寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)方案與關鍵技術

譚學治+孟維曉

譚學治

哈爾濱工業(yè)大學

教授/博士生導師

通信技術研究所副所長

國家科技重大專項BWT總體技術組組長

孟維曉

哈爾濱工業(yè)大學

教授/博士生導師

通信技術研究所移動通信研究室副主任

專用通信教育部工程中心副主任

【摘 要】

隨著寬帶無線多媒體技術的快速發(fā)展，數(shù)字集群技術也呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)寬帶化、業(yè)務多樣化、終端多?；拖到y(tǒng)IP 化的發(fā)展趨勢。介紹了在國家科技重大專項支持下我國開展的寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)的研究情況，包括系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構，信令接口、支持業(yè)務和關鍵技術等。具備多模兼容的寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)將有希望成為未來集群通信寬帶化的主導體制。

【關鍵詞】

集群通信 寬帶無線多媒體集群 網(wǎng)絡架構 多模融合

1 引言

自上世紀90年代以來，傳統(tǒng)窄帶數(shù)字集群技術體制，如TETRA，Project25等，為公共安全、交通運輸、石油化工等行業(yè)提供了安全、可靠和穩(wěn)定的通信保障，顯著地改善了其通信能力。然而，隨著社會的進步和科技的發(fā)展，各行各業(yè)的工作方式發(fā)生了改變，對寬帶移動通信業(yè)務如圖像、視頻傳輸?shù)鹊男枨笠踩找鎻娏?。此外，在緊急情況下，移動通信系統(tǒng)還應該實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨機構、跨區(qū)域的無縫對接，即優(yōu)良的互操作性，從而更好地為行業(yè)服務。國外主要專業(yè)通信設備研發(fā)廠商對專業(yè)寬帶移動通信系統(tǒng)的研發(fā)方興未艾，摩托羅拉、歐洲宇航、愛立信等公司紛紛與具有4G技術優(yōu)勢的商業(yè)網(wǎng)絡設備廠商簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，旨在將4G技術與集群通信技術結合起來，發(fā)展專業(yè)寬帶移動通信技術，大大推動了專業(yè)寬帶移動通信技術的進步。

寬帶多媒體集群系統(tǒng)在這樣的迫切的應用需求下得以發(fā)展。從2006年開始，寬帶無線多媒體系統(tǒng)的研究被列為《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中確定的16個重大科技專項之一的“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”課題的一個主要研究方向。針對多種特殊行業(yè)的應用需求，結合我國的實際國情，產(chǎn)學研三方面相結合，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的具有中速、高速和超高三種模式融合、并且可控可管特點的寬帶無線多媒體集群（Broadband Wireless Trunking，BWT）系統(tǒng)。該系統(tǒng)對我國無線多媒體集群系統(tǒng)的發(fā)展具有明確和深遠的指導意義。

2 寬帶多媒體集群系統(tǒng)框架

主要建設思想是基于大區(qū)制的語音通信和建網(wǎng)成本應該是專網(wǎng)發(fā)展的主要因素，同時為了保證在一些地區(qū)和特定地點對寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，提出寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)是一個多種接入模式的寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)架構，支持包括具有中低速、高速、超高速等多種寬帶技術的接入，從而實現(xiàn)融合體系架構下集群調(diào)度、圖像、視頻以及分組數(shù)據(jù)等業(yè)務。寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構、特色和各接入模式的速率如圖1、圖2、圖3所示。

寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)由四個部分組成，包括：終端、無線接入子系統(tǒng)、交換控制平臺、調(diào)度應用平臺，支持包括中低速模式、高速模式和超高速模式等多種無線接入技術，以及與其他數(shù)字集群系統(tǒng)、PSTN網(wǎng)絡、移動蜂窩網(wǎng)絡和空天系統(tǒng)的互聯(lián)互通。終端是系統(tǒng)用戶可以直接操作的設備，提供與系統(tǒng)交互信息的能力。由于系統(tǒng)支持多種接入模式，其終端設備也可分為單模終端和多模終端。不同模式的終端分別通過Um、Uh、Us等無線接口與接入子系統(tǒng)相連。

無線接入子系統(tǒng)（RAN）通過空中接口與終端建立通信，實現(xiàn)空口控制和傳輸、無線資源的管理、系統(tǒng)設備的操作維護等功能。寬帶無線集群系統(tǒng)支持的接入模式包括中低速、高速、超高速三種模式。

2.1 中低速模式

中低速模式需采用大區(qū)制組網(wǎng)；通過可重構平臺實現(xiàn)對窄帶集群系統(tǒng)的兼容，向寬帶化平滑過渡；由于國外的TETRA數(shù)字集群存在建網(wǎng)和維護成本高、信息安全無法保障、無法從現(xiàn)有模擬集群網(wǎng)平滑升級等缺點，我國公安部牽頭制訂了我國自主知識產(chǎn)權的PDT警用數(shù)字集群標準。PDT標準具有通話保密性高、擴展應用能力強、數(shù)模兼容、建網(wǎng)和運營維護成本低等優(yōu)勢，能有效滿足公共安全和公用事業(yè)用戶專業(yè)無線通信建網(wǎng)需求。特別是PDT數(shù)字集群標準采用了大區(qū)制的技術體制，可以實現(xiàn)由原有MPT模擬集群系統(tǒng)的平滑升級，能有效保護前期大量的MPT網(wǎng)絡建設投資，節(jié)省建網(wǎng)和維護成本。該標準未來有望成為與我國國情相似的廣大發(fā)展中國家的主流建網(wǎng)標準。因此寬帶無線集群系統(tǒng)方案中中低速的部分采用了基于PDT標準的方案。通過基站自組網(wǎng)、終端脫網(wǎng)直通等多種方式提高系統(tǒng)的抗毀性和可靠性；通過自適應鏈路技術、頻率資源動態(tài)分配技術、終端多點協(xié)作技術、隨機接入碰撞避免算法等來保證多媒體業(yè)務的QoS指標。中低速模式支持最高500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，提供語音、圖像及壓縮視頻等中速數(shù)據(jù)傳輸，適合應用于公共安全、交通運輸、石油化工等多個行業(yè)用戶領域。圖4列出來BWT中低速接入的優(yōu)勢和空中接口。

2.2 高速模式

高速模式覆蓋范圍應介于中速與超高速之間，兼容中速模式，與中速數(shù)據(jù)業(yè)務的區(qū)別在于支持普清視頻以及高清圖像業(yè)務的雙向傳輸。高速模式采用5MHz帶寬支持25Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)業(yè)務服務、基本的信道捆綁、基本的資源分配以及選擇傳輸策略等技術。圖5列出了高速模式的特點。

2.3 超高速模式

超高速模式是三種模式中覆蓋范圍最小的一種，基于TD-LTE標準，采用5～20MHz帶寬，最高支持100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，兼容其他速度模式。超高速模式支持標清視頻業(yè)務的傳輸，采用頻譜感知、頻譜聚合、分集接收、MIMO、協(xié)作通信、自適應資源分配、自適應傳輸策略以及MAC層的隨機接入退避等技術。

交換控制平臺包括交換控制中心、互聯(lián)網(wǎng)關和注冊數(shù)據(jù)服務器三個部分，主要提供移動性管理、業(yè)務交換、系統(tǒng)互連和用戶信息管理等功能。采用統(tǒng)一的Ta接口實現(xiàn)與RAN信息交互；采用統(tǒng)一的D接口實現(xiàn)與調(diào)度控制平臺信息交互；采用統(tǒng)一的R接口實現(xiàn)與注冊數(shù)據(jù)服務器的信息交互。endprint

調(diào)度應用平臺包括調(diào)度臺、錄音/錄像服務器、安全服務器和應用服務器。其中，應用服務器ApS對外提供IP通道，是可授權第三方進行二次應用開發(fā)的接口。圖6列舉了超高速模式的特點。

圖6 超高速空中接口

3 寬帶多媒體集群系統(tǒng)新增業(yè)務與功能

在兼?zhèn)淙總鹘y(tǒng)集群通信功能（諸如單呼、組呼、緊急呼叫和動態(tài)重組等）的基礎上，寬帶多媒體集群系統(tǒng)新增業(yè)務與功能主要有：

（1）可視單呼：兩個終端之間建立的雙向視頻通話，建立視頻通話的雙方，既可聽到對方語音又可看到對方視頻，且音唇同步?？梢晢魏舭ńK端與終端之間、終端與調(diào)度臺之間的可視單呼。

（2）可視組呼：一種集成語音和視頻兩種多媒體形式的組呼?？梢暯M呼分為：

方式1：移動用戶和調(diào)度臺等具有可視組呼權限的用戶可發(fā)起可視組呼，相當于同時建立語音和視頻兩種媒體流的組呼業(yè)務；

方式2：業(yè)務以用戶分組為單位進行，呼叫控制權分為話權和視頻控制權，在一次會話中，話權的處理與語音組呼一致，視頻控制權由特定用戶（可以是調(diào)度員、指揮員或調(diào)度用戶）控制，可發(fā)起針對組內(nèi)一個或一個以上終端的視頻上傳、視頻分發(fā)的操作，通常情況下，組內(nèi)的終端只上傳視頻或只瀏覽視頻。

（3）實時短數(shù)據(jù)：寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)允許終端之間傳送一些以預定義或者原始數(shù)據(jù)格式定義的消息，系統(tǒng)支持實時短數(shù)據(jù)功能。一個終端能夠向另一個終端發(fā)送短數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求收到短數(shù)據(jù)的終端立即回復確認消息，延時在百毫秒以內(nèi)。

（4）訂閱：寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)應支持狀態(tài)監(jiān)控功能。調(diào)度臺訂閱內(nèi)容包括在線通話狀態(tài)信息、用戶狀態(tài)信息、組信息基本屬性、終端用戶基本屬性以及通話組基本屬性等狀態(tài)信息。當所訂閱的狀態(tài)信息發(fā)生變化后，調(diào)度臺應當立刻收到更新后的狀態(tài)信息。

（5）多重速率數(shù)據(jù)業(yè)務：寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)支持基本的數(shù)據(jù)業(yè)務。寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)根據(jù)需要和空中接口能力，支持從500kbps至100Mbps范圍內(nèi)的安全可控、可管的多重數(shù)據(jù)傳輸通道。

4 寬帶多媒體集群系統(tǒng)關鍵技術

4.1 基于TD-LTE的頻譜聚合研究

TD-LTE對頻譜利用已接近理論的上限，專網(wǎng)系統(tǒng)若要獲得完整的一段20MHz的最大系統(tǒng)帶寬，并達到100Mbps的最高峰值速率基本是不現(xiàn)實的，因而采用合理的技術拓寬傳輸帶寬是未來專用移動通信發(fā)展的必然趨勢。然而現(xiàn)今緊俏的頻譜資源很難提供新的連續(xù)的寬帶頻譜。因此，載波聚合技術成為擴展系統(tǒng)帶寬的必然方式。

4.2 SIP協(xié)議的理論研究

根據(jù)BWT項目的需求，對SIP協(xié)議的系統(tǒng)架構和消息語法進行了詳細的分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)中集群調(diào)度臺的SIP模塊，并在實際工程中進行了驗證。在考慮可靠重傳機制的條件下分別推導了基于不同的傳輸層承載的SIP會話建立時延公式，并據(jù)此進行了時延優(yōu)化的分析，提出了帶預處理的LZSS結合霍夫曼壓縮算法，能夠有效的壓縮SIP信息，降低時延。

4.3 廣域組網(wǎng)方法研究

由于專網(wǎng)大多是大區(qū)制，所以廣域組網(wǎng)方法非常重要。研究表明：機會路由相比于多跳無線網(wǎng)絡中的傳統(tǒng)路由協(xié)議，更加適應無線信道的特性，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院投说蕉说耐掏铝俊?/p>

5 結論

寬帶多媒體集群系統(tǒng)是在國家科技重大專項的支持下，經(jīng)過寬帶多媒體集群系統(tǒng)總體組和各個項目參與企業(yè)、研究院所和高校的不懈努力，已經(jīng)完成了第一階段的技術驗證樣機和標準化工作，今后將逐步在行業(yè)中應用推廣。endprint