［徐維開 趙志鵬 周偉］

VHF無線鏈路中雙工話音調(diào)度的設計與實現(xiàn)

［徐維開 趙志鵬 周偉］

傳統(tǒng)的PSTN話音網(wǎng)與超短波話音網(wǎng)相互獨立。從實際應用出發(fā)，設計了有線話音和VHF話音融合通信的指揮調(diào)度系統(tǒng)。對64kbit/s的PCM語音進行壓縮編碼和信令轉換，使其在VHF鏈路中實現(xiàn)話音的雙工傳輸和信令控制。并采取多項關鍵技術提升融合通信中話音質(zhì)量，保證VHF移動通信條件下雙工話音調(diào)度系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

PSTN話音網(wǎng) 指揮調(diào)度系統(tǒng) VHF鏈路 融合通信 雙工話音

徐維開

工程師，中國電子科技集團公司第三十四研究所，主要研究方向：光通信技術設計、通信系統(tǒng)集成設計。

趙志鵬

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

周偉

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

1 引言

隨著電子通信技術的不斷發(fā)展，目前的話音調(diào)度系統(tǒng)不再像傳統(tǒng)PSTN 網(wǎng)絡那樣受到單一線路的限制，PSTN、IP網(wǎng)絡、GSM、CDMA等多種通信系統(tǒng)的共存使得系統(tǒng)有多種線路的選擇，通過各種通信系統(tǒng)的聯(lián)合應用，調(diào)度系統(tǒng)可以實現(xiàn)統(tǒng)一聯(lián)動調(diào)度，能夠在各種異構網(wǎng)絡之間進行良好互通［1］。

超短波作為無線通信中的一種通信手段，其通信頻率為30～300MHz，也稱甚高頻（VHF），VHF以其通信頻帶寬、質(zhì)量好的特點，常被用于艦載、機載等中短距離的語音、數(shù)據(jù)通信，傳統(tǒng)的VHF電臺為半雙工話音，傳輸速率為2400bit/s或1200bit/s聲碼話。

本文針對目前成熟的PSTN調(diào)度系統(tǒng)與VHF話音網(wǎng)的融合通信進行研究與設計，

實現(xiàn)了VHF鏈路中雙工話音的點呼與調(diào)度，滿足了某地只有VHF無線通信移動部署條件下的指揮調(diào)度需求，對保證話音指揮調(diào)度網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有特殊的意義。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)設計需求

話音調(diào)度系統(tǒng)物理上由中心、基站、終端組成，中心和各基站間鋪設有線鏈路（具備E1的接入和傳輸），基站和各移動終端之間采用VHF無線通信。如圖1 所示，PSTN話音網(wǎng)和VHF話音網(wǎng)原本相互獨立，中心和基站間可實現(xiàn)有線話音的雙工通話和調(diào)度，基站和終端由VHF話音網(wǎng)實現(xiàn)半雙工聲碼話指揮調(diào)度。

根據(jù)系統(tǒng)使用需求，中心、各基站、各終端之間均配備二線話機和調(diào)度臺，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)任意兩點間的雙工通話和調(diào)度。

2.2 硬件互連設計

為了要完成有線話音和VHF話音融合通信的設計要求，需要將原本獨立的兩個話音網(wǎng)在硬件上互連。在本系統(tǒng)中，中心、各基站部署了話音調(diào)度設備（簡稱PBX），通過E1互連，可實現(xiàn)話音單呼、組呼、全呼、強拆、強插、代答、監(jiān)聽、保持、轉接、錄音等多種功能。

基站與終端的PBX之間只有VHF無線網(wǎng)，為了要完成統(tǒng)一的話音融合通信，邏輯上也是通過E1互連的，在本系統(tǒng)中設計了通信控制器（簡稱INC），用來連接PSTN網(wǎng)和VHF話音網(wǎng)。INC的作用就是通過信令的識別、透傳，實現(xiàn)電臺網(wǎng)傳輸?shù)耐该鞣庋b，為異構網(wǎng)絡提供設備互聯(lián)、業(yè)務適配、信息交換、綜合組網(wǎng)、路由優(yōu)選等功能。圖1 為本系統(tǒng)的硬件連接及信號流程關系圖。

圖1 調(diào)度系統(tǒng)硬件組成及信號流程示意圖

2.3 新技術設計

圖1實現(xiàn)了有線話音網(wǎng)和無線話音網(wǎng)物理上的連接，但要讓兩個通信系統(tǒng)融合在一起實現(xiàn)基于VHF鏈路的雙工話音調(diào)度，需在傳統(tǒng)的通信產(chǎn)品的基礎上開發(fā)相應的新技術來滿足系統(tǒng)的組網(wǎng)需求。

從圖1可以看出，E1的連接分為兩種：一種是中心和基站間PBX之間的連接，每個E1中的16時隙負責傳送兩個話路的線路信令，即中國1號信令［2］；另一種是基站PBX和INC之間的E1連接，需設計一套基于VHF鏈路中傳輸?shù)腅1專用話音信令，除了話音交互還加入了對VHF鏈路的開啟、關閉的控制。

針對VHF信道傳輸帶寬受限，需要對64kbit/s的PCM編碼進行轉換，系統(tǒng)的INC設計新的話音編碼技術以適合在VHF電臺中傳輸。此外，還需要解決VHF電臺中采用新的時分復用方式滿足多路數(shù)據(jù)和話音同傳、如何在無線系統(tǒng)中保證話音質(zhì)量、移動終端在不同基站覆蓋范圍內(nèi)的越區(qū)切換等諸多技術問題，下文將針對上述技術作簡要分析。

3 關鍵技術解析

3.1 VHF鏈路雙工話音和數(shù)據(jù)同傳技術

在本文介紹的通信調(diào)度系統(tǒng)中，結合VHF的傳輸能力和通信距離要求，每個基站的VHF鏈路能支持4路雙工話音和4路數(shù)據(jù)的同時傳輸。由此，在VHF鏈路中采用數(shù)據(jù)時隙與話音時隙復用的TDMA方式［3］，即當沒有話音傳輸時，可進行數(shù)據(jù)的傳輸，具體時隙設計如圖2 所示。

其中Vu1為第一路的上行話音時隙，Vd1為第一路的下行話音時隙，Du1為第一路的上行數(shù)據(jù)時隙，Dd1為第一路的下行數(shù)據(jù)時隙，Vu2/Vd2…Du4/Dd4時隙設計可依次類推。當VHF鏈路傳輸速率為19.2kbit/s時，則一部VHF電臺在完成4路1200bit/s雙工話傳輸?shù)耐瑫r，也可傳輸1.2～9.6kbit/s的上下行短報文的數(shù)據(jù)。

3.2 話音編碼轉換技術

圖2 4路雙工話/數(shù)據(jù)同傳的時隙設計

PSTN話音網(wǎng)中用于傳輸交換的話音編碼為64kbit/s的PCM編碼［4］，VHF電臺使用的聲碼話速率為2400bit/s甚至更低的1200bit/s。為了實現(xiàn)雙工話音在VHF鏈路中傳輸，必須在兩種通信系統(tǒng)間對話音的編碼方式進行轉變，在VHF窄帶數(shù)字通信中，采用線性預測編碼（LPC）技術，由于其計算量小，存儲效率高，對話音保密、話音抗干擾、保證話音質(zhì)量方面具有良好的效果［6］。

話音編碼轉換原理如圖3 所示，INC與PBX通過E1接口互聯(lián)，INC與VHF電臺通過K口互聯(lián)，INC將PCM編碼轉換為用于VHF電臺傳輸?shù)腖PC語音編碼；同時也將LPC語音編碼還原為用于PBX傳輸?shù)腜CM編碼。

圖3 話音編碼轉換原理

3.3 E1專用信令技術

在本系統(tǒng)中，基站和終端的PBX與INC之間通過E1接口互連，由于VHF鏈路的傳輸帶寬有限、傳輸時延較大，無法使用如1號信令（SS1）、7號信令（SS7）等標準數(shù)字中繼信令，所以在設計時采用了E1專用信令用于VHF信道話音控制信息的交互，通過E1接口第16時隙中的HDLC通道進行傳輸，E1專用信令定義了3種類型信令。E1專用信令定義了3種類型信令：接入狀態(tài)信令（INC發(fā)起）、透傳信令（PBX發(fā)起）、通道控制信令（PBX發(fā)起），其傳輸流程如圖4 所示。

（1）接入狀態(tài)信令

接入狀態(tài)信令由基站INC發(fā)起，基站INC根據(jù)當前終端VHF的入網(wǎng)情況向基站PBX發(fā)出是否“允許連接”信令，如基站VHF通道時隙已被完全占用則通知基站INC當前無可用時隙，待某個終端VHF從基站VHF退網(wǎng)有空閑時隙后，再為之前入網(wǎng)的從站VHF分配主站VHF時隙。通過上述隨機分配原則自動為從站VHF分配主站VHF的時隙而無需人工干預。

（2）通道控制信令

通道控制信令由PBX發(fā)起，在呼叫發(fā)起即“建立連接請求”階段由PBX根據(jù)VHF當前時隙使用情況，向INC發(fā)出打開VHF時隙控制信令，INC收到該信令后通過K接口控制VHF打開對應時隙，從而使VHF進行全雙工話音數(shù)據(jù)傳輸。反之，在呼叫結束即“撤銷連接請求”階段由PBX向INC發(fā)出關閉VHF時隙控制信令，INC收到該信令后通過K接口控制VHF關閉對應時隙結束話音數(shù)據(jù)傳輸。

（3）透傳信令

由于VHF無線鏈路傳輸帶寬的限制，本系統(tǒng)中設計的E1專用信令在標準1號信令的基礎上進行了精簡，保留了傳輸如主/被叫號碼、摘/掛機和被叫忙等信令?；綪BX會向所屬的所有終端VHF廣播該透傳信令，終端PBX比較透傳信令中的被叫號碼字冠是否與本地局號相同，相同則回復應答信令，不同則不做處理。反之終端VHF只會向主站VHF發(fā)出透傳信令而不會向其余終端VHF廣播，基站PBX收到信令后直接回復應答信令。

3.4 終端與不同基站間越區(qū)切換技術

根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)在使用中實際情況，各終端具備移動性，有可能從一個基站的覆蓋范圍切換到另一個基站覆蓋范圍，這就要解決越區(qū)切換的問題，即終端從原基站退網(wǎng)、重新接入新基站入網(wǎng)的問題［7］。

（1）切換時機

基站的INC擇機循環(huán)發(fā)送終端設備離開基站的狀態(tài)信息（該信息含有終端設備的唯一ID號）給PBX，PBX收到狀態(tài)信息后向INC應答，INC收到應答信息后停發(fā)退網(wǎng)信息。此時基站的PBX除更新自己的組網(wǎng)拓撲關系外，還要向基站的INC發(fā)送刪除原來拓撲關系的信息，同時基站的PBX通過以太網(wǎng)控制管理接口向中心的PBX發(fā)送組網(wǎng)拓撲關系更新信息，中心的PBX收到更新信息后自動更新自己的拓撲關系。

（2）重新入網(wǎng)參數(shù)

當終端進入另一個基站的覆蓋范圍內(nèi)時，基站的INC循環(huán)發(fā)送終端設備進入基站的狀態(tài)信息（該信息含有終端設備的唯一ID號）給PBX，PBX收到入網(wǎng)信息后向INC進行應答，INC收到應答信息后停發(fā)入網(wǎng)信息。此時基站的PBX更新組網(wǎng)拓撲關系，同時通過以太網(wǎng)控制管理接口向中心的PBX發(fā)送組網(wǎng)拓撲關系更新信息，中心的PBX收到更新信息后自動更新組網(wǎng)拓撲關系。

圖4 E1專用信令傳輸流程

（3）切換流程

當終端移動到跨區(qū)切換點時，終端中心PBX下發(fā)的跨區(qū)切換指令，進行切換；終端更改超短波電臺的頻表和網(wǎng)號，待終端與新接入基站組網(wǎng)后，終端、基站的通信控制器與中心網(wǎng)絡設備之間進行動態(tài)路由交互，路由收斂后，各終端的PBX設備之間完成信令交互并更新話音注冊表，完成跨區(qū)切換。

3.5 回波抵消技術

由于話音在VHF鏈路中存在一定的傳輸延時，在近端PBX側2/4線混合線圈產(chǎn)生的回音（也稱回波、回聲）超過了人耳能忍受的范圍，將使遠端用戶難以承受。因此本系統(tǒng)各節(jié)點的PBX的設計需增加回波消除電路，以有效消除線路中的回音［5］。

PBX設備采用一款帶32個獨立通道的語音回波抵消芯片?；夭ǖ窒娐吩砣鐖D5所示。本端接收的話音信號Rin，通過一個特別設計的濾波器，可實現(xiàn)回波路徑的測量，使得濾波器能夠?qū)崟r計算出回波估值，然后在發(fā)送路徑上Sin自適應地減去該估值，對于Sout來說，只有本端的話音被發(fā)送到遠端，于是回波就消除了。其特點是近端安裝回波抵消電路則遠端用戶受益，遠端安裝回波抵消電路則近端用戶受益［6］。

圖5 話音回波抵消原理

4 結束語

本文設計的基于PSTN和VHF鏈路的話音調(diào)度系統(tǒng)，不增加通信設備，只是在既有的通信設備上開發(fā)相應的新技術，使該調(diào)度系統(tǒng)不論在使用靈活性、成本上都具有很大的優(yōu)勢。既滿足了調(diào)度系統(tǒng)在異構網(wǎng)絡之間良好的融合通信，又能夠在VHF頻段下展開指揮調(diào)度的移動部署，實現(xiàn)了跨區(qū)域和行業(yè)部門機構的統(tǒng)一聯(lián)動指揮，同時具備良好的保密和安全性能?？蓮V泛應用到部隊、公安、武警、人防、消防、廣電、鐵路等使用VHF移動電臺通信的中短距離、指揮調(diào)度或機動性較強的指揮通信任務。

1 明久強.基于SIP的語音調(diào)度系統(tǒng)的研究與設計.華中科技大學 2009

2 郭詮水等.通信設備接口協(xié)議手冊.人民郵電出版社 2005王虔.VHF跳頻自組網(wǎng)時隙分配協(xié)議研究.電子科技大學2010

3 劉穎等.同步數(shù)字傳輸技術.科學出版社 2012

4 丁世杰.衛(wèi)星通信系統(tǒng)群路回音消除器方案設計與實現(xiàn).無線電通信技術 2003

5 袁三男等.基于ZL38003的回波抑制器的設計和實現(xiàn).上海電力學院學報 2008

6 李瑩等.VHF/UHF空地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)越區(qū)切換設計.電視技術 2008

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.08.016

2016-07-24）