無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統

趙書倫，楊春香，周少瑋2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.鼎橋通信技術有限公司，北京100102）

無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統

趙書倫1，楊春香1，周少瑋2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.鼎橋通信技術有限公司，北京100102）

針對大型突發事件現場視音頻的指揮調度，介紹了無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統。具體介紹了本系統的技術原理，系統可實現的業務種類，本系統與其他系統的技術對比及本系統的應用場景。最后，介紹了無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統的應用前景。

無線寬帶；移動通信；數字集群；指揮調度

0　引言

隨著城市化進程的加快，大型城市人口數量激增，使得城市內突發事件處理、恐怖犯罪事件的防治、大型活動的保障等難度大大提高。突發應急事件現場視頻、語音的指揮調度對事件的處理起到了決定性的作用。專業用戶對專業通信系統的需求在日益增加，對通信系統提出了專業性、安全性、高帶寬、低時延、業務豐富的需求。傳統的有線通信和模擬窄帶無線通信由于其僅支持語音通信等特點已經無法滿足需求。構建一張共用的無線寬帶專用通信網絡，實現專網專用、可靠大數據傳輸、寬帶多媒體指揮調度、實時掌握事件現場的真實情況，成為現階段城市綜合管理和應急通信的必要需求。

另一方面，隨著信息化技術的發展，全球專業通信市場和產業也呈現從窄帶語音向寬帶多媒體發展的趨勢，國際和國內標準化組織也積極開展專網寬帶集群的標準化工作，推動產業的進一步規模發展。

基于以上背景，可以看到無線寬帶集群技術必然是未來專網通信領域的主導方向。而我國自主知識產權的TD-LTE技術作為目前最先進的通信技術，是承載無線寬帶集群應用的最好技術載體。基于TD-LTE技術，參考各個行業在專網通信領域中的應用需求，構建基于TD-LTE的寬帶多媒體數字集群指揮調度系統，必將在大型突發事件現場的應急指揮調度中發揮著重要的作用。

1　系統介紹

新一代無線寬帶移動通信系統以OFDM和MIMO技術為基礎，并在移動通信空中接口技術中全面采用和優化分組數據傳輸［1］。OFDM是一種基于正交多載波的頻分復用技術，OFDM傳輸的基本概念:高速串行數據流經串/并轉換后，分割成大量的低速數據流，每路數據采用獨立載波調制并加發送，接收端依據正交載波特性分離多路信號。多天線技術是指無線通信的發射端或接收端采用多副天線，同時結合先進的信號處理技術實現的一種綜合技術。而寬帶多媒體數字集群通信系統是基于成熟的TD-LTE先進技術平臺，具有專業集群通信性能、高吞吐量、高可靠性和實時性數據傳輸性能，可以用于行業用戶語音調度指揮、數據實時交互、協同作業等多種業務。由于采用了專業的集群設計，因此與TD-LTE的公網語音系統相比，在時延、可靠性、終端定制等方面具有絕對優勢，可真正滿足專業語音集群的性能要求。

2　技術原理

寬帶多媒體數字集群指揮調度系統是以4G技術TD-LTE為基礎，基于IP網絡部署，實現視音頻信息的統一接入，集中管理和指揮調度。無線終端傳送的語音封裝成AMR報文；無線終端采集的視頻流，壓縮成H.264等格式的數據流，再封裝成IP報文，通過LTE的無線空口發送到無線基站，再聚到核心網，數據流從核心網通過IP報文傳輸的方式送到調度機，調度機根據終端號碼的不同，再轉回到核心網，根據目標地址發給不同的終端。寬帶多媒體數字集群指揮調度系統架構如圖1所示。

圖1　寬帶多媒體數字集群指揮調度系統架構圖Fig.1 System architecture diagram of wireless boadband multi-media and digital trunking

終端包括手持終端、CPE、車載終端、Mini PC等，配合多媒體調度服務器，提供端到端集成的全高清視頻、語音、GIS、短信、數據傳輸等業務。

網絡層包括無線基站、核心網、調度機、調度臺、網管設備、異系統網關、視頻代理網關等設備。

無線基站是LTE系統的無線接入設備，主要由兩個部分組成，基帶控制單元eBBU和射頻模塊單元eRRU。無線基站主要完成無線接入功能，包括管理空中接口、接入控制、移動性控制、用戶資源分配等無線資源管理功能。通過靈活配置不同數量的基帶處理單板和射頻模塊，一個eBBU可以與多個eRRU相連接，滿足不同場景、不同容量的應用需求。

核心網提供的主要功能包括集群用戶管理、集群業務、數據業務、公共業務。集群用戶管理包括群組簽約、群組用戶簽約等；其中群組業務包括群組建立、群組關閉、話權搶占、廣播群組等；數據業務包括普通PS業務，如HTTP打開網頁、FTP下載，以及視頻業務如視頻上傳、視頻監控；公共業務包括開機注冊、關機注銷、移動性管理、遙開遙斃等業務。

調度機圖形化綜合調度系統，能夠實時顯示出各個終端的當前狀態，調度員能夠方便地進行各種調度操作，實現語音、指令和視頻多種方式的通信和調度。

網管設備用于管理相關的網絡層設備，其從物理結構包括服務器、操作維護終端、告警終端、運營終端、告警箱、管理控制臺以及一些組網設備。

另外，系統可以通過網關，與固定電話、Tetra集群系統、PDT集群系統等外部網絡實現互連互通。

網絡設備層與應用層之間通過TCP/IP協議通信，應用層當前提供視頻服務器、日志管理、定位等應用。應用層可以與已有服務器進行數據交互，也可以方便地進行其他應用服務業務的開發。

3　系統業務

3.1視頻業務

（1）實時視頻監控

寬帶多媒體數字集群指揮調度系統可以方便使用各終端設備，通過無線基站將現場視頻信息，實時傳輸到核心網設備上，調度人員通過調度臺，將指定終端的視頻信息轉發到監控中心大屏上，從而實現視頻的實時監控。系統支持CIF、QCIF、 D1、720P、1080P的視頻傳輸，在回傳視頻信息時，可以選擇音頻信息同步回傳。系統支持多路視頻的同時實時上傳，在20M頻寬組網情況下，一個小區內可支持十幾路視頻同時上傳。

（2）實時視頻調度

系統提供實時視頻調度分發功能，能夠將實時監控視頻分發到指定終端，或將特定監控視頻分發到指定終端或者終端組。通過視頻調度，即使不在指揮調度中心，通過手持臺接收分發視頻信息，領導也可以實時地了解現場信息。

（3）視頻、語音等多業務并發

系統在進行視頻監控、視頻分發的同時，可以進行點對點的語音呼叫、語音集群、實時數據查詢等多并發業務。

（4）點對點視頻通話

在視頻客戶端之間可進行實時的點對點視頻通話業務。

（5）視頻語音存儲

系統配置錄音錄像服務器，可將終端回傳的視頻信息和語音信息進行實時存儲。或將現場執勤人員采集的視頻和語音信息實時傳回到指揮中心。

3.2寬帶數據接入

寬帶多媒體數字集群指揮調度系統作為新一代寬帶無線移動通信系統，具備同時傳輸大容量的下行和上行數據的能力。每站單小區的下行峰值速率可達到90Mbit/s，上行峰值速率可達到27Mbit/s。寬帶多媒體數字集群指揮調度系統同時具備支持高速運動場景，具有在350km/h以上時速進行數據下載和上傳的能力；在高速移動場景下，基站通過測量終端的運動速度，對多普勒頻移進行糾正，并且通過采用自適應的資源分配和MIMO（多入多出）分配算法，來保證終端的高性能業務需求。通過強大的寬帶數據接入功能，現場勤務人員可以通過無線網絡實現遠端數據快速查詢、現場采集信息便捷上報、工作電子流現場處理等業務，極大地提高政府工作人員的辦公效率。

3.3專業的語音集群調度

集群語音呼叫是點到多點的群組語音業務，在語音通信過程中采用半雙工模式。多個簽約用戶加入到一個群組之后，若用戶需要講話，需要先進行話權申請，話權申請成功之后該用戶作為主講，其他用戶只是監聽下行語音。每個群組同時只允許一個主講，若其他監聽用戶也需要講話，則通過搶權可成為主講用戶。

本系統利用先進的4G無線技術，提高信道傳輸質量，提高語音通話質量。通過優化4G信令流程，提高了集群通信的語音性能，該系統已經和TETRA的性能達到了相當水平。提供的主要集群調度功能有組呼、緊急呼叫、遲后進入、優先呼叫、強插強拆。

3.4基于北斗和GPS的位置定位功能

本系統支持北斗或GPS作為基站同步時鐘源，并在所有終端配置北斗或GPS定位系統模塊，在指揮調度電子地圖上顯示終端的地理位置、移動速度、移動方向等信息。

3.5定制化數據業務應用

本系統設備具備開放的接口，為擴展定制化數據業務應用提供靈活、全面的接入方案。遍布城區的污水處理、大氣水文及其他環境監測等數字傳感模塊可通過CPE有線/無線接入網絡，或通過內嵌無線數據模塊，靈活便捷地開發一體化無線監控傳感模塊。無線傳感模塊可對城市生命線各關鍵監測點進行監測數據的匯聚和采集，并通過系統實時、并發、大數據量傳輸至中心機房服務器。

3.6異系統互聯互通

通過網關，寬帶多媒體數字集群指揮調度系統可與PSTN、PLMN和其他集群系統等進行語音業務的互聯互通。

4　技術對比

無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統是基于我國主導的4G標準之一TD-LTE技術進行研制研發的。

4.1與FDD LTE技術比較

LTE TDD在幀結構、物理層技術、無線資源配置等方面具有自己獨特的技術特點，與 LTE FDD相比，主要區別在于雙工方式。TDD LTE使用時間來區分發送和接收信道，FDD LTE使用兩個對稱頻率來區分發送和接收信道。

TD LTE雙工方式的工作特點使其具有如下特有優勢:

（1）頻譜靈活

頻段資源是無線通信中最寶貴的資源，隨著移動通信的發展，多媒體業務對于頻譜的需求日益增加，能夠高效利用頻譜資源是無線技術發展的重中之重。FDD雙工方式占用了大量的頻段資源，同時，一些零散頻譜資源由于FDD不能使用而閑置，造成了頻譜浪費。而TD LTE通過時隙來區分上下行信道，不需要成對的頻率資源。可以方便地配置TD LTE系統在不常使用的零散頻段上進行工作，具有更高的頻譜靈活性，能夠有效地提高頻譜利用率。

（2）支持非對稱業務

隨著移動通信系統的發展，在傳統語音業務的基礎上，數據和多媒體業務的需求越來越多，而且數據和多媒體業務通常具有上下行不對稱的特點。TD LTE系統在支持不對稱業務的方面具有較大的靈活性。對于文件傳輸、視頻點播等業務，下行數據量明顯大于上行數據量；對于視頻監控、圖片上傳等業務，上行數據量明顯大于下行數據量。

根據TD LTE幀結構的特點，系統可以根據業務類型靈活配置TD LTE幀的上下行配比。在LTE FDD系統中，非對稱業務的實現對上行信道資源存在一定的浪費，必須采用高速分組接入（HSPA）、EV-DO和廣播/組播等技術。相對于LTE FDD系統，LTE TDD系統能夠更好地支持不同類型的業務，不會造成資源的浪費。對于城市應急聯動、減災救災等方面，有較多的視頻監控、視頻上傳、圖片上傳等業務需求，通常需要更高的上行帶寬。TD LTE靈活的子幀配比特點，使其更適合無線政務領域的集群應用而不會造成頻譜浪費。

4.2與TD LTE公網技術比較

鼎橋寬帶多媒體數字集群指揮調度系統是基于TD LTE公網技術的一種創新型通信系統。在TD LTE公網技術的基礎上做了大量的優化和創新，融合了專業集群功能，具有專業集群通信性能、高吞吐量、高可靠性和實時性數據傳輸性能。寬帶多媒體數字集群系統在保證上行能力、信令優化、時延、Qos保障、終端定制等方面與公網比較具有明顯的優勢。

（1）優先上行業務配比

根據TD LTE的幀結構特點，系統可以根據業務類型靈活配置TD LTE幀的上下行配比。對于無線政務領域，寬帶集群專網可設置為3:1，大大增強上行傳輸能力，而公網都是由下行設定的。

（2）語音與多媒體并發

寬帶多媒體集群指揮調度系統在語音、短數據等基本業務的基礎上，增加了現場視頻、高速數據傳輸等功能。本系統群組的下行傳送使用單小區組播技術實現下行數據共享資源，同時QoS業務定義可包含信令、群組主講語音、GPS定位數據、視頻上傳等不同業務，而不同業務對應獨立的邏輯信道，業務優先級可以按照行業需求定制，實現業務并發。而公網不具備這類業務并發的優化功能。

（3）針對行業用戶及網絡的功能優化

針對行業用戶，本系統具備可調度性、可靠性、安全性等特點。比如用戶、群組和業務優先級的管理完善，公網在這方面相對較弱。在可靠性方面，本系統有獨特的功能，比如終端的脫網直通DMO功能、基站的故障單站模式等，保障了終端、基站在特殊情況下仍能一定程度保證網絡運行。此外，本系統可保證通信的有效加密，而公網在針對性加密功能方面也相對較弱。

（4）支持專業化的行業終端

公網終端針對普通消費者，更注重私人化使用功能。而寬帶集群系統可以提供智能手持、CPE、車載臺等終端。專網終端在可靠性方面大大提升，支持IP67的防護等級，且終端可以針對行業客戶特殊需求進行定制或二次開發，最大化滿足行業客戶需求。

4.3與現有集群技術比較

（1）與Tetra技術的比較

目前相對主流的集群技術Tetra是典型的窄帶系統，信道容量小，數據能力太弱是其致命的弱點，無法支持視頻調度及并發等多媒體業務。而客戶目前對于寬帶數據的需求越來越強烈，包括政務、公安等專業客戶。寬帶集群可支持豐富的視頻業務功能，例如視頻監控、視頻點呼、視頻分發、視頻與語音的并發等。

而對于Tetra+LTE技術的解決方案，雖然對有寬帶數據需求的客戶有一定的吸引力，但是新增市場需要同時部署兩張網絡，運營和建設成本都比較高，而且客戶需攜帶兩部終端來同時滿足語音和數據業務的需求，使用不方便，成本也比較高。

（2）與GOTA技術的比較

GOTA是非主流窄帶集群制式，容量小，基于CDMA技術，雖數據帶寬能力相對Tetra有所提升。但數據能力遠遜于LTE，無法支持視頻業務需求，同時集群性能來說還達不到專業集群的要求，如組呼時延指標等，更不能提供寬帶數據和視頻等業務。而TD-LTE寬帶多媒體系統在寬帶集群業務性能、寬帶集群容量、數據帶寬等方面遠優于GOTA技術。

5　系統應用

無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統可由地面基站聯網建設或單基站裝車使用。地面網絡設計與建設遵循分級調度、屬地管理的原則，可在省政府設置省級調度系統，負責全省用戶的指揮調度；在省中心設置省級核心網和省級網管系統，負責跨地市業務的匯接和全網網元的管理；在各地市設置地市級核心網，負責交換本地轄區內的用戶和業務，在各地市政府設置調度臺和網管，負責本地市用戶的指揮調度。寬帶集群通信車裝備車載核心網系統、基站系統和衛星傳輸等設備，平時可作為地面網絡的補充，當地面網絡發生故障時，可替代核心網或部分基站接入用戶。采用衛星方式傳輸時，在衛星地面站落地，可與指揮中心聯網，實現應急保障，如圖2所示。

6　結論

目前國內外對于提供專業集群語音和寬帶的解決方案，一般做法是建設兩張網絡，一張集群語音網和一張數據網。寬帶多媒體數字集群指揮調度系統填補國內外空白，一張網絡提供專業集群語音和視頻多媒體寬帶業務，有利于擴大我國技術、標準在國際上的影響力。

寬帶多媒體數字集群指揮調度系統在公安、消防、政務等領域都有著豐富的應用場景。其高帶寬、低時延、易部署的特點，實現了移動應急通信系統寬帶化，并適合作為物聯網網絡的載體，建設一個統一的網絡平臺，有利于物聯網技術的發展和物聯網應用的推廣。

寬帶多媒體數字集群指揮調度系統是對傳統數字集群系統的一種創新，能夠促進數字集群系統從 “聽到見”向 “看得清”發展，能夠豐富數字集群系統的應用場景，促進數字集群系統從窄帶系統向寬帶系統演進。

圖2　無線寬帶多媒體數字集群指揮調度系統Fig.2 Application scenarios of wireless boadband multi-media and digital trunking

［1］ 3GPP TR 25.913：requirements for evolved UTRA（EUTRA）and evolved UTRAN（E-UTRAN）（V8.0）［EB/OL］. http：//www.tech-invite.com/3m25/tinv-3gpp-25-913.html.

［2］ 鄭祖輝.數字集群移動通信系統［M］.北京：電子工業出版社，2005. ZHENG Zu-hui.Mobile communication system of digital trunking［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2005.

［3］ 吳偉陵，牛凱.移動通信原理［M］.北京：電子工業出版社，2006. WU Wei-ling，NIU Kai.Principle of mobile communication ［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2006.

［4］ 李世鶴，楊運年.TD-SCDMA第三代移動通信系統［M］.北京：人民郵電出版社，2009. LI Shi-he，YANG Yun-nian.TD-SCDMA—3rdgeneration mobile communication system［M］.Beijing：Posts and Telecommunications Press，2009.

［5］ Erik Dahlman，Stefan Parkvall，et al.3G evolution：HSPA and LTE for mobile broadband（2nd）［M］.Oxford，Academic Press，2008.

［6］ IST-2003-507581，WINNER D2.7 Ver 1.0：assessment of advanced beamforming and MIMO technologies［EB/OL］.http：//www.docin.com/p-937731460.html.

Scheduling Command System of Wireless Broadband Multi-media and Digital Trunking

ZHAO Shu-lun1，YANG Chun-xiang1，ZHOU Shao-wei2
（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039；2.TD Tech Ltd，Beijing 100102）

Aiming at the scheduling command system of video and audio on the spot of the large incident，the scheduling command system of wireless broadband multi-media and digital trunking（SWBMDT）is illuminated in the text.Specifically introduce this system technical principle，the business types of this system bring about，the technique comparison between this system and the other system and the application scene of this system.At last，it is referred that the application prospect of SWBMDT.

wireless broadband；mobile communication；digital trunking；scheduling command system

TN92

A

1674-5558（2016）01-01243

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.006

2016-02-29

趙書倫，男，副總工程師，研究方向為應急通信。