用于局域环境的语音通信系统

皇甫惠栋 孟小君 陈海燕 丁一杰

【摘要】    针对部分暂无手机网络信号区域语音通信需求，归纳了适用于局域环境下常用的语音通信系统，对该方面有应用需求人员有一定参考价值。

【关键词】    局域环境    集群通信    4G通信    Mesh自组网通信

引言：

我国陆域辽阔，海域广袤，目前仍然有部分戈壁荒漠或者偏远海岛绝迹人烟，甚至没有手机网络信号。在这种环境中开展短期科学考察、工程建设、矿产开发等活动，参与人员需要统一指挥、协调工作，然而距离超过几十米不借助通信工具沟通就有难度。这种环境下，局域的语音通信显得尤为重要。目前常用的局域语音通信方式有普通对讲机通信、数字集群通信、4G宽带通信、Mesh自组网通信等。其中，普通对讲价格低廉、普及率极高，为大众所熟知，这里就不再赘述，文中主要对其它几种局域环境常用语音通信系统进行简要介绍。

一、数字集群通信系统

1.1系统概述

集群通信系统又称集群调度系统，是为了满足行业指挥调度需求而开发的，面向行业应用的专用无线通信系统。由于集群通信系统主要侧重于指挥调度通信，其应用可遍及公共安全、交通运输、公共事业等领域，尤其可以在应对突发事件和自然灾害的过程中发挥优势[1]。从1997年开始信息产业部就专门组织了数字集群通信标准组来制定我国的数字集群通信标准，并于2000年12月28日发布了我国《数字集群移动通信系统体制》标准[2]。

2008年，由公安部科技信息化局召集国内部分有实力厂商研讨基于中国国情的警用无线数字集群系统新体制，具有中国自主知识产权，标志着中国的数字集群从无到有，并步入自主高速发展阶段。

1.2  系统特点

1.2.1信道利用率高、成本相对低

采用TDMA（双时隙）多址方式和动态信道分配技术提高了信道（即频率）的利用率。信号覆盖率较广，在容量和语音质量方面也比较好。多个单位、多个部门共用设备，共用信道又互不干扰，避免了重复建设。

1.2.2架设便捷、入网快速

采用数字化管理，设备体积小、质量轻、便于携带。一般分固定基站或车载基站两种设备形态，固定基站的用户容量更大，采用定向天线覆盖距离更远，车载基站采用一体化设计，集成度更高，随机架设使用灵活。两种形态均方便安装与拆卸，可在不同区域快速布设。基站中心可以进行科学、合理的控制和管理，最大限度地缩短手持机入网的平均等待时间。

1.2.3呼叫灵活、保密性强

支持语音个呼、组呼、全呼、紧急报警、强插强拆、环境监听、全双工通话、广播呼叫、电话呼叫等功能。具备简单数据传输功能，支持短消息、状态信息、告警信息收发等功能。若基站发生故障，集群通信终端之间能够像对讲机一样脱网直接完成无线通话。支持移动性管理，为移动终端提供位置信息和业务连续性方面的管理，包括登记、漫游、越区切换等业务。提供设备安全管理、用户和群组管理、数据统计管理等功能。具备安全加密功能，通过鉴权中心服务器、密钥管理服务器、信道机加密模块实现端到端、空中接口加密服务，可采用MicroSD Card形态的安全加密模块，阻断相同频率的其它未授权终端接入网络。

1.3  系统主要设备及功能

集群通信系统一般由基站（固定式或车载式）、天馈系统、手持终端以及管理服务器（含软件）等构成，示意图如图1-1所示，相关设备如图1-2所示。基站支持U1（400MHz～430MHz）/U3（350MHz～370MHz），功率一般达几十瓦，单基站覆盖范围不小于10Km（不同环境结果略有不同）。手持终端频率范围136MHz～174MHz、350MHz～527MHz、806MHz～941MHz，支持语音呼叫功能，短消息、状态信息、告警信息等数据功能。

二、4G宽带通信系统

2.1 系统概述

4G通信网络技术就是对第四代通信技术的简称，它的研究和发展是在3G的基础上创新运用了WLAN通信技术[3]，该系统与普通民用电信系统类似，均是提供一个4G无线传输覆盖网络，主要不同在于构建了一个专用网络，可以依据使用要求灵活配置上下行业务占比。采用4G LTE技术，OFDMA多址接入，基于宽带移动核心网的组网方式[4]。核心网采用通用服务器硬件，适应性强，并提供多种标准协议接口，提高了组网选型的灵活性。外部接口支持IP连接方式，IP连接方式采用GE接口（FE/GE自适应）。设备与基站的连接方式，提供电口和光口，并提供FE/GE自适应接口。宽带移动综合业务IMS基于统一硬件平台和统一软件平台，采用信令/控制面和数据面分离结构。采用多核处理器技术，处理能力强，系统集成度高。支持IP传输，提供开放、标准的FE/GE业务电接口、时钟信号接口、网管接口，且提供多种标准协议接口，满足多种终端的接入，同时实现与其它服务器设备的互连。

2.2 系统特点

2.2.1分布架构、统一管理

分布式基站將射频单元部分和基带单元部分分离，通过光纤连接，最大限度减少馈线损耗，提升了基站覆盖面积。射频单元不再受限于机房，可通过抱杆、挂墙等方式灵活安装。在指挥调度中心为核心的平台下，实现多种应急指挥方式并存。依托有线网络、无线网络，进行现场调度，将实时图像回传到指挥中心。

2.2.2带宽可调、融合性强

对拥有不同频率资源的行业用户都能满足需求，同时可利用现有频谱及新增频谱提供多种业务。采用全IP平台，融合无线、有线，实现语音、视频和多媒体调度。

2.2.3路由灵活、保密性强

满足动态组网和抗毁性要求，能适应网络规模的增长，算法收敛快，支持系统内多种传输手段的综合组网，支持静态路由和动态路由两种机制。可以通过部署密码机、密钥分发中心对传输数据进行加解密。

2.3系統主要设备及功能

4G宽带通信系统一般由基站（包括基带控制单元BBU，射频拉远单元RRU）、天馈系统、手持终端以及管理服务器（含软件）等构成，示意图如图2-1所示，相关设备如图2-2所示。基站工作频段为UHF，载波带宽5MHz、10MHz、20MHz可配。每个RRU单元支持双通道，单通道最大发射功率≥30W，单基站有效覆盖距离不小于15km（不同环境结果略有不同）。手持终端基于TD-LTE国际标准，支持LTE TDD/FDD 1.4G/1.8G/400M/600M，同时支持话音、短信、数据、视频等业务。

三、Mesh自组网通信系统

3.1系统概述

Mesh自组网通信系统，最初是美军为满足军事信息系统中宽带数据传输、支持端到端IP语音和视频信息以及不采用GPS实现精确定位而建立的[5]，该系统是采用全新的“无线网格网”理念设计的移动宽带多媒体通信系统。系统所有节点在非视距、快速移动条件下，利用无中心自组网的分布式网络构架，可实现多路语音、数据、图像等多媒体信息的实时交互。整个网络具有顽强的生命力，网络中任何节点停止工作，都不影响整个网络的运行，被誉为“打不垮的网络”。同时，系统支持任意网络拓扑结构，每个节点设备可随机快速移动，系统拓扑可随之快速变化更新且不影响系统传输[6]。自组网通信系统适应于不同的使用场景，可以在固定点安装，也可以在移动的车辆、船舶、人员、机器人、无人机等进行快速无线部署的情形。软件模块集成有基站通信、客户端通信、点对点通信等功能。在现场使用时，视频采集设备、仪器设备、传感设备等前端设备可通过双频WIFI或网线与无线传输设备连接。当传输网络数据时，客户可以直接使用手持机等终端设备连接WIFI实现入网功能，手持机可开发即时通信软件，支持视频、语音、短消息以及多人视频会议等功能。

3.2 系统特点

3.2.1传输稳定、带宽更大

不依赖于某一个单一节点的性能，如果某一个节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。利用Mesh自组网技术，网络中节点不仅能传送和接收信息，还能充当网桥对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能路径数量的增加，总的带宽也相应增加。

3.2.2结构灵活、便于扩容

每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。现场安装方便，可根据需要添加设备，通过Mesh自组网方式在任意节点加入网络。

3.2.3拓展性强、切换迅速

设备可内置WIFI发射模块，前端设备可通过双频WIFI或网线与传输设备连接，可根据需要自由选择连接方式。移动设备同时保持连接多个Mesh基站，可以快速的在基站之间进行信号切换，实现“静中通”与“动中通”灵活组网。

3.3  系统主要设备及功能

一个Mesh自组网通信系统一般包含若干部自组网电台（可附加WIFI功能）、多部无线手持机、其它网络终端以及管理服务器（含软件）等构成，示意图如图3-1所示，相关设备如图3-2所示。自组网电台工作频率2212MHz～2732MHz/4800～6275MHz，预装WIFI发射模块，可同时支持5.8G和2.4G频段WIFI覆盖。单个Mesh自组网设备功率为数瓦，可以在阻挡环境下传输2km～3km（不同环境结果略有不同），可按照实际需求布设基站数量来扩展信号覆盖范围。Mesh手持机设备体积小巧，便于携带，作为基站台或便携台节点的无线扩展和延伸，可方便深入突发事件现场或密集人群中，将高清视频等多媒体信息实时回传，从而让指挥人员能够实时直观掌控现场态势。

四、三类系统主要区别

1.带宽不一样。数字集群通信一般属于窄带通信，4G通信系统与Mesh自组网通信系统属于宽带通信，提供的业务速率更高，业务种类更丰富。

2.通信方式不一样。数字集群通信系统是通过信令方式占用信道通话，4G通信系统与Mesh自组网通信系统是通过VOIP的方式通话。

3.保密措施不一样。数字集群通信系统、4G通信系统可在终端和网络侧分别部署密码机，网络侧部署密钥分发中心。Mesh自组网通信系统是基于网络的安全保密措施。三种通信系统都能够提供一个相对安全的传输过程。

五、结束语

本文对数字集群、4G宽带、Mesh自组网三种目前常用的局域语音通信方式进行了简要介绍，并总结了主要区别，对该方面有应用需求的人员有一定参考价值。

参  考  文  献

[1]  岳晓东.TD-LTE与TETRA 在轨道交通行业的对比分析.都市快轨交通.第31卷第5期2018年10月.

[2]  郑祖辉.集群通信在中国.当代通信.2003年08期.

[3]  孙翔.4G通信技术的主要特点和主要应用分析[J].中国新技术新产品，2016，10（18）：18.

[4]  李红艳.关于4G通信系统关键技术探析. 通信技术. 2016-05-30.

[5]  刘觅，彭木根，王文博.基于IEEE802.16-2004标准的Mesh机制[J]中国电子科学研究院学报，2006，1（1）：75-80.

[6]  李茗，黄宇红.无线Mesh网络体系结构及应用模式研究.中国通信学会.移动增值业务与应用.学术年会.