2018-08-03 10:01:06
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一 同頻同播的由來
常規無線通信多數情況下是單基站的通信系統，用一對中轉頻點滿足較小區域的通信需求。同頻同播網指在同一個地區布設多個相同頻率的中轉臺并進行聯網，每個中轉臺覆蓋一片區域，從而加大無線通信網的覆蓋范圍，形成大面積的無線覆蓋網。同頻同播系統是一種用來實現對講機遠距離、無盲區覆蓋的專業無線通信系統。
同頻同播技術起源于上世紀九十年代中期的尋呼系統中，用于改善低速數字尋呼的覆蓋效果。隨著無線通信業務的發展，常規無線通信無法滿足廣覆蓋的業務需求，在1990年代，開始出現模擬常規同頻同播系統，后來又出現了模擬集群同頻同播系統。隨著無線通信的數字化，在2012年前后又出現了數字常規和集群同頻同播系統。
二 同頻同播系統的基本構成及技術特性
(一) 同頻同播系統由全雙工基地臺、同播基站控制器、鏈路機、GPS接收板、遙控遙測單元、天饋系統以及同播中心、調度中心、調度軟件、專用遙控遙測軟件等構成;
(二) 在同頻同播系統中，主要有三大關鍵技術：
1. 下行發射同頻技術
每個同播基站配置一個GPS接收機，利用GPS基準時間信號鎖定發射機頻率，保證各基站間發射機發射頻率同步。即通過頻率校正，使各同播基站發射載頻的中心頻率偏差控制在幾赫茲至十幾赫茲的水平，以免因同頻干擾中的中心載頻偏差引起令人厭煩的“嘯叫”。
2. 下行發射同步技術
即通過定時同步，將同一路話音信號經過不同同播基站轉發且被同一移動臺接收時各路相同的話音信號的相位偏差控制在一定范圍內，明顯改善在相鄰同播基站下行信號強度相近時的接收話音質量。
3. 上行接收判選技術
當同一路上行發射被多個同播基站同時接收到時，從中選擇信號質量最佳的一路進行中繼轉發，以改善上行話音質量。即在覆蓋區內的多個基站，同時收到移動臺的信號，基站控制器自動優化判別接收信號質量，再通過鏈路送到各基站發射機發射，保證另一方移動臺收到的話音是清晰的。
從更深層次的技術原理上講，同頻同播系統的通信質量保證主要依靠的是窄帶調頻制本身所具有的同頻干擾容限(典型值為8dB)，通過下行發射同頻技術，使下行信號的強度差異在同頻干擾容限之下(即小于8dB)，在一定程度上改善相鄰同播基站的通信質量。
三 同頻同播的優勢
(一) 組網靈活，各基站差轉臺平時在各自的信道上工作，如有重大任務需多基站聯網時，可通過網管中心將各同播基站設為一個或多個同播組，使之組成一個同播網或多個同播網，網內一呼百應，便于統一指揮調度。
(二) 投入較低、實用性較強，易實現大范圍區域良好覆蓋，實現本地區無線通訊;同播系統中轉臺只需要安裝在位置相對較高、遠離大功率發射設備的地點即可。
(三) 系統結構簡單合理，可靠性高，操作性強，具有指揮調度、管理維護、遠程監控等功能。
(四) 多方位覆蓋，消除通信死角。同播網不但可擴大覆蓋范圍，而且可有效解決無線盲區問題。因為多臺中轉臺同播可實現多方位的覆蓋，移動用戶所處位置可能受到來自一方或兩方的阻礙，這時還有其它方向的中轉信號可以射入，用戶仍可得到良好的通訊效果。
(五) 均勻覆蓋、信號穩定。無線同播網是多點覆蓋，整個覆蓋區場強平均，所以同播網通訊效果穩定可靠。
四 同頻同播的發展期
自1980年代開始，用于指揮調度的專用無線通信開始起步，公安、武警、電力、鐵路、民航、森林防火等政府和行業部門開始組建自己的無線指揮調度網。國家無線電管理部門為相關部門規劃了專用頻率，無線通信專網進入迅速發展期。上世紀九十年代，國家無委為公安部門規劃了公安專用350兆頻率，用于組建警用350兆集群通信網，到2010年左右，全國各級公安機關基本組建了350兆警用專用集群通信網。武警、電力、鐵路、民航等部門與此同時也基本組建了各自的無線指揮調度網。1980年到2012年是模擬無線常規和模擬集群通信網快速發展期。
由于單個無線常規通信網覆蓋范圍小，難以滿足大范圍廣覆蓋全聯通的業務需求，而模擬集群通信網存在越區切換能力弱不同廠家系統不能互聯的不足，同頻同播以其組網靈活簡便、覆蓋范圍廣、可靠性高、建設要求低等特點，即可作主網使用，也可作備用網，得到了較快發展。一是同頻同播能實現大區制覆蓋，跨區域時不需要更換信道，沒有集群系統中的身份登記之類的麻煩，用最簡單的方式解決了跨區域調度指揮時的互聯互通難題。采用同頻同播，是各類模擬常規、模擬集群系統難以實現互聯互通和廣域覆蓋情況下迫不得已的現實選擇。二是模擬常規/集群終端廣泛普及，通過窄帶頻率調制傳輸模擬話音來實現跨區域(跨系統)的互聯互通是最簡單和最現實的選擇，同頻同播能沿用現有的模擬常規/集群終端。無論是抗毀性、建設和運維成本,還是終端的普及率及綜合應用性能，大區制覆蓋的模擬同頻同播系統無疑是當時最佳現實選擇。
1998年到 2012年期間是模擬無線通信高速發展的時期，也是同頻同播的發展興旺期。如公安部門，許多城市在建成350兆警用模擬集群通信網的同時，另建設了同頻同播網作為應急網備用;也有省區市對模擬集群不同廠家系統不能聯網，為跨區域大范圍的指揮調度，建設了省級或市級同頻同播應急調度網，如廣東省建成了全省公安應急調度同頻同播網;也有些地方計劃建設數字集群通信網，而采用同頻同播網作為過渡性指揮調度網，如深圳市公安局在2000年左右建設了十余同頻同播網用于各警種的日常通信聯絡和調度;也隨著高速公路和城市軌道交通的發展，同頻同播網也快速應用到高速公路和城市軌道交通的通信指揮中，如湖南省交警總隊高速公路支隊建設了省級高速公路350兆同頻同播集群通信網。模擬同頻同播網隨著模擬無線通信的發展而發展。
五 同頻同播遇到空前的挑戰
(一) 同頻同播固有的不足
1. 同頻同播不能完全消除同頻干擾
同頻同播系統因為采用同頻技術，重疊覆蓋區域要得到清晰的話音質量，系統必須要做到“三同一保”，即保證在重疊覆蓋區域，終端接收到的來自多個基站無線信號要滿足同頻、同相、同幅和最低場強保證要求。現有同頻同播系統的通信質量保證主要依靠的是窄帶調頻制本身所具有的同頻干擾容限(典型值為8dB)，通過技術手段雖然能在一定程度上改善相鄰同播基站下行信號的強度差異在同頻干擾容限之下(即小于8dB)時的通信質量，但從技術原理來看，在窄帶調頻制這個技術體系內，模擬同頻同播系統的同頻干擾區是必然存在的。與模擬同頻同播類似，同頻干擾區在數字同頻同播中同樣存在。在帶寬更窄(載波信道由25kHz變成12.5kHz)、數據傳輸速率更高(由1.2kbps變成9.6kbps)的背景之下，傳輸不同數字碼元時的頻率變化過渡時間所占比例會更大，所引起的干擾也比傳輸模擬話音時更強，在窄帶調頻制這個技術體系內發展較高速率的數字同頻同播的技術難度更大。如果還希望數字同頻同播實現與模擬同頻同播相同的覆蓋水平，則顯然是不現實的。在同頻干擾嚴重的區域中，模擬同頻同播的話音盡管干擾很大但人耳還能依稀辨識，而數字同頻同播因誤碼率過高卻導致沒有聲音輸出，這也在一定程度上影響了數字同頻同播的覆蓋水平。
因此，盡管有些廠商宣稱采用同頻、同相和接收判選的技術手段能完全消除同頻干擾，但從技術原理和實際應用情況來看，同頻干擾是不可避免且客觀存在的。同頻校正和發射同步技術手段的采用只是在一定程度上降低了同頻干擾的影響，在那些相鄰同播基站下行信號強度相當的區域中，其實際通話效果仍較差。在廣域覆蓋和規模組網的應用場景下，采用同頻同播將會是災難性的，這將會導致重疊覆蓋區完全無法進行正常通話。
目前的大多數同頻同播應用，覆蓋的是帶狀或鏈狀區域，或是單純覆蓋某個地市，因此同頻干擾區的不利影響尚不特別突出。但是，如果將來大規模發展，要實現全省范圍的連續無縫覆蓋，則同頻干擾區的不利影響將會被明顯放大。
2. 集群同播通信網容量小
同頻同播所有同播信道工作在相同頻率，必須同時占用，無法象集群那樣通過復用方式提高用戶容量。同播系統的工作原理是在同播區域內的每次呼叫(無論組呼還是單呼)所有基站使用相同的頻率發射，無論區域內有多少個基站，每個基站都必須分配信道，浪費了大量的信道資源。另外同播區域實際相當于一個基站，由于多個基站同播覆蓋面積一般遠大于一個普通基站，其中的用戶數量通常也比較大，相應的話務量也比較高，容易造成基站信道擁塞，影響調度指揮。雖然通過增加同播區域基站的載頻數量可以緩解信道擁塞，但由于控制信道的傳輸能力限制，為了減少控制信道上的碰撞，保證基站快速的接續能力，一個基站的載頻數最好不要超過8個。所以通過增加基站載頻來滿足大用戶量的使用，只有在8載頻之內效果才是明顯的，大于8載頻雖然信道擁塞緩解了，但控制信道碰撞概率會快速上升，呼叫體驗會明顯變差。
下面舉例說明同頻同播集群與標準集群通信網容量的差異。
某市建設PDT基站20個，每個基站8載波。
同頻同播方式：
該方式相當于全市區只有1個8載波基站，14個話音信道。在等待制系統中，取5%的條件呼損率，平均每次呼叫用時3分鐘。對于1個14個話音信道、呼損率為5%的系統，查愛爾蘭C表得到其容納的總話務量為8.27Erl。
(1)禁止個呼，只有組呼
單個組呼忙時話務量為0.05Erl，可容納最大組數為8.27/0.05=165個通話組。以每組平均30人計算，可容納4950個用戶。
(2)禁止組呼，只有個呼
單個個呼忙時話務量為0.019Erl，查愛爾蘭C表得到可容納最大用戶數為435個。
標準集群方式：
標準PDT集群通信網是大區制系統，大部分組呼業務在4個站內完成，相當于每次組呼有4個基站分配話音信道。該方式相當于全市區有20/4=5個8載波基站，每基站14個話音信道。在等待制系統中，取5%的條件呼損率，平均每次呼叫用時3分鐘。
(1)禁止個呼，只有組呼
全市區可容納最大用戶數為同頻同播方式的5倍，即825個通話組。以每組平均30人計算，可容納24750個用戶。
(2)禁止組呼，只有個呼
全市區可容納最大用戶數為同頻同播方式的5倍，最大用戶數為2175個。
由此可見，在基站數相同、各站載波數相同的情況下，標準PDT集群容納的用戶數是同頻同播方式的5倍。同頻同播系統規模越大，基站越多，效率越低。
3. 集群同頻同播網投資較大
數字同播在基站間碼元偏差超過1/4時(52us，站間距離15km)會出現明顯的誤碼和丟幀，所以同播必須比集群布置更密集的基站，通常為了更好的效果，基站間距小于5km，會增加大量的基站投資，同時運維成本也會提高。
由于要求同播基站發射相位同步，需要更高質量的鏈路，例如必須使用E1，普通IP鏈路效果不佳，帶來的影響是鏈路成本上升。
要使同播基站達到與集群相同的用戶容量，需要成倍增加基站載頻，造成投資增加。
BF-9000數字超短波系統采用數字通信技術：DMR協議向下兼容模擬系統，可以使原系統平滑過渡到數字系統；DMR協議/TDMA技術中的一個12.5KHz寬帶的頻率有兩個時隙，可以獲得兩個并發信道，從而使頻率利用率最大化，系統結構最小化；DMR協議/TDMA技術中當語音通信使用其中一個時隙時，另一個時隙可以用于語音通信或數據通信業務，如TTS短信息或衛星定位數據傳輸；DMR協議/TDMA技術中的終端電臺發信時，只有50%時間在工作，與模擬電臺比較功耗更低，電池使用時間延長高達40%；通過高品質的數字信道編碼技術及聲碼器過濾，可抑制語音通話中的噪音，使通話變得更清晰；寬帶編解碼器以及數字糾錯技術的應用，抑噪功能更佳，有效覆蓋范圍更廣；采用TDMA雙時隙技術，在相同寬帶下，通話容量提高一倍，極大地緩解了頻譜資源日益短缺的壓力。
(二) 新技術發展帶來的挑戰
1. 數字集群技術發展帶來的挑戰
同頻同播是20年前為了解決模擬集群通信系統越區切換能力弱以及不同廠家系統不能互聯的問題而出現的技術。在無線通信技術的發展過程中，數字集群系統已經有相對成熟的技術標準，相對優勢的技術架構。PDT數字集群系統采用成熟的越區切換技術，已經做到了通話過程中跨越基站不斷線，而且通話過程中移動到沒有該組成員分布的基站，基站也可以立刻分配通話信道。
“用戶移動性管理”是集群系統的一個重要組成部分，“用戶移動性管理”做的好壞直接影響到集群系統的使用效率。用戶通話時，集群系統是按照用戶所在基站的登記注冊情況而分配基站的信道資源，即按需分配，可以最大程度提高信道利用率。同播系統沒有“用戶移動性管理”功能，用戶通話時，每個基站不管有沒有用戶存在都分配信道資源，信道資源利用率很低。
集群系統的語音呼叫業務可以按不同等級區分，重要用戶的優先通話權限能夠得到保障，確保關鍵時刻指揮調度的暢通。數字同播系統雖然也能夠進行分組通話，但是分組數量不宜過多，分組缺少權限設置，通話信道會經常被占用。如果數字同播系統不分組而采用一呼百應的方式，則在通話時多數用戶會被無關的通話打擾。
短數據、GPS定位已成為警員日常勤務工作必備的功能，同播系統由于沒有“用戶移動性管理”功能，發送數據時只能在全網所有基站中發送，信道資源利用效率很低，如果使用短數據業務的用戶較多，將嚴重影響基本的語音通話業務。
2. IP互聯技術發展帶來的挑戰
IP互聯系統主要是指在多基站IP互聯網絡模式下，通過基于TCP/IP協議的以太網實現分散在不同地點的數字中轉臺之間交換語音、數據和控制包，即將各個中轉臺通過互聯網連接起來，形成一個更大范圍的常規數字通信網絡，可以實現整個區域內的專網通信。
在相同的發射功率下，IP互聯數字站點信號在建筑密集區可以覆蓋3-5公里，在平坦地區可以覆蓋12-16公里，在一望無際的大草原甚至可以覆蓋30公里以上區域，通過IP網絡連接多個數字站點，擴大通信覆蓋范圍，且不存在同頻干擾的問題。同播系統采用同頻技術，為保證重疊覆蓋區的話音質量和嚴格的同頻、同相、同幅，嚴格保證數字同播系統相位誤差低于1/8碼元(距離差7.8kM)。因此，在IP互聯和同頻同播都采用相同發射功率的情況下，同頻同播的覆蓋面積為IP互聯系統覆蓋面積的2/3。
同播同播系統本身硬軟件成本較高且需要進行站點勘察和機房建設，在保證鏈路和電力供應的情況下還應充分考慮防水性能和施工條件。而采用IP互聯系統可以通過網線即可直接接入IP網絡，一般IP互聯基站具備較高的防護等級，無需建設單獨的機房采用抱桿壁掛乃至單兵即可完成系統搭建。因而，設備本身的軟硬件成本和施工成本相對于同頻同播都比較低，建網性價比高。
采用IP互聯的網絡在技術體制上相比與同頻同播可以實現大區覆蓋和規模組網，在重疊覆蓋區的通話質量將得到很好的保證。其系統特點表現在覆蓋廣泛、兼容性好、性價比高。
3. 無線自組網技術帶來的挑戰
同頻同播一般采用時鐘同步服務器或者GPS授時來保證整個系統的時鐘同步，若采用時鐘同步服務器受時對鏈路時延和穩定性的要求較高，一般采用有線鏈路。建設同頻同播網絡時需要提前配置各系統的參數，無法進行快速部署，不具有較強的抗災能力。
無線自組網除具有同播系統采用單頻點通信節省頻點資源的優勢外，無線自組網設備之間由空中無線鏈路完成語音和數據傳輸，無需任何有線鏈路，不僅有效降低系統造價;而且突破了因有線通信資源造成的地域限制。自組網基站支持多個節點間自組級聯，可根據現場需要進行靈活的網絡自由組建，鏈狀、樹狀、星狀、網狀組網均能靈活部署。同頻同播一般采用有線組網，需要進行人工配置，完全無法自動組網。相比而言無線自組網在防災抗毀上有著無法比擬的優勢。使用無線鏈路完成語音和數據傳輸，當無線自組網內的某基站故障或失效后，設備節點會自動搜索可連接設備進行組網，周圍其他節點會自動補充保證整個網絡系統的可靠性。
無線自組網同樣采用單頻點通信以節省頻點資源，但由于同頻同播一般采用有線互聯，無線自組網在靈活性、安全性、可實施性上存在天然的優勢。
六 同頻同播的出路
同頻同播系統隨著模擬無線通信的發展而發展，在無線通信數字化快速發展的今天，同頻同播系統用戶容量小、用戶移動性管理能力弱，原有的優勢已不明顯，同頻同播遇到挑戰，在城市或用戶密集區使用同播或集群同播系統不是明智選擇，希望數字同頻同播實現與模擬同頻同播相同的規模水平，則顯然是不現實的。由于大多數同頻同播應用，覆蓋的是帶狀或鏈狀區域，或是單純覆蓋某個地市，通過微調各基站的發射功率和定時同步偏差對同頻干擾嚴重的區域進行調整，因此同頻干擾區的不利影響不特別突出，能基本滿足應用之需。對于頻率資源緊張或用戶量不大覆蓋的是帶狀或鏈狀區域地方，同頻同播仍是較好選擇。從應急調度指揮應用的角度看，最簡單的設備往往是最可靠的，價格低的產品的市場占有率和普及率更高，體積更小、單次充電的使用時間更長的產品能更好地適應應急調度指揮之需，同頻同播產品如能做到體積小、單次充電時間長、部署簡單快速，同頻同播作為應急備用網仍會有較好前景。