数字集群通信网络架构和多天线技术的探讨

摘 要 随着集群通信业务多元化、宽带化发展，现有以2G为基础的数字集群系统数据传输效率等方面的缺陷逐渐暴露，而多天线技术在提升数据传输效率方面具有明显的作用，所以在积极构建数字集群通信网络架构的同时，人们对多天线技术的关注度也明显的提升，在此背景下，本文针对数字集群通信网络架构和多天线技术两方面展开研究，为数字集群系统的发展做出努力。

【关键词】数字集群通信 网络架构 多天线技术

数字集群即专用移动通信系统，其不仅具有GSM、CDMA的个人移动通信服务功能，而且可实现个人、群体间的任意通信、自主编控，保密性强且功能丰富，对通讯智能化的实现具有重要作用，对数字集群通信网络架构和多天线技术进行研究，是数字集群通信系统性能优化的重要途径。

1 数字集群通信网络架构

数字集群通信的发展现状决定其需要借助公众移动通信的经验进行集群通信网络架构的探索，这是集群通信多网融合趋势的必然要求。现阶段人们尝试以具有宽带化、高效率特征的分布式网络架构作为数字集群通信网络架构的主要发展趋势，其主要由以下结构构成：首先，全IP核心网，其主要由数据网络和业务网关、移动管理实体单元、归属服务器等结构构成，具有针对网络所有用户设备进行控制，对所有相关业务进行承载的功能，此结构的应用不仅可以降低移动运营商的服务成本，而且对组网的灵活性可扩展性的强化也具有积极的作用。其次，接入网，其以增强型基站作为主要构成，主要功能使对信道进行编解码、频率等处理以及接入相关的业务、调整与核心网的关系等，换言之在此结构中增强型基站具有基站收发机和无线网络控制器的双重功能，而且增强型基站之间可以实现自主通信，这对网络整体的管理、平衡、协调等具有积极的作用。再次，手持终端，PTT键、网络上大范围的呼叫、优先级呼叫、动态重组、呼叫缺席或转移等均是其应具有的功能，另外其需要具有直通功能，摆正手持终端与通群组用户的正常通信，在此结构的作用下数字集群通信系统能够形成诸多封闭用户群，其各有独立的调度总台实现内部通信和用户群间的通信，这对提升网络的有效性和关联性，改善对突发事件的反映速度等具有重要的作用。、

可见数字集群通信的分布式网络架构可以将信息分布式的存储和管理、将网络结构扁平化处理，而且允许无线多连接的同时接入，使网络的间接性和整体性得到强化，网络资源甚至可以进行自配置，这对提升网络数据传输的效率、扩大业务的覆盖范围等均具有突出的作用，而且移动运营商可以结合实际需要，对网络的具体组网形式进行调整，建设的成本明显的缩减。另外，此种网络架构对星形、环形、混合型等多种拓扑结构均适应，所以在具体的架构设计时可以结合实际需要进行灵活的选择或调整，在应用过程中可行性突出，其应用的计算机网络设备和网络连接等均为标准化类型，在数字集群通信系统规模扩充或升级的过程中难度更小，甚至与公网互通也具备了条件。分布式数字集群网络架构可以顺利的承载分组数据、语音呼叫等传统业务，而且可以利用IP技术进行图像的传输，利用协调通信能力实现视频、音音等内容形式的传送，这相比传统的集群系统业务更加丰富，但相关的费用却相比明显的缩减。除此之外，其在网络构建的灵活性、网络故障的修复性等方面也具有明显的优势，可见此种网络架构形式的选择基本可以满足现阶段数字集群通信系统建设的要求。

2 多天线技术

多天线技术主要指智能天线技术和多进多出MIMO技术。

多天线即发射端和接收端均应用超过1个天线的通信系统，现阶段以信号处理方式作为划分依据，将其划分为智能天线技术和多入多出技术两类，前者天线阵元间具有较理想的相关性，通过对发射信号的预处理，可以使信号发射目标用户信噪比增加，目标用户链路性能随之优化；后者天线阵元间相关性相对较弱，发射信号在传输的过程中衰落性明显，但自由度却明显提升，信道容量的扩充能力提升，所以两种技术对提升数据传输效率均具有明显的作用。

2.1 智能天線技术

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线采用空分复用（SDMA），利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。智能天线的产生是建立在对阵列天线发送或接收信号的空时处理，为系统的设计带来了更多可以利用的空间自由度，从而大大提高系统性能。

自从智能天线技术应用到移动通信系统中，各国就开始对它进行了广泛的研究，并取得了一些成果。欧洲通信委员会在DECT（数字增强无线通信）基本上搭建了智能天线实验平台，对智能天线的相关算法进行了现场测试。美国Redcom公司在时分多址PHS系统中采用了智能天线。日本ATR光电通信研究所通过波束空间处理研究了多波束智能天线，并将软件无线电的概念与智能天线结合。

此类技术又可划分为固定波束切换天线、自适应天线两种，前者阵元间距在1/2载波波长以下，接收机可以对区域目标用户进行全面的覆盖，梳子集群系统可以通过对各波束能量集中方向中最大的角度进行查表定位，并向其发送一定的波束，实现对信号的空间滤波，后者相比前者其对最大角定位是通过对各信号特征进行分析和最优赋形算法计算，所以后者的定位准确性更理想，但成本和复杂程度更高。此项技术在降低发射信号的被衰落程度和被干扰程度的同时，可以对系统的容量、链路的性能、覆盖的距离等进行改善，而且可以对初期建设的成本进行缩减，所以在移动通信系统中应用空间广阔。

2.2 多进多出技术

多进多出MIMO技术是指在通信系统的发射端和接收端同时使用多个天线的技术，该技术是一项运用于802.11n的核心技术。它最早是由Marconi于1908年提出的，利用多天线来抑制信道衰落。1970年，MIMO技术被首次引入到通信系统中，现在在第四代移动通信技术标准中被广泛使用。

作为多天线技术之一的多进多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术能够很好的提高无线通信系统的频谱利用率。采用MIMO技术在室内传播环境下的频谱效率能够达到2040bit/s/Hz，而使用传统的无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为15bit/s/Hz，在点对点的固定微波系统中也只有1012bit/s/Hz。由此可见，多天线技术能够在不增加功率和带宽资源的前提下有效的提高无线网络的频谱效率

现阶段人们已经发现多进多出技术在强化无线链路可靠性和优化数字集群系统链路有效性两方面的重要作用，其通过空时分组码和空时格形码支持数据高阶调制、为信号分集增益创造条件，在多进多出技术应用的过程中，传输信息流在空时编码的作用下会转变成多个信息子流，并由多个天线向外发送，在空间信号被对应的多个天线所接受，此时其通过空时编码可对接收子流进行分别的处理，可见在此项技术应用的过程中宽带并未被大量的占用，其通过并行空间通道完成了数据传输，这为提升数据传输效率也提供了途径。

多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶 MIMO 到大规模阵列多天线系统的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。未来的多天线技术主要向着更大的波束赋形/预编码增益、更多的空间复用层数（MU/SU）及更小的层间干扰、更全面的覆盖和更小的站点间干扰等方向发展。

3 结论

通过上述分析可以发现，随着人们对集群系统认识的不断全面，数字集群系统的业务宽带化和定制化趋势将越来越明显，而现有的数字集群标准并不能满足其实际需要，所以进行数字集群通信网络架构优化和多天线技术应用已经成為其适应时代发展的必然选择。

参考文献

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作者简介

陈军（1969-），女，山东省济南市人。大学本科学历。工程学学士。现为山东省无线电监测站工程师。研究方向为无线电监测检测。

作者单位

山东省无线电监测站 山东省济南市 250000