基于移动通信网的集群通信设计与实现

刘军辉, 李 彤

（装甲兵工程学院信息工程系, 北京 100072）

0 引言

随着社会活动和经济活动的节奏加快和范围扩大以及相应信息传输量的剧增，许多团体和机构对可用于广域调度指挥的集群通信网络需求也日益剧增，这些需要为我国发展集群通信网络提供了广阔的应用前景。集群通信系统是由电信运营商统一建设和运营的数字集群网络，通过丰富的网络业务功能和 VPN（虚拟专网）能力为政府部门、企事业单位等集团用户提供资源共享、高效能、专业化可靠通信服务。基于移动通信网络的集群通信系统具有共用频道和信道、共享覆盖区域、资源利用率高、平均成本低廉、能保证更好的网络覆盖和运营质量、可持续发展能力强等诸多优点，有较好的应用前景和发展潜力[1]。

本文提出了一种基于GPRS/CDMA网络的通信电台系统的设计和实现方法，它依托移动基站，在电台终端中插入手机SIM卡就为用户建立了全国范围内集群电台通信系统。由于上网SIM卡的资费含漫游在内多采用包月方式计费，所以利用移动数据信道承载的PoC集群通信方式可以进行跨区域长时间通话，较手机或租用集群网络能节省费用，可以满足那些需要跨地区组建集群通信网络的应用，也可作为具有无线互联网特征的3G网络的特色业务推广应用。

1 系统总体设计方案

系统组成。基于移动数据通道的电台通信系统由中心处理系统和 PoC(Push to Talk Over Cellular Network)终端组成，二者通过 Internet网络进行连接，系统组成如图 1所示。

图1 系统组成

系统功能。PoC集群通信系统具有如下基本功能：对PoC终端进行签权认证；支持多集群，多话务台（可以支持 50话务群分组）；可以通过话务台设置集群分组；支持 PoC终端与话务员热线通话服务，支持话务员广播和插播通话；支持群组内的一对一私密通话、一对多群组通话；支持PoC终端的参数远程设置和修改；可以设置PoC终端用户的优先级，并支持根据用户的优先级使用强插强拆的功能；可以系统寻呼（广播）、群组寻呼（广播）。

2 中心处理系统组成

中心处理系统由用户鉴权子系统、呼叫控制子系统、PoC交换子系统、话务台子系统和后台监控子系统组成，软件结构如图2所示。

图2 中心处理系统软件结构

PoC终端与中心处理系统通过Internet网络进行连接，PoC终端开机后开始登陆中心系统，中心系统根据终端的请求进行鉴权认证和呼叫控制等操作。

鉴权子系统。每个PoC终端按照移动网络分配的IP地址和终端的ID号码唯一标识。PoC终端开机后，通过GPRS网络或 CDMA网络向中心服务器发送登陆申请，中心处理系统通过分析PoC终端发送的登陆信息后，对PoC终端用户进行鉴权认证，只有那些授权PoC用户才能完成系统登陆。PoC用户登陆后，中心处理系统的交换子系统就将该用户加入到他所属群组中，开始向该用户发送它所属群组的通话数据。

呼叫控制子系统。PoC终端呼叫的发起由终端按压 PTT（Push-To-Talk）键两次发起，系统接收到终端的呼叫申请后，按照优先级排队方法分配给终端讲话权，并发送信令给对应的PoC终端，该终端在听到允许说话的指令后（声音提示）按压PTT键讲话，松开PTT键后听到呼叫控制系统发布的结束通话提示音后结束本次讲话过程。针对在一个集群通信系统中会同时存在多个并发呼叫的情况，采用优先级排队方式处理群组内部的并发呼叫，且一个时段仅仅能够允许一个PoC终端进行讲话。为了实现PoC终端的调度和参数设置，设计了PoC终端直接呼叫话务员的通道，PoC终端可以和话务员一对一通话，用于请求群组调度和动态分组调度。

语音交换子系统。获得说话权限的 PoC终端通过Internet网络将压缩的语音数据包发送给中心处理系统的交换子系统，交换子系统按照该PoC终端所属群组将该PoC终端的话音数据包广播发给群组的所有PoC终端，使群组内的终端都听到该终端的讲话。交换子系统支持群组内通话，一对一保密通话，话务员热线、点播和广播等服务。交换子系统最大可以支持1000台PoC终端集群通信服务。

后台监控管理子系统。后台监控系统完成：系统巡检：话务员坐席在线情况、中心服务器各子系统运行情况;系统建档（PoC终端ID、话务员坐席号码、话务员ID、用户资料、群组资料）;系统数据维护（备份、恢复、清理）;系统业务查询与统计打印（系统档案、操作流水、报位流水、语音流水）。

话务台坐席子系统。话务台通过客户端软件来实时监测和控制整个系统的运行，系统能够监控各个群组的PoC终端状态，能够通过软件界面通过鼠标点击来完成：话务员热线、插播发言、广播发言，监听；接收PoC终端向话务员讲话请求；群组和私密一对一申请设置和解除；PoC终端参数设置和控制。

3 PoC终端

系统构成。PoC终端由语音编解码和压缩解压电路、GSM或CDMA模块和CPU控制电路等部分组成。硬件设计结构框如图3所示。

图3 PoC终端系统

从PoC终端的手柄送出的话音数据经AD后首先送到语音压缩DSP进行基于增强型多带激励（AMBE）方式的语音压缩，压缩完的数据通过DSP＋ARM芯片组的TCP/IP协议栈打包处理，再由GPRS模块或CDMA模块将数据传输到GPRS或CDMA数据网络。

语音压缩算法。系统采用增强型多带激励（AMBE） 的语音压缩算法，并基于TI公司的TMS320C5416DSP进行了编程实现。AMBE算法的最低编码速率为 2.4 kb/s, 其编解码性能优于 CELP、RELP、VSELP、MELP、LPC10 等其它类似编码算法，在实现过程中采用了话音延迟复接技术[2]，使话音效果达到了商用水平。

4 结语

数字集群通信系统采用了先进的数字信令方式、语音数字编码技术和调制解调技术，它在频谱利用率、抗无线信道衰落、保密性和业务支持等方面具有明显优势，能够提供指挥调度、电话互联、数据传输、短消息收发等多种业务，可以为要求通话建立速度快、通话成功率高的指挥调度领域和部门提供有效的通信手段，具有较高的社会效益与经济效益[3]。本文详细介绍承载在GPRS/CDMA数据通道上的集群通信系统。它基于蜂窝电话网的共享数据信道，具有共用频道和信道、共享覆盖区域、共享通信业务等优点，实现了在全国范围内进行集群对讲和语音调度，其话音质量和连续度达到了商业应用水平。满足了那些需要在全国范围内进行集群通信网建设的用户需求，可以用于装备保障、后勤运输、野外工程等集群通信领域。

[1] 郑祖辉.数字集群移动通信系统[M].第2版.北京:电子工业出版社，2002:23-236.

[2] 袁占亭.基于 VoIP的电话终端设备的研究与设计[J].微计算机信息，2003(09):86-88.

[3] 董晓鲁.我国数字集群通信系统简介[J].电信技术,2005(08):1-3.