譚學(xué)治+孟維曉

譚學(xué)治

哈爾濱工業(yè)大學(xué)

教授/博士生導(dǎo)師

通信技術(shù)研究所副所長

國家科技重大專項(xiàng)BWT總體技術(shù)組組長

孟維曉

哈爾濱工業(yè)大學(xué)

教授/博士生導(dǎo)師

通信技術(shù)研究所移動(dòng)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(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字集群技術(shù)也呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)寬帶化、業(yè)務(wù)多樣化、終端多模化和系統(tǒng)IP 化的發(fā)展趨勢。介紹了在國家科技重大專項(xiàng)支持下我國開展的寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)的研究情況，包括系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，信令接口、支持業(yè)務(wù)和關(guān)鍵技術(shù)等。具備多模兼容的寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)將有希望成為未來集群通信寬帶化的主導(dǎo)體制。

【關(guān)鍵詞】

集群通信 寬帶無線多媒體集群 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 多模融合

1 引言

自上世紀(jì)90年代以來，傳統(tǒng)窄帶數(shù)字集群技術(shù)體制，如TETRA，Project25等，為公共安全、交通運(yùn)輸、石油化工等行業(yè)提供了安全、可靠和穩(wěn)定的通信保障，顯著地改善了其通信能力。然而，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，各行各業(yè)的工作方式發(fā)生了改變，對(duì)寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)如圖像、視頻傳輸?shù)鹊男枨笠踩找鎻?qiáng)烈。此外，在緊急情況下，移動(dòng)通信系統(tǒng)還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨機(jī)構(gòu)、跨區(qū)域的無縫對(duì)接，即優(yōu)良的互操作性，從而更好地為行業(yè)服務(wù)。國外主要專業(yè)通信設(shè)備研發(fā)廠商對(duì)專業(yè)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)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(shù)優(yōu)勢的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，旨在將4G技術(shù)與集群通信技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展專業(yè)寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，大大推動(dòng)了專業(yè)寬帶移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步。

寬帶多媒體集群系統(tǒng)在這樣的迫切的應(yīng)用需求下得以發(fā)展。從2006年開始，寬帶無線多媒體系統(tǒng)的研究被列為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中確定的16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一的“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”課題的一個(gè)主要研究方向。針對(duì)多種特殊行業(yè)的應(yīng)用需求，結(jié)合我國的實(shí)際國情，產(chǎn)學(xué)研三方面相結(jié)合，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的具有中速、高速和超高三種模式融合、并且可控可管特點(diǎn)的寬帶無線多媒體集群（Broadband Wireless Trunking，BWT）系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)我國無線多媒體集群系統(tǒng)的發(fā)展具有明確和深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

2 寬帶多媒體集群系統(tǒng)框架

主要建設(shè)思想是基于大區(qū)制的語音通信和建網(wǎng)成本應(yīng)該是專網(wǎng)發(fā)展的主要因素，同時(shí)為了保證在一些地區(qū)和特定地點(diǎn)對(duì)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，提出寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)是一個(gè)多種接入模式的寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)架構(gòu)，支持包括具有中低速、高速、超高速等多種寬帶技術(shù)的接入，從而實(shí)現(xiàn)融合體系架構(gòu)下集群調(diào)度、圖像、視頻以及分組數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、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(tǒng)由四個(gè)部分組成，包括：終端、無線接入子系統(tǒng)、交換控制平臺(tái)、調(diào)度應(yīng)用平臺(tái)，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(shù)，以及與其他數(shù)字集群系統(tǒng)、PSTN網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和空天系統(tǒng)的互聯(lián)互通。終端是系統(tǒng)用戶可以直接操作的設(shè)備，提供與系統(tǒng)交互信息的能力。由于系統(tǒng)支持多種接入模式，其終端設(shè)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(tǒng)相連。

無線接入子系統(tǒng)（RAN）通過空中接口與終端建立通信，實(shí)現(xiàn)空口控制和傳輸、無線資源的管理、系統(tǒng)設(shè)備的操作維護(hù)等功能。寬帶無線集群系統(tǒng)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(qū)制組網(wǎng)；通過可重構(gòu)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)窄帶集群系統(tǒng)的兼容，向?qū)拵Щ交^渡；由于國外的TETRA數(shù)字集群存在建網(wǎng)和維護(hù)成本高、信息安全無法保障、無法從現(xiàn)有模擬集群網(wǎng)平滑升級(jí)等缺點(diǎn)，我國公安部牽頭制訂了我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PDT警用數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)。PDT標(biāo)準(zhǔn)具有通話保密性高、擴(kuò)展應(yīng)用能力強(qiáng)、數(shù)模兼容、建網(wǎng)和運(yùn)營維護(hù)成本低等優(yōu)勢，能有效滿足公共安全和公用事業(yè)用戶專業(yè)無線通信建網(wǎng)需求。特別是PDT數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)采用了大區(qū)制的技術(shù)體制，可以實(shí)現(xiàn)由原有MPT模擬集群系統(tǒng)的平滑升級(jí)，能有效保護(hù)前期大量的MPT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，節(jié)省建網(wǎng)和維護(hù)成本。該標(biāo)準(zhǔn)未來有望成為與我國國情相似的廣大發(fā)展中國家的主流建網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。因此寬帶無線集群系統(tǒng)方案中中低速的部分采用了基于PDT標(biāo)準(zhǔn)的方案。通過基站自組網(wǎng)、終端脫網(wǎng)直通等多種方式提高系統(tǒng)的抗毀性和可靠性；通過自適應(yīng)鏈路技術(shù)、頻率資源動(dòng)態(tài)分配技術(shù)、終端多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)、隨機(jī)接入碰撞避免算法等來保證多媒體業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)。中低速模式支持最高500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，提供語音、圖像及壓縮視頻等中速數(shù)據(jù)傳輸，適合應(yīng)用于公共安全、交通運(yùn)輸、石油化工等多個(gè)行業(yè)用戶領(lǐng)域。圖4列出來BWT中低速接入的優(yōu)勢和空中接口。

2.2 高速模式

高速模式覆蓋范圍應(yīng)介于中速與超高速之間，兼容中速模式，與中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的區(qū)別在于支持普清視頻以及高清圖像業(yè)務(wù)的雙向傳輸。高速模式采用5MHz帶寬支持25Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)、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(shù)。圖5列出了高速模式的特點(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)，采用5～20MHz帶寬，最高支持100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，兼容其他速度模式。超高速模式支持標(biāo)清視頻業(yè)務(wù)的傳輸，采用頻譜感知、頻譜聚合、分集接收、MIMO、協(xié)作通信、自適應(yīng)資源分配、自適應(yīng)傳輸策略以及MAC層的隨機(jī)接入退避等技術(shù)。

交換控制平臺(tái)包括交換控制中心、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)和注冊數(shù)據(jù)服務(wù)器三個(gè)部分，主要提供移動(dòng)性管理、業(yè)務(wù)交換、系統(tǒng)互連和用戶信息管理等功能。采用統(tǒng)一的Ta接口實(shí)現(xiàn)與RAN信息交互；采用統(tǒng)一的D接口實(shí)現(xiàn)與調(diào)度控制平臺(tái)信息交互；采用統(tǒng)一的R接口實(shí)現(xiàn)與注冊數(shù)據(jù)服務(wù)器的信息交互。endprint

調(diào)度應(yīng)用平臺(tái)包括調(diào)度臺(tái)、錄音/錄像服務(wù)器、安全服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。其中，應(yīng)用服務(wù)器ApS對(duì)外提供IP通道，是可授權(quán)第三方進(jìn)行二次應(yīng)用開發(fā)的接口。圖6列舉了超高速模式的特點(diǎn)。

圖6 超高速空中接口

3 寬帶多媒體集群系統(tǒng)新增業(yè)務(wù)與功能

在兼?zhèn)淙總鹘y(tǒng)集群通信功能（諸如單呼、組呼、緊急呼叫和動(dòng)態(tài)重組等）的基礎(chǔ)上，寬帶多媒體集群系統(tǒng)新增業(yè)務(wù)與功能主要有：

（1）可視單呼：兩個(gè)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(duì)方語音又可看到對(duì)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(diào)度臺(tái)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?？梢暯M呼分為：

方式1：移動(dòng)用戶和調(diào)度臺(tái)等具有可視組呼權(quán)限的用戶可發(fā)起可視組呼，相當(dāng)于同時(shí)建立語音和視頻兩種媒體流的組呼業(yè)務(wù)；

方式2：業(yè)務(wù)以用戶分組為單位進(jìn)行，呼叫控制權(quán)分為話權(quán)和視頻控制權(quán)，在一次會(huì)話中，話權(quán)的處理與語音組呼一致，視頻控制權(quán)由特定用戶（可以是調(diào)度員、指揮員或調(diào)度用戶）控制，可發(fā)起針對(duì)組內(nèi)一個(gè)或一個(gè)以上終端的視頻上傳、視頻分發(fā)的操作，通常情況下，組內(nèi)的終端只上傳視頻或只瀏覽視頻。

（3）實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)：寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)允許終端之間傳送一些以預(yù)定義或者原始數(shù)據(jù)格式定義的消息，系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)功能。一個(gè)終端能夠向另一個(gè)終端發(fā)送短數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求收到短數(shù)據(jù)的終端立即回復(fù)確認(rèn)消息，延時(shí)在百毫秒以內(nèi)。

（4）訂閱：寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)應(yīng)支持狀態(tài)監(jiān)控功能。調(diào)度臺(tái)訂閱內(nèi)容包括在線通話狀態(tài)信息、用戶狀態(tài)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(tài)信息。當(dāng)所訂閱的狀態(tài)信息發(fā)生變化后，調(diào)度臺(tái)應(yīng)當(dāng)立刻收到更新后的狀態(tài)信息。

（5）多重速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)支持基本的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)根據(jù)需要和空中接口能力，支持從500kbps至100Mbps范圍內(nèi)的安全可控、可管的多重?cái)?shù)據(jù)傳輸通道。

4 寬帶多媒體集群系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于TD-LTE的頻譜聚合研究

TD-LTE對(duì)頻譜利用已接近理論的上限，專網(wǎng)系統(tǒng)若要獲得完整的一段20MHz的最大系統(tǒng)帶寬，并達(dá)到100Mbps的最高峰值速率基本是不現(xiàn)實(shí)的，因而采用合理的技術(shù)拓寬傳輸帶寬是未來專用移動(dòng)通信發(fā)展的必然趨勢。然而現(xiàn)今緊俏的頻譜資源很難提供新的連續(xù)的寬帶頻譜。因此，載波聚合技術(shù)成為擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬的必然方式。

4.2 SIP協(xié)議的理論研究

根據(jù)BWT項(xiàng)目的需求，對(duì)SIP協(xié)議的系統(tǒng)架構(gòu)和消息語法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中集群調(diào)度臺(tái)的SIP模塊，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了驗(yàn)證。在考慮可靠重傳機(jī)制的條件下分別推導(dǎo)了基于不同的傳輸層承載的SIP會(huì)話建立時(shí)延公式，并據(jù)此進(jìn)行了時(shí)延優(yōu)化的分析，提出了帶預(yù)處理的LZSS結(jié)合霍夫曼壓縮算法，能夠有效的壓縮SIP信息，降低時(shí)延。

4.3 廣域組網(wǎng)方法研究

由于專網(wǎng)大多是大區(qū)制，所以廣域組網(wǎng)方法非常重要。研究表明：機(jī)會(huì)路由相比于多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)路由協(xié)議，更加適應(yīng)無線信道的特性，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院投说蕉说耐掏铝俊?/p>

5 結(jié)論

寬帶多媒體集群系統(tǒng)是在國家科技重大專項(xiàng)的支持下，經(jīng)過寬帶多媒體集群系統(tǒng)總體組和各個(gè)項(xiàng)目參與企業(yè)、研究院所和高校的不懈努力，已經(jīng)完成了第一階段的技術(shù)驗(yàn)證樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)化工作，今后將逐步在行業(yè)中應(yīng)用推廣。endprint