集群电台:属于专业人士的天下

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在写完上一篇关于无中心电台的文章之后,有读者找到我说,能不能写一下关于集群电台的博文
我说,可以啊,毕竟在我看来,『无中心电台』就是一特殊的集群电台,大致的思路是差不多的

结束这段对话之后,我想了很久,应该从什么地方着手呢?

图源:维基百科图源:维基百科

对讲机的使用大户

在那篇文章里,我把对讲机的使用者分成了三类,其中第一类是话务量最大的公共管理部门(比如公安消防应急抢险等),他们对于对讲机的需求是:

  • 多分组,统一调配,统一管控
  • 大话务量,有时候需要小分组,但是有时候需要快速接通多个组的通话
  • 信道容量不算大(至少,比无证哥要小)
  • 有时候需要跨部门联动
  • 能够办证
  • 对语音有加密需求

对于这一类用户而言,自然不可能指望他们用普通对讲机然后慢慢调频,这样效率低不说,而且也不能方便管理。

普通对讲机的难点

抛开其他问题(比如合规性,技术问题)不谈,试想这么一个情况:普通对讲机是怎么实现一起通话的?

很简单,你调到一频道,我也调到一频道,那么大家都可以说话了。而别人调到了二频道,那么就不能和我们说话,也听不见我们说话。

info:关于频道
上面这个情况在实际使用中其实有很多的实现方式,比如说一个信道一个频率,或者说一个信道一个亚音频,实现方法不同具体的细节效果当然也就不同。

为了叙述简便起见,咱们把上面换频道的实现定义为『一个频道对应一个频率』

好的,那么现在问题来了:我有一组人要通话,那么我用一个频道。我有一百组人要通话,那是不是就要一百个频道了呢?
对于传统的对讲机来说,是的。但是聪明的人可能已经发现了问题:假如我这一百个组里面有99个组都是日常闲着没事干(说专业点叫话务量低)的,那么给他们分配99个信道是不是有点浪费了呢?

还是那句话,对于传统的对讲机来说,是的。

集群电台解决的问题

现在换一个角度去思考:如果我不是一直给他们分100个频道,而是要用的时候才分呢?比如说,我这组人要通话了,我按下PTT键,对讲机向调度台申请一个信道,然后来这个信道聊。聊完之后释放这个信道,不占线了,其他电台也可以来申请,来进行他们的通话。

这就是集群电台的基本思想:对有限的信道进行动态分配,让更多的用户可以分时共用

集群这个概念其实并不新,最早可以追溯到有线电话的年代。当时,比如说A地和B地各有一台交换机,他们之间连接了1000根电话线,意味着他们之间可以同时进行1000路长途通话。但是,毕竟不是人人都无时无刻在打电话,也不是每个打电话的都是打长途(也就是占用AB之间的线路),那么这1000根电话线就可以为十几倍甚至几十倍的用户服务,可能上一个用户打完,下一个用户又开始占用这根线了。

像这样弄出来的集群无线电,自然也就大幅度提高了信道利用率。

集群协议

当然,要听你集群的话,普通的对讲机当然是不行的,必须是集群对讲机。集群对讲机连续监听控制信道(关于这些特殊的信道名称,下面还回解释)并向调度台申请入网,然后在需要呼叫时再申请信道。与此同时,调度台一般也和中继台做在一起,这样就可以放大对讲机的信号,扩大传输范围。

龙生九子各不同,集群对讲机所用的协议也分很多种。模拟集群比较常用的有MPT1327,数字集群比较常用的有DMR,dPMR,TETRA,以及国内的PDT协议。因为这些协议大体的工作模式是差不多的,只是实现细节不同,下文为了方便讲述,统一以MPT1327协议为例。

信道结构

以1327为例,他最通用的一个信道结构是1个控制信道+N个业务信道(1327最多支持1024和业务信道),调制方式均为NFM。因此这也就是为什么网上很多视频是用UV5R接收的1327集群信令,因为有一些国家的部分系统是落在了5R可以使用的范围内的。

info:关于信道
此处要注意的是,这里的『信道』指的是『接收频率和发射频率的组合』,也就是说一个信道包含两个频率。

一般而言,对于带中继的系统来说,收发频率是不同的,且是有一定差值的,这样才能让中继工作。为了方便讲述起见,下文均是站在基地台(调度台)的角度来看的,说到发射频率就是『基地台发射,移动台接收』,说到接收频率就是『基地台接收,移动台发射』。

通信方式的概况

入网

对于一般而言,1327系统会在控制信道的发射频率上连续不停地发射MSK(以前称之为FFSK)调制的信令,大致内容就是宣布本台站的一些信息,比如控制信道频率是多少,有多少业务信道,频率是多少,等等,供各个移动台接收。移动台可以收到这个信号,就说明自己还在集群基站的控制范围内。当然,这个控制信道也不是闲着没事干的,基地台会定期轮询发送信令,要求各移动台回复,看看各个移动台是否都还在线。

当移动台开机时,会根据预先配置好的信息,接收集群基站的控制信令。收到(并确认自己可以入网)之后,就会在控制信道上向基地台请求注册入网。基地台收到请求,如果允许入网,就回复确认,入网成功。此后就一直守在控制信道上,看看基地台有没有叫他,有就回复一下,证明自己还活着。

现在就碰到了一个问题:假如多个电台同时开机,或者同时按PTT,反正就是同时发射控制信令,那岂不是会卡住了?

设计1327的人们自然也想到了这个问题,1327的实现方式是,由基地台广播控制信道的空闲时隙,然后然后让移动台随机选择一个时隙去发射。如果还是碰撞,那么再随机选择时隙。就这样选择下去,只要不撞得太多,总会是可以一个接一个入网的。

呼叫

和普通的对讲机系统不同,1327(包括很多其他的集群系统)不能在按下首次PTT的瞬间说话,因为此时移动台需要通过控制信道向调度台申请信道,得到回复之后才能够接通。比如,移动台请求向100组发话,按下去之后,基地台还得分配信道,告诉主呼台可以接通,以及告诉被呼台(属于100组的),把信道切换过来,这样就可以开始通话了。

通话过程中,基地台会连续发射信号,直到拆线(也就是说,即使任何一方松开PTT,基地台也只是静噪,而不会停止发送载波信号)。与此同时,移动台在按下PTT和松开PPT之后,都会在业务信道上发送一个短一点的信令,告诉基地台(和对面移动台)有关我方的信息。

单次呼叫一般都是有限时的,这是为了避免长时间占用信道。笔者见过的系统,有设置三分钟的,也有设置五分钟的,到时间之后基地台自动拆线。

拆线

信道数量有限,说完就要拆线。满足以下条件之一,基地台就会拆线:

  • 主叫方主动拆线(一般是按拆线键)
  • 本次通话时间到达上限
  • 本次通话时,距离上一次有人发话的时间已达上限
  • 高优先级电台要求强拆
  • 其他需要拆线的情景

拆线,说起来也简单,基地台停止转发,发信令通知各方拆线即可。

写在最后

本文也只是简单讲述了1327信令的大致工作原理罢了。关于1327信令的具体技术情况,还请读者进一步阅读其标准文档

(完)

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最后修改于:2023年12月03日 23:37

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