基于移動通信網的集群通信設計與實現

劉軍輝, 李 彤

（裝甲兵工程學院信息工程系, 北京 100072）

0 引言

隨著社會活動和經濟活動的節奏加快和范圍擴大以及相應信息傳輸量的劇增，許多團體和機構對可用于廣域調度指揮的集群通信網絡需求也日益劇增，這些需要為我國發展集群通信網絡提供了廣闊的應用前景。集群通信系統是由電信運營商統一建設和運營的數字集群網絡，通過豐富的網絡業務功能和 VPN（虛擬專網）能力為政府部門、企事業單位等集團用戶提供資源共享、高效能、專業化可靠通信服務。基于移動通信網絡的集群通信系統具有共用頻道和信道、共享覆蓋區域、資源利用率高、平均成本低廉、能保證更好的網絡覆蓋和運營質量、可持續發展能力強等諸多優點，有較好的應用前景和發展潛力[1]。

本文提出了一種基于GPRS/CDMA網絡的通信電臺系統的設計和實現方法，它依托移動基站，在電臺終端中插入手機SIM卡就為用戶建立了全國范圍內集群電臺通信系統。由于上網SIM卡的資費含漫游在內多采用包月方式計費，所以利用移動數據信道承載的PoC集群通信方式可以進行跨區域長時間通話，較手機或租用集群網絡能節省費用，可以滿足那些需要跨地區組建集群通信網絡的應用，也可作為具有無線互聯網特征的3G網絡的特色業務推廣應用。

1 系統總體設計方案

系統組成。基于移動數據通道的電臺通信系統由中心處理系統和 PoC(Push to Talk Over Cellular Network)終端組成，二者通過 Internet網絡進行連接，系統組成如圖 1所示。

圖1 系統組成

系統功能。PoC集群通信系統具有如下基本功能：對PoC終端進行簽權認證；支持多集群，多話務臺（可以支持 50話務群分組）；可以通過話務臺設置集群分組；支持 PoC終端與話務員熱線通話服務，支持話務員廣播和插播通話；支持群組內的一對一私密通話、一對多群組通話；支持PoC終端的參數遠程設置和修改；可以設置PoC終端用戶的優先級，并支持根據用戶的優先級使用強插強拆的功能；可以系統尋呼（廣播）、群組尋呼（廣播）。

2 中心處理系統組成

中心處理系統由用戶鑒權子系統、呼叫控制子系統、PoC交換子系統、話務臺子系統和后臺監控子系統組成，軟件結構如圖2所示。

圖2 中心處理系統軟件結構

PoC終端與中心處理系統通過Internet網絡進行連接，PoC終端開機后開始登陸中心系統，中心系統根據終端的請求進行鑒權認證和呼叫控制等操作。

鑒權子系統。每個PoC終端按照移動網絡分配的IP地址和終端的ID號碼唯一標識。PoC終端開機后，通過GPRS網絡或 CDMA網絡向中心服務器發送登陸申請，中心處理系統通過分析PoC終端發送的登陸信息后，對PoC終端用戶進行鑒權認證，只有那些授權PoC用戶才能完成系統登陸。PoC用戶登陸后，中心處理系統的交換子系統就將該用戶加入到他所屬群組中，開始向該用戶發送它所屬群組的通話數據。

呼叫控制子系統。PoC終端呼叫的發起由終端按壓 PTT（Push-To-Talk）鍵兩次發起，系統接收到終端的呼叫申請后，按照優先級排隊方法分配給終端講話權，并發送信令給對應的PoC終端，該終端在聽到允許說話的指令后（聲音提示）按壓PTT鍵講話，松開PTT鍵后聽到呼叫控制系統發布的結束通話提示音后結束本次講話過程。針對在一個集群通信系統中會同時存在多個并發呼叫的情況，采用優先級排隊方式處理群組內部的并發呼叫，且一個時段僅僅能夠允許一個PoC終端進行講話。為了實現PoC終端的調度和參數設置，設計了PoC終端直接呼叫話務員的通道，PoC終端可以和話務員一對一通話，用于請求群組調度和動態分組調度。

語音交換子系統。獲得說話權限的 PoC終端通過Internet網絡將壓縮的語音數據包發送給中心處理系統的交換子系統，交換子系統按照該PoC終端所屬群組將該PoC終端的話音數據包廣播發給群組的所有PoC終端，使群組內的終端都聽到該終端的講話。交換子系統支持群組內通話，一對一保密通話，話務員熱線、點播和廣播等服務。交換子系統最大可以支持1000臺PoC終端集群通信服務。

后臺監控管理子系統。后臺監控系統完成：系統巡檢：話務員坐席在線情況、中心服務器各子系統運行情況;系統建檔（PoC終端ID、話務員坐席號碼、話務員ID、用戶資料、群組資料）;系統數據維護（備份、恢復、清理）;系統業務查詢與統計打印（系統檔案、操作流水、報位流水、語音流水）。

話務臺坐席子系統。話務臺通過客戶端軟件來實時監測和控制整個系統的運行，系統能夠監控各個群組的PoC終端狀態，能夠通過軟件界面通過鼠標點擊來完成：話務員熱線、插播發言、廣播發言，監聽；接收PoC終端向話務員講話請求；群組和私密一對一申請設置和解除；PoC終端參數設置和控制。

3 PoC終端

系統構成。PoC終端由語音編解碼和壓縮解壓電路、GSM或CDMA模塊和CPU控制電路等部分組成。硬件設計結構框如圖3所示。

圖3 PoC終端系統

從PoC終端的手柄送出的話音數據經AD后首先送到語音壓縮DSP進行基于增強型多帶激勵（AMBE）方式的語音壓縮，壓縮完的數據通過DSP＋ARM芯片組的TCP/IP協議棧打包處理，再由GPRS模塊或CDMA模塊將數據傳輸到GPRS或CDMA數據網絡。

語音壓縮算法。系統采用增強型多帶激勵（AMBE） 的語音壓縮算法，并基于TI公司的TMS320C5416DSP進行了編程實現。AMBE算法的最低編碼速率為 2.4 kb/s, 其編解碼性能優于 CELP、RELP、VSELP、MELP、LPC10 等其它類似編碼算法，在實現過程中采用了話音延遲復接技術[2]，使話音效果達到了商用水平。

4 結語

數字集群通信系統采用了先進的數字信令方式、語音數字編碼技術和調制解調技術，它在頻譜利用率、抗無線信道衰落、保密性和業務支持等方面具有明顯優勢，能夠提供指揮調度、電話互聯、數據傳輸、短消息收發等多種業務，可以為要求通話建立速度快、通話成功率高的指揮調度領域和部門提供有效的通信手段，具有較高的社會效益與經濟效益[3]。本文詳細介紹承載在GPRS/CDMA數據通道上的集群通信系統。它基于蜂窩電話網的共享數據信道，具有共用頻道和信道、共享覆蓋區域、共享通信業務等優點，實現了在全國范圍內進行集群對講和語音調度，其話音質量和連續度達到了商業應用水平。滿足了那些需要在全國范圍內進行集群通信網建設的用戶需求，可以用于裝備保障、后勤運輸、野外工程等集群通信領域。

[1] 鄭祖輝.數字集群移動通信系統[M].第2版.北京:電子工業出版社，2002:23-236.

[2] 袁占亭.基于 VoIP的電話終端設備的研究與設計[J].微計算機信息，2003(09):86-88.

[3] 董曉魯.我國數字集群通信系統簡介[J].電信技術,2005(08):1-3.