VHF无线链路中双工话音调度的设计与实现

［徐维开 赵志鹏 周伟］

VHF无线链路中双工话音调度的设计与实现

［徐维开 赵志鹏 周伟］

传统的PSTN话音网与超短波话音网相互独立。从实际应用出发，设计了有线话音和VHF话音融合通信的指挥调度系统。对64kbit/s的PCM语音进行压缩编码和信令转换，使其在VHF链路中实现话音的双工传输和信令控制。并采取多项关键技术提升融合通信中话音质量，保证VHF移动通信条件下双工话音调度系统的安全稳定。

PSTN话音网 指挥调度系统 VHF链路 融合通信 双工话音

徐维开

工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所，主要研究方向：光通信技术设计、通信系统集成设计。

赵志鹏

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

周伟

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

1 引言

随着电子通信技术的不断发展，目前的话音调度系统不再像传统PSTN 网络那样受到单一线路的限制，PSTN、IP网络、GSM、CDMA等多种通信系统的共存使得系统有多种线路的选择，通过各种通信系统的联合应用，调度系统可以实现统一联动调度，能够在各种异构网络之间进行良好互通［1］。

超短波作为无线通信中的一种通信手段，其通信频率为30～300MHz，也称甚高频（VHF），VHF以其通信频带宽、质量好的特点，常被用于舰载、机载等中短距离的语音、数据通信，传统的VHF电台为半双工话音，传输速率为2400bit/s或1200bit/s声码话。

本文针对目前成熟的PSTN调度系统与VHF话音网的融合通信进行研究与设计，

实现了VHF链路中双工话音的点呼与调度，满足了某地只有VHF无线通信移动部署条件下的指挥调度需求，对保证话音指挥调度网安全稳定运行具有特殊的意义。

2 系统总体设计

2.1 系统设计需求

话音调度系统物理上由中心、基站、终端组成，中心和各基站间铺设有线链路（具备E1的接入和传输），基站和各移动终端之间采用VHF无线通信。如图1 所示，PSTN话音网和VHF话音网原本相互独立，中心和基站间可实现有线话音的双工通话和调度，基站和终端由VHF话音网实现半双工声码话指挥调度。

根据系统使用需求，中心、各基站、各终端之间均配备二线话机和调度台，实现系统内任意两点间的双工通话和调度。

2.2 硬件互连设计

为了要完成有线话音和VHF话音融合通信的设计要求，需要将原本独立的两个话音网在硬件上互连。在本系统中，中心、各基站部署了话音调度设备（简称PBX），通过E1互连，可实现话音单呼、组呼、全呼、强拆、强插、代答、监听、保持、转接、录音等多种功能。

基站与终端的PBX之间只有VHF无线网，为了要完成统一的话音融合通信，逻辑上也是通过E1互连的，在本系统中设计了通信控制器（简称INC），用来连接PSTN网和VHF话音网。INC的作用就是通过信令的识别、透传，实现电台网传输的透明封装，为异构网络提供设备互联、业务适配、信息交换、综合组网、路由优选等功能。图1 为本系统的硬件连接及信号流程关系图。

图1 调度系统硬件组成及信号流程示意图

2.3 新技术设计

图1实现了有线话音网和无线话音网物理上的连接，但要让两个通信系统融合在一起实现基于VHF链路的双工话音调度，需在传统的通信产品的基础上开发相应的新技术来满足系统的组网需求。

从图1可以看出，E1的连接分为两种：一种是中心和基站间PBX之间的连接，每个E1中的16时隙负责传送两个话路的线路信令，即中国1号信令［2］；另一种是基站PBX和INC之间的E1连接，需设计一套基于VHF链路中传输的E1专用话音信令，除了话音交互还加入了对VHF链路的开启、关闭的控制。

针对VHF信道传输带宽受限，需要对64kbit/s的PCM编码进行转换，系统的INC设计新的话音编码技术以适合在VHF电台中传输。此外，还需要解决VHF电台中采用新的时分复用方式满足多路数据和话音同传、如何在无线系统中保证话音质量、移动终端在不同基站覆盖范围内的越区切换等诸多技术问题，下文将针对上述技术作简要分析。

3 关键技术解析

3.1 VHF链路双工话音和数据同传技术

在本文介绍的通信调度系统中，结合VHF的传输能力和通信距离要求，每个基站的VHF链路能支持4路双工话音和4路数据的同时传输。由此，在VHF链路中采用数据时隙与话音时隙复用的TDMA方式［3］，即当没有话音传输时，可进行数据的传输，具体时隙设计如图2 所示。

其中Vu1为第一路的上行话音时隙，Vd1为第一路的下行话音时隙，Du1为第一路的上行数据时隙，Dd1为第一路的下行数据时隙，Vu2/Vd2…Du4/Dd4时隙设计可依次类推。当VHF链路传输速率为19.2kbit/s时，则一部VHF电台在完成4路1200bit/s双工话传输的同时，也可传输1.2～9.6kbit/s的上下行短报文的数据。

3.2 话音编码转换技术

图2 4路双工话/数据同传的时隙设计

PSTN话音网中用于传输交换的话音编码为64kbit/s的PCM编码［4］，VHF电台使用的声码话速率为2400bit/s甚至更低的1200bit/s。为了实现双工话音在VHF链路中传输，必须在两种通信系统间对话音的编码方式进行转变，在VHF窄带数字通信中，采用线性预测编码（LPC）技术，由于其计算量小，存储效率高，对话音保密、话音抗干扰、保证话音质量方面具有良好的效果［6］。

话音编码转换原理如图3 所示，INC与PBX通过E1接口互联，INC与VHF电台通过K口互联，INC将PCM编码转换为用于VHF电台传输的LPC语音编码；同时也将LPC语音编码还原为用于PBX传输的PCM编码。

图3 话音编码转换原理

3.3 E1专用信令技术

在本系统中，基站和终端的PBX与INC之间通过E1接口互连，由于VHF链路的传输带宽有限、传输时延较大，无法使用如1号信令（SS1）、7号信令（SS7）等标准数字中继信令，所以在设计时采用了E1专用信令用于VHF信道话音控制信息的交互，通过E1接口第16时隙中的HDLC通道进行传输，E1专用信令定义了3种类型信令。E1专用信令定义了3种类型信令：接入状态信令（INC发起）、透传信令（PBX发起）、通道控制信令（PBX发起），其传输流程如图4 所示。

（1）接入状态信令

接入状态信令由基站INC发起，基站INC根据当前终端VHF的入网情况向基站PBX发出是否“允许连接”信令，如基站VHF通道时隙已被完全占用则通知基站INC当前无可用时隙，待某个终端VHF从基站VHF退网有空闲时隙后，再为之前入网的从站VHF分配主站VHF时隙。通过上述随机分配原则自动为从站VHF分配主站VHF的时隙而无需人工干预。

（2）通道控制信令

通道控制信令由PBX发起，在呼叫发起即“建立连接请求”阶段由PBX根据VHF当前时隙使用情况，向INC发出打开VHF时隙控制信令，INC收到该信令后通过K接口控制VHF打开对应时隙，从而使VHF进行全双工话音数据传输。反之，在呼叫结束即“撤销连接请求”阶段由PBX向INC发出关闭VHF时隙控制信令，INC收到该信令后通过K接口控制VHF关闭对应时隙结束话音数据传输。

（3）透传信令

由于VHF无线链路传输带宽的限制，本系统中设计的E1专用信令在标准1号信令的基础上进行了精简，保留了传输如主/被叫号码、摘/挂机和被叫忙等信令。基站PBX会向所属的所有终端VHF广播该透传信令，终端PBX比较透传信令中的被叫号码字冠是否与本地局号相同，相同则回复应答信令，不同则不做处理。反之终端VHF只会向主站VHF发出透传信令而不会向其余终端VHF广播，基站PBX收到信令后直接回复应答信令。

3.4 终端与不同基站间越区切换技术

根据调度系统在使用中实际情况，各终端具备移动性，有可能从一个基站的覆盖范围切换到另一个基站覆盖范围，这就要解决越区切换的问题，即终端从原基站退网、重新接入新基站入网的问题［7］。

（1）切换时机

基站的INC择机循环发送终端设备离开基站的状态信息（该信息含有终端设备的唯一ID号）给PBX，PBX收到状态信息后向INC应答，INC收到应答信息后停发退网信息。此时基站的PBX除更新自己的组网拓扑关系外，还要向基站的INC发送删除原来拓扑关系的信息，同时基站的PBX通过以太网控制管理接口向中心的PBX发送组网拓扑关系更新信息，中心的PBX收到更新信息后自动更新自己的拓扑关系。

（2）重新入网参数

当终端进入另一个基站的覆盖范围内时，基站的INC循环发送终端设备进入基站的状态信息（该信息含有终端设备的唯一ID号）给PBX，PBX收到入网信息后向INC进行应答，INC收到应答信息后停发入网信息。此时基站的PBX更新组网拓扑关系，同时通过以太网控制管理接口向中心的PBX发送组网拓扑关系更新信息，中心的PBX收到更新信息后自动更新组网拓扑关系。

图4 E1专用信令传输流程

（3）切换流程

当终端移动到跨区切换点时，终端中心PBX下发的跨区切换指令，进行切换；终端更改超短波电台的频表和网号，待终端与新接入基站组网后，终端、基站的通信控制器与中心网络设备之间进行动态路由交互，路由收敛后，各终端的PBX设备之间完成信令交互并更新话音注册表，完成跨区切换。

3.5 回波抵消技术

由于话音在VHF链路中存在一定的传输延时，在近端PBX侧2/4线混合线圈产生的回音（也称回波、回声）超过了人耳能忍受的范围，将使远端用户难以承受。因此本系统各节点的PBX的设计需增加回波消除电路，以有效消除线路中的回音［5］。

PBX设备采用一款带32个独立通道的语音回波抵消芯片。回波抵消电路原理如图5所示。本端接收的话音信号Rin，通过一个特别设计的滤波器，可实现回波路径的测量，使得滤波器能够实时计算出回波估值，然后在发送路径上Sin自适应地减去该估值，对于Sout来说，只有本端的话音被发送到远端，于是回波就消除了。其特点是近端安装回波抵消电路则远端用户受益，远端安装回波抵消电路则近端用户受益［6］。

图5 话音回波抵消原理

4 结束语

本文设计的基于PSTN和VHF链路的话音调度系统，不增加通信设备，只是在既有的通信设备上开发相应的新技术，使该调度系统不论在使用灵活性、成本上都具有很大的优势。既满足了调度系统在异构网络之间良好的融合通信，又能够在VHF频段下展开指挥调度的移动部署，实现了跨区域和行业部门机构的统一联动指挥，同时具备良好的保密和安全性能。可广泛应用到部队、公安、武警、人防、消防、广电、铁路等使用VHF移动电台通信的中短距离、指挥调度或机动性较强的指挥通信任务。

1 明久强.基于SIP的语音调度系统的研究与设计.华中科技大学 2009

2 郭诠水等.通信设备接口协议手册.人民邮电出版社 2005王虔.VHF跳频自组网时隙分配协议研究.电子科技大学2010

3 刘颖等.同步数字传输技术.科学出版社 2012

4 丁世杰.卫星通信系统群路回音消除器方案设计与实现.无线电通信技术 2003

5 袁三男等.基于ZL38003的回波抑制器的设计和实现.上海电力学院学报 2008

6 李莹等.VHF/UHF空地数据链系统越区切换设计.电视技术 2008

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.08.016

2016-07-24）