P25無線電通信標準、應用與互連互通 Part II

P25無線電之基本規劃設計與運用

P25 Basic Design & Application

本部份將對P25無線電之基本規劃設計與運用提供初步之探討，基本上乃依據APCO P25 System & Standard Definition 所定義之內容、服務介面運用和基本系統功能以及SAFECOM之建議予以描述。

1.基本定義與規劃設計原則:

1.1 規模與範圍:

P25無線電之規模與範圍其基本規劃設計原則是承續與根據LMR (Land Mobile Radio)中對於政府單位(聯邦、州政府和地方政府)或公共安全機構(警政、消防、緊急救難等等)，在全國或大規模範圍內或執行關鍵性(Mission Critical)任務之緊急環境中使用無線電以提供關鍵性任務語音功能為依歸。

根據APCO協會、SAFECOM與Public Safety Wireless Network Advisory Committee對P25和LMR (Land Mobile Radio)用戶的規模與範圍統計和定義可分為如下表(資料來源SAFECOM):

在小於200個使用者(Subscribers/Users)時或小規模地方政府限於預算時，得接受採用傳統模式(P25 Digital Conventional mode)，否則一律建議採用中繼集群模式(Trunked mode)。除非頻譜通道資源相當多(Spectra Frequency or Channel)才使用傳統模式。

因為根據經驗統計與平時5/5/90 (one user per hour per call) 和緊急任務時10/10/80 (one user per hour three calls) 的通訊原則:10個Channel的P25系統在傳統模式下可服務350~500個使用者(users) ，但同樣10個Channel在P25中繼集群模式下可服務1000~1500個使用者。

註1 :同樣條件下DMR系統在傳統和中繼集群模式下下可服務的使用者約只有P25系統的一半，若加上Data application 或GPS application，那DMR的服務人數可靠度更低，故DMR不適用於公共安全機構或執行關鍵性任務之緊急環境中使用 (dPMR更不用談) 。

在小於2.5 miles(英哩) 覆蓋範圍且不超過500個使用者時，得接受採用單點中繼集群模式(Single Site Trunking) 。

當然，任一個系統都須配合頻譜效率、完整的網路覆蓋範圍設計規劃，符合並確保可靠性(Reliability)要求、控制與管理性(Control and Management)和即時通信等其他條件予以選擇。

1.2 需求與設計方法基本評估:

根據APCO協會與Public Safety Wireless Network Advisory Committee建議，任一個P25系統之設計包括規劃和準備，資料收集工作，採訪需求資料和相關文件的分析，並分析最佳做法和經驗教訓。 在籌備過程中，規劃和推動的初始階段，必須包括識別該公共安全機構或執行關鍵性(Mission Critical)任務之功能和未來發展為依歸。

由於公共安全與關鍵性任務環境的動態性與不可預知/不可確定性，因此要確定最佳的系統與結構、管理和維護設計的P25無線電系統，往往是具有挑戰性和耗時、耗力的。因此，至關重要的是，在系統管理員級別的公共安全官員，最好配備合適的分析與規劃工具，以確定和辨別面臨的挑戰和關鍵考慮之功能。這些考慮分爲三個重點領域:技術領域和環境 (technical Environment)，經營環境(Operational Environment)，和政治舞臺上之因素(Political Arena)。總括來說，這些重點領域包括解決中繼集群模式無線電系統管理，提高互操作性，並最大限度地提高系統的效率的框架。

1.3 遵照標準設計:--- Follow and based on P25 standard design:

制定標準操作程序（SOP，standard operating procedures）並確認設計的系統架構與廠商提供的解決方案完全遵照APCO P25 相關標準設計(TIA-102)原則 ，且符合並提出P25 CAP (Compliance Assessment Program) 符合性評估認證和 SDoC (Supplier’s Declaration of Compliance) documents供應商符合性聲明文件到您的規劃設計或需求建議書中，至少包括System、Repeater、Fixed station、 Mobile/Portable subscribers等.

註 2: P25無線電設備應符合並通過P25之認證，稱為SOR (Statement of Requirements) 認證，以確認符合P25標準並可以它廠互連互通。SOR可參考http://tsiec.region49.org/SOR-2010.pdf

註 3:目前CAP & SOR並未涵蓋P25標準所制定所有的介面 (Interface) 和P25 Phase II (TDMA) ，但至少是目前最客觀並保證P25標準化相連互通之認證。

註 4:通過P25標準認證之廠商資訊可在網站上查詢通過P25認證之廠商與型號。https://www.rkb.us/search.cfm?typeid=5&subtypeid=710
 

1.4. 全面部署之前測試無線電系統功能--- Test Radio Features Before Full Deployment:

終端用戶的要求和執行關鍵性(Mission Critical)任務之功能或任務驅動的各種對無線電功能的需要是最重要的考量。爲了節省時間和金錢，系統管理人員可以在系統發包之前或系統評估時，與測試組/終端用戶人員測試某些無線電功能功能（例如: TalkGroup call service、Priority Call 、Emergency Call、the SCAN feature）。 測試組可聘請在日常的運作中使用無線電者進行測試，以確定這些功能的運作效能。在較大系統或全國性機構或大規模範圍內或執行關鍵性任務的用戶數量可能在數千至數萬用戶，相對於無線電功能的使用變化和運作效能，可能需要大量的資源投入，因此系統測試評估的做法是特別重要的。

1.5. 保持20％以上的系統通道與使用容量--- Maintain 20 Percent Excess System Channel Capacity:

中大型以上系統，有必要保持20％以上的系統通道與使用容量，以應付或即時反應臨時或緊急事件發生時之所需，並有助於緩解通道擁塞，並確保所有用戶都可以在緊急關鍵任務時維持通訊。

依據SAFECOM在消防單位回報之經驗: 保持20％以上的系統通道容量，允許在發生重大的火警時可確保所有用戶通信在系統內低於2％~5%的時間擁塞(Busy time)，且確保該系統用戶能夠在5秒鐘之內完成緊急通信。

1.6. 使用掃描功能，以配合回應跨轄區/跨單位事故--- Use the Scan Function to Respond to Cross-Jurisdictional Incidents Proactively:

執行關鍵性任務時大多可能在跨轄區/跨單位的應用系統環境中，因此政府公共安全機構，可在相容互操作性(Interoperability)的方法(功能)上積極取得鄰近地區或跨轄區/跨單位的通話群組掃描(scanning the talk groups)。掃描是在移動式(mobile)和手攜式(portable)用戶設備的基本或選項功能，但是，該功能需要安裝和額外的培訓。 某些類型和掃描功能的方法，將需要“制度的決定”(system policy decision)以及經營決策(operational decisions)的基礎上適當的培訓。 例如，當執行任務的用戶單位需要與周圍的司法管轄區的通話群組編程通信時，該事件的公共安全主管官員可以識別該緊急事件之需求，要求啓動鄰近司法管轄區的通訊聯繫。

1.7. 定期監測土地使用狀況和城市發展--- Regularly Monitor Land Use and Urban Development

此點在執行上並不容易，因為在現有都會區的土地開發(發展)或興建新的建築物，均對通信覆蓋有負面影響且依興建的建築物的類型而定的。例如，一些大範圍建築物群體或大面積建築物可能會阻止無線電信號傳輸或產生干擾並影響完整的網路覆蓋範圍設計規劃或影響其最佳化之實行。 此外，有可能原來的無線電中繼集群系統可能已被設計在一個干擾嚴重或通訊不發達的區域，因此無法提供移動式無線電設備完整的覆蓋範圍。

1.8 規劃支援類比/數位双模式運作以配合其他類比系統或與跨轄區/跨單位之類比系統互相通信--- Design to support Analog/Digital Dual mode operation

系統若在運作時有可能要與即存之類比無線電系統或其他跨轄區/跨單位之類比系統因任務執行需要而互相通信時;便需要規劃支援類比/數位双模式運作以利執行關鍵性任務時之協同任務與即時互相通信。

“類比/數位雙模式”意即可接收和發送類比或數位模式並由P25中繼站台(基地站台)自動偵測選擇操作（P25的數位模式或傳統類比FM操作模式），如果它認爲這該通信將在數位模式下運行便以數位模式與P25數位終端設備( P25 Mobile or Portable手/車機)通訊，否則它會以類比模式與傳統類比無線電終端設備(Analog Mobile/Portable)通訊。

1.9. 規劃P25 中繼集群系統時應設計支援分散式比較器Voting System--- Design to support Distributed Voting for P25 trunking system

對於移動式(mobile)和手攜式(portable)用戶設備而言，系統在運作時應具備漫遊功能(Roaming)以使該移動式或手攜式用戶設備自動轉移通訊(接收/傳送訊號)至最佳的鄰近P25中繼站台(基地站台) ，而比較器(Voting System)則提供通訊系統中中繼站台訊號強度比較的功能，所有中繼站台(基地站台) 接收的訊號經由廣域網路或IP網路傳輸至比較器進行分析與選擇最佳的訊號(QoS Signaling) ，並由比較器判斷該移動式或手攜式用戶設備在該涵蓋區域內的所有中繼站台(基地站台)接收機所接收的訊號狀況，來選擇與決定由那一個中繼站台(基地站台)提供服務。當該服務接收的訊號狀況低於一個預先定義的水平時，比較器會再進行分析與選擇最佳訊號中繼站台(基地站台) 提供服務，如此循環以確保該移動式或手攜式用戶設備在漫遊時一直擁有最佳的訊號與通訊功能。

在P25中繼集群系統中此比較器系統可能必須配備至每一個站點(Site, Each site may have multiple channels) 每一個站點有多個通道，在每一個站點提供訊號比對Votes 並由訊號最佳的站點提供該移動式或手攜式用戶設備在該區域內的服務，如此可以提供在完整的中繼集群系統漫遊功能，故稱為分散式比較器系統(Distributed Voting System) 。

比較器設計的基本原則:

(1). 話務派遣系統(Console/Dispatch)總是第一優先

(2). 緊急呼叫(Emergency call)和最高優先順序(Priority call)之話務優於其它普通話務

(3). 傳統類比呼叫永遠排在數位模式呼叫之後

(4). 語音呼叫(Voice call)總是優先於數據資料(Data traffic)傳輸流量

2.本節介紹與無線電運作或經營環境有關的基本考量和做法。爲了幫助引導瞭解，考慮分割有以下幾種: 通話群組組織(Talk Group Organization) 、系統管理(System Administration) 、互操作性(Interoperability)和教育訓練(Training)。

2.1. 通話群組組織之規劃原則Talk Group Organization

(1).     讓終端用戶(使用者)參與規劃和定義” 通話群組” Involve the User Community in Planning

終端用戶應積極參與群組編組和整體組織編制的發展以配合無線電通信” 通話群組”之規劃設計，並可確保滿足各種無線電通信需求。

用戶將因此獲得一個機會可以更好地瞭解一個P25無線電系統上的通信如何發生的，如何才能實現互操作性以及發揮更好效益。 此外，用戶將因此更能接受新的系統與運作，並誘導其他終端用戶配合新系統方面的發展變化。系統管理員應協調從每個部門或機構選出終端用戶代表而組成用戶群體代表參與規劃。

(2).     定義基本和整體通話群組編組和組織編制Define a Default Fleet Map

在每一個無線電通信傳輸，各個用戶單位元和中央控制中心(Control center)是使用與規劃ID的第一步。分配ID的過程被稱爲團隊映射(Fleet mapping)或稱功能任務編組。

一個ID是由典型的十六進制數字組成的，並定義出系統ID (System ID) 、通話群組ID(TalkGroup ID)和單位(Unit)或個人ID(Individual)。

通話群組編組主要應根據用戶的業務需求和任務，而並非單純的組織結構。無線電管理人員可能會發現，在規劃一個更詳細的通話群組編組計劃之前先定義團隊映射(功能任務編組) 將會更有助於整體通話群組編組規劃。在時系統發生問題時，用戶單位的群組可由功能任務編組恢復到基本組織結構編組。而在基本組織結構編組下，可支援的基本操作。

(3).     制定一個標準化且跨領域的群組編組Develop a Standardized Fleet Map Template Across Domains

一個標準化跨領域的基本群組編組，有助於降低無線電重新設定/編程(Re-programming)工作並簡化未來的設定/編程工作，節省時間和金錢。此外，如果無線電有一個標準的群組編組，那麽任何用戶應能夠有效地從系統上的任何無線電通話群組的順序執行標準化操作。

(4).     定期檢討功能任務編組和改善群組編組計劃Regularly Review Fleet Maps and Talk Group Plans

更新和修訂功能任務編組和通話群組編組計劃有助於確保該系統是最有效的方式經營和運作。更新和修訂審查應每年進行一次或每兩年一次，取決於系統的規模和複雜性。 在審查期間，系統管理員分析系統的統計資料、大規模的人員任務編組或人事變動、通信擠塞情況、跨系統共用狀況以及地理因素等作為改善的基礎。

2.2系統管理之規劃原則System Administration

(1).     制定災難備援與復原計劃Develop a Disaster Recovery Plan

由於潛在災害的預測能力是有限的，系統安裝實施之前公共安全機構應制定和實施災難備援/復原通信計劃。例如，如地震或颱系統實施之前風等自然災害是不可預測的生命和財産構成了相當大的威脅。 因此，公衆安全的機構應該有一個備份通信計劃，該計劃將允許公衆安全官員履行(執行)其職責，當主系統“離線”或”故障”時，機構不應該等待一個新的通信系統或緊急制定災難恢復計劃，而是立即實施難備援/復原通信計劃。2003年5月15日起，在美國的陸地移動無線電通信系統已經實施公共安全機構的災難備援/復原通信計劃，以確保公衆安全官員履行(執行)其災難備援與復原計劃職責並保障公衆的生活與生命安全。

(2).     告知系統升級調度Inform Dispatchers of System Upgrades 
(3).     創建一個區域的新聞集團Create a Regional News Group
(4).  監控系統的統計Monitor System Statistics

未完待續..............................

註

什麽是關鍵性任務語音功能？ What is Mission Critical Voice ?

實際上，目前並有沒有所謂的“官方”定義:什麽是關鍵性任務語音功能; SAFECOM (a public safety-driven communications program managed by the Office of Emergency Communications and the Office for Interoperability and Compatibility (OIC) 和NPSTC (National Public Safety Telecommunications Council) 正在進行定義過程中。

一個是由摩托羅拉公司發起，另一個是由Andrew Seybold公司推動，其相關定義都非常接近，目前在審核什麽是必要的定義，以提供真正的關鍵任務語音通信功能，且符合公共(衆)安全組織機構應用服務所真正需要的安全等級。

“關鍵性任務語音通信，反映緊急管理現場的嚴酷現實：所有其他的商業系統關閉或停止運轉或服務時，您(公共安全組織機構)預期的關鍵性任務聲音(語音通信)在那裏?”

現有應用在關鍵性任務環境中的語音通信要求，是經過20年來的發展，成熟可靠的技術和設備，可信賴的網路環境與基礎和嚴苛(格)的標準制定(如 project 25)所演變而成;而這些因素與條件也限制了許多新生的技術和設備無法提供和滿足關鍵性任務環境中的語音通信要求。在關鍵性任務環境中，所有語音通信設備或技術方面，必須實現互連互通的操作性，可靠性，覆蓋範圍，容量，控制性和即時通信等條件。“

“在緊急情況下，對公共(衆)安全組織而言:關鍵性任務語音通信功能仍然是惟一的最有力的工具，以確保安全和福祉的第一時間緊急反應應變和保護人民生命財產安全。”

對於提供關鍵性任務語音功能的定義，幾乎可確定的部份包括:

1）          關鍵性任務通信。兩方或多方之間必須傳送的通訊無論在什麽情況下，必須及時（即時）清晰的方式交付與完成。

2）          這些通信都必須99.999％的可靠條件。

3）          這主要適用於語音服務，而且也應包括在緊急情況下的視頻和資料服務(Video & Data Service)。

4）          緊急事件和/或財産處於危險之中時，包括安全回應任何事件或事故，均能達成任何回應/反應。

        Mission Critical Voice Demands ------------ A No-Excuses Technology

政府與公共安全即將在未來使用LTE技術執行關鍵性任務? 4G LTE’s future in Public Safety?

早在2010年初美國政府雖然接受了歐盟ETSI所制定之TETRA無線電標準，但一年來仍面臨多重阻礙，無法真正在北美市場上推廣或部署。經過一年努力，美國聯邦通信委員會(FCC)在2011年初通過核定TETRA無線電標準技術與產品可在UHF頻段使用，但只限於(開放)給一般公用事業、交通運輸機構和小型公共安全機構等使用。聯邦通信委員會(FCC)並未開放其使用於美國政府與公共安全頻譜頻段，且仍不允許美國政府單位(聯邦、州政府和地方政府)與公共安全單位(警政、消防、緊急救難等等)或執行關鍵性(Mission Critical)任務之機構使用TETRA無線電標準技術與產品，這些政府與公共安全單位或執行關鍵性任務之機構的惟一選擇到目前為止就是APCO Project 25 (P25)無線電標準技術。當然，包括DMR 與dPMR無線電標準技術與產品目前尚未獲得FCC同意於美國政府單位與公共安全單位或執行關鍵性任務之機構中使用。

註1: TETRA 為歐盟ETSI所制定之惟一可使用於政府與公共安全單位或執行關鍵性任務機構的無線電標準，到目前為止大多數歐盟國家仍未核準政府與公共安全單位或執行關鍵性任務之機構採用DMR與dPMR無線電標準技術。
註2:一些亞洲國家其政府與公共安全單位似乎受到DMR與dPMR廠商的非正面遊說，而採用先進國家尚未允許使用之DMR/dPMR無線電標準來提供公共安全服務或執行第一線關鍵性任務，令人無言。這有可能損害人民生命財產，是不道德的。

但在2011年1月25日，美國聯邦通信委員會(FCC)已經宣佈其支持LTE (Long Term Evolution)爲第一線緊急應變與政府/公共安全執行關鍵性任務時(Emergency & Mission Critical服務)之全美國寬頻通信服務的標準。

FCC在2011年1月25日發出新聞稿中描述:聯邦通訊委員會日前宣佈，“... ...所有700兆赫頻譜頻段政府與公共安全的移動式寬頻網路[是]以使用一個共同的空中介面，LTE標準技術為基礎，支援漫遊和互通互連操作的通信原則... “

另外，從公共安全通信官員協會公關也宣佈，LTE是爲公共(衆)安全機構（PSA）批准使用的未來寬頻通信標準。我認爲這將會很”酷”(COOL)，如果國家能提供第一線緊急應變到災害現場並和應用系統緊密且自動的結合。還有透過寬頻通信提昇緊急應變效率達到快速救援目的。

FCC也保留且批准美國政府與公共安全單位在700MHZ頻譜頻段供LTE標準與寬頻通信使用。

2011年4月13號，在英國倫敦的APCO國際組織的全球聯盟會議上，出席代表們代表公共(衆)安全通信來自歐洲，北美，亞太和世界其他地方的專業人士通過了一項正式的政策聲明，題爲第四代（4G）寬頻通信技術緊急服務。通過的聲明包括：

“APCO協會全球聯盟的夥伴認識到，Long Term Evolution（LTE）爲新興4G通信的領先技術;且正逐漸透過全球移動通信服務商(Mobile Service Provider)提供商業運轉。且LTE是一個全球性的標準，它可提供一個符合成本效益的方式供政府與公共安全單位或執行關鍵性任務之機構滿足他們對寬頻通信需求與應用，並讓他們有更多的設備供應商、移動通信服務商和更大的應用環境的選擇性。“

APCO協會全球聯盟的聲明繼續解釋採用LTE作爲國際公共(衆)安全的寬頻通信標準，有如下好處：

“LTE的全IP架構，頻譜效率和頻寬的靈活性將提高網路的整體經濟效益。再加上可以得到商業運營商(移動通信服務商)建立自己的LTE網路經濟規模，預計全球緊急應變服務與政府/公共安全執行關鍵性任務將獲得實實在在的好處，通過LTE作爲緊急寬頻網路的全球標準其整體運作研究和開發目前正在進行中 “。

APCO全球聯盟協會國際執行董事喬治賴斯表示，“APCO全球聯盟協會今天的行動將進一步吸引，穩定和加快LTE商業的發展和公共(衆)安全對寬頻全球市場的投資。

APCO全球聯盟協會的前總裁Dick Mirgon表示，“APCO全球聯盟協會的夥伴認可LTE作爲全球4G緊急寬頻通信網路標準，透過增加我们的影響能力與發展前景，可以提昇LTE標準的發展並進一步支援關鍵性緊急任務的應用服務;和加速實現開發合適的LTE相關設備，降低了設備成本，提供更大的商業規模以創造經濟，製造業，以及促進競爭。“ 
註3:韓國電信KT即將在本週試行LTE商業運轉並計劃2011年底前提供商業服務，日本NTT已在年初開始提供LTE商業運轉服務(about 25000 Subscribers) ，新加坡M1預計於2011年第三季提供LTE商業運轉服務，香港CSL則早於2010年11月開始對大型企業用戶提供LTE商業運轉服務。

但LTE真的可以提供政府與公共安全單位支援關鍵性緊急任務的應用服務嗎? 個人認為似乎還早。
 

LTE或第四代（4G）無線寬頻通信的設計和實施，主要是為數據資料提供寬頻技術之服務。對語音之服務主要是通過VoIP的語音形式，實施傳統的撥號號碼，完成呼叫與通話，並透過LTE網路作爲語音通話透通傳輸(Transport)，其他語音應用服務正在開發中。

問題是LTE是否可以支援其他類似無線電類型的語音服務? 特別是PTT (Push-To-Talk) 的語音和PTT離網服務 (off-network)以及Group Call (群呼)和Emergency Call (緊急呼叫) ，最重要的是，單位網路覆蓋問題，或者當他們需要在建築物內之短程通信 (In-Building communication) 和如何在其他不提供網路覆蓋地區之通信。

LTE的標準主要是由3GPP (3rd Generation Partnership Project) 起草制定，3GPP由數百個商業的成員包括晶片組公司，基礎設施供應商，網路運營商，手機廠商，軟體發展商，以及其他組織所控制。 爲了增加LTE標準對提供政府與公共安全單位支援關鍵性任務語音的要求，3GPP和3GPP的其他成員必須同意相當數量的公共(衆)安全組織機構（如PSA）成為3GPP會員並參予標準的制定和修訂，以確保未來的LTE版本與功能修正時，公共安全單位提出之執行關鍵性任務語音的功能要求能一併獲得修正。

爲了要考慮標準的修訂，所有的要求都必須定義和支援，且說服3GPP的成員同意。 但目前，對LTE網路運營商而言，推動這些修訂和提供關鍵性任務語音的功能要求服務並無誘因。LTE對公共(衆)安全應用服務至關重要的一點：執行關鍵性任務之單位或人員無法考慮計時且通訊時無需考慮基礎網路設備之間的溝通能力，它們必須是隨時互連互通。 LTE的商業網路運營商不傾向於同意這種類型的語音通信服務，因爲他們無法控制自己的客戶且無法依使用的分鐘數來向客戶收取。

因此，公共(衆)安全組織機構將很難說服3GPP的成員同意去解決和提供關鍵性任務語音的功能要求服務。這將意味著，公共(衆)安全組織機構將使用非標準的解決方法和設備，而這些設備的成本會相當高。

然而，Voice over LTE提供關鍵性任務語音的功能要求服務仍會發生。它可能需要更長的時間，吾人相信它肯定會分階段實施。在LTE上支援Voice over LTE的智慧型手機將於今年年底在商業運轉中服務，另外第一支支援PTT over LTE 的終端設備將進行測試。 因此，最初的LTE商業運轉服務，將無法滿足或提供公共(衆)安全組織機構的語音功能服務。 第一個支援PTT over LTE 的服務可能會在”非”關鍵任務心中提供語音通信並透過橋接轉接設備(Gateway)以連結現有的P25無線電語音系統，以提供P25無線電窄頻語音和LTE PTT之間的互操作性。

LTE將來是一定能夠提供一些公共(衆)安全組織機構應用服務所需要的語音功能。 剩餘的問題是需要多長時間來實現這些要求? 它的成本多少?以及是否在不久的將來更好地整合到後端的語音和資料服務網路，且不一定透過空中鏈路。 有很多工作要完成從傳統窄頻語音過渡到LTE語音，在這一點上，沒有人知道多久將取代或獲得大多數公共(衆)安全組織機構的認同並使用，即使所有功能可以完全滿足在LTE寬頻網路上。

未完待續.................