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公安集群移动通信技术介绍（六）

作者：季亚屏    日期：2023-02-21
第四章 公安集群通信工程

一、 公安集群通信工程设计的基本原则

    公安集群通信工程是专为公安部门建设的通信工程，规定通信快捷、安全、保密、可靠；规定全方位、全时段连续通信。为了满足这些需要，必须保证公安集群通信工程设计的高质量、高可靠；必须精心设计、精良施工、精诚服务；同时必须遵循以下基本原则：
１． 遵守国家有关法律法规，符合有关技术标准
    信息通信关系到国民经济和国家安全等问题，为此，国家建立了有关法律法规，在公安集群通信工程设计过程中，必须遵守这些法律法规，例如，中华人民共和国无线电管理条例。同时，在公安集群通信工程的设计中，还须符合有关的技术标准，例如，ＧＢ／Ｔ １５５３９－１９９５ 集群移动通信系统技术体制；ＧＢ／Ｔ １５８７４－１９９５集群移动通信系统设备通用规范；ＧＡ １７６－１９９８公安移动通信网警用自动级规范；ＧＡ／Ｔ ３３１－２００１公安移动通信网警用自动级通信系统工程设计技术规范；ＧＡ／Ｔ ２６６－２０００公安移动通信网警用自动级通信系统工程验收技术规范；ＳＪ／Ｔ １１２２８－２０００数字集群移动通信系统体制等。这些法律法规和技术标准可以保证工程设计的合法性、科学性、规范性，可以保证工程的质量。
２． 工程设计方案规定先进、实用、安全、可靠、经济
    对于公安集群通信工程设计方案一方面要考虑其技术先进性。由于专用通信网的建设，规定使用寿命长，不能因技术因素而过早地淘汰，这不仅影响工作，并且导致直接经济损失；设计方案第二要考虑实用，要能满足公安通信业务工作的功能规定。公安通信业务中最重要的是指挥调度，特别是在紧急状态下，要把上级领导的指令迅速传达成一线民警，同时，一线的现场信息又能及时反馈给指挥部，以作出对的的决策。切忌那些无用的花架子，只有实用的功能，才是最有效的；公安集群设计方案第三点要考虑的是安全和保密。这里最重要的是信息的安全和保密，由于公安信息的安全关系到能否侦破案件能否抓住犯罪分子，能否保护人民生命财产安全，能否维护社会安定的大问题。设计中同时要考虑设备的安全和操作人员人身的安全；第四点，设计公安集群方案时还需要考虑经济性。要多作方案比较，取性能价格比较高的方案。
３． 以电设计为主，土木设计为辅
    在公安集群通信工程的设计中，应着重考虑电性能的设计，从保证通信容量，通信距离，通信质量，到网络结构，设备选型，供电，避雷，接地，应一一认真考虑；而土木工程设计一般运用现有条件，稍加改造或装修。当然，假如具有条件，土木工程设计也是应当认真对待的。

二、 公安集群通信工程的设计规定

    公安集群通信系统是为公安各业务部门提供通信服务的，应充足考虑各业务部门的规定。
１． 一般规定
（１）公安集群通信工程的体制应符合ＧＡ１７６－１９９８公安移动通信网警用自动级规范。
（２）公安集群通信系统应以实现网内无线调度电话为主，有线电话为辅，也可运用无线电路传输数据、传真等非话业务。
（３）公安集群通信系统采用大区制的网络结构，大城市或郊区可设分基站、延伸站、直放站，解决覆盖问题。
（４）无线工作方式采用基站双工、移动台异频单工为主的工作方式，有线调度台和少量授权的移动台可采用全双工工作方式。
（５）时限规定。为保证信道有效运用，规定说话尽量简短，无线通话时间应限制在１分钟之内，进入市话网的通话时间应限在３分钟之内。

２． 覆盖范围规定
（１）覆盖区边沿通信概率规定５０％—７０％。覆盖区边沿通信概率是指移动台在覆盖区的边沿进行通信时，满足一定话音质量规定成功通信的概率。它是随位置和时间的变化而变化的。５０％的通信概率，意味着５０％的位置概率和５０％的时间概率。此时，接受功率等于接受机最低保护功率。
（２）单机站系统典型覆盖半径规定２０－３０公里。
（３）覆盖区域规定进行平衡设计，上下行应尽量对称，一方面满足手台通信，兼顾车台通信。
（４）若采用多基站或延伸站、直放站，规定重叠覆盖区半径不得大于实际覆盖区半径的２０％。
３． 服务质量规定
（１）无线网内通话，规定三级话音质量，相称于２０ｄＢ信噪比。
（２）进入市话网通话，规定四级话音质量，相称于２９ｄＢ信噪比。
（３）系统呼喊服务质量规定（按待接制计算）：
延迟概率Ｐ（＞０）＜５０％
平均等待时长不超过平均服务时间；
等待时长超过平均服务时间的概率Ｐ（＞ｔｍ）＜１０％。
４． 系统容量规定
    系统容量是系统所能容纳的最大用户数。在考虑系统容量设计时，需注意以下几点：
（１）基站容量计算可采用爱尔兰Ｃ公式。根据经验记录，对无线网用户，每用户每小时的平均话务量可取０．００６—０．００８爱尔兰（消息集群方式）；对进入有线网的用户，每用户每小时的平均话务量取０．０１—０．０３爱尔兰。
（２）基站配置的信道数应根据话务量的大小来拟定。每个信道容纳的移动台数不应低于７０个。
（３）系统容量的最终拟定应留有余地，可按实际用户数的１．２倍来设计。
５． 基本功能规定
（１）系统的基本功能
系统的基本功能可分为系统的呼喊功能，系统的调度控制功能和系统的联网功能。
（ａ）系统的呼喊功能：个呼、组呼、全呼、紧急呼喊、优先呼喊、转移呼喊、包容呼喊、短数据呼喊、有／无线互联呼喊等。
（ｂ）系统调度控制功能：调度区域选择、通话限时功能、动态重组、自动重发、迟后进入、遥毙／复活、对在忙用户呼喊的完毕、对无应答呼喊的完毕、呼喊能力限制、繁忙排队、自动回叫、监听、强拆、强插等。
（ｃ）系统联网功能系统内多基站联网，并能完毕跨基站组呼功能、系统联网后能实现跨基站／跨网漫游、系统应允许设立虚拟网和设立各自的调度台、系统应有扩展能力及兼容性。
（２）系统的管理功能
（ａ）系统参数的实时修改
（ｂ）优先级别设定
（ｃ）系统实时状态显示与监控
（ｄ）话务量记录与计费
（ｅ）系统自我诊断
（ｆ）故障弱化
（３）系统的用户终端功能
（ａ）基本呼喊功能：个呼、组呼、队内全呼、系统全呼、呼喊调度台、紧急呼喊、转移呼喊、短数据呼喊等。
（ｂ）有／无线互连功能
（ｃ）当前组可保持和切换；参与组、动态组号设立。
（ｄ）入网功能：自动登记漫游入网、人工选择基站入网、人工和指令脱网。
ｅ）显示功能：显示主叫号／被叫号、组呼号、信号强度、超过服务区指示等
（ｆ）告警
（ｇ）其它：受令排队、缩位编号、数据接口等
６． 安全性能规定
安全性能包含以下规定：
（１）信息的安全与保密。实际使用时，可设立不同的安全与保密级别。
（２）通信设备自身的安全可靠。如防雷击、防电网冲击等。
（３）操作人员人身安全。

三、 公安集群通信工程方案设计的重要内容

    公安集群通信工程的方案设计是在充足了解用户需求并签定协议的基础上进行的。其目的是采用先进技术和设备，实现用户的需求。一般要进行下列计算和设计：
１． 话务量计算，拟定信道数。
    话务量是指一组线路或中继线上电话呼喊的总和，它是电话负荷大小的一种度量。它的单位是爱尔兰（Ｅｒｌａｎｇ）一个爱尔兰是指一条通话电路被百分之百的连续占用１小时的话务负荷。计算话务量是为了根据所需用户数量和每个用户的使用时间长短、次数来拟定系统容量和需要的信道数。举例来说，某用户规定建一个能容纳５００个手台、５０个车台的集群通信系统，需要多少个信道呢？一方面计算一下它的话务量。假设手台和车台平均通话时间、次数是相同的，那末，总的用户数就是５５０。根据经验记录，消息集群方式的集群通信系统，在无线网内，每用户的平均话务量为０．００６－０．００８爱尔兰，取０．００７爱尔兰。进入有线电话网，每用户的平均话务量为０．０１－０．０３爱尔兰，取０．０２爱尔兰。若一个用户使用无线与有线通信之比为８比２，则事实上他的平均话务量为０．００７０．８＋０．０２０．２＝０．００９６爱尔兰。５５０个用户总的话务量为５．２８爱尔兰。若留２０％的冗余，则总的话务量为６．３爱尔兰。按照服务质量规定Ｐ（０）＜５０％查爱尔兰Ｃ表，需要信道数为８。这时候，每信道可容纳的平均用户数为６９个。
２． 无线覆盖区设计
    无线覆盖区的设计应遵循几个原则：必须满足用户服务区的使用规定；必须满足话音质量指标和覆盖区边沿通信概率规定；采用大区制的覆盖方式，不干扰邻区通信；有助于频率复用，提高频率运用率；组网投资合理。
实现无线覆盖的途径：
（１）优化网络设计。网络设计决定了通信的容量，信道的数量，通话的质量，通信覆盖区的大小、形状、重叠区域的范围等。优化网络设计就是要用较少的信道，满足用户尽也许多的通信容量，避免和克服互相干扰，在用户希望的覆盖范围内，提供优质的服务。优化的内容涉及：
（ａ）基站站址的选择。基站站址一般应选在覆盖区的中心地带，天线高度满足覆盖规定，天线周边应无金属阻挡物，如广告牌、金属水箱等，天线应有防雷设施，站址附近电磁干扰要小，特别在工作频点上不能有干扰存在。
（ｂ）频率的优化设计。要选择无干扰的频点，信道数量要合理设立，尽量采用无互调的频率组合，还要注意与其它外界频率的互调干扰。
（ｃ）功率的优化设计。发射功率的大小，既要满足自身覆盖的需要，又要避免干扰别人，还要注意与相邻区域的重叠系数，一般不要超过２０％。
（ｄ）网络结构的优化设计。根据覆盖区的形状规定，网络结构可采用环形结构、链状（线状）结构、星形结构或混合结构。以满足通信服务区通信质量好、投资合理为准。
（２）建立分基站。当一个基站不能所有覆盖的时候，可以采用建立分基站的办法解决覆盖问题。分基站既可用受控于基站控制器的方式（遥控站），亦可用相对独立的方式。
（３）增设延伸站。为了满足覆盖规定，除了建立分基站以外还可增设延伸站。延伸站的作用是把主基站的信息转发一次，延伸到需要覆盖的区域。在常规系统中就是转信台在集群系统中，由于有信令及控制问题，所以不是简朴转发话音，而需把主基站来的所有信息转发一次，稍为复杂一些，一般称其为延伸站。事实上，延伸站包含了无线链路收发信机、延伸控制器和延伸基地台等部分。
（４）配置直放站。直放站可以用来解决盲区和阴影区的通信，如地下室、隧道、山丘或建筑物阻挡形成的阴影区。也可作为特定的社区域通信延伸覆盖。例如，在某城市集群组网中，由于山丘阻挡，使得山后的一片区域无法通信，在采用了直放站以后，就解决了阴影区问题。又如，某机场由于离主机站较远，机场大厅通信不畅，为了解决这个问题，在厅外增设一直放站，使通信覆盖整个机场内外，解决了整个机场地区的覆盖问题。
（５）增长有效发射功率。通信距离，与发射功率的大小有关，发射功率愈大，通信距离愈远，但并不是简朴的正比关系。一般的通信网络中，基地台的发射功率大，移动台的发射功率小，因而网络是不对称的。要实现双向通信，其通信距离取决于移动台的功率大小。根据移动通信系统基本公式，可推得移动台发射功率ＰｔｄＢｍ对通信距离ｄｍｉ的影响，有如下关系：
ｄｍｉ∝Ｌｏｇ－１Ｐｔ／４０
即通信距离与移动台发射功率之间是一个反对数关系。
举例来说，设移动台发射功率为１Ｗ３０ｄＢｍ若将其发射功率增长
为２Ｗ３３ｄＢｍ则
ｄｍｉ１／ｄｍｉ２＝Ｌｏｇ－１３３／４０／Ｌｏｇ－１３０／４０＝１．１９
可见，发射功率增长１倍，通信距离仅增长为１．１９倍，若发射功率增长为４倍，则通信距离增长为１．４１倍。
（６）改善接受灵敏度。勿庸置疑，接受机灵敏度越高，通信距离越远。当然这是在满足环境噪声和干扰水平的条件下，但接受灵敏度与通信距离之间的关系也不是成正比关系，并且，由于网络的不对称性，这时候双向通信的距离重要取决于基地台的接受灵敏度。根据移动通信系统的基本公式，同样可以推得接受灵敏度（最小可用信号功率）与通信距离之间的关系为：
ｄｍｉ∝Ｌｏｇ－１－Ｐｍｕｓ／４０
举例来说，基地台的接受灵敏度为－１１２ｄＢｍ若将其提高２ｄＢｍ则对通信距离的影响为：
ｄｍｉ１／ｄｍｉ２＝Ｌｏｇ－１－１１４／４０／Ｌｏｇ－１－１１２／４０＝１．１２
可见，接受灵敏度提高２ｄＢ则通信距离增长为１．１２倍。同理，若接受灵敏度提高３ｄＢ则通信距离增长为１．１９倍。
（７）采用塔顶天线放大器。为了填补天线馈线的损耗，可以在塔顶加装天线放大器，这种天线前置放大器必须采用低噪声选频放大器。否则，非但不能填补馈线损耗引起的接受机灵敏度减少，反而会减少信噪比，影响接受灵敏度。对馈线较长（如大于１００米），损耗较大的馈线，天线放大器可抵消损耗对灵敏度的影响，一般可改善灵敏度３ｄＢ左右。但使用天线放大器还要注意环境噪声的影响。如１５０ＭＨｚ频段，城市环境噪音高达－１０７ｄＢｍ使用天线放大器的效果就不太明显；对４５０ＭＨｚ频段，一般环境噪音为－１１４ｄＢｍ所以其效果也不一定明显；而对于８００ＭＨｚ频段，环境噪音为－１２０ｄＢｍ此频段采用天线放大器，就会产生比较明显的效果。
（８）提高天线高度，采用高增益天线或方向性天线。众所周知，在视距范围内，天线高度越高，通信距离越远。天线高度，既指基地天线的高度，又涉及移动台天线的高度。通信距离与基地台天线高度ｈｔ及移动台天线高度ｈｒ的关系是：
ｄｍｉ∝Ｌｏｇ－１Ｌｏｇｈｔｈｒ／２
通常，移动台天线不也许提高，所以我们假设其为一常数，那么，基站天线架设高度对通信距离有多大影响呢？设天线高度升高一倍，则有
Ｌｏｇ ｄｍｉ１∝Ｌｏｇ ｈｔｈｒ／２
Ｌｏｇ ｄｍｉ２∝Ｌｏｇ ２ｈｔｈｒ／２
可得，ｄｍｉ２／ｄｍｉ１＝１．４１
所以，基地台天线提高一倍，通信距离增长为１．４１倍。同理，基地台天线提高０．５倍，通信距离增长为１．２２倍。
与天线有关的另一个因素是天线增益。发射功率要靠天线辐射出去，天线增益的大小决定了有效辐射功率的大小。为了增长覆盖范围，就需要选择增益高的天线，或采用方向性天线增强对某一方向的辐射。通信距离与天线增益之间的关系是：
ｄｍｉ∝Ｌｏｇ－１ＧｔＧｒ／４０
其中Ｇｔ为基站天线增益，Ｇｒ为移动台天线增益。由上式可以算出，若天线增益提高２ｄＢ则距离增长为１．１２倍。若天线增益提高３ｄＢ，则通信距离增长为１．１９倍。
（９）减少馈线损耗。天线馈线损耗可减少有效发射功率，因此，减少馈线损耗，选择损耗小的馈线，事实上就能增长有效发射功率。通信距离与馈线损耗的关系是：
ｄｍｉ∝Ｌｏｇ－１－Ａｔ／４０
Ａｔ为馈线损耗。由上式可以看出，馈线损耗减小２ｄＢ，通信距离增长为１．１２倍；馈线损耗减小３ｄＢ，通信距离增长为１．１９倍。
（１０）采用分集接受技术。如前所述，通信距离的限制，重要是由于移动台发射功率小，天线高度低引起的。除了上述增长有效覆盖的途径外，还可采用分集接受技术。分集接受可分为空间分集、时间分集和频率分集等。例如可建立分集接受站，各分集接受站将接受到的信号通过链路传送到主基站，经判选后，主基站将选择信号最佳的分集接受站与其进行通信。也可采用分集天线技术，用接受到的最佳信号的天线与其进行通信。
３． 信道配置
    公安集群通信系统工作在３５０ＭＨｚ频段，信道配置必须遵循ＧＡ １７６—１９９８ 公安移动通信网警用自动级规范。信道配置的要点是：
（１）在３５０ＭＨｚ专用频段内配置。国家无线电管理委员会分派给公安部门的专用频率有：
双频 上行 ３５１．０２５－３５６．０００ ＭＨｚ
下行 ３６１．０２５－３６６．０００ ＭＨｚ
单频 ３５８．０２５－３６１．０００ ＭＨｚ
其中，公安集群通信系统可使用的频率为
３５１．０２５－３５５．０００ＭＨｚ／３６１．０２５－３６５．０００ＭＨｚ共１６０对频点，其余频率分派给各业务部门使用。
（２）信道编号。信道编号从３５８．０１２５ＭＨｚ开始，每１２．５ＫＨｚ一个，由于规定使用２５ＫＨｚ信道间隔，所以按偶数顺序编号。
信道编号 频率（ＭＨｚ）
２ ３５８．０２５
４ ３５８．０５０
… …
… …
６４０ ３６６．０００
（３）信道分派办法。集群通信系统是一个多信道共用系统，为了解决多信道共用天线问题，信道分派采用等间隔方式，将１６０对双频信道按等距提成１０个大组，每组１６对双频点，频率间隔２５０ＫＨｚ。例如，第一大组频率为：
信道编号 频率（ＭＨｚ）
２４２ ３５１．０２５／３６１．０２５
２６２ ３５１．２７５／３６１．２７５
２８２ ３５１５２５／３６１．５２５
３０２ ３５１．７７５／３６１．７７５
３２２ ３５２．０２５／３６２．０２５
３４２ ３５２．２７５／３６２．２７５
３６２ ３５２．５２５／３６２．５２５
３８２ ３５２．７７５／３６２．７７５
４０２ ３５３．０２５／３６３．０２５
４２２ ３５３．２７５／３６３．２７５
４４２ ３５３．５２５／３６３．５２５
４６２ ３５３．７７５／３６３．７７５
４８２ ３５４．０２５／３６４．０２５
５０２ ３５４．２７５／３６４．２７５
５２２ ３５４．５２５／３６４．５２５
５４２ ３５４．７７５／３６４．７７５
系统配置控制信道时，应按ＣＰＳ标准优先选用每个大组的第４、８、１２频点。（待续）