MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用：專用移動(dòng)通信系統(tǒng)

專用移動(dòng)通信系統(tǒng)5.1集群通信系統(tǒng)5.2APCO數(shù)字集群通信系統(tǒng)5.3TETRA歐洲數(shù)字集群通信系統(tǒng)5.4TFTS地面航空電話系統(tǒng)

集群通信系統(tǒng)是一類區(qū)別于公眾移動(dòng)通信的專用通信系統(tǒng)。集群通信系統(tǒng)與公眾通信系統(tǒng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在具有調(diào)度功能，如全呼、組呼、單呼等。此外，集群通信還能夠根據(jù)用戶需要設(shè)置若干通信優(yōu)先級(jí)。5.1集群通信系統(tǒng)在1990年以前，集群通信系統(tǒng)一直是主宰移動(dòng)通信市場(chǎng)的專用移動(dòng)通信系統(tǒng)。隨著近年公眾移動(dòng)通信的高速發(fā)展，集群通信系統(tǒng)為公眾提供了低資費(fèi)高質(zhì)量的通信服務(wù)。相對(duì)而言，專用移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展勢(shì)頭有所減弱。常用的對(duì)講機(jī)、常規(guī)的自動(dòng)撥號(hào)移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展緩慢。無(wú)中心多信道選址移動(dòng)通信系統(tǒng)，由于通話距離短、網(wǎng)絡(luò)功能不太理想等特點(diǎn)，目前發(fā)展并不快。但是，集群通信仍呈穩(wěn)步發(fā)展趨勢(shì)，目前800MHz集群通信用戶約30萬(wàn)，主要應(yīng)用在公安、鐵路、電力、水利、交通、民航、石油、海關(guān)等部門。集群通信系統(tǒng)具有調(diào)度接續(xù)時(shí)間快速、可靠，可以對(duì)用戶進(jìn)行分級(jí)、群呼、遠(yuǎn)呼等蜂窩移動(dòng)電話所難以替代的特點(diǎn)，在一些對(duì)移動(dòng)通信功能具有特殊要求的地方，如專用應(yīng)急通信領(lǐng)域、公安和企業(yè)調(diào)度領(lǐng)域，集群通信系統(tǒng)仍然扮演著重要的角色。隨著社會(huì)對(duì)專業(yè)調(diào)度通信系統(tǒng)需求的逐漸增大和功能要求的提升，集群通信也將穩(wěn)步發(fā)展。

現(xiàn)代無(wú)線集群系統(tǒng)一般是全數(shù)字化的，具有頻譜利用率高、用戶容量大、聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前比較典型的有美國(guó)的APCO25、歐洲的TETRA、

摩托羅拉的iDEN三種數(shù)字集群系統(tǒng)。集群系統(tǒng)的信令傳輸均采用數(shù)字調(diào)制方式。集群系統(tǒng)的信令傳輸采用MSK調(diào)制方式，符號(hào)速率為10ksymbol/s。

圖5-1是對(duì)模擬集群通信系統(tǒng)的數(shù)字信令的調(diào)制頻譜的仿真模型。圖中，數(shù)字信令由RandomInteger模塊產(chǎn)生，輸出為二進(jìn)制序列，速率為10kb/s。MSK調(diào)制由等效低通調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)，每符號(hào)期間采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為8，調(diào)制輸出的數(shù)據(jù)序列速率為80ksymbol/s。這樣，仿真頻率區(qū)間為-40～40kHz。MSK調(diào)制輸出信號(hào)的功率為1W，若設(shè)AWGN信道信噪比為12dB，則仿真測(cè)量信道輸出端功率譜如圖5-2所示。從圖中可見(jiàn)，信號(hào)主瓣帶寬約為15kHz。

圖5-1模擬集群通信系統(tǒng)的數(shù)字信令的調(diào)制輸出仿真模型(SCHX5_1.mdl)

圖5-2模擬集群通信系統(tǒng)的數(shù)字信令功率譜仿真結(jié)果(SNR=12dB)圖5-3是模擬集群通信系統(tǒng)的數(shù)字信令調(diào)制信號(hào)的遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。由于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中存在同頻帶干擾和噪聲，因此測(cè)量結(jié)果頻譜存在一些畸變，但總體上與仿真結(jié)果是一致的。

圖5-3集群數(shù)字信令調(diào)制信號(hào)的遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

APCO25(APCOProject25)是由美國(guó)開(kāi)發(fā)的一套數(shù)字無(wú)線集群標(biāo)準(zhǔn)通信，目的是保障聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)之間的通信，以及搶險(xiǎn)救災(zāi)中的應(yīng)急通信。APCO25和歐洲的Tetra集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)目的相同，但兩者互不兼容。APCO是AssociationofPublicSafetyCommunicationsOfficials(公共安全通信協(xié)會(huì))的縮寫。APCO25集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)屬于公眾安全無(wú)線電應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)之一，它使用800MHz頻段。APCO25還可以同美國(guó)模擬集群系統(tǒng)兼容。5.2APCO數(shù)字集群通信系統(tǒng)

APCO25標(biāo)準(zhǔn)是目前較為成功的數(shù)字集群通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，APCO25的空中接口有兩大特色，一是具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，增強(qiáng)了通信范圍；二是持續(xù)性的傳送識(shí)別碼及同步加密資料。APCO25標(biāo)準(zhǔn)支持多種加密模式，如DES的加密(56位)、2鍵3重DES加密(112位)、3鍵3重DES加密(168位)、AES加密(256位)方式等，這些加密模式為政府應(yīng)急通信系統(tǒng)的安全性提供了技術(shù)保障。該標(biāo)準(zhǔn)提供了標(biāo)準(zhǔn)條件下的物理層性能標(biāo)準(zhǔn)，即對(duì)于最大工作頻率是1GHz或低于

1GHz的12.5kHz信道間隔的數(shù)字調(diào)制無(wú)線電設(shè)備，在專用(調(diào)度)陸地移動(dòng)無(wú)線電業(yè)務(wù)中，采用C4FM或CQPSK調(diào)制方法，采用頻分復(fù)用(FDMA)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表5-1所示。

表5-1APCO25標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)參數(shù)由APCO系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)參數(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳輸鏈路模型如圖5-4所示。其中，RandomInteger模塊產(chǎn)生速率為4.8ksymbol/s的4元(0，1，2，3)隨機(jī)整數(shù)序列；Fcn1模塊將該序列轉(zhuǎn)換為雙極性的(-3，-1，1，3)，以滿足相位連續(xù)頻移鍵控(CPFSK)調(diào)制器的輸入要求；CPFSK調(diào)制器調(diào)制指數(shù)為0.5。在解調(diào)端，CPFSK的參數(shù)要對(duì)應(yīng)于發(fā)送端調(diào)制參數(shù)來(lái)設(shè)置，解調(diào)回溯深度設(shè)置為8個(gè)符號(hào)周期?？紤]到調(diào)制延遲為1個(gè)符號(hào)時(shí)間，則誤碼儀接收延時(shí)參數(shù)應(yīng)設(shè)置為8。當(dāng)AWGN信道信噪比設(shè)置為50dB時(shí)，執(zhí)行仿真測(cè)量得到的接收功率譜估計(jì)如圖5-5所示。APCO系統(tǒng)C4FSK調(diào)制的實(shí)測(cè)功率譜如圖5-6所示。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

圖5-4APCO系統(tǒng)C4FSK調(diào)制傳輸仿真模型(SCHX5_4.mdl)

圖5-5APCO系統(tǒng)C4FSK調(diào)制接收功率譜估計(jì)(SNR=50dB)

圖5-6APCO系統(tǒng)C4FSK調(diào)制實(shí)測(cè)功率譜

TETRA全稱是TErrestrialTrunkedRadio，即陸地集群無(wú)線電臺(tái)。TETRA是一個(gè)由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的數(shù)字集群通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，是一種面向下一代數(shù)字式移動(dòng)通信的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)。TETRA標(biāo)準(zhǔn)得到了歐洲無(wú)線電通信委員會(huì)(ERC)的同意，在歐洲得到了廣泛的應(yīng)用。5.3TETRA歐洲數(shù)字集群通信系統(tǒng)

TETRA系統(tǒng)是為政府機(jī)構(gòu)、應(yīng)急救援(警察、消防、救護(hù))、公路、鐵路運(yùn)輸以及軍事等應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，集雙向無(wú)線電對(duì)講機(jī)、移動(dòng)電話、字符報(bào)文傳送和數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)于一體。1995年出版了第一個(gè)TETRA版本，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)也是制定GSM標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)會(huì)，所以TETRA和GSM標(biāo)準(zhǔn)具有類似的技術(shù)，但TETRA標(biāo)準(zhǔn)的通信范圍更大，且有更多的帶寬分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。自1995年以來(lái)，ETSI對(duì)TETRA標(biāo)準(zhǔn)不斷進(jìn)行修訂和完善，并增加了一些新的標(biāo)準(zhǔn)或內(nèi)容，目前TETRA已經(jīng)成為一種成熟的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)。諾基亞、摩托羅拉、馬可尼等公司都按照TETRA標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)、設(shè)備、配套設(shè)備或測(cè)試系統(tǒng)，并與歐洲、亞洲、非洲、北美等地區(qū)的用戶簽訂了大量定貨合同或協(xié)議。目前，一些著名公司已開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)的第3代TETRA移動(dòng)臺(tái)，并在高級(jí)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(AWS)TETRASIM卡、如何與第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容、如何提高與其他系統(tǒng)的互通互聯(lián)性能、多模終端以及擴(kuò)展頻率覆蓋等方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，以研制和生產(chǎn)出更加適合集群通信市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)載波間隔為25kHz，每一載波上通過(guò)時(shí)分多址接入(TDMA)方式接入4個(gè)用戶，可以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的傳輸。TETRA手持機(jī)(MS)可以相互直接通信，也可以通過(guò)TETRA基站(BS)進(jìn)行交換和通信。當(dāng)MS處于基站覆蓋區(qū)之外時(shí)，它們之間可以直接互聯(lián)，MS還可以作為中繼臺(tái)幫助遠(yuǎn)端手持機(jī)同基站通信，這樣就提供了緊急情況下和惡劣覆蓋區(qū)域的通信可靠性。

表5-2TETRA系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)由TETRA系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)參數(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳輸鏈路模型如圖5-7所示。其中，RandomInteger模塊產(chǎn)生符號(hào)速率為18ksymbol/s的4元整數(shù)(0，1，2，3)，其輸出比特率為36kb/s，每10個(gè)整數(shù)形成一個(gè)幀。DQPSK調(diào)制采用等效低通模型，相位旋轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置為π/4。調(diào)制輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平方根升余弦濾波器成形，滾降系數(shù)設(shè)置為0.5，脈沖持續(xù)時(shí)間為3個(gè)符號(hào)周期，升采樣倍數(shù)可設(shè)置為8倍。AWGN信道的信號(hào)輸入功率可以通過(guò)仿真測(cè)量出來(lái)，約為0.1145W。接收端濾波器模塊、解調(diào)模塊也進(jìn)行相應(yīng)于發(fā)送端模塊參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)傳輸總延時(shí)為6個(gè)符號(hào)周期，所以誤碼儀中接收延遲參數(shù)應(yīng)設(shè)置為6。當(dāng)信道信噪比設(shè)置為30dB時(shí)，執(zhí)行仿真得到的接收信號(hào)功率譜仿真結(jié)果如圖5-8所示。圖5-9給出了一個(gè)實(shí)際TETRA信道上的功率譜實(shí)測(cè)結(jié)果，它與仿真結(jié)果相比，兩者是一致的。

圖5-7TETRA系統(tǒng)調(diào)制傳輸仿真模型(SCHX5_7.mdl)

圖5-8TETRA系統(tǒng)接收功率譜仿真結(jié)果(SNR=30dB)

圖5-9TETRA系統(tǒng)實(shí)測(cè)功率譜

TFTS的英文全稱是TerrestrialFlightTelephoneSystem，是在歐洲應(yīng)用的一種地面航空電話系統(tǒng)，TFTS定義了一個(gè)空中到地面的無(wú)線電接口。通過(guò)TFTS，飛機(jī)電話可以同地面公眾電話系統(tǒng)、專用網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行有效的連接。TFTS可以為飛機(jī)乘客提供機(jī)載電信服務(wù)，諸如在飛行中的電話、傳真和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)等。5.4TFTS地面航空電話系統(tǒng)

TFTS采用π/4-DQPSK調(diào)制方式，其符號(hào)速率為22.1ksymbol/s。發(fā)射濾波器為平方根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.4。

圖5-10是根據(jù)TFTS空中傳輸參數(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)送信號(hào)功率譜仿真測(cè)試模型。圖中，RandomInteger模塊產(chǎn)生速率為22.1ksymbol/s的4元整數(shù)序列(0，1，2，3)，DQPSK調(diào)制器相位旋轉(zhuǎn)參數(shù)為π/4。平方根升余弦濾波器滾降系數(shù)設(shè)置為0.4，脈沖持續(xù)時(shí)間為3個(gè)符號(hào)周期，升采樣倍數(shù)可設(shè)置為16。調(diào)