车载宽窄带融合集群通信系统研究与设计

文｜普天信息技术有限公司 杜涛 李瑞林;国家无线电检测中心 李钢

1.研究与设计背景

车载集群通信系统是应急通信场景下的重要通信工具。车载窄带集群通信系统具有覆盖半径大的优势，但是只能支持语音和短数据等窄带业务。随着LTE宽带集群的不断成熟和大规模应用，车载宽带集群通信系统也开始实际部署应用。车载宽带集群通信系统能够提供高带宽数据能力，支持高清视频、多媒体指挥调度和高速数据接入业务等，为指挥决策提供更高效和更直观的数据支撑，但是覆盖半径小。为了发挥宽窄带集群各自优势，更好服务于应急通信需求，本文提出了车载宽窄带融合集群通信系统，实现宽窄带集群用户的统一调度管理。

本文重点研究在一辆应急通信车上同时部署PDT窄带集群和LTE宽带集群两种集群通信系统。通过统一的车载集群核心网进行LTE宽带集群和PDT窄带集群接入系统的融合，在车载集群核心网内部实现宽窄带集群用户之间的融合通信，实现统一管理、统一编组、统一调度和统一定位等。

2.总体设计

2.1 系统架构

2.1.1 系统硬件架构

车载宽窄带融合集群通信系统是为需要机动而迅速部署集群应急通信网的场景而设计，含统一核心网、PDT窄带集群基站、LTE宽带集群基站，支持在一台应急通信车上同时部署LTE宽带集群和PDT窄带集群应急通信。完整的车载通信系统分为车内设备和车外设备两部分。车内设备含车载宽窄带融合集群通信一体机和调度台DC，车外设备有天线（PDT和LTE）和LTE远端射频单元RRU。车外设备还可架设卫星通信设备与应急指控中心传输通信。系统硬件架构示意图如下：

（1）车载宽窄带融合集群通信一体机

车载宽窄带融合集群通信系统的主要设备为宽窄带融合一体机，设备包括下列五部分单元：

a)车载交换控制平台SCC（Switch &Control Center）

SCC包括一个交换中心和一个网络管理系统，使用统一的交换中心实现对宽带LTE和窄带PDT集群接入系统的控制，同时支持宽带和窄带的接入，并提供数据和信令通道，负责业务数据的交换控制和传送，具有移动性管理功能。

b)LTE接入设备LTEPCN （LTE EPC&eNodeB）

LTEPCN集成了LTE基站处理单元BBU和LTE 核心网单元EPC，其中基站处理单元BBU和车外设备远端射频单元RRU共同配合实现一个完整的LTE eNodeB逻辑功能，执行LTE集群接入功能。

c)车载PDT基站 PDTBS（PDT Base Station）

车载PDT基站PDTBS与原有标准PDT基站子系统在业务功能方面基本保持一致，用于执行PDT集群接入功能。

d)车载调度业务平台GDS（GIS/GPS Server和 DC Server）

车载综合调度平台GDS提供GPS、北斗、GIS位置服务，配合调度台执行现场GIS指挥调度。

e)车载电源

提供车载电源与车载一体机之间的电压转换和适配。

设备整体结构上将上述五部分单元用坚固牢靠的结构件固定在高强度一体化机柜中，便于快速部署。硬件示意图如下：

图1 车载宽窄带融合集群通信系统架构示意图

图2 车载宽窄带融合集群通信一体机

（2）调度台DC

调度台DC是车载宽窄带融合集群通信系统的调度控制中心，负责集群协调调度、呼叫控制、用户调度、应用扩展等功能，同时为用户提供调度操作界面。可提供窄带语音类和宽带视频类业务，可进行宽窄带用户的统一编组和统一管理，并结合GPS、北斗、GIS技术提供基于地图的界面呈现。

（3）车外设备（天线和RRU）

车载通信系统的外部设备有宽带和窄带两部分。宽带设备包含天线和LTE远端射频单元RRU，窄带是PDT天线。

2.1.2 系统逻辑架构

产品在逻辑上分为以下几个模块：交换控制平台模块SCC（含用户数据库）、集群调度台DC模块、车载调度业务平台GDS模块、窄带PDT基站处理单元PDTBS模块、LTE宽带核心网单元EPC模块、LTE宽带基站处理单元BBU模块、LTE款待远端射频单元RRU模块、天线单元等。其中，SCC又包含IMSC和ENMS_S模块，IMSC模块包含业务、媒体和接口协议处理模块，ENMS_S模块包含了网管服务器、签约数据库等模块；LTE基站处理单元BBU和远端射频单元RRU共同配合实现一个完整的LTE基站逻辑功能。具体的逻辑组网架构如图3。

B1接口为PDT集群基站PDTBS与窄带PDT终端之间的接口，PDT终端和基站之间的接口功能包括随机接入、注册、切换、呼叫控制、短数据、状态消息等。

图3 车载宽窄带融合集群通信系统逻辑组网架构图

Uu-T接口为LTE宽带集群基站eNB与宽带终端之间的接口,主要功能包括物理层的管理、MAC层管理、RLC管理、系统信息广播和无线资源管理等功能。

S1-T接口为LTE EPC与eNB之间的接口，主要功能包括E-RAB管理功能、EMMCONNECTED状态下针对UE的移动性功能、S1寻呼功能、NAS信令传输功能、S1接口管理功能、NAS节点选择功能、UE初始上下文管理功能、组呼业务管理功能，以及S1接口用户面传输功能。

PS2接口为窄带PDT基站PDTBS与SCC之间的接口，主要功能包括窄带PDT针对UE的移动性功能、寻呼功能、业务管理功能以及PS2接口用户面传输功能。

T接口为LTE EPC与SCC之间的接口，主要功能包括设备注册、设备心跳、组呼管理和话权通知等信令面功能，以及为完成组呼下行用户面的数据转发功能。

R1接口为LTE EPC/PDT基站与用户签约数据库之间的接口，主要完成集群终端接入功能签约数据传输功能以及UE和组的关联关系传输功能。

R2接口为用户签约数据库与SCC之间的接口，主要完成宽带和窄带集群终端和组的签约数据传输功能。

D接口为车载交换控制平台SCC与调度台DC之间的接口，SCC通过此接口上报用户的基本属性，用户的状态信息，用户位置信息等，DC通过此接口实现调度类业务。

D-G接口为车载调度台DC和调度业务平台GDS之间的接口，DC通过此接口获得终端的GIS位置信息。

2.2 功能设计

车载宽窄带融合集群通信系统在功能设计上支持宽窄带语音融合互通、支持统一编组、统一调度、统一管理、统一定位；融合系统支持最大注册用户数500个；宽带系统支持单载波，20MHz/载波；窄带系统最大支持4载波，12.5kHz/载波；宽带语音组呼并发数不少于50个，窄带语音组呼并发数最大7个。除语音通信外，系统支持视频上传业务等多媒体业务。

2.2.1 语音融合

系统通过统一的交换控制平台SCC实现语音融合，包括窄带PDT集群终端和宽带LTE集群终端之间的组呼和单呼互通，以及调度台用户与宽窄带集群用户的互通。

SCC中有统一的用户签约数据库，签约数据包含PDT终端签约和LTE终端签约数据，组签约包含LTE系统内组和PDT系统内组以及混合组数据。

信令面，SCC既支持与PDT基站的PS2接口，也支持LTE系统EPC之间的T接口。两者接口均提供单呼建立释放、组呼建立释放、话权申请释放、话权通知等功能。

用户面，在SCC内部完成PDT集群NVOC语音编码和LTE集群AMR语音编解码的转换。

2.2.2 宽带业务

除了语音业务功能外，宽窄带融合车载系统还支持宽带业务，包括视频组呼、视频单呼、视频上拉、视频下发和视频回传等。

宽带业务主要由DC、SCC、LTEPCN以及宽带终端来完成。

用户可以在调度台上拉查看宽带集群终端、无线摄像头或iPad终端的视频，可以将任何查看的视频通过视频下发的方式发送给宽带集群终端或iPad终端，并且系统可以提供通过卫星设备将视频传回给应急指控中心。

2.2.3 统一编组

系统通过在车载交换控制平台SCC内部设置一个共同的用户签约数据库，使宽带LTE集群终端和窄带集群PDT终端的签约数据统一在一起，宽窄带用户可统一编组，可以实现宽窄带用户统一语音组呼调度指挥。

2.2.4 统一调度

宽窄带融合车载系统中，宽带和窄带共用一个调度台DC，交换控制平台SCC给调度台DC提供统一接口，实现调度台对数字集群终端，宽带集群终端的统一调度管理。SCC对宽窄带终端和组上报的相关信息进行融合，对调度台DC提供统一的信息，实现融合调度功能。

统一调度除单呼、组呼外，还支持如下功能:短信、状态消息、派接、多选、并组、动态重组、慎密监听、强拆强插、遥晕复活遥毙、视频上拉、视频回传、视频下发等。

2.2.5 统一管理

系统在SCC内部设置统一的OM网管服务器，用DC实现统一的宽窄带网管客户端功能，宽窄带用户可以统一进行开户管理。网管服务器通过SNMP协议管理SCC，EPC，PDT基站和LTE基站，网管客户端通过BS架构访问网管服务器，客户端通过浏览器进行签约数据开户，实现网管功能。

统一网管包括统一的开户、告警、统计、日志等网管功能，支持批量开户，批量删除，批量用户修改。根据某个属性获取用户，批量修改某个属性，支持文件批处理导入和导出。

2.2.6 统一定位

系统可以实现包括对PDT集群终端，LTE集群终端进行统一的定位功能，并能够在定位的基础上实现基于GIS的可视化调度业务，历史轨迹等功能。

系统中PDT集群终端，LTE集群终端均向SCC上报位置信息，SCC向车载综合调度平台GDS上报位置信息。 SCC与GDS之间的接口采用接口定义方式，传输采用UDP。

GDS综合系统中所有终端上报的位置信息，给调度台提供接口实现对终端的实时定位，历史轨迹和基于GIS的可视化调度功能。

3.融合SCC设计

3.1 功能特点

宽窄带融合通信交换系统同时支持宽带和窄带的接入，宽带和窄带共用一个核心网，车载交换控制平台SCC包括一个交换中心和一个网络管理系统。

宽窄带融合系统实现了宽窄带用户之间的融合通信，与两个独立的宽、窄带系统通过网关互联的方式相比较，它具备以下优势：

1）互通组呼只一个控制中心，可避免话权冲突。

2）统一的配置管理。宽窄带共用一个网管系统，方便对宽窄带设备，以及用户和通话组数据进行统一的配置管理。

3）业务只经由一个控制中心的处理，时延小。

除了PDT窄带的业务功能外，宽窄带融合系统还支持宽带视频类业务，以及宽窄带之间的业务互通，包括：

1)视频组呼：LTE用户之间、或LTE用户与调度用户之间的点对多点的半双工视频呼叫。

2)视频单呼：两个LTE用户之间、或LTE用户与调度用户之间的点对点的视频呼叫。

3)视频上拉：调度台上拉指定LTE终端的视频，并实时播放。

4)视频回传：调度台接收LTE终端回传的视频，并实时播放。

5)视频下发：调度台将本地存储的视频、或本地摄像头的视频、或从某个LTE终端上拉的视频，或某个LTE终端回传的视频下发给指定的一些LTE用户或通话组。

6)混合组呼：宽窄带用户混合编组，加入同一个组呼。

7)混合组短信：宽窄带用户混合编组，组内任一用户（窄带或宽带）发送组短信至组内其他用户。

8)单呼互通：宽窄带用户之间点对点的语音呼叫。

9)个短信互通：宽窄带用户之间的点对点短信。

10)遥晕、复活和遥毙。

11)动态重组。

12)慎密监听。

13)被叫用户抢占。

14)主叫号码显示与限制。

15)讲话方识别。

16)基于VPN的业务限制。

3.2 硬件设计

车载SCC硬件为19”的1U机盒，其硬件结构如图4所示：

各模块功能如下：

（1）核心主控制模块MCCP：控制管理、协议处理、媒体处理、接口处理；（2）电源模块POW：完成AC110/220V到直流输出电源的转换；（3）存储模块MEM：在线固态硬盘等；（4）外围接口模块OIA：网络接口、控制接口、调试接口、面板显示接口。

车载SCC硬件的主要特点是：用在线FLASH和固态硬盘解决离散移动硬盘不能抗振问题以及富媒体加速支持硬件编解码加速。

图4 车载SCC硬件框图

3.3 软件设计

SCC软件除公共平台外，包括业务子系统、接口协议子系统、媒体处理子系统和网管子系统，其中各软件模块的功能说明见表1。

4.融合 GDS 设计

4.1 功能特点

基于GIS信息的车载综合调度平台GDS是一个具有丰富调度功能和良好视觉呈现的综合指挥调度系统，不仅能提供窄带语音类业务，还能提供宽带视频类业务，通过宽窄带用户的统一编组和统一管理，并结合GPS/北斗、GIS技术提供基于地图的界面呈现，能清晰地看到调度资源、人、车等的地理区域分布情况，形成直观、高效、便捷的图上指挥调度模式，可有效加快对突发事件的响应速度，提高指挥调度的能力。

GDS支持如下功能:

1)单呼、组呼

2)短信

3)状态消息

4)派接、多选、并组、动态重组

5)慎密监听、强拆、前插

6)环境监听

7)遥晕、复活和遥毙

8)视频组呼：LTE用户与调度用户之间的点对多点的半双工视频呼叫。

9)视频单呼：LTE用户与调度用户之间的点对点的视频呼叫。

10)视频上拉：调度台上拉指定LTE终端的视频，并实时播放。

11)视频回传：调度台接收LTE终端回传的视频，并实时播放。

12)视频下发：调度台将本地存储的视频、或本地摄像头的视频、或从某个LTE终端上拉的视频，或某个LTE终端回传的视频下发给指定的一些LTE用户或通话组。

13)地图缩放、平移、导航、测距、鹰眼

14)电子栅栏

15)对象锁定

16)实时轨迹、历史轨迹

17)定位上报控制与统计管理

4.2 硬件设计

同SCC硬件。

4.3 软件设计

综合调度平台GDS由综合调度服务器和综合调度终端组成:

综合调度服务器：统一接收、解析、存储无线终端的位置信息,提供调度台管理、基础信息维护、GIS应用业务等功能。

综合调度终端：向调度员提供基于地图的操作界面，提供丰富的语音调度业务、视频调度业务、GIS应用业务功能。

综合调度服务器除使用操作系统、数据库等通用软件外，内部各软件模块的功能说明如表2。

综合调度终端除使用操作系统、浏览器等通用软件外，内部各软件模块的功能说明如表3。

5.结论

该方案在一辆应急通信车上同时部署PDT窄带集群和LTE宽带集群两种集群通信系统。通过统一的车载集群核心网进行LTE宽带集群和PDT窄带集群接入系统的融合，在车载集群核心网内部实现宽窄带集群用户之间的融合通信，实现了统一管理、统一编组、统一调度和统一定位等，充分发挥了PDT窄带集群和LTE宽带集群各自的优势，可以更好地服务于各种应急通信场景的用户需求。模块名 功能简介

B1AP 基站、调度台、录音录像服务器的接入管理；业务层信令的传送。

TASIP TA接口协议处理；TA接口与内部接口之间的协议转换。

SCTP SCTP协议处理；上层消息的传送。

Diameter R1接口协议处理；R1接口与内部接口之间的协议转换。

NVOC/AMR NVOC和AMR语音编解码转换。

H.264 H.264视频流转发。

CC 语音、视频呼叫处理

MM PDT和LTE用户的移动性管理，包括Attach、注册、组附着、签约数据推送、

组信息请求与更新等。

VLR 从网管数据库下载用户和通话组数据；记录用户和通话组的动态信息，如

用户的位置信息。

SDS 短信业务（个短信和组短信）的处理。

SS 动态重组、遥晕遥毙等补充业务的处理。

CM 媒体通道的连接管理。

RM PDT业务信道、媒体端口等资源的管理。

WEB服务器 处理客户端浏览器的HTTP请求。

网管服务器 安全管理、用户管理、故障管理、配置管理和辅助管理等。数据库 存储用户、通话组的静态签约数据以及设备的配置数据。LDAP服务器 提供用户、通话组数据和配置数据的下载。

表2

表3