王冰 祖永芹 唐鹏程 陈佳洲
1. 公安部第一研究所 2. 河北省张家口市公安局 3. 北京中兴高达通信技术有限公司
警用数字集群通信系统（以下简称PDT系统）作为公安无线通信专网，是公安机关全国性的主要通信基础设施。经过八年建设，PDT系统已然成为公安机关警务保障工作的主要组成部分，为公安执法执勤提供了有力支撑，更是大型活动安保、反恐处突、抢险救灾等任务中不可缺少的通信手段。随着近些年国内大型活动增多，PDT系统很好地验证了安全保密性、运行稳定性以及开放兼容性等特点。2020年，PDT系统被指定服务于赛会指挥通信。该系统通过前期规划设计，将赛会组织者的需求落实到建设并实现与异地1.4GHz B-TrunC宽带网络的互联互通，展现了具有自主知识产权的PDT系统能够实现与不同制式集群系统整合兼容的技术先进性和开放性特点。
（一）案例一
赛会用PDT系统采用公安专用350MHz频率，是在属地公安PDT系统基础上，严格按照标准规范和流程，针对特定业务需求进行的补充建设，是赛会组织的核心指挥调度手段，是赛事组委会各部门之间协同工作和应急联动的重要通信方式。赛后该系统使用的P95频率由属地省厅收回，全部设备移交属地公安局用于补充覆盖以及提升单警装备比例。
赛会用PDT系统在规划阶段充分考虑到：赛事组织指挥对于集群通信服务的关键功能需求为语音调度，需要实现赛区红线内竞赛和非竞赛场馆的室内和室外信号全覆盖，能够提供充分满足赛事举办所需的全部集群通信服务；
具备高可靠性、低时延和应对突发大话务量及突发公共事件的应急通信保障能力；
具备在室外恶劣气候条件下正常工作；
须实现与异地1.4GHz B-TrunC宽带集群网的互联互通，满足赛事运行指挥层级的跨场协同指挥与互联互通需求等要求。从前期的规划设计到后期的建设维护，赛会PDT系统采用多项保障措施和最佳解决方案，在覆盖、备份、延时、频率及耐寒等方面作了相应的技术优化。
1. 全程全域覆盖
PDT系统能不能用、好不好用，覆盖是关键。为更好满足赛事组织指挥、地空一体化的语音调度需求。设计并建设赛会用PDT系统的5个室外PDT标准基站、4个PDT室内基站及相应的4套室内分布系统和1个对空基站并分别接入主、备（异地）节点。
对于涉及人员活动密集场所的室内采用基站并通过光纤直放站的形式将基站信号拉远至相应大区的地下覆盖地点，然后通过室内分布系统（含吸顶天线）实现地下区域的无线信号覆盖。室内公共活动、办公室及出入口等区域的无线信号可以从基站的功率分配器中将信号耦合输出，但无线电波传播到达接收机的路径会受到多重墙体的阻挡、房内物体的反射及狭长走道内的多径反射和拐角处折射等因素的影响，经实地测试验证吸顶天线覆盖半径为20米。
2. 双备份高可靠性
为保证赛会用PDT系统可靠运行，系统采用多种备份手段，包括传输链路双备份，异地容灾双备份，以及核心交换单元物理器件双备份等。
传输链路双备份，是指所有交换节点和传输链路没有单点故障，网络传输采用不同链路传输信息。
异地容灾双备份，是指系统平时在两地分别有一套交换中心在线工作，双套系统数据在平时完成同步。在主用系统设备发生灾难性故障或者设备故障时，可以自动切换到异地的另外一套核心节点，接管工作。在主用系统恢复正常时，可以自动切换回主用节点。切换期间，业务基本保持不中断。
核心节点物理器件双备份，包括业务单板、交换单板、电源板和风扇等关键器件双备份，在其中单个节点发生故障或者物理损坏时，业务能平滑不中断的进行。
3. 低时延优化
赛会用PDT系统是为组委会工作人员及赛区安保人员提供安全、稳定、畅通的通信服务。这其中，赛事裁判员对于系统的响应要求极高并明确提出：单呼建立时延≤300ms、组呼建立时延≤300ms、话权申请时延≤200ms，必须到达到“即按即说，首字不丢”的使用效果，因此针对PDT组呼接续时长，进行了逐段耗时的分析，包括终端发送起呼消息、系统下发信道指派消息、终端上行语音头、系统下发下行语音头等。针对每一段时长进行流程处理优化，经过反复的优化和测试，最终达到了用户感知的呼叫建立时延（Mouth-to-Ear）在260ms以内，且话音清晰不丢字。
具体的优化措施包括终端侧优化和系统侧优化。在遵循PDT标准的前提下，终端和系统优化内部处理效率，将串行处理优化为并行处理，缩短处理时间，提升端到端的呼叫接续速度。终端侧的优化包括缩短按键扫描时间，调整任务优先级，缩短用户按键到发送起呼消息的时间。同时为了尽快让终端发出语音头，终端接收到基站的信道指配消息后快速切换到业务信道，在保证上下行同步的前提下尽快在业务信道发出上行语音头。系统侧的优化主要是优化内部处理流程，将不同网元、不同模块间的交互处理从串行改为并行，通过信道指派和呼叫鉴权并行，加快分配业务信道资源，向终端发出信道指派消息，缩短终端在接入时的等待时间。在控制面处理完成，基站收到终端的上行语音头后（包括后续语音包），直接在基站进行本地环回转发给当前基站下的接听终端。同时，还要向交换中心转发主叫终端的语音头（包括后续语音包），让其他基站的终端也能接听到。
4. 最佳频率规划
PDT系统在赛区建设了两套350兆PDT网络，分别用于承担公安安保和赛会服务，这两张网是叠加的，覆盖区域基本相同。为支撑两类用户高话务量，每套系统的基站（包括室外和室内）都规划了8载频。按照《公安350兆P95频段双频频率无三阶互调规划及配置使用方案》的基站频率配置基本原则：不同类别的频率不得混用；
同站无三阶互调、邻频干扰；
同站信道占用总带宽最小；
相邻站无邻频干扰，复用站无同频干扰；
充分考虑地形地物影响，因地制宜做好频率规划，须将两套系统全部基站的频率按照“一张网”思路去规划和使用。
经测算，现有P95频段已无法满足，首先要解决的是增加频率资源。在总体保持P95频率类别需要分组基础上，通过申请借用（赛后归还）P96频段部分频率替换掉少部分P95干扰频率，这样组合成新的频率方案；
其次就是充分利用SDR（软件定义无线电）技术，赛区的两套350兆PDT系统均采用了此技术而不受合路器频率间隔的约束。使得同一基站的最小信道频率间隔达到100kHz，突破了不小于 250kHz的技术约束。在更小的载频间隔粒度上规划频率，得到了满意的用频结果。
网络频率规划是一件非常有挑战的任务，在有限的载频集合中要规划两张网15个基站共120对频点，且要满足同站和邻站的各项干扰约束，如果纯粹依赖自动算法，将是一项运算量相当大的工作。因此，最终采用工具辅助+人工调整的策略。先基于P95的频率类别分组，得到各基站内的无互调及邻频干扰的标准频率组合，然后将全部基站已规划频点中有干扰关系的频点筛选出来用P96频率逐一替换，如果不同基站新的频率规划出现冲突（如邻频），则需要手工进行微调，最终整个网络都要满足频率规划的各项约束。为了提升频率规划效率，还专门开发工具包，能方便地根据当前频点组合来填充新的无干扰频点，同时也方便对频点组合是否存在干扰进行判断。
5. 低温耐用性
赛区室外平均温度在-20℃，极限低温甚至达到-30℃。为应对PDT终端的严苛实用要求，确保在室外低温环境下的稳定工作。此次PDT终端在耐寒方面进行优化：改进终端主机的电量模式；
选用专业低温电芯；
降低低温时电源电压征集关机门限并通过权威机构的测评认证，在-33℃低温整机低温续航时间（发射:接收:待机比例为1:1:8时）为8.5小时。
（二）案例二
公安无线通信系统是公安机关的专用基础网络，具备了成熟、稳定、高效、安全保密的特性。特别是通信指挥对PDT系统的稳定性、安全性和音质都提出极高要求，每个环节是绝对不允许出现任何问题，一定要做到“万无一失”。
在某活动保障中，由于警力分布集中，PDT系统在单基站下存在大量终端（以数千计算）同时鉴权登记入网的情况。在窄带通信中，空口资源在不考虑碰撞的理想条件下每分钟满载只有1000条消息交互；
大量终端同时登录同一个基站会产生相当大的空口碰撞。经过实地验证和系统优化，最终解决了此难题。
1. 使用双控制信道
采用用户分类机制，将终端用户分为A、B类并分别通过主备控制信道进行入网登记。在用户无感知的情况下，入网效率提升了一倍。
2. 使用随机接入
为减少终端间的空口持久碰撞，采用空口随机接入机制。终端随机接入依赖C_ALOHA的UP、SF、MASK条件，分别表示用户等级、业务类别、地址范围，三者条件都满足才能进行随机接入。随机接入时间参数包括：响应定时等待时隙数、重发退避帧长时间。终端依据这些关键信息，完成快速稳定入网登记。
3. 动态调整随机接入参数
根据当前业务繁忙程度，系统可以动态调整随机接入条件和时间参数，在整个登记入网进程中，加速终端入网。
4. 紧凑设置AT繁忙标志位
针对登记鉴权进程已经有效开始的终端，通过系统高效紧凑设置AT位，避免其它终端的接入干扰，保证此终端流程的完整性，从而加快整个大量用户入网的进程。
PDT系统在使用中有时会遇到频率干扰，严重时会影响通话。对PDT系统而言，通常需要排查上行信号的干扰。传统排查方法比较麻烦，需要携带设备到基站进行扫频。采用PDT系统的频谱扫描功能可以方便快捷地进行处理，只需在后台远程对基站启动频谱扫描，即可获得实时扫频结果。后台下达频谱扫描命令给基站，基站射频对351MHz-355MHz全频段每间隔1.5kHz的数千个采集点进行扫描取平均数值并上报后台网管。网络管理者可以了解频率干扰情况，及时作出规避和调整。
在案例1中，为确保赛会异地统一指挥、协调工作和应急联动，赛会用PDT系统实现与异地1.4GHz B-TrunC宽带集群网的互联互通。达到两地赛时统一用户管理、统一安全管理、统一运行维护和统一指挥调度的要求，满足语音单呼时延、语音组呼时延、话权申请时延性能指标均≤500ms的指标要求，满足宽窄带混合编组以及语音单呼、组呼、紧急呼叫、迟后接入等语音业务要求。
赛会用350MHz PDT窄带集群网和1.4GHz B-TrunC宽带集群网的互联互通，严格遵照PDT系统互联互通标准进行，实现了单呼、组呼、短消息、动态重组、紧急呼叫等多项集群标准功能。为保证两地网络互联互通的可靠性，两地交换中心之间的传输链路进行双备份，当某条传输链路发生故障时，两地网络会自动切换到备份传输链路，确保两地网络互联互通不中断。两套系统间也实现了高话务量、呼叫接续快、话音清晰，很好地满足现场指挥调度的需求。
PDT和B-TrunC两张网络虽然标准体系有所不同，但通过精心的设计，在网管、调度、安全、业务、终端等各个层面给网络管理者和使用者提供了统一的视角，两张网络不光可以互联互通，还迈向了深度融合。宽窄带深度融合不光是一种理念，它已经成为了现实。
截至2020年底，全国31个省（除港、澳、台外）及新疆建设兵团建设PDT基站15199套、载频数46760个、PDT终端116万部，全国31个省完成与公安部PDT系统的互联工作，取得了十分显著的成绩。着眼“十四五”规划部署，还应继续深化警用数字集群（PDT）通信系统 “全国一张网”目标，快速推进PDT全国“省省联网”进程。PDT采用系统软件化、应用一体化等思路，与信息安全、地理信息等多种先进技术进行有效融合，规范并丰富接口，提高信息化、智能化管理水平，从而使得PDT系统能更好的为公安实战业务提供强力支撑。
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