天通融合通信終端研究與設計實現(xiàn)

應急管理部沈陽消防研究所 舒世洋 劉 濛

文章介紹了利用無線通信、多模融合、軟件仿真等技術將衛(wèi)星移動通信與PDT數(shù)字常規(guī)通信兩種機制進行融合，從而擴展對講機系統(tǒng)的通信距離，增強衛(wèi)星通信在現(xiàn)場的協(xié)同能力，使得兩種通信系統(tǒng)優(yōu)勢互補，有效提高消防救援隊伍在極端災害場景下的應急通信保障能力。

近年來，隨著我國消防救援應急通信體系建設逐步成熟，應急通信保障工作在消防指揮調度和火場指揮及搶險救援活動中起著至關重要的作用。在地質災害事故發(fā)生時，現(xiàn)場往往面臨著公網(wǎng)通信中斷，道路、電力等設施損毀，消防救援前突分隊只能徒步深入災區(qū)中心，單一的應急通信手段無法滿足多層次的應急通信需求，移動終端急需融合多種通信技術進一步提升消防應急通信保障的信息傳輸能力。

本文介紹的天通融合通信終端（以下簡稱融合終端）是款小型化、輕型化、集成度高的多模融合無線通信終端設備。將天通衛(wèi)星通信與警用數(shù)字集群(Police Digital Trunking,PDT)的常規(guī)通信協(xié)議進行融合，利用衛(wèi)星鏈路作為數(shù)字常規(guī)對講的中繼鏈路，建立前突救援分隊與指揮中心的通信網(wǎng)絡，為消防救援前突救援分隊與指揮中心之間，以及前突救援分隊內部提供便捷、可靠的應急通信手段。

1 關鍵技術

1.1 多模終端多待多通情況下的頻率共存技術

為了實現(xiàn)單根天線同時支持移動衛(wèi)星通信和數(shù)字常規(guī)通信，融合終端采用多模天線技術，通過改變天線工作狀態(tài)，解決多體制同時通信給單根天線帶來的干擾。在開發(fā)設計過程中，天線耦合特性和輻射模型產生的共存性問題較為突出。針對傳導性干擾和噪聲干擾問題，融合終端采用本振泄露小、各階交調分量小的芯片，使用展頻時鐘技術降低帶內噪聲功率譜密度，著重注意板級設計的布局布線，通過頻率隔離，濾波和屏蔽，降低單個系統(tǒng)本振噪聲和諧波對另一個子系統(tǒng)的干擾。針對天線之間的耦合和輻射干擾問題，調整天線的擺放位置、電流流向、極化和方向圖，降低耦合因子。在天線匹配電路設計中，高、低頻率子系統(tǒng)對應使用高、低通濾波匹配，另外還對發(fā)射器、I/Q調制器的噪聲以及內部鎖相環(huán)造成的頻率雜散進行優(yōu)化，抑制天線之間的輻射干擾。

1.2 天通衛(wèi)星通信與PDT融合互通的協(xié)議和機制

天通衛(wèi)星移動通信使用的通信模式、語音編碼、加密手段等方式與PDT不同，為了使融合終端支持衛(wèi)星通信與PDT雙待機模式，滿足與現(xiàn)有的PDT專網(wǎng)和地面其他網(wǎng)絡的聯(lián)通需求，通過在終端設備內部完成協(xié)議交換，實現(xiàn)衛(wèi)星通信與PDT的融合互通。

衛(wèi)星通信為全雙工通信模式，PDT為半雙工通信模式，二者在呼叫建立、話權控制、呼叫掛斷等業(yè)務的處理上有所不同。為了充分照顧兩套通信系統(tǒng)的使用習慣，融合終端利用PDT系統(tǒng)的反向搶斷、人聲識別等技術，在天通衛(wèi)星與PDT兩套標準協(xié)議的基礎上，直接將一個系統(tǒng)的語音信號解碼作為通用的PCM編碼，在另外一種體制的語音處理模塊中編碼為另外一個系統(tǒng)的語音信號， 設計一套涵蓋呼叫建立、二次撥號、通話、PTT搶斷、掛斷等環(huán)節(jié)的控制信令與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，解決兩種制式在原生協(xié)議下不能互通的問題，建立PDT終端與衛(wèi)星通信終端、公網(wǎng)移動終端進行語音融合通信的協(xié)議機制。語音處理過程如圖1所示。

圖1 語音處理過程示意圖

2 天通融合通信終端的設計與實現(xiàn)

2.1 硬件架構

融合終端系統(tǒng)乘載無常規(guī)信號覆蓋區(qū)域的PDT/WIFI/BT組網(wǎng)通信、天通衛(wèi)星語音通信、北斗定位等功能，硬件架構如圖2所示。終端主控選用國產芯片，將電源、音頻、通信、存儲、顯控、接口等單元設計成專用模塊，便于生產調試，有效降低功耗、縮小體積，增加設備的可靠性。

圖2 融合終端硬件架構圖

融合終端以國產芯片配套的PMU為核心，輔以同步降壓型開關穩(wěn)壓器對整機提供電源管理。采用LPDDR3、eMMC二合一內存芯片作為存儲模塊。衛(wèi)星通信、北斗導航、WIFI等電路選用集成模塊實現(xiàn)通信功能，PDT通信單元有獨立的處理器、存儲器、射頻單元，通過UART接口交互傳輸。音頻信號通過PMU內置的CODEC處理，外部增加雙麥降噪芯片、窄帶CODEC，輔以音頻切換、放大及外設等手段完成對音頻信號輸入、輸出控制。

2.2 軟件架構

融合終端的軟件架構分為應用層、框架層、系統(tǒng)運行庫、內核驅動層，軟件架構如圖3所示。

圖3 融合終端軟件架構圖

其中，應用層中的天地融合應用系統(tǒng)實現(xiàn)了衛(wèi)星通信與PDT之間的通信連接。該系統(tǒng)分為服務層和顯示層2大部分，如圖4所示。服務層中的PDT狀態(tài)監(jiān)控器負責監(jiān)聽寬窄帶的通話、短信、DTMF等狀態(tài)；PDT控制器提供PDT的發(fā)起掛斷通話、發(fā)送短信等操作接口；通話短信攔截器用于屏蔽系統(tǒng)應用，將攔截的電話、短信提供給衛(wèi)通狀態(tài)監(jiān)控器。核心服務模塊綜合所有通信業(yè)務的通知消息，傳遞至衛(wèi)通接入模式狀態(tài)機或超級大組模式狀態(tài)機，進行對應的切換操作。顯示層通過AIDL接口將核心服務模塊匯總的狀態(tài)流信息進行調用，由狀態(tài)界面、配置界面、聯(lián)系人和通話記錄四個界面構成。狀態(tài)界面連接接口，將服務層的運行狀態(tài)實時展現(xiàn)給用戶；配置界面提供服務的一些參數(shù)配置并通過SharedPreference進行存儲；聯(lián)系人界面通過GreenDao數(shù)據(jù)庫與服務的交互實現(xiàn)增刪改查；通話記錄界面將當前發(fā)起的中轉記錄進行展現(xiàn)。

圖4 天地融合應用系統(tǒng)框圖

2.3 外觀結構設計

融合終端雙模工作時功耗較大，通過疊層的設計，充分利用內部空間導熱，屏幕后增加金屬中框，使得終端具有很好的散熱能力。融合終端外觀如圖5所示。

圖5 天通融合通信終端外觀圖

3 天地融合通信功能介紹

天地融合通信功能有衛(wèi)星通信接入功能、超級大組功能兩個模式。

3.1 衛(wèi)星通信接入功能

PDT對講機通過PDT窄帶信道鏈接到融合終端，融合終端通過天地融合模式接入衛(wèi)通系統(tǒng)，建立和另外一臺天通電話或GSM電話、固定電話的通信，如圖6所示。若有語音呼叫至該終端，終端將自動傳輸?shù)疆斍八谛诺赖膶χv機。

圖6 衛(wèi)通接入功能示意圖

3.2 超級大組功能

首先，遠距離的兩臺融合終端均進入天地融合模式，建立起衛(wèi)星通信信道。其次，兩臺融合終端分別和周邊窄帶通信距離內的對講機建立連接，使得兩側對講機之間形成一個通信大組，如圖7所示。兩側的融合終端與對講機均可進行組呼通話。

圖7 超級大組示意圖

天通融合通信終端是基于國產芯片，集天通衛(wèi)星通信、PDT常規(guī)通信、公網(wǎng)通信等多種通信方式于一體，支持通衛(wèi)星通信與PDT常規(guī)融合通信的多模手持終端設備。終端整體設計充分考慮搶險救援的應用特點及使用環(huán)境需求，在地質性災害事故的應急通信等領域具有廣泛的應用推廣價值，有力提升消防隊救援伍的應急通信保障能力。