寬帶無線多媒體集群系統方案與關鍵技術

譚學治+孟維曉

譚學治

哈爾濱工業大學

教授/博士生導師

通信技術研究所副所長

國家科技重大專項BWT總體技術組組長

孟維曉

哈爾濱工業大學

教授/博士生導師

通信技術研究所移動通信研究室副主任

專用通信教育部工程中心副主任

【摘 要】

隨著寬帶無線多媒體技術的快速發展，數字集群技術也呈現出數據寬帶化、業務多樣化、終端多模化和系統IP 化的發展趨勢。介紹了在國家科技重大專項支持下我國開展的寬帶無線多媒體集群系統的研究情況，包括系統的網絡架構，信令接口、支持業務和關鍵技術等。具備多模兼容的寬帶無線多媒體集群系統將有希望成為未來集群通信寬帶化的主導體制。

【關鍵詞】

集群通信 寬帶無線多媒體集群 網絡架構 多模融合

1 引言

自上世紀90年代以來，傳統窄帶數字集群技術體制，如TETRA，Project25等，為公共安全、交通運輸、石油化工等行業提供了安全、可靠和穩定的通信保障，顯著地改善了其通信能力。然而，隨著社會的進步和科技的發展，各行各業的工作方式發生了改變，對寬帶移動通信業務如圖像、視頻傳輸等的需求也日益強烈。此外，在緊急情況下，移動通信系統還應該實現跨系統、跨機構、跨區域的無縫對接，即優良的互操作性，從而更好地為行業服務。國外主要專業通信設備研發廠商對專業寬帶移動通信系統的研發方興未艾，摩托羅拉、歐洲宇航、愛立信等公司紛紛與具有4G技術優勢的商業網絡設備廠商簽署戰略合作協議，旨在將4G技術與集群通信技術結合起來，發展專業寬帶移動通信技術，大大推動了專業寬帶移動通信技術的進步。

寬帶多媒體集群系統在這樣的迫切的應用需求下得以發展。從2006年開始，寬帶無線多媒體系統的研究被列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中確定的16個重大科技專項之一的“新一代寬帶無線移動通信網”課題的一個主要研究方向。針對多種特殊行業的應用需求，結合我國的實際國情，產學研三方面相結合，推動產業化發展，形成具有我國自主知識產權的具有中速、高速和超高三種模式融合、并且可控可管特點的寬帶無線多媒體集群（Broadband Wireless Trunking，BWT）系統。該系統對我國無線多媒體集群系統的發展具有明確和深遠的指導意義。

2 寬帶多媒體集群系統框架

主要建設思想是基于大區制的語音通信和建網成本應該是專網發展的主要因素，同時為了保證在一些地區和特定地點對寬帶數據業務的需求，提出寬帶無線多媒體集群系統是一個多種接入模式的寬帶無線多媒體集群系統架構，支持包括具有中低速、高速、超高速等多種寬帶技術的接入，從而實現融合體系架構下集群調度、圖像、視頻以及分組數據等業務。寬帶無線多媒體集群系統的網絡架構、特色和各接入模式的速率如圖1、圖2、圖3所示。

寬帶無線多媒體集群系統由四個部分組成，包括：終端、無線接入子系統、交換控制平臺、調度應用平臺，支持包括中低速模式、高速模式和超高速模式等多種無線接入技術，以及與其他數字集群系統、PSTN網絡、移動蜂窩網絡和空天系統的互聯互通。終端是系統用戶可以直接操作的設備，提供與系統交互信息的能力。由于系統支持多種接入模式，其終端設備也可分為單模終端和多模終端。不同模式的終端分別通過Um、Uh、Us等無線接口與接入子系統相連。

無線接入子系統（RAN）通過空中接口與終端建立通信，實現空口控制和傳輸、無線資源的管理、系統設備的操作維護等功能。寬帶無線集群系統支持的接入模式包括中低速、高速、超高速三種模式。

2.1 中低速模式

中低速模式需采用大區制組網；通過可重構平臺實現對窄帶集群系統的兼容，向寬帶化平滑過渡；由于國外的TETRA數字集群存在建網和維護成本高、信息安全無法保障、無法從現有模擬集群網平滑升級等缺點，我國公安部牽頭制訂了我國自主知識產權的PDT警用數字集群標準。PDT標準具有通話保密性高、擴展應用能力強、數模兼容、建網和運營維護成本低等優勢，能有效滿足公共安全和公用事業用戶專業無線通信建網需求。特別是PDT數字集群標準采用了大區制的技術體制，可以實現由原有MPT模擬集群系統的平滑升級，能有效保護前期大量的MPT網絡建設投資，節省建網和維護成本。該標準未來有望成為與我國國情相似的廣大發展中國家的主流建網標準。因此寬帶無線集群系統方案中中低速的部分采用了基于PDT標準的方案。通過基站自組網、終端脫網直通等多種方式提高系統的抗毀性和可靠性；通過自適應鏈路技術、頻率資源動態分配技術、終端多點協作技術、隨機接入碰撞避免算法等來保證多媒體業務的QoS指標。中低速模式支持最高500kbps的數據傳輸速率，提供語音、圖像及壓縮視頻等中速數據傳輸，適合應用于公共安全、交通運輸、石油化工等多個行業用戶領域。圖4列出來BWT中低速接入的優勢和空中接口。

2.2 高速模式

高速模式覆蓋范圍應介于中速與超高速之間，兼容中速模式，與中速數據業務的區別在于支持普清視頻以及高清圖像業務的雙向傳輸。高速模式采用5MHz帶寬支持25Mbps的數據傳輸速率，具有優先級的數據業務服務、基本的信道捆綁、基本的資源分配以及選擇傳輸策略等技術。圖5列出了高速模式的特點。

2.3 超高速模式

超高速模式是三種模式中覆蓋范圍最小的一種，基于TD-LTE標準，采用5～20MHz帶寬，最高支持100Mbps的數據傳輸速率，兼容其他速度模式。超高速模式支持標清視頻業務的傳輸，采用頻譜感知、頻譜聚合、分集接收、MIMO、協作通信、自適應資源分配、自適應傳輸策略以及MAC層的隨機接入退避等技術。

交換控制平臺包括交換控制中心、互聯網關和注冊數據服務器三個部分，主要提供移動性管理、業務交換、系統互連和用戶信息管理等功能。采用統一的Ta接口實現與RAN信息交互；采用統一的D接口實現與調度控制平臺信息交互；采用統一的R接口實現與注冊數據服務器的信息交互。endprint

調度應用平臺包括調度臺、錄音/錄像服務器、安全服務器和應用服務器。其中，應用服務器ApS對外提供IP通道，是可授權第三方進行二次應用開發的接口。圖6列舉了超高速模式的特點。

圖6 超高速空中接口

3 寬帶多媒體集群系統新增業務與功能

在兼備全部傳統集群通信功能（諸如單呼、組呼、緊急呼叫和動態重組等）的基礎上，寬帶多媒體集群系統新增業務與功能主要有：

（1）可視單呼：兩個終端之間建立的雙向視頻通話，建立視頻通話的雙方，既可聽到對方語音又可看到對方視頻，且音唇同步。可視單呼包括終端與終端之間、終端與調度臺之間的可視單呼。

（2）可視組呼：一種集成語音和視頻兩種多媒體形式的組呼。可視組呼分為：

方式1：移動用戶和調度臺等具有可視組呼權限的用戶可發起可視組呼，相當于同時建立語音和視頻兩種媒體流的組呼業務；

方式2：業務以用戶分組為單位進行，呼叫控制權分為話權和視頻控制權，在一次會話中，話權的處理與語音組呼一致，視頻控制權由特定用戶（可以是調度員、指揮員或調度用戶）控制，可發起針對組內一個或一個以上終端的視頻上傳、視頻分發的操作，通常情況下，組內的終端只上傳視頻或只瀏覽視頻。

（3）實時短數據：寬帶無線多媒體集群系統允許終端之間傳送一些以預定義或者原始數據格式定義的消息，系統支持實時短數據功能。一個終端能夠向另一個終端發送短數據，系統要求收到短數據的終端立即回復確認消息，延時在百毫秒以內。

（4）訂閱：寬帶無線多媒體集群系統應支持狀態監控功能。調度臺訂閱內容包括在線通話狀態信息、用戶狀態信息、組信息基本屬性、終端用戶基本屬性以及通話組基本屬性等狀態信息。當所訂閱的狀態信息發生變化后，調度臺應當立刻收到更新后的狀態信息。

（5）多重速率數據業務：寬帶無線多媒體集群系統支持基本的數據業務。寬帶無線多媒體集群系統根據需要和空中接口能力，支持從500kbps至100Mbps范圍內的安全可控、可管的多重數據傳輸通道。

4 寬帶多媒體集群系統關鍵技術

4.1 基于TD-LTE的頻譜聚合研究

TD-LTE對頻譜利用已接近理論的上限，專網系統若要獲得完整的一段20MHz的最大系統帶寬，并達到100Mbps的最高峰值速率基本是不現實的，因而采用合理的技術拓寬傳輸帶寬是未來專用移動通信發展的必然趨勢。然而現今緊俏的頻譜資源很難提供新的連續的寬帶頻譜。因此，載波聚合技術成為擴展系統帶寬的必然方式。

4.2 SIP協議的理論研究

根據BWT項目的需求，對SIP協議的系統架構和消息語法進行了詳細的分析，實現了系統中集群調度臺的SIP模塊，并在實際工程中進行了驗證。在考慮可靠重傳機制的條件下分別推導了基于不同的傳輸層承載的SIP會話建立時延公式，并據此進行了時延優化的分析，提出了帶預處理的LZSS結合霍夫曼壓縮算法，能夠有效的壓縮SIP信息，降低時延。

4.3 廣域組網方法研究

由于專網大多是大區制，所以廣域組網方法非常重要。研究表明：機會路由相比于多跳無線網絡中的傳統路由協議，更加適應無線信道的特性，可以提高數據傳輸的可靠性和端到端的吞吐量。

5 結論

寬帶多媒體集群系統是在國家科技重大專項的支持下，經過寬帶多媒體集群系統總體組和各個項目參與企業、研究院所和高校的不懈努力，已經完成了第一階段的技術驗證樣機和標準化工作，今后將逐步在行業中應用推廣。endprint