西藏弱信號區(qū)域應急無線通信系統研究

郭小丹 解永軍

摘 要： 針對當前西藏GSM基站信號覆蓋較弱或無信號覆蓋區(qū)域的通信局限性，將多種技術融合應用于應急無線通信系統。系統分析了低速率語音壓縮編解碼算法、聯合信源信道編譯碼相關技術和北斗/GPS混合定位等相互融合的技術方案和設計方法，具有較高推廣應用價值。

關鍵詞： 弱信號；應急無線通信；北斗/GPS混合定位

Abstract：Aiming at the current communication limitations of GSM base stations with weak signal coverage or no signal coverage in Tibet a variety of technologies are integrated and applied into emergency wireless for communication systems. The system analyzes the technology and design methods of the combination of low rate speech compression coding and decoding algorithm joint source channel coding and decoding technology and Beidou/GPS hybrid positioning which has a high application value.

Key words： weak signal；emergency wireless communication；Beidou/GPS hybrid positioning

引言

近年來，西藏自治區(qū)針對人口較集中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了“村村通”電話等利民工程，城鎮(zhèn)居民可以利用移動、聯通等通信服務商完成通話等數據通信。但是針對地域面積廣、人口居住分散的部分區(qū)域（如阿里牧區(qū)），GSM基站的建設卻仍有待完善，導致這些牧區(qū)的信號較弱或沒有信號，尤其在牧民遭遇突發(fā)緊急事件時，缺乏有效的與外界溝通渠道，無法提供自己的位置定位信息，造成了不同程度的生命和財產損失。

國內數字應急通信系統建設已經起步，應急通信系統建設主要借助國家的衛(wèi)星通信，由政府職能部門負責收集視頻、語音信息，集成數據分析處理、信息發(fā)布等工作，僅在發(fā)生重大事故、戰(zhàn)爭時啟用，不利于在社會生活中推廣使用。如何解決GSM基站信號覆蓋較弱或無信號覆蓋區(qū)域的通信問題，即有效開展應急無線通信系統研究則尤顯迫切與重要。

1 總體架構

綜合上述分析，文章設計了應急無線通信系統。系統實現了弱信號區(qū)域無線信號傳輸，系統中主要包括低速率語音壓縮編解碼算法、聯合信源信道編譯碼相關技術和北斗/GPS混合定位的應用等。本文研究系統的總體框架圖如圖1所示。

系統控制器部件使用ARM公司的Cortex-M4F微控制器（TM4C123），通過統籌設計管理，系統其它模塊協同有序工作，共同完成既定功能[1]。對關鍵模塊的研究方法可設計表述如下。

1.1 低速率語音壓縮編解碼算法

標準的MELP語音壓縮算法的采樣率為8 kHz，每180個采樣點為一幀，每個采樣點量化精度是16 bit，幀長為22.5 ms，每幀量化比特數為54 bit，總的編碼速率為54 bit /22.5 ms=2.4 kbps[2]。MELP算法的編碼過程則如圖2所示。

為了降低標準MELP算法的編碼速率，將連續(xù)的數幀語音組成超幀，超幀參數聯合編碼在充分利用幀內參數相關性的同時，又有效利用了幀間相關性，進一步減少語音數據的冗余。相對單幀而言，超幀聯合量化可以獲得更高的編碼效率，在保證良好表現能力的前提下，通過減少MELP幀間冗余，采用三幀或者四幀聯合編碼和混合激勵，組成超幀模式，可實現600 b/s的MELP甚低速率語音壓縮算法。

項目算法以標準2.4 kbps 的MELP連續(xù)3幀組成一個超幀，擬采用的每個子幀的幀長從標準的22.5 ms增加到30 ms，超幀幀長為90 ms，用54 bit量化一個超幀，編碼速率（即碼率）為54 bit/90 ms=600 bps。經過如此改進后的600 bps MELP算法符合遠距離無線通信系統語音信號速率的要求。

1.2 聯合信源信道編譯碼的方法

分離的信源、信道編譯碼模型沒有充分利用信源與信道之間的相關性，實現簡單，但譯碼的性能受到了限制，目前多數通信系統都沿用了這種經典的分離編譯碼結構。

文章采用的基于Turbo碼的聯合信源信道編譯碼技術在語音、圖像、視頻等多媒體數據的編碼與傳輸中有重要的應用[3-4]。聯合信源信道編譯碼系統的基本原理如圖3所示。

從3個方面對該編譯碼算法進行研究：首先，分析 Turbo 碼的最優(yōu)參數設計，研究低復雜度的快速譯碼算法，為 Turbo 碼應用于實時語音無線通信提供方案；其次，研究高帶寬效率的 Turbo 編碼調制方法，在基本不增加帶寬的前提下，提高編碼增益；最后，研究信源可變長編碼和信道 Turbo 碼的聯合優(yōu)化設計方法，利用剩余信源冗余，提高編碼系統的整體性能。

2 關鍵模塊的應用設計

設計一套應急無線通訊系統，實現語音信號的模數轉換和傳輸，聯合信源信道編譯碼，系統便攜終端位置定位功能，以及系統各個終端的語音通信功能，主要功能模塊的內容研發(fā)解析可做詳情闡釋如下。

2.1 低速率語音壓縮編解碼的研究

遠距離無線通信系統只能以較低的通信速率工作，傳統的語音壓縮編碼（2.4 kbps及以上）占用通信帶寬大，此時難以實現語音的實時傳輸。相對于各種低速率語音編碼方式，混合激勵線性預測（Mixed-Excitation Linear Prediction，MELP）語音編解碼算法近年來發(fā)展迅速。該算法是一種編碼速率比較低并且合成語音質量比較好的低速率語音編解碼算法，采用混合的脈沖和噪聲激勵，使用一個由濾波器組實現的自適應濾波結構，將一幀語音信號的頻譜劃分成5個頻帶，分別對每個頻帶進行清濁音判決，經過這樣處理后能減少 LPC 聲碼器合成語音中的蜂鳴聲，改善語音回放的質量，使得該算法標準能以2.4 kb/s的速率工作。

以MELP語音編解碼算法為基礎，對MELP算法的參數和量化情況進行修正與改進，使其能夠在 1.2 kb/s和600 b/s 甚低速率下工作，可以節(jié)省大量通信帶寬資源，為多用戶通信創(chuàng)造了條件[5]。

2.2 聯合信源信道編譯碼方法及其相關技術的研究

由于無線通信信道易于受到天氣、噪聲、地理環(huán)境等的影響和干擾，在傳輸語音數據流的過程中難免會出現錯誤，對于甚低速率的語音壓縮算法來說，較低的誤碼率即可導致語音回放質量的嚴重惡化。本文在甚低速率語音壓縮編碼的條件下，擬對MELP語音壓縮編碼算法增加糾錯技術，將清音幀中沒有用到的 13 個比特用來進行前向糾錯編碼（FEC），其中包括3個（7，4）漢明碼和1個（8，4）漢明碼。通過以上方法對程序融入了設計優(yōu)化改進，預期達到提高壓縮后語音信號的抗干擾能力，在基本不增加無線通信帶寬的情況下對傳輸錯誤做出了較好的響應效果，保證語音回放時合成語音信號的質量。

在語音壓縮后，進一步采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）對語音信號進行加密處理，防止無線通信的數據被第三方竊聽和篡改，提高通信的安全性，同時保護用戶通信的私密性。

2.3 北斗/GPS混合定位的應用研究

通過微控制器控制北斗/GPS混合定位模塊，實時監(jiān)控并選擇適宜的北斗或GPS衛(wèi)星，設計接收其星歷參數、時間信息，通過計算獲取相應的三維位置、方向和速度等參數，之后將定位坐標信息附加在語音信號編碼中發(fā)送到接收機，通信雙方在進行語音通信的同時獲取用戶的位置定位坐標。

3 結束語

通過對系統的實地調試，利用微控制器及數字無線通信技術實現了弱信號區(qū)域應急無線通信 建立了偏遠牧區(qū)人員與外界聯系的渠道，并且實驗室模擬所投入的成本也較低。該設計定位為小型化、集成化，應用方便、靈活、便于攜帶，具有位置分享和方位指示等功能，不足之處是受無線傳輸信號衰減限制，信號傳輸距離有限。當然針對在西藏這一獨特地理位置地區(qū)使用，具有一定的應用和社會價值，該通信系統可以用作村內人員互相通信的工具，同時可用于無人區(qū)礦產探測人員信號追蹤、海洋探測人員信號通信和反饋、地震和臺風等自然災害時的應急通信等領域；無需GSM基站中轉通信，經過進一步研究和擴充功能后，還可以應用在陸軍野外作戰(zhàn)中，尤其是偏遠地區(qū)，供單兵作戰(zhàn)隊員隨身攜帶，戰(zhàn)時提供作戰(zhàn)情報傳遞、行軍指揮、隊員位置分享、個人生命體征實時監(jiān)控等功能。

參考文獻

[1] 李玉波. 基于ARM體系看嵌入式處理器的發(fā)展[J]. 電子技術與軟件工程，2016（11）：213.

[2] 夏丙寅. 面向移動通信的單通道語音增強方法研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學，2014.

[3] 張?zhí)扈? 基于LDPC碼的聯合信源信道編碼研究[J]. 曲阜師范大學學報（自然科學版），2010，36（4）：81-86.

[4] 王瑩，李暉，王育民. Turbo類碼在非標準信源—信道上的有效性[J]. 通信技術，2003（2）：8-9.

[5] 曾鎮(zhèn)城. 基于MELP的300bps語音編解碼算法設計及其DSP實現[D]. 上海：上海交通大學，2014.