月29日召开第一次会议，并确定以DPMR作为当前的标准制定依据，FDMA接入方式，大区制，6.25khz，传输速率4.8kbps。
CDMR标准是CDMR技术论坛所倡导的数字对讲机标准。CDMR论坛由中国的13家专业数字无线通信技术知名企业、科研机构以及高等院校共同发起举办，以DMR数字通信技术为基础，促进中国自主知识产权标准的研究和制定，积极推动专业无线通信从模拟到数字的转换，解决推动专业无线通信数字化进程中市场和用户遇到的问题等。
TDMA和FDMA技术特点分析
上述数字常规对讲机技术标准各自采用TDMA和FDMA两类不同的多址技术。本文将从多个方面对两种技术进行分析比较。
一、频谱利用率
TDMA在12.5khz信道上运行双时隙，可支持两路独立语音或数据业务。该12.5khz信道与12.5khz 模拟信道频谱特征一致。用户可在原有的12.5khz模拟信道中运行DMR产品，无需重新申请新的频段就能使系统容量翻倍。FDMA在6.25khz的信道上运行一路业务通道，若在原有的12.5khz信道中运行两个相邻的6.25khz的FDMA通道则会产生邻频干扰，因此用户要申请额外的频段来增加系统容量。模拟信号、TDMA信号和FDMA信号频谱比较如图2所示：

图2 模拟信号、TDMA信号和FDMA信号频谱比较
二、电池使用效率
根据DMR和DPMR厂商的公开数据，在数字对讲机的电池寿命方面TDMA方式优于FDMA。据统计，TDMA对讲机对电池容量的需求比FDMA对讲机低19%-34%。
三、灵活性
双时隙的TDMA可以使用第二时隙发送控制信令，即在第一信道用于呼叫时，在第二个时隙将控制指令发送给无线设备。此功能可用于优先呼叫控制，发射信号远程控制，或优先紧急呼叫，为无线电系统运营商提供精确控制和灵活调度。双时隙还可以实现语音和数据同时工作，以及两个时隙捆绑使用将数据速率倍增到9.6kb/s，或将两个时隙合并使用以支持全双工私人电话。FDMA因为在单个6.25 khz信道上只有一路业务通道故无法提供上述TDMA的功能，且数据速率限制在4.8 kb/s以下。
三、经济性
如图3所示，TDMA只需一个中继器即可获得两路业务通道，而FDMA要获得相同的业务容量则需要两个中继器以及额外的射频设备，因此TMDA比FDMA更加节省投资。

图3 TDMA和FDMA系统基础配置
四、组网方式
TDMA的发射功率分散在12.5khz的信道带宽上，因此传输距离短，适合进行小区制组网。FDMA的射功率集中在6.25khz的信道带宽上，因此传输距离远，适合进行大区制组网。
五、市场规模
TDMA产品占据数字常规对讲机全球市场80%的份额，在中国占到90%的市场份额。TDMA产品已经在100多个国家得到部署。全球数千个系统正在运行。多个对讲机生产厂家测试了TDMA产品的互联互通测试。相比之下，FDMA产品价格昂贵，市场规模小。国内企业目前推出的成熟机型较少。多数对讲机企业处于观望状态。
结论
综上所述，以DMR为代表的采用TDMA制式的数字常规对讲机技术标准具有频率利用率高、省电、控制灵活、节省投资和产品选择范围广等诸多优势，可作对性能要求较高的行业用户首选。以DPMR为代表的采用FDMA制式的标准具有单站覆盖范围大的优势，对于偏远地区的用户和网络规模较小的商业用户来说更有吸引力。
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