主頁(yè)（http://www.www.jjxinkai.com）：數(shù)字集群技術(shù)對(duì)比之：TETRA與GSM-R

1 引言   

最近有關(guān)鐵路業(yè)選用何種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的討論有很多——即使用GSM-R  還是TETRA。對(duì)當(dāng)今的某些鐵路運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，這似乎是一個(gè)兩難的選擇。國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）在1993 年選擇GSM 標(biāo)準(zhǔn)作為未來(lái)鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，此時(shí)TETRA 標(biāo)準(zhǔn)才剛剛建立。GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)由GSM 演變而來(lái)，并且在GSM 中增加了廣播呼、組呼和優(yōu)先權(quán)等新的服務(wù)。TETRA MOU 組織提出的這個(gè)文件分析和比較了TETRA 和GSM-R 兩種技術(shù)。這個(gè)文件將包括下列各節(jié)列出的TETRA 和GSM-R 性能和功能：RF（射頻）性能比較、功能、經(jīng)濟(jì)效益和未來(lái)發(fā)展。另外，在第5部分中用結(jié)論結(jié)束這個(gè)文件。

2 射頻性能比較

TETRA 從設(shè)計(jì)之初就是為了迎合專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)（PMR）市場(chǎng)和公共安全功能的需求。而GSM-R  是由GSM  系統(tǒng)修改而來(lái)，即由公眾無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改造成適合鐵路運(yùn)營(yíng)的專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)。專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)專(zhuān)為需要快速通信的專(zhuān)業(yè)人士設(shè)計(jì)，可同時(shí)與工作組中的每一個(gè)人進(jìn)行通信，并有應(yīng)急功能。另一方面，公眾無(wú)線(xiàn)網(wǎng)面向完全不同的用戶(hù)，為普通公眾使用，適合個(gè)人呼叫，對(duì)快速呼叫的建立沒(méi)有要求。

下表給出了TETRA 和GSM-R 的射頻性能比較

從表可以看出，運(yùn)營(yíng)者需要考慮頻率復(fù)用、使用范圍等重要方面。下面注4中重點(diǎn)考慮最大終端速度的多普勒效應(yīng)和潛在的碼間干擾。

注1：在頻譜利用率方面，因?yàn)門(mén)ETRA 提供4 信道/25kHz，而GSM 提供8 信道/200kHz，TETRA 的頻譜利用率是GSM 的頻譜利用率的4 倍。

TETRA 系統(tǒng)有更多的頻譜效率和更多的有效信道，因此TETRA  能提供更多的信道，支持更大的容量，在不增加任何射頻設(shè)備的情況下有更強(qiáng)的能力來(lái)符合未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)用。

注2：從GSM-R 的2 ×4MHz（20 信道）頻段中提供防止GSM-R 和模擬FM（GSM-R 直通解決方案）相互干擾所需要的300kHz 防衛(wèi)帶。這一要求很容易妨礙那些鐵路交通繁忙的城市頻率規(guī)劃。

注3：基于19dB 的C/I 要求的TETRA 系統(tǒng)需要使用12 個(gè)小區(qū)頻率復(fù)用模式，基于9dB 的 C/I 要求的GSM 系統(tǒng)需要使用7 個(gè)小區(qū)復(fù)用模式。考慮到這種頻率復(fù)用情況，以及在同樣帶寬內(nèi)TETRA 提供的語(yǔ)音信道比GSM 高4 倍，我們發(fā)現(xiàn)TETRA 的頻譜效率是GSM 系統(tǒng)（全向天線(xiàn)）的頻譜效率的2.3 倍（4 ×7/12）。

許多鐵路運(yùn)營(yíng)商，尤其是在人口稠密的城市里要面對(duì)頻譜效率問(wèn)題。頻譜效率較高的系統(tǒng)意味著需要較少頻譜就能提供同樣數(shù)量的話(huà)務(wù)量。這就有助于解決管理者和運(yùn)營(yíng)者面對(duì)的頻率配置問(wèn)題。

注4：有人提出TETRA 能否適合高速移動(dòng)終端。因?yàn)槿缃竦幕疖?chē)平均速度非常快，時(shí)速超過(guò)200 公里，最高達(dá)到350  公里左右，所以無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)在高速情況下的性能很重要。速度會(huì)影響 TETRA 的誤碼率，尤其是在高速鐵路應(yīng)用中，當(dāng)火車(chē)時(shí)速達(dá)到350 公里時(shí)，這個(gè)問(wèn)題尤顯重要，實(shí)際上，GSM-R標(biāo)準(zhǔn)要求無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)該支持時(shí)速達(dá)500公里的應(yīng)用場(chǎng)合。可是，它沒(méi)有明確是否在相應(yīng)的速度下做過(guò)測(cè)試。

下面是高速對(duì)TETRA誤碼率性能影響的簡(jiǎn)短報(bào)告。這個(gè)報(bào)告也提到了GSM-R的相應(yīng)狀況。眾所周知，終端速度影響因素如下：1.多普勒頻移：但時(shí)速為50km/h時(shí)，多普勒頻移為18.5Hz；當(dāng)時(shí)速為200km/h時(shí)，多普勒頻移為74Hz；當(dāng)時(shí)速400km/h時(shí)，多普勒頻移為185Hz；當(dāng)時(shí)速1000km/h時(shí)，多普勒頻移為370Hz； 2.改變信道傳輸?shù)乃俾剩ㄋヂ渎剩��?/p>

在下列方式中，可以導(dǎo)致接收機(jī)誤碼率性能的變化：

1.隨著速度的增加，如果接收機(jī)在一個(gè)足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)不使用自動(dòng)頻率控制（AFC），差分解調(diào)器的性能會(huì)惡化。TETRA使用了具有AFC的差分解調(diào)器，多普勒頻移就不是問(wèn)題。 AFC性能在接受載頻突然變化時(shí)會(huì)受到影響，例如在小區(qū)切換時(shí)，或當(dāng)高速運(yùn)行的火車(chē)非常接近基站時(shí)都會(huì)有這個(gè)問(wèn)題。但是，正確設(shè)計(jì)的接收機(jī)可檢測(cè)到失鎖，并在僅丟失幾個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)后就快速捕獲到信號(hào)。正確設(shè)計(jì)的切換機(jī)制還可消除數(shù)據(jù)丟失。大的多普勒頻偏會(huì)影響注冊(cè)無(wú)線(xiàn)設(shè)備的性能，但正確的接收機(jī)設(shè)計(jì)考慮了多普勒頻偏，可以解決這個(gè)問(wèn)題。

2.GSM接收機(jī)需要均衡器，相干和均衡性能會(huì)隨著速度的提高而惡化，因?yàn)楦�蹤變化信道的信道估�?jì)能力要快速下降。多數(shù)TETRA接收機(jī)常規(guī)不使用均衡器，值得注意，GSM均衡快速衰落信道困難的原因是速度增加接收性能變壞。一些GSM-R生產(chǎn)商計(jì)劃改良均衡器以解決這個(gè)問(wèn)題。

3.由于交織器效果的增強(qiáng)，交織卷積編碼信道的性能（例如大多數(shù)的TETRA邏輯信道）會(huì)隨著速度的提高而改良到一定限度。仿真表示，在速度提高到約300km/h之前，編碼的TETRA信道誤碼率一直在下降，之后逐漸升高，在500km/h時(shí)與50km/h時(shí)的誤碼率想當(dāng)。GSM也使用交織卷積編碼信道；作為一個(gè)選項(xiàng)，使用跳頻解決頻率選擇性干擾。這樣，編碼信道部分的性能應(yīng)該大致相當(dāng)。以上論述表明TETRA接收機(jī)比GSM接收機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)終端信號(hào)的正確解調(diào)。原因是GSM有較短的符號(hào)周期，相干接收機(jī)需要信道跟蹤，其性能隨速度提高而變壞，但隨著GSM-R的均衡器的改進(jìn)，TETRA和GSM-R都可以以500km/h速率工作。

TETRA MOU成員公司的試驗(yàn)已經(jīng)證明TETRA在800MHz頻段上可以以500km/h速率工作。

注5：根據(jù)地形而不同，在農(nóng)村GSM系統(tǒng)的小區(qū)覆蓋半徑大約是10km。而TETRA是10km~25km。同樣數(shù)量的TETRA基站可以覆蓋更大的區(qū)域，或者說(shuō)要覆蓋一個(gè)指定區(qū)域需要更少的TETRA基站。這將降低系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)很重要。小區(qū)大小的效果對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)者很有意義，鐵路沿線(xiàn)需要較大的小區(qū)半徑和較少的RF站址，這可能代表有效的投資。TETRA的58km界限是由于自由空間傳播延時(shí)造成，TETRA突發(fā)結(jié)構(gòu)中有14個(gè)防護(hù)比特。GSM在相鄰的時(shí)隙間有8.25比特（30us）。它的傳輸界限為4.5km。但GSM允許防護(hù)時(shí)間可以擴(kuò)展到237us，這樣就可使傳輸距離達(dá)到40km。

注6：當(dāng)相鄰的小區(qū)信到全忙（所有業(yè)務(wù)信道全部使用）時(shí)，需要特別地考慮TETRA和GSM-R的小區(qū)無(wú)縫切換。但是，因?yàn)門(mén)ETRA的緊急呼叫功能中有斷開(kāi)低優(yōu)先級(jí)用戶(hù)強(qiáng)行預(yù)占的協(xié)議，TETRA能更好地提供小區(qū)之間無(wú)縫切換。

因?yàn)楫?dāng)火車(chē)穿越小區(qū)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和話(huà)音通信都不允許掉線(xiàn)，這個(gè)特征從安全角度考慮非常重要。

3、功能和時(shí)間性能  

在前面分析的基礎(chǔ)上，這節(jié)對(duì)GSM-R 和TETRA 系統(tǒng)支持的話(huà)音、數(shù)據(jù)和鐵路特定功能進(jìn)行比較，部分功能在前面已經(jīng)詳細(xì)討論過(guò)。表2：GSM-R 和TETRA 話(huà)音業(yè)務(wù)

注1：GSM-R 的呼叫建立時(shí)間要對(duì)GSM 的呼叫建立時(shí)間加以改進(jìn)。呼叫建立時(shí)間與呼叫類(lèi)型有關(guān)，表3 示出了這種關(guān)系。 

在同一個(gè)交換中心TETRA 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于為300ms，在不同交換中心TETRA 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于500ms。TETRA  系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比歐洲鐵路綜合無(wú)線(xiàn)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)（EIRENE）標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)GSM-R 系統(tǒng)所規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間快的多。

GSM-R  體系結(jié)構(gòu)能否為緊急呼叫提供 1 秒的建立時(shí)間還很難說(shuō)，這是由于GSM-R體系結(jié)構(gòu)是建立在GSM體系結(jié)構(gòu)上的分層結(jié)構(gòu)，屬于公眾網(wǎng)類(lèi)型，很難達(dá)到快速呼叫建立。而TETRA 是為共安全等應(yīng)急應(yīng)用所設(shè)計(jì)，考慮了快速響應(yīng)時(shí)間，更適合緊急情況。很明顯GSM-R系統(tǒng)當(dāng)前達(dá)到的呼叫建立時(shí)間不符合緊急情況的需要。從安全角度看，TETRA 系統(tǒng)更適合于需要快速響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)合。

    GSM-R 生產(chǎn)商提出利用GPRS 補(bǔ)充GSM-R 基礎(chǔ)設(shè)施使GSM-R 系統(tǒng)支持非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用，如文件傳輸、訂票等。這意味著GSM-R的未來(lái)依賴(lài)于GPRS，而GPRS 是否支持專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)用戶(hù)的需求并不明確。TETRA 網(wǎng)絡(luò)本來(lái)就有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，它的發(fā)展不依賴(lài)于其它技術(shù)。

兩種新的TETRA 高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，即TETRA 高級(jí)分組業(yè)務(wù)（TAPS）和TETRA 增強(qiáng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(TEDS)將使現(xiàn)在的TETRA 分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到384kbit/s。

注2：GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有直通模式。GSM-R 使用模擬FM 實(shí)現(xiàn)直通。由于GSM-R 需要300kHz 防護(hù)帶，GSM-R 和FM  的結(jié)合需要很好的頻率分隔。為了確保所有GSM-R 系統(tǒng)有同樣的直通接入能力，需要分配一組射頻信道（876MHz～880MHz/915MHz～921MHz），這就減少了GSM-R 的信道容量。

另外，與8個(gè)時(shí)隙GSM-R 所需要的平均功率相比，GSM-R 直通終端將需要較高的FDMAFM 工作的發(fā)射功率。這將明顯地影響便攜終端的大小和電池消耗。GSM-R  便攜終端的市場(chǎng)需求量遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)GSM 和TETRA 的市場(chǎng)需求量，這將很難使價(jià)格降低和選擇終端。

注3：當(dāng)DMO 用戶(hù)以DMO 方式在主網(wǎng)絡(luò)以外操作時(shí)，直通用戶(hù)需要和主要GSM-R  網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)，在TETRA 中稱(chēng)這種工作類(lèi)型為雙監(jiān)視。盡管DMO 在技術(shù)上是可能的，但是GSM-R 供貨商還需要確認(rèn)提供這種功能。

注4：在鐵路運(yùn)輸中，當(dāng)基站間或主站和遠(yuǎn)端站之間的鏈路中斷時(shí)，重要的是要能維持緊急通信。特別是在災(zāi)難的情況下，當(dāng)遠(yuǎn)端站孤立時(shí)，這種降級(jí)工作模式允許在覆蓋區(qū)內(nèi)繼續(xù)可以進(jìn)行緊急呼叫。在TETRA 內(nèi)可以獲得這種工作。這就意味著，當(dāng)基站鏈路斷開(kāi)時(shí)，本基站內(nèi)的終端依然可以相互通信。因?yàn)镚SM 結(jié)構(gòu)要求控制集中化，使用GSM 基礎(chǔ)設(shè)施不可能實(shí)現(xiàn)這種工作模式。這樣，當(dāng)交換中心和基站之間的鏈路中斷時(shí)，基站不再能運(yùn)行，并且這個(gè)基站內(nèi)完全沒(méi)有電磁波覆蓋。

注5：GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)中定義的調(diào)車(chē)模式將在TETRA 便攜上需要一些自己的設(shè)定。這種工作與UIC定義調(diào)車(chē)場(chǎng)工作方式有關(guān)。

注 6：GSM-R  標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2.4kbit/s  數(shù)據(jù)傳輸速率交換信令。這對(duì) TETRA 來(lái)說(shuō)不成問(wèn)題，TETRA 可以支持歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)（ETCS ）或列車(chē)自動(dòng)控制（ATC ）應(yīng)用。實(shí)際上，TETRA 支持更高的數(shù)據(jù)傳輸率。預(yù)計(jì)鐵路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求將很快超過(guò)2.4kbit/s，TETRA 相當(dāng)于GSM-R或比GSM-R 能更好地傳輸控制應(yīng)用信息。

另外，需要指出的是盡管GSM-R 從GSM 進(jìn)展而來(lái)，兩系統(tǒng)不能直接互連，因?yàn)镚SM 系統(tǒng)不支持分配的頻率和GSM-R 中的附加功能。GSM-R 終端不能漫游進(jìn)入GSM 網(wǎng)，反之亦然。

此外，在歐洲TETRA 已成為公共安全和專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)趨勢(shì)正在向除北美外的世界其它地方延伸。在緊急情況時(shí)，多個(gè)機(jī)構(gòu)需要相互通信和協(xié)調(diào)活動(dòng)，最好的辦法就是大家都使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。否則，在需要緊急通信時(shí)，鐵路人員將不能與其他機(jī)構(gòu)的人員聯(lián)絡(luò)。

例如火車(chē)脫軌時(shí)，使用TETRA 的緊急服務(wù)人員（如醫(yī)療、消防和警察等）能夠方便地動(dòng)態(tài)重組到鐵路運(yùn)營(yíng)者的新通話(huà)組中進(jìn)行通信，參加緊急救災(zāi)、人群控制等工作。在許多生命有危險(xiǎn)的緊要關(guān)頭這種協(xié)作尤其重要

4、經(jīng)濟(jì)效益

GSM-R 設(shè)備從GSM 進(jìn)化而來(lái)，加入了PMR 功能，這涉及到對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和終端的改進(jìn)，終端要有很多新的功能，而且要堅(jiān)固耐用。

GSM-R 基礎(chǔ)設(shè)施基于GSM 體系結(jié)構(gòu)，而GSM 是大型系統(tǒng)，因此對(duì)小系統(tǒng)來(lái)說(shuō)GSM-R 不會(huì)便宜。

由于市場(chǎng)規(guī)模有限，終端要作很多的修改，GSM-R  終端將不能象GSM  終端那樣由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益而價(jià)格低廉。此外，由于GSM-R 手機(jī)相應(yīng)市場(chǎng)小，與GSM 和TETRA 相比，終端供貨商之間的競(jìng)爭(zhēng)不會(huì)很激烈，這將導(dǎo)致終端價(jià)格較高，用戶(hù)的可選擇性降低，使鐵路部門(mén)沒(méi)有安全的第二供貨渠道。

下列表列出這些因素。 表6：經(jīng)濟(jì)效益

注1：到目前為止，全世界有超過(guò)66個(gè)TETRA項(xiàng)目，包括公安、運(yùn)輸、公用事業(yè)和PAMR，而GSM-R 僅限于歐洲鐵路應(yīng)用，TETRA 比GSM-R 有更廣泛的市場(chǎng)認(rèn)可度。

另外，幾乎所有新的地鐵和快速運(yùn)輸線(xiàn)（與鐵路運(yùn)營(yíng)者需求接近）都選擇TETRA 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建設(shè)數(shù)字集群系統(tǒng)。

注2：GSM 有很多生產(chǎn)商支持，而GSM-R 就不一樣了。由于其市場(chǎng)規(guī)模小，大多數(shù)GSM生產(chǎn)商宣布不支持GSM-R。下列表格示出了與GSM-R 相比，有更多的生產(chǎn)商支持TETRA 的系統(tǒng)設(shè)備和終端設(shè)備。這會(huì)導(dǎo)致TETRA 基礎(chǔ)設(shè)施的充分競(jìng)爭(zhēng)，有更多的終端設(shè)備選擇滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

5、TETRA 和GSM-R 的未來(lái)發(fā)展與演進(jìn)

在使用一種技術(shù)時(shí)，我們都希望該技術(shù)能夠逐步升級(jí)以符合未來(lái)趨勢(shì)。象蜂窩市場(chǎng)從2G  向3G 演進(jìn)那樣，TETRA 將升級(jí)到TETRA 版本2，以支持更高的數(shù)據(jù)速率。然而，GSM-R 的未來(lái)走向較不確定。

TETRA 版本2 主要有下列功能：

1.高速分組數(shù)據(jù)—支持多媒體和其他高速數(shù)據(jù)應(yīng)用；

2.語(yǔ)音編解碼后不用轉(zhuǎn)換就可與3G互聯(lián)，提高話(huà)音質(zhì)量；

3.改進(jìn)空中接口以?xún)?yōu)化頻譜利用率、用戶(hù)容量、系統(tǒng)性能、服務(wù)質(zhì)量、終端大小、成本、電池壽命；

4.采用能與GPRS、UMTS和其它3G/IP網(wǎng)互聯(lián)漫游的標(biāo)準(zhǔn)；

5.全向后兼容，整合新業(yè)務(wù)，保護(hù)已有的和將來(lái)的投資。

這些改進(jìn)獎(jiǎng)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)巨大的利益（這樣控制中心在事故發(fā)生時(shí)就能看到現(xiàn)場(chǎng)狀況）、文件、訂票等。

GSM-R的未來(lái)發(fā)展依賴(lài)于公眾移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)，而公網(wǎng)的需求和功能不太可能迎合專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的需要。

理論上，TETRA現(xiàn)在已達(dá)到了較高的數(shù)據(jù)速率（200kHz寬帶可傳230.4kbit/s），可以與2.5G的GPTRS相提并論（115.2kbit/s）。

6、結(jié)論

從性能、功能和經(jīng)濟(jì)效益等各方面來(lái)說(shuō)，TETRA標(biāo)準(zhǔn)都優(yōu)于GSM-R標(biāo)準(zhǔn)。因此，TETRA標(biāo)準(zhǔn)有較好的未來(lái)發(fā)展前景。

TETRA標(biāo)準(zhǔn)靈活開(kāi)放，允許加入軟件應(yīng)用接口以滿(mǎn)足鐵路特定需求。

盡管GSM-R標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)為鐵路產(chǎn)業(yè)的需求而設(shè)計(jì)，因?yàn)門(mén)ETRA標(biāo)準(zhǔn)頻譜利用率高、覆蓋好、成本低、功能全、支持廠商多、發(fā)展前景明確，鐵路運(yùn)營(yíng)者還是選擇TETRA為佳。

圖1 是無(wú)線(xiàn)技術(shù)與應(yīng)急性服務(wù)和消費(fèi)者-專(zhuān)業(yè)特性的關(guān)系；圖2 是市場(chǎng)應(yīng)用與應(yīng)急性服務(wù)和消費(fèi)者-專(zhuān)業(yè)特性的關(guān)系

上述兩個(gè)圖給出相對(duì)應(yīng)急服務(wù)和功能的技術(shù)和市場(chǎng)要求。根據(jù)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)者需求的定位，即是否需要應(yīng)急服務(wù)和專(zhuān)業(yè)功能設(shè)置，可以找到最合適的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 

運(yùn)營(yíng)者將根據(jù)自身的需求，對(duì)現(xiàn)今的各種技術(shù)進(jìn)行比較最終做出技術(shù)選擇。