集群系统是我国专网体系的重要组成部分。近年来,集群通信系统对大数据传输和高带宽的需求日益增加,并且对时延和容量等性能指标提出了更高的要求。当环境非常恶劣时,如发生地震(基础设施被毁坏、常规通信能力丧失、通信救援车抵达事故现场受阻),基于公网基础设施设备无法正常工作,此时宽带集群系统需要一种简单的工作模式:终端间不需要经过基站能够直接进行通信,这种工作模式为脱网直通模式。虽然宽带集群产业联盟提出了宽带集群通信标准B-TrunC(Broadband Trunking Communication),但是脱网直通模式还在预研中,还没有形成统一的标准。基于上述背景,本文首先从集群系统宽带化的需求和现状进行研究,分析了宽带集群系统的整体架构和系统性能指标,对宽带集群系统中脱网直通方案采用的技术和相关协议进行了阐述。然后对传统数字集群系统TETRA(Terrestrial Trunked Radio)直通模式DMO(Direct Mode Operate)的帧结构、突发结构以及呼叫过程进行分析,得到脱网直通模式呼叫建立过程、帧结构和突发结构设计的一般规则。结合TETRA DMO和TD-LTE帧结构特性,设计了宽带集群直通模式下的帧结构,并用语音业务和数据业务测试了帧结构的性能。根据脱网直通模式场景通信距离短、终端移动速度缓慢等特点,设计了基于OFDM技术的直通突发结构。借助软件无线电思想,在GNU Radio和USRP(Universal Software Radio Peripheral)平台上提出了脱网直通收发两端设计方案来检测突发结构的合理性。通过对会话初始协议(Session Initiation Protocol,SIP)的深入分析,将SIP协议作为宽带集群系统脱网直通呼叫建立的信令协议,并且基于SIP协议设计了直通模式下单呼、组呼、广播呼的呼叫建立流程。最后对数据传输和呼叫建立过程进行了测试和分析,得到数据传输丢包率以及呼叫建立时间,对比WLAN工程验收丢包率指标和宽带集群系统中语音会话建立指标,本文设计的脱网直通突发结构可靠性强且呼叫建立时间达到指标要求。