大地域話音通播的研究與實現(xiàn)

劉永恩，米健峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

在目前的寬帶網(wǎng)絡(luò)中，視頻會議雖然已經(jīng)開始得到較為普遍的應(yīng)用，但是話音相較于視頻、圖像和文本等其他媒體，具有簡潔、實時、直接和高效等優(yōu)點，依然是目前最受青睞的指揮通信方式。話音廣播[1]是應(yīng)用歷史最長的音頻通播方案，技術(shù)成熟，基礎(chǔ)設(shè)備較為完備，具有所需帶寬小、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但因廣播的單向性質(zhì)[2]，只能有一個固定發(fā)言方，參與用戶只能接收，無法進(jìn)行實時反饋，在使用中存在很多不便。電臺話音通播的按鍵發(fā)話通播方式是用戶體驗很好的一種話音通播方式[3]，但電臺的通信距離受限，影響了其應(yīng)用范圍。因此，構(gòu)建一個可以覆蓋大地域的雙工(或半雙工)話音通播系統(tǒng)是目前在很多領(lǐng)域廣泛存在的需求。

本文一方面利用MF-TDMA(多頻時分復(fù)用)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大地域覆蓋能力，一方面利用電臺話音通播的用戶數(shù)量優(yōu)勢，通過對相關(guān)技術(shù)體制的分析、研究，提出了大地域話音通播的實現(xiàn)方案。

1　電臺話音通播技術(shù)

電臺話音通播(以下簡稱電臺通播)，一般是指基于電臺無線組網(wǎng)的話音通信功能[4]，各用戶在同一時刻采用相同的工作頻率，基于時分復(fù)用半雙工技術(shù)體制[5]，通過按鍵發(fā)話(Push to Talk，PTT)競爭方式獲取發(fā)言權(quán)限，實現(xiàn)較大數(shù)量用戶的話音半雙工通信，以其低功耗、便捷易用，而得到較廣泛應(yīng)用。

電臺通播中最常用的就是VHF電臺(超短波電臺，工作頻率30～88 MHz)通播，面臨的最大問題是通信距離受限[6]。超短波傳播的主要特點是依靠直射波傳播。地形、地物對接收場強影響比較明顯。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，直射波傳播距離的近似計算公式為：

式中，h1、h2分別為收發(fā)天線的高度，也就是說，如果收發(fā)天線都有100 m高，那么2部電臺的理論有效通聯(lián)距離可達(dá)80 km之遙。顯然，普通便攜型手持電臺或機動型車載電臺是不可能做到的[7]，要做到1 m的天線都非常困難，根據(jù)理論分析及實際經(jīng)驗，中等起伏地形下，理論傳輸距離25 km左右，實際使用中，受到建筑物等遮擋的影響，通信距離一般都在20 km以內(nèi)。對于UHF電臺(超高頻電臺，工作頻率通常在2.55 GHz左右)，傳輸距離更短，一般不大于8 km。

2　全雙工音頻會議

全雙工音頻會議也叫做電話會議，一般存在一個音頻會議橋，全雙工音頻會議系統(tǒng)就是利用電話技術(shù)及設(shè)備，通過通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在多個地點召開由多個成員參加的會議[8]。在邏輯意義上，可以看作每個會議成員建立了一條與音頻會議橋的話音連接。以G.729A話音編碼(使用共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測的8 kbit/s語音編碼)為例，加上話音處理開銷，一般單路話音帶寬為10 kbit/s，假設(shè)會議成員數(shù)為N，則所需單向話音總帶寬為N*10 kbit/s，考慮到話音的雙向性，總帶寬共需2N*10 kbit/s，且隨著會議成員數(shù)N的增大而線性增大。

全雙工音頻會議中，召集者和每個成員隨時都可以發(fā)言，召集者或每個成員聽到其余各方語音的疊加。這種會議使用方便，也符合大家面對面開會時的習(xí)慣[9]。

全雙工音頻會議系統(tǒng)實現(xiàn)較為簡單，除了音頻會議橋外，其他處理均可沿用普通話音業(yè)務(wù)的呼叫處理過程，是一種較為常用的電子化會議系統(tǒng)。

全雙工音頻會議方案具有全雙工通話和音頻疊加的優(yōu)勢，能最大程度地還原在線用戶的話音內(nèi)容，但存在以下不足[10]：

① 會議方人數(shù)受限，當(dāng)會議方人數(shù)較多時實現(xiàn)較為困難，一般對支持的最大成員數(shù)有較嚴(yán)格的限制。

② 帶寬浪費嚴(yán)重，占用鏈路資源過多。因為音頻會議方案實際上是各個用戶同會場建立的話音連接實現(xiàn)的，連接數(shù)量基本等于用戶數(shù)量。

③ 增加會議成員操作較為復(fù)雜，對于退會成員很難及時發(fā)現(xiàn)，重新召入時需要較高技術(shù)手段，會議主持者難以操作。

④ 話音質(zhì)量難以保證，回聲問題和隨著會議方的增加背景噪音的疊加均會嚴(yán)重影響話音質(zhì)量，這也是會議方人數(shù)受限的重要原因。

3　大地域話音通播的實現(xiàn)方式

3.1　系統(tǒng)設(shè)計

針對電臺通播面臨的通信距離受限，全雙工音頻會議又面臨會議方成員受限等問題，通過一種支持大地域通信且具有雙工(或半雙工)廣播通信的通信手段，如MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)，把多個區(qū)域覆蓋的電臺話音通播子系統(tǒng)組織起來，即可實現(xiàn)大地域時分復(fù)用半雙工話音通播系統(tǒng)，同時避免全雙工會議系統(tǒng)的諸多不足。

大地域話音通播系統(tǒng)是由電臺子系統(tǒng)、衛(wèi)通子系統(tǒng)和通播適配盒組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　大地域雙工話音通播系統(tǒng)組成

電臺子系統(tǒng)是指目前常用的VHF/UHF電臺網(wǎng)，一般采用時分復(fù)用半雙工方式，由PTT觸發(fā)搶占空中信道[11]。電臺子系統(tǒng)由主臺和若干從臺組成，主臺包括一部提供頻率基準(zhǔn)等主控制功能的電臺和一部電臺控制器，電臺控制器通過互連接口可以接收空中信息進(jìn)行落地處理，也可以通過互連接口實現(xiàn)對空中信道的控制，從臺是加入該電臺網(wǎng)的用戶，可以通過PTT觸發(fā)發(fā)話[12]。

衛(wèi)星通信子系統(tǒng)是指可以利用衛(wèi)星信道實現(xiàn)全網(wǎng)雙向廣播的MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)[13]，所需設(shè)備一般包括衛(wèi)星通信主站和便攜式衛(wèi)星通信小站。衛(wèi)星的波束覆蓋一般在數(shù)百至數(shù)千km，是典型的大地域覆蓋通信系統(tǒng)[14]。電臺子系統(tǒng)的接入數(shù)量由衛(wèi)星通信子系統(tǒng)的衛(wèi)星通信地面站點確定，目前已經(jīng)可以支持不小于1 000個地面站點。

通播適配盒連接電臺子系統(tǒng)和衛(wèi)星通信子系統(tǒng)，通過相關(guān)處理的轉(zhuǎn)換和適配，實現(xiàn)電臺話音和PTT機制在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸，是大地域話音通播系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

大地域通播話信令和數(shù)據(jù)流程如圖2所示，首先需要建立一條該電子系統(tǒng)主臺電臺控制器到通播適配盒的話音專線，其源端口為連接電臺主臺的端口，目的號碼為通播適配盒的號碼。參與大地域通播的各通播適配盒都需建立此類專線。

圖2　大地域通播話信令和數(shù)據(jù)流程

當(dāng)主呼側(cè)主臺的電臺控制器檢測到電臺PTT信令，通過專線發(fā)送給通播適配盒，通播適配盒收到PTT信令，進(jìn)行狀態(tài)的判斷來決定是否向衛(wèi)星終端發(fā)送PTT廣播，如果沒有信道并發(fā)，則向衛(wèi)星終端發(fā)送PTT信令。衛(wèi)星終端通過廣播時隙向全網(wǎng)廣播PTT信令。遠(yuǎn)端適配器接收到PTT信令后，首先檢測本地PTT狀態(tài)，如果沒有沖突則將接收的PTT信令通過專線發(fā)送被呼側(cè)主臺的電臺控制器，該電臺控制器將PTT信令發(fā)送給被呼側(cè)從臺。

通過以上處理，主呼側(cè)電子子系統(tǒng)內(nèi)的從臺用戶就跨衛(wèi)星信道實現(xiàn)了與被呼側(cè)電臺子系統(tǒng)內(nèi)從臺用戶的話音互通。

3.2　高損傷無線信道的處理考慮

衛(wèi)星信道的通信質(zhì)量一般比較高[15]，但是受天氣(雨衰等)[16]和地形影響較大，尤其對于動中通通信要求的情況下，其無線信道的高損傷特性就必須重點考慮，制定相應(yīng)處理策略[17]以保證大地域通播話的可靠使用，主要包括以下4個方面。

① PTT的可靠傳輸。可以采用隨路傳輸，連續(xù)記錄、多次前后關(guān)聯(lián)分析的方式提高魯棒性和可靠性。

② PTT發(fā)話漏檢。一旦漏檢會導(dǎo)致發(fā)話失效，可以采用PTT發(fā)話和話音驅(qū)動2種方式予以保障。

③ PTT釋放丟失。如果PTT釋放處理不好，將導(dǎo)致不能正常釋放，后果非常嚴(yán)重。必須制定相應(yīng)超時機制。

④ PTT競爭。PTT競爭是大地域通播中不可避免的現(xiàn)象，衛(wèi)星廣播信道為時間優(yōu)先搶占式，所有站點均可競爭發(fā)送，因此PTT的主要競爭處理需要通播適配盒完成，當(dāng)競爭出現(xiàn)時，因數(shù)據(jù)沖突干擾，衛(wèi)星將不向適配盒發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3　與傳統(tǒng)話音通播方案的比較

地域覆蓋方面，電臺通播一般不大于20 km。音頻會議的覆蓋范圍依托于通信網(wǎng)的鋪設(shè)范圍，理論上可以不受范圍限制，但實際上通信網(wǎng)的鋪設(shè)成本很高，覆蓋范圍有限。話音廣播方案以常用的調(diào)頻(頻率范圍87～108 MHz)方式為例，即使廣播基站天線較大，通信距離一般也不大于100 km。大地域話音通播方案的最大地域覆蓋范圍為MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍與電臺通播的覆蓋范圍之和。以我國神通系列衛(wèi)星為例，目前Ka/Ku頻段的波束覆蓋一般不低于800 km，最大可達(dá)數(shù)千km。所以大地域話音通播方案的覆蓋范圍大于800 km。

用戶數(shù)量方面，電臺通播、話音廣播的理論用戶數(shù)量均可以無限大，因大地域話音通播方案可以支持多達(dá)上千個電臺通播，因此用戶數(shù)量比電臺網(wǎng)更有優(yōu)勢。音頻會議的最大用戶數(shù)量方案為32方、64方、128方和256方，實際使用上，超過64方后，連接建立及保持、話音質(zhì)量等用戶體驗已經(jīng)非常差了。

實時反饋方面，電臺通播、大地域話音通播方案的實時反饋功能基本一致，因為是半雙工的通信，需要搶占式進(jìn)行發(fā)話，一般在指揮系統(tǒng)使用時，半雙工的通信是完全可以滿足要求的。音頻會議可以多個用戶同時發(fā)言，符合大家面對面開會時的習(xí)慣。話音廣播方案無實時反饋功能。

所需帶寬，電臺通播目前在無線信道上采用聲碼化話音編碼，理論上只需要2.4 kbit/s，大地域通播在電臺子系統(tǒng)內(nèi)與電臺通播所需帶寬一致，上星帶寬如果保持聲碼化話音編碼不變，加上隨路的冗余開銷也可以控制在4 kbit/s，如果采用更加通用的G.729A話音編碼，帶寬也基本在10 kbit/s左右。話音廣播目前多采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)編碼，所需帶寬為64 kbit/s，音頻會議所需的帶寬最大，為2N*10 kbit/s。

可靠性上，電臺通播、話音廣播和大地域通播雖然在信道受到干擾時會影響通話，但都可以在信道變好時自動恢復(fù)，音頻會議的會議成員連接一旦因信道原因斷掉，則很難恢復(fù)。

綜上所述，4種方案比較結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表14種方案對比結(jié)果匯總

通播方案地域覆蓋用戶數(shù)量實時反饋帶寬利用可靠性電臺通播<20km較大較好好好音頻會議較大受限好差差話音廣播較大較大無好好大地域通播>800km無限大較好好好

顯然，大地域通播話音方案是各方面優(yōu)勢均較為突出的最佳話音通播方案。

3.4　驗證情況

大地域通播話音方案依托于西藏林芝地區(qū)(試驗覆蓋地域為100 km×80 km)、河北保定地區(qū)(試驗覆蓋地域為120 km×100 km)等區(qū)域進(jìn)行了實際應(yīng)用，結(jié)果證明，不管是在西藏的高原、高寒、叢林和峽谷地形，還是在華北平原的中等起伏地形，該方案都可以在衛(wèi)星通信波束覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)超短波電臺無線網(wǎng)的有機融合，在通播的話音質(zhì)量、操作方式等方面用戶體驗良好。

4　結(jié)束語

大地域雙工話音通播系統(tǒng)就是利用電臺網(wǎng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合的方式，充分利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超大地域覆蓋和廣播特性以及電臺網(wǎng)的時分復(fù)用雙工特性而構(gòu)建的理論用戶數(shù)量無限大、所需帶寬極低的可以覆蓋超大地域的雙工話音通播系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)全雙工音頻會議方案和話音廣播方案無法比擬的優(yōu)勢。

本文研究既適用于軍用通信系統(tǒng)，也適用于民用領(lǐng)域，如固定通信設(shè)施欠佳或需要臨時構(gòu)建大范圍實時通信系統(tǒng)的行業(yè)或領(lǐng)域，比如應(yīng)急抗險救災(zāi)、欠發(fā)達(dá)地區(qū)特大城市的交通實時指揮與通報以及大地域性行業(yè)的實時指揮協(xié)調(diào)等。

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