适用于特种行业的无线移动宽带通信系统设计

张淼++张建国++闫军++王叔洋

摘 要：特种行业相对公众移动通信技术落后。将先进的移动通信技术引入特种行业应用面临许多问题，包括核心网系统庞大、造价昂贵、管理和配置复杂、功能单一无法满足特种行业的指挥调度、数据及视频传输的需求等。该文采用了先进的SIP/IMS构架解决指挥调度问题，采用成熟工业嵌入式计算机和X86平台解决核心网体积重量及造价问题，同时加入数据传输能力。为特种行业提供一种技术先进的移动宽带通信平台。

关键词：特种行业 移动通信技术 SIP/IMS核心网

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0236-02

目前特种行业无线通信大都采用落后的对讲机、数字集群等通信技术，远落后公众移动通信系统。该文采用的新一代行业移动宽带通信平台解决方案基于普通手机作为终端，攻克平台高度集成化的难题，构建电信级通信质量的便携式无线移动宽带通信平台和指挥调度系统，从而提高行业内部通信及指挥调度能力，提高各生产、服务行业工作效率。

特种行业无线移动宽带通信平台的需求如下：

大量语音用户接入能力，可以兼容手机设备以节约大量终端购买费用开支。

具备一对多的语音通话能力，以实现指挥调度功能。

具备移动通信能力，适应在中高速运动下的语音通信。

具备一定的双向数据传送能力，以满足当前大量电子材料的传送。

具备超便携特性，随时部署或搬移以适应迁移式作业需要。

1 设计原理

平台核心为基于SIP协议的紧凑型核心网系统。行业移动宽带通信平台可提供电信级的语音、短信、数据业务和调度指挥功能。系统严格遵循3GPP2的体系结构及ITU-T、IETF各项标准与规范，采用统一的IP移动软交换体系和开放式的系统结构，本项目开发了专用的SIP CDMA软交换系统和纯软件版本的分组域核心网（分组数据服务节点PDSN和AAA服务器），用来代替传统的CDMA核心网系统。传输速率实现下行速率3.1 Mbps，上行速率1.8 Mbps，设备体积小，用户容量大，覆盖范围广，组网快速方便，可以通过卫星/Internet与公网连接。

行业用户通信中，指挥对讲功能必不可少。传统的调度指挥系统是针对专用调度终端。在实际应用中，专用调度终端成本高，数量少，紧急情况下难以获得。指挥调度平台有软硬件共同构成，其分为指挥调度机与基于SIP协议的核心网内指挥调度软件系统两部分。核心指挥调度功能部署在核心网设备上，用户的分组、优先级配置、强插、强拆、监听、录音等功能均有核心网侧部署的软件实现，手机端无需增加硬件模块或是软件，为整体指挥调度节省了成本。

完整的移动通信系统包括接入网系统与核心网系统。其中接入网系统包括基站和基站控制器，核心网系统主要包括移动交换机、短消息中心、分组数据业务节点等。本项目的设计目标之一是实现超小型移动通信系统。系统设计接入网部分利用外方合作企业提供微蜂窝基站，自主开发射频前端模块，包括天线端双工滤波器器，低噪声放大器，高功率放大器，近端双工滤波器。核心网部分开发实现高集成度的核心网功能模块，指挥调度功能模块，实现小型的移动通信系统设备。

2 设计实现

在整体构架中，如图1所示。主要网络实体包括Femtocell（微蜂窝基站）、IP PBX（Private Branch Exchange，交换机）和CN Platform（核心网平台）组成。其中CN Platform又包含FNG（Femtocell Network Gateway蜂窝网关）、FSM（Femtocell Service Manager蜂窝服务管理）和SIP/IMS Core Network（SIP/IMS核心网）等功能模块。

Femtocell同时支持1xRTT（CDMA2000 IS-2000标准在蜂窝网络上支持语音数据服务）和EVDO（CDMA2000HRPD标准在蜂窝网络上支持高速数据包传送服务）。Femtocell通过IP回程网与CN Platform（核心网平台）连接。用户语音由1xRTT承载并传送给Femtocell，然后被转换由SIP/RTP（会话发起协议/实时传输协议）承载传送给核心网。用户数据则是在建立一个IP主代理之后在普通的IP承载上传送。

PBX完成企业内部之间以及与公共电信网络的电话交换。该部分采用商用设备即可，本设计中采用思科通用小型化设备。且该设备支持通过SIP/RTP与核心网平台进行交互。

FNG是一个安全接入网关来许可Femtocell接入核心网，FSM是一组管理Femtocell的服务程序其管理协议基于TR-069（Technical Report-069）协议。其组件完成两项功能，一个是基础设备管理功能，另外一个是多Femtocell下的自动网络规划及网络管理。

SIP/IMS Core Network运行在linux操作系统上，硬件采用通用的X86处理器，使得核心网的成本大大降低。其提供了基本的移动性管理和呼叫处理功能，与Femtocell的接口为Abis协议，通过SIP协议与IP PBX通信，实施媒体传输协议为RTP。PDSN（分组数据服务节点）功能也是纯软件方式完成，并未采用任何专用通信处理器。本系统PDSN全面支持简单IP模式和移动IP模式。由于采用的纯软件方式完成核心网功能，核心网功能包括：系统控制和管理模块、A11信令处理模块、IP协议处理及IP包转发模块、PPP协议处理模块、隧道协议处理模块、AAA（认证、授权及计费体系）处理模块等。

3 系统测试

基于SIP协议的紧凑型核心网及核心网硬件集成，选用成熟可靠的工业控制嵌入式计算机架构，作为核心网主要功能实现平台，将移动运营商重量为几吨，造价上千万的设备集成到可单兵背负，且成本仅为其几十分之一。单兵背负的核心网实物如图2所示。

基于普通手机的指挥调度功能包括强插、强拆、监听、分组等多种功能，免资费的语音通信及内部宽带服务，为行业定制移动运营不具备的指挥调度功能，亦填补了移动运营商、移动通信设备制造商无法顾及的特种行业用户。

研发纯软件版本的PDSN技术，CDMA EVDO达到分组数据速率：CDMA2000 1x：153.6Kbps，CDMA2000 Ev-Do Rev.A：3.1 Mbps/1.8 Mbps。

测试结果表明核心网采用成熟工业控制嵌入式计算机技术后，体积、重量、成本都大大的降低，更加适于特种行业的应用、部署和迁移。增加了企业用户才有的指挥调度功能，且完全免费通信并具备数据传输能力。基于EVDO的无线移动宽带通信可以满足对视频等大数据无线传输的要求，并可以随空口技术进步演进至LTE，满足高清视频等更大数据带宽的应用需求。

参考文献

[1] 王安义，刘丽君，张谦，等.TD-SCDMA技术在煤炭行业中的应用分析[J].工矿自动化，2011（10）：4-7.

[2] 韩富有.煤矿井下无线移动通信[J].中国无线通信，1999，5（8）：14，16-17.

[3] Dragos Vingarzan，Peter Weik， Thomas Magedanz.Design and Implementation of an Open IMS Core.Mobility Aware Technologies and Applications[J]. Lecture Notes in Computer Science，2005，3744：284-293.endprint

摘 要：特种行业相对公众移动通信技术落后。将先进的移动通信技术引入特种行业应用面临许多问题，包括核心网系统庞大、造价昂贵、管理和配置复杂、功能单一无法满足特种行业的指挥调度、数据及视频传输的需求等。该文采用了先进的SIP/IMS构架解决指挥调度问题，采用成熟工业嵌入式计算机和X86平台解决核心网体积重量及造价问题，同时加入数据传输能力。为特种行业提供一种技术先进的移动宽带通信平台。

关键词：特种行业 移动通信技术 SIP/IMS核心网

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0236-02

目前特种行业无线通信大都采用落后的对讲机、数字集群等通信技术，远落后公众移动通信系统。该文采用的新一代行业移动宽带通信平台解决方案基于普通手机作为终端，攻克平台高度集成化的难题，构建电信级通信质量的便携式无线移动宽带通信平台和指挥调度系统，从而提高行业内部通信及指挥调度能力，提高各生产、服务行业工作效率。

特种行业无线移动宽带通信平台的需求如下：

大量语音用户接入能力，可以兼容手机设备以节约大量终端购买费用开支。

具备一对多的语音通话能力，以实现指挥调度功能。

具备移动通信能力，适应在中高速运动下的语音通信。

具备一定的双向数据传送能力，以满足当前大量电子材料的传送。

具备超便携特性，随时部署或搬移以适应迁移式作业需要。

1 设计原理

平台核心为基于SIP协议的紧凑型核心网系统。行业移动宽带通信平台可提供电信级的语音、短信、数据业务和调度指挥功能。系统严格遵循3GPP2的体系结构及ITU-T、IETF各项标准与规范，采用统一的IP移动软交换体系和开放式的系统结构，本项目开发了专用的SIP CDMA软交换系统和纯软件版本的分组域核心网（分组数据服务节点PDSN和AAA服务器），用来代替传统的CDMA核心网系统。传输速率实现下行速率3.1 Mbps，上行速率1.8 Mbps，设备体积小，用户容量大，覆盖范围广，组网快速方便，可以通过卫星/Internet与公网连接。

行业用户通信中，指挥对讲功能必不可少。传统的调度指挥系统是针对专用调度终端。在实际应用中，专用调度终端成本高，数量少，紧急情况下难以获得。指挥调度平台有软硬件共同构成，其分为指挥调度机与基于SIP协议的核心网内指挥调度软件系统两部分。核心指挥调度功能部署在核心网设备上，用户的分组、优先级配置、强插、强拆、监听、录音等功能均有核心网侧部署的软件实现，手机端无需增加硬件模块或是软件，为整体指挥调度节省了成本。

完整的移动通信系统包括接入网系统与核心网系统。其中接入网系统包括基站和基站控制器，核心网系统主要包括移动交换机、短消息中心、分组数据业务节点等。本项目的设计目标之一是实现超小型移动通信系统。系统设计接入网部分利用外方合作企业提供微蜂窝基站，自主开发射频前端模块，包括天线端双工滤波器器，低噪声放大器，高功率放大器，近端双工滤波器。核心网部分开发实现高集成度的核心网功能模块，指挥调度功能模块，实现小型的移动通信系统设备。

2 设计实现

在整体构架中，如图1所示。主要网络实体包括Femtocell（微蜂窝基站）、IP PBX（Private Branch Exchange，交换机）和CN Platform（核心网平台）组成。其中CN Platform又包含FNG（Femtocell Network Gateway蜂窝网关）、FSM（Femtocell Service Manager蜂窝服务管理）和SIP/IMS Core Network（SIP/IMS核心网）等功能模块。

Femtocell同时支持1xRTT（CDMA2000 IS-2000标准在蜂窝网络上支持语音数据服务）和EVDO（CDMA2000HRPD标准在蜂窝网络上支持高速数据包传送服务）。Femtocell通过IP回程网与CN Platform（核心网平台）连接。用户语音由1xRTT承载并传送给Femtocell，然后被转换由SIP/RTP（会话发起协议/实时传输协议）承载传送给核心网。用户数据则是在建立一个IP主代理之后在普通的IP承载上传送。

PBX完成企业内部之间以及与公共电信网络的电话交换。该部分采用商用设备即可，本设计中采用思科通用小型化设备。且该设备支持通过SIP/RTP与核心网平台进行交互。

FNG是一个安全接入网关来许可Femtocell接入核心网，FSM是一组管理Femtocell的服务程序其管理协议基于TR-069（Technical Report-069）协议。其组件完成两项功能，一个是基础设备管理功能，另外一个是多Femtocell下的自动网络规划及网络管理。

SIP/IMS Core Network运行在linux操作系统上，硬件采用通用的X86处理器，使得核心网的成本大大降低。其提供了基本的移动性管理和呼叫处理功能，与Femtocell的接口为Abis协议，通过SIP协议与IP PBX通信，实施媒体传输协议为RTP。PDSN（分组数据服务节点）功能也是纯软件方式完成，并未采用任何专用通信处理器。本系统PDSN全面支持简单IP模式和移动IP模式。由于采用的纯软件方式完成核心网功能，核心网功能包括：系统控制和管理模块、A11信令处理模块、IP协议处理及IP包转发模块、PPP协议处理模块、隧道协议处理模块、AAA（认证、授权及计费体系）处理模块等。

3 系统测试

基于SIP协议的紧凑型核心网及核心网硬件集成，选用成熟可靠的工业控制嵌入式计算机架构，作为核心网主要功能实现平台，将移动运营商重量为几吨，造价上千万的设备集成到可单兵背负，且成本仅为其几十分之一。单兵背负的核心网实物如图2所示。

基于普通手机的指挥调度功能包括强插、强拆、监听、分组等多种功能，免资费的语音通信及内部宽带服务，为行业定制移动运营不具备的指挥调度功能，亦填补了移动运营商、移动通信设备制造商无法顾及的特种行业用户。

研发纯软件版本的PDSN技术，CDMA EVDO达到分组数据速率：CDMA2000 1x：153.6Kbps，CDMA2000 Ev-Do Rev.A：3.1 Mbps/1.8 Mbps。

测试结果表明核心网采用成熟工业控制嵌入式计算机技术后，体积、重量、成本都大大的降低，更加适于特种行业的应用、部署和迁移。增加了企业用户才有的指挥调度功能，且完全免费通信并具备数据传输能力。基于EVDO的无线移动宽带通信可以满足对视频等大数据无线传输的要求，并可以随空口技术进步演进至LTE，满足高清视频等更大数据带宽的应用需求。

参考文献

[1] 王安义，刘丽君，张谦，等.TD-SCDMA技术在煤炭行业中的应用分析[J].工矿自动化，2011（10）：4-7.

[2] 韩富有.煤矿井下无线移动通信[J].中国无线通信，1999，5（8）：14，16-17.

[3] Dragos Vingarzan，Peter Weik， Thomas Magedanz.Design and Implementation of an Open IMS Core.Mobility Aware Technologies and Applications[J]. Lecture Notes in Computer Science，2005，3744：284-293.endprint

摘 要：特种行业相对公众移动通信技术落后。将先进的移动通信技术引入特种行业应用面临许多问题，包括核心网系统庞大、造价昂贵、管理和配置复杂、功能单一无法满足特种行业的指挥调度、数据及视频传输的需求等。该文采用了先进的SIP/IMS构架解决指挥调度问题，采用成熟工业嵌入式计算机和X86平台解决核心网体积重量及造价问题，同时加入数据传输能力。为特种行业提供一种技术先进的移动宽带通信平台。

关键词：特种行业 移动通信技术 SIP/IMS核心网

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0236-02

目前特种行业无线通信大都采用落后的对讲机、数字集群等通信技术，远落后公众移动通信系统。该文采用的新一代行业移动宽带通信平台解决方案基于普通手机作为终端，攻克平台高度集成化的难题，构建电信级通信质量的便携式无线移动宽带通信平台和指挥调度系统，从而提高行业内部通信及指挥调度能力，提高各生产、服务行业工作效率。

特种行业无线移动宽带通信平台的需求如下：

大量语音用户接入能力，可以兼容手机设备以节约大量终端购买费用开支。

具备一对多的语音通话能力，以实现指挥调度功能。

具备移动通信能力，适应在中高速运动下的语音通信。

具备一定的双向数据传送能力，以满足当前大量电子材料的传送。

具备超便携特性，随时部署或搬移以适应迁移式作业需要。

1 设计原理

平台核心为基于SIP协议的紧凑型核心网系统。行业移动宽带通信平台可提供电信级的语音、短信、数据业务和调度指挥功能。系统严格遵循3GPP2的体系结构及ITU-T、IETF各项标准与规范，采用统一的IP移动软交换体系和开放式的系统结构，本项目开发了专用的SIP CDMA软交换系统和纯软件版本的分组域核心网（分组数据服务节点PDSN和AAA服务器），用来代替传统的CDMA核心网系统。传输速率实现下行速率3.1 Mbps，上行速率1.8 Mbps，设备体积小，用户容量大，覆盖范围广，组网快速方便，可以通过卫星/Internet与公网连接。

行业用户通信中，指挥对讲功能必不可少。传统的调度指挥系统是针对专用调度终端。在实际应用中，专用调度终端成本高，数量少，紧急情况下难以获得。指挥调度平台有软硬件共同构成，其分为指挥调度机与基于SIP协议的核心网内指挥调度软件系统两部分。核心指挥调度功能部署在核心网设备上，用户的分组、优先级配置、强插、强拆、监听、录音等功能均有核心网侧部署的软件实现，手机端无需增加硬件模块或是软件，为整体指挥调度节省了成本。

完整的移动通信系统包括接入网系统与核心网系统。其中接入网系统包括基站和基站控制器，核心网系统主要包括移动交换机、短消息中心、分组数据业务节点等。本项目的设计目标之一是实现超小型移动通信系统。系统设计接入网部分利用外方合作企业提供微蜂窝基站，自主开发射频前端模块，包括天线端双工滤波器器，低噪声放大器，高功率放大器，近端双工滤波器。核心网部分开发实现高集成度的核心网功能模块，指挥调度功能模块，实现小型的移动通信系统设备。

2 设计实现

在整体构架中，如图1所示。主要网络实体包括Femtocell（微蜂窝基站）、IP PBX（Private Branch Exchange，交换机）和CN Platform（核心网平台）组成。其中CN Platform又包含FNG（Femtocell Network Gateway蜂窝网关）、FSM（Femtocell Service Manager蜂窝服务管理）和SIP/IMS Core Network（SIP/IMS核心网）等功能模块。

Femtocell同时支持1xRTT（CDMA2000 IS-2000标准在蜂窝网络上支持语音数据服务）和EVDO（CDMA2000HRPD标准在蜂窝网络上支持高速数据包传送服务）。Femtocell通过IP回程网与CN Platform（核心网平台）连接。用户语音由1xRTT承载并传送给Femtocell，然后被转换由SIP/RTP（会话发起协议/实时传输协议）承载传送给核心网。用户数据则是在建立一个IP主代理之后在普通的IP承载上传送。

PBX完成企业内部之间以及与公共电信网络的电话交换。该部分采用商用设备即可，本设计中采用思科通用小型化设备。且该设备支持通过SIP/RTP与核心网平台进行交互。

FNG是一个安全接入网关来许可Femtocell接入核心网，FSM是一组管理Femtocell的服务程序其管理协议基于TR-069（Technical Report-069）协议。其组件完成两项功能，一个是基础设备管理功能，另外一个是多Femtocell下的自动网络规划及网络管理。

SIP/IMS Core Network运行在linux操作系统上，硬件采用通用的X86处理器，使得核心网的成本大大降低。其提供了基本的移动性管理和呼叫处理功能，与Femtocell的接口为Abis协议，通过SIP协议与IP PBX通信，实施媒体传输协议为RTP。PDSN（分组数据服务节点）功能也是纯软件方式完成，并未采用任何专用通信处理器。本系统PDSN全面支持简单IP模式和移动IP模式。由于采用的纯软件方式完成核心网功能，核心网功能包括：系统控制和管理模块、A11信令处理模块、IP协议处理及IP包转发模块、PPP协议处理模块、隧道协议处理模块、AAA（认证、授权及计费体系）处理模块等。

3 系统测试

基于SIP协议的紧凑型核心网及核心网硬件集成，选用成熟可靠的工业控制嵌入式计算机架构，作为核心网主要功能实现平台，将移动运营商重量为几吨，造价上千万的设备集成到可单兵背负，且成本仅为其几十分之一。单兵背负的核心网实物如图2所示。

基于普通手机的指挥调度功能包括强插、强拆、监听、分组等多种功能，免资费的语音通信及内部宽带服务，为行业定制移动运营不具备的指挥调度功能，亦填补了移动运营商、移动通信设备制造商无法顾及的特种行业用户。

研发纯软件版本的PDSN技术，CDMA EVDO达到分组数据速率：CDMA2000 1x：153.6Kbps，CDMA2000 Ev-Do Rev.A：3.1 Mbps/1.8 Mbps。

测试结果表明核心网采用成熟工业控制嵌入式计算机技术后，体积、重量、成本都大大的降低，更加适于特种行业的应用、部署和迁移。增加了企业用户才有的指挥调度功能，且完全免费通信并具备数据传输能力。基于EVDO的无线移动宽带通信可以满足对视频等大数据无线传输的要求，并可以随空口技术进步演进至LTE，满足高清视频等更大数据带宽的应用需求。

参考文献

[1] 王安义，刘丽君，张谦，等.TD-SCDMA技术在煤炭行业中的应用分析[J].工矿自动化，2011（10）：4-7.

[2] 韩富有.煤矿井下无线移动通信[J].中国无线通信，1999，5（8）：14，16-17.

[3] Dragos Vingarzan，Peter Weik， Thomas Magedanz.Design and Implementation of an Open IMS Core.Mobility Aware Technologies and Applications[J]. Lecture Notes in Computer Science，2005，3744：284-293.endprint