用于局域環(huán)境的語音通信系統(tǒng)

皇甫惠棟 孟小君 陳海燕 丁一杰

【摘要】? ? 針對部分暫無手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號區(qū)域語音通信需求，歸納了適用于局域環(huán)境下常用的語音通信系統(tǒng)，對該方面有應(yīng)用需求人員有一定參考價值。

【關(guān)鍵詞】? ? 局域環(huán)境? ? 集群通信? ? 4G通信? ? Mesh自組網(wǎng)通信

引言：

我國陸域遼闊，海域廣袤，目前仍然有部分戈壁荒漠或者偏遠(yuǎn)海島絕跡人煙，甚至沒有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號。在這種環(huán)境中開展短期科學(xué)考察、工程建設(shè)、礦產(chǎn)開發(fā)等活動，參與人員需要統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)工作，然而距離超過幾十米不借助通信工具溝通就有難度。這種環(huán)境下，局域的語音通信顯得尤為重要。目前常用的局域語音通信方式有普通對講機(jī)通信、數(shù)字集群通信、4G寬帶通信、Mesh自組網(wǎng)通信等。其中，普通對講價格低廉、普及率極高，為大眾所熟知，這里就不再贅述，文中主要對其它幾種局域環(huán)境常用語音通信系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。

一、數(shù)字集群通信系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)概述

集群通信系統(tǒng)又稱集群調(diào)度系統(tǒng)，是為了滿足行業(yè)指揮調(diào)度需求而開發(fā)的，面向行業(yè)應(yīng)用的專用無線通信系統(tǒng)。由于集群通信系統(tǒng)主要側(cè)重于指揮調(diào)度通信，其應(yīng)用可遍及公共安全、交通運(yùn)輸、公共事業(yè)等領(lǐng)域，尤其可以在應(yīng)對突發(fā)事件和自然災(zāi)害的過程中發(fā)揮優(yōu)勢[1]。從1997年開始信息產(chǎn)業(yè)部就專門組織了數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)組來制定我國的數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)，并于2000年12月28日發(fā)布了我國《數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)體制》標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2008年，由公安部科技信息化局召集國內(nèi)部分有實力廠商研討基于中國國情的警用無線數(shù)字集群系統(tǒng)新體制，具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)，標(biāo)志著中國的數(shù)字集群從無到有，并步入自主高速發(fā)展階段。

1.2? 系統(tǒng)特點

1.2.1信道利用率高、成本相對低

采用TDMA（雙時隙）多址方式和動態(tài)信道分配技術(shù)提高了信道（即頻率）的利用率。信號覆蓋率較廣，在容量和語音質(zhì)量方面也比較好。多個單位、多個部門共用設(shè)備，共用信道又互不干擾，避免了重復(fù)建設(shè)。

1.2.2架設(shè)便捷、入網(wǎng)快速

采用數(shù)字化管理，設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶。一般分固定基站或車載基站兩種設(shè)備形態(tài)，固定基站的用戶容量更大，采用定向天線覆蓋距離更遠(yuǎn)，車載基站采用一體化設(shè)計，集成度更高，隨機(jī)架設(shè)使用靈活。兩種形態(tài)均方便安裝與拆卸，可在不同區(qū)域快速布設(shè)。基站中心可以進(jìn)行科學(xué)、合理的控制和管理，最大限度地縮短手持機(jī)入網(wǎng)的平均等待時間。

1.2.3呼叫靈活、保密性強(qiáng)

支持語音個呼、組呼、全呼、緊急報警、強(qiáng)插強(qiáng)拆、環(huán)境監(jiān)聽、全雙工通話、廣播呼叫、電話呼叫等功能。具備簡單數(shù)據(jù)傳輸功能，支持短消息、狀態(tài)信息、告警信息收發(fā)等功能。若基站發(fā)生故障，集群通信終端之間能夠像對講機(jī)一樣脫網(wǎng)直接完成無線通話。支持移動性管理，為移動終端提供位置信息和業(yè)務(wù)連續(xù)性方面的管理，包括登記、漫游、越區(qū)切換等業(yè)務(wù)。提供設(shè)備安全管理、用戶和群組管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理等功能。具備安全加密功能，通過鑒權(quán)中心服務(wù)器、密鑰管理服務(wù)器、信道機(jī)加密模塊實現(xiàn)端到端、空中接口加密服務(wù)，可采用MicroSD Card形態(tài)的安全加密模塊，阻斷相同頻率的其它未授權(quán)終端接入網(wǎng)絡(luò)。

1.3? 系統(tǒng)主要設(shè)備及功能

集群通信系統(tǒng)一般由基站（固定式或車載式）、天饋系統(tǒng)、手持終端以及管理服務(wù)器（含軟件）等構(gòu)成，示意圖如圖1-1所示，相關(guān)設(shè)備如圖1-2所示?；局С諹1（400MHz～430MHz）/U3（350MHz～370MHz），功率一般達(dá)幾十瓦，單基站覆蓋范圍不小于10Km（不同環(huán)境結(jié)果略有不同）。手持終端頻率范圍136MHz～174MHz、350MHz～527MHz、806MHz～941MHz，支持語音呼叫功能，短消息、狀態(tài)信息、告警信息等數(shù)據(jù)功能。

二、4G寬帶通信系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

4G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是對第四代通信技術(shù)的簡稱，它的研究和發(fā)展是在3G的基礎(chǔ)上創(chuàng)新運(yùn)用了WLAN通信技術(shù)[3]，該系統(tǒng)與普通民用電信系統(tǒng)類似，均是提供一個4G無線傳輸覆蓋網(wǎng)絡(luò)，主要不同在于構(gòu)建了一個專用網(wǎng)絡(luò)，可以依據(jù)使用要求靈活配置上下行業(yè)務(wù)占比。采用4G LTE技術(shù)，OFDMA多址接入，基于寬帶移動核心網(wǎng)的組網(wǎng)方式[4]。核心網(wǎng)采用通用服務(wù)器硬件，適應(yīng)性強(qiáng)，并提供多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，提高了組網(wǎng)選型的靈活性。外部接口支持IP連接方式，IP連接方式采用GE接口（FE/GE自適應(yīng)）。設(shè)備與基站的連接方式，提供電口和光口，并提供FE/GE自適應(yīng)接口。寬帶移動綜合業(yè)務(wù)IMS基于統(tǒng)一硬件平臺和統(tǒng)一軟件平臺，采用信令/控制面和數(shù)據(jù)面分離結(jié)構(gòu)。采用多核處理器技術(shù)，處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)集成度高。支持IP傳輸，提供開放、標(biāo)準(zhǔn)的FE/GE業(yè)務(wù)電接口、時鐘信號接口、網(wǎng)管接口，且提供多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，滿足多種終端的接入，同時實現(xiàn)與其它服務(wù)器設(shè)備的互連。

2.2 系統(tǒng)特點

2.2.1分布架構(gòu)、統(tǒng)一管理

分布式基站將射頻單元部分和基帶單元部分分離，通過光纖連接，最大限度減少饋線損耗，提升了基站覆蓋面積。射頻單元不再受限于機(jī)房，可通過抱桿、掛墻等方式靈活安裝。在指揮調(diào)度中心為核心的平臺下，實現(xiàn)多種應(yīng)急指揮方式并存。依托有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)度，將實時圖像回傳到指揮中心。

2.2.2帶寬可調(diào)、融合性強(qiáng)

對擁有不同頻率資源的行業(yè)用戶都能滿足需求，同時可利用現(xiàn)有頻譜及新增頻譜提供多種業(yè)務(wù)。采用全I(xiàn)P平臺，融合無線、有線，實現(xiàn)語音、視頻和多媒體調(diào)度。

2.2.3路由靈活、保密性強(qiáng)

滿足動態(tài)組網(wǎng)和抗毀性要求，能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長，算法收斂快，支持系統(tǒng)內(nèi)多種傳輸手段的綜合組網(wǎng)，支持靜態(tài)路由和動態(tài)路由兩種機(jī)制?？梢酝ㄟ^部署密碼機(jī)、密鑰分發(fā)中心對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密。

2.3系統(tǒng)主要設(shè)備及功能

4G寬帶通信系統(tǒng)一般由基站（包括基帶控制單元BBU，射頻拉遠(yuǎn)單元RRU）、天饋系統(tǒng)、手持終端以及管理服務(wù)器（含軟件）等構(gòu)成，示意圖如圖2-1所示，相關(guān)設(shè)備如圖2-2所示。基站工作頻段為UHF，載波帶寬5MHz、10MHz、20MHz可配。每個RRU單元支持雙通道，單通道最大發(fā)射功率≥30W，單基站有效覆蓋距離不小于15km（不同環(huán)境結(jié)果略有不同）。手持終端基于TD-LTE國際標(biāo)準(zhǔn)，支持LTE TDD/FDD 1.4G/1.8G/400M/600M，同時支持話音、短信、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)。

三、Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)概述

Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，最初是美軍為滿足軍事信息系統(tǒng)中寬帶數(shù)據(jù)傳輸、支持端到端IP語音和視頻信息以及不采用GPS實現(xiàn)精確定位而建立的[5]，該系統(tǒng)是采用全新的“無線網(wǎng)格網(wǎng)”理念設(shè)計的移動寬帶多媒體通信系統(tǒng)。系統(tǒng)所有節(jié)點在非視距、快速移動條件下，利用無中心自組網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，可實現(xiàn)多路語音、數(shù)據(jù)、圖像等多媒體信息的實時交互。整個網(wǎng)絡(luò)具有頑強(qiáng)的生命力，網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點停止工作，都不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，被譽(yù)為“打不垮的網(wǎng)絡(luò)”。同時，系統(tǒng)支持任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個節(jié)點設(shè)備可隨機(jī)快速移動，系統(tǒng)拓?fù)淇呻S之快速變化更新且不影響系統(tǒng)傳輸[6]。自組網(wǎng)通信系統(tǒng)適應(yīng)于不同的使用場景，可以在固定點安裝，也可以在移動的車輛、船舶、人員、機(jī)器人、無人機(jī)等進(jìn)行快速無線部署的情形。軟件模塊集成有基站通信、客戶端通信、點對點通信等功能。在現(xiàn)場使用時，視頻采集設(shè)備、儀器設(shè)備、傳感設(shè)備等前端設(shè)備可通過雙頻WIFI或網(wǎng)線與無線傳輸設(shè)備連接。當(dāng)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時，客戶可以直接使用手持機(jī)等終端設(shè)備連接WIFI實現(xiàn)入網(wǎng)功能，手持機(jī)可開發(fā)即時通信軟件，支持視頻、語音、短消息以及多人視頻會議等功能。

3.2 系統(tǒng)特點

3.2.1傳輸穩(wěn)定、帶寬更大

不依賴于某一個單一節(jié)點的性能，如果某一個節(jié)點出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動路由到備用路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行不會受到影響。利用Mesh自組網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不僅能傳送和接收信息，還能充當(dāng)網(wǎng)橋?qū)ζ涓浇?jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，隨著更多節(jié)點的相互連接和可能路徑數(shù)量的增加，總的帶寬也相應(yīng)增加。

3.2.2結(jié)構(gòu)靈活、便于擴(kuò)容

每個設(shè)備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個節(jié)點的通信負(fù)載情況動態(tài)地分配通信路由，從而有效地避免了節(jié)點的通信擁塞?，F(xiàn)場安裝方便，可根據(jù)需要添加設(shè)備，通過Mesh自組網(wǎng)方式在任意節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2.3拓展性強(qiáng)、切換迅速

設(shè)備可內(nèi)置WIFI發(fā)射模塊，前端設(shè)備可通過雙頻WIFI或網(wǎng)線與傳輸設(shè)備連接，可根據(jù)需要自由選擇連接方式。移動設(shè)備同時保持連接多個Mesh基站，可以快速的在基站之間進(jìn)行信號切換，實現(xiàn)“靜中通”與“動中通”靈活組網(wǎng)。

3.3? 系統(tǒng)主要設(shè)備及功能

一個Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)一般包含若干部自組網(wǎng)電臺（可附加WIFI功能）、多部無線手持機(jī)、其它網(wǎng)絡(luò)終端以及管理服務(wù)器（含軟件）等構(gòu)成，示意圖如圖3-1所示，相關(guān)設(shè)備如圖3-2所示。自組網(wǎng)電臺工作頻率2212MHz～2732MHz/4800～6275MHz，預(yù)裝WIFI發(fā)射模塊，可同時支持5.8G和2.4G頻段WIFI覆蓋。單個Mesh自組網(wǎng)設(shè)備功率為數(shù)瓦，可以在阻擋環(huán)境下傳輸2km～3km（不同環(huán)境結(jié)果略有不同），可按照實際需求布設(shè)基站數(shù)量來擴(kuò)展信號覆蓋范圍。Mesh手持機(jī)設(shè)備體積小巧，便于攜帶，作為基站臺或便攜臺節(jié)點的無線擴(kuò)展和延伸，可方便深入突發(fā)事件現(xiàn)場或密集人群中，將高清視頻等多媒體信息實時回傳，從而讓指揮人員能夠?qū)崟r直觀掌控現(xiàn)場態(tài)勢。

四、三類系統(tǒng)主要區(qū)別

1.帶寬不一樣。數(shù)字集群通信一般屬于窄帶通信，4G通信系統(tǒng)與Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)屬于寬帶通信，提供的業(yè)務(wù)速率更高，業(yè)務(wù)種類更豐富。

2.通信方式不一樣。數(shù)字集群通信系統(tǒng)是通過信令方式占用信道通話，4G通信系統(tǒng)與Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)是通過VOIP的方式通話。

3.保密措施不一樣。數(shù)字集群通信系統(tǒng)、4G通信系統(tǒng)可在終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)分別部署密碼機(jī)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署密鑰分發(fā)中心。Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的安全保密措施。三種通信系統(tǒng)都能夠提供一個相對安全的傳輸過程。

五、結(jié)束語

本文對數(shù)字集群、4G寬帶、Mesh自組網(wǎng)三種目前常用的局域語音通信方式進(jìn)行了簡要介紹，并總結(jié)了主要區(qū)別，對該方面有應(yīng)用需求的人員有一定參考價值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]? 岳曉東.TD-LTE與TETRA 在軌道交通行業(yè)的對比分析.都市快軌交通.第31卷第5期2018年10月.

[2]? 鄭祖輝.集群通信在中國.當(dāng)代通信.2003年08期.

[3]? 孫翔.4G通信技術(shù)的主要特點和主要應(yīng)用分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，10（18）：18.

[4]? 李紅艷.關(guān)于4G通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探析. 通信技術(shù). 2016-05-30.

[5]? 劉覓，彭木根，王文博.基于IEEE802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)的Mesh機(jī)制[J]中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2006，1（1）：75-80.

[6]? 李茗，黃宇紅.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用模式研究.中國通信學(xué)會.移動增值業(yè)務(wù)與應(yīng)用.學(xué)術(shù)年會.