VHF無(wú)線鏈路中雙工話音調(diào)度的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［徐維開(kāi) 趙志鵬 周偉］

VHF無(wú)線鏈路中雙工話音調(diào)度的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［徐維開(kāi) 趙志鵬 周偉］

傳統(tǒng)的PSTN話音網(wǎng)與超短波話音網(wǎng)相互獨(dú)立。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了有線話音和VHF話音融合通信的指揮調(diào)度系統(tǒng)。對(duì)64kbit/s的PCM語(yǔ)音進(jìn)行壓縮編碼和信令轉(zhuǎn)換，使其在VHF鏈路中實(shí)現(xiàn)話音的雙工傳輸和信令控制。并采取多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)提升融合通信中話音質(zhì)量，保證VHF移動(dòng)通信條件下雙工話音調(diào)度系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

PSTN話音網(wǎng) 指揮調(diào)度系統(tǒng) VHF鏈路 融合通信 雙工話音

徐維開(kāi)

工程師，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，主要研究方向：光通信技術(shù)設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。

趙志鵬

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所。

周偉

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所。

1 引言

隨著電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的話音調(diào)度系統(tǒng)不再像傳統(tǒng)PSTN 網(wǎng)絡(luò)那樣受到單一線路的限制，PSTN、IP網(wǎng)絡(luò)、GSM、CDMA等多種通信系統(tǒng)的共存使得系統(tǒng)有多種線路的選擇，通過(guò)各種通信系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用，調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)調(diào)度，能夠在各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行良好互通［1］。

超短波作為無(wú)線通信中的一種通信手段，其通信頻率為30～300MHz，也稱甚高頻（VHF），VHF以其通信頻帶寬、質(zhì)量好的特點(diǎn)，常被用于艦載、機(jī)載等中短距離的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信，傳統(tǒng)的VHF電臺(tái)為半雙工話音，傳輸速率為2400bit/s或1200bit/s聲碼話。

本文針對(duì)目前成熟的PSTN調(diào)度系統(tǒng)與VHF話音網(wǎng)的融合通信進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，

實(shí)現(xiàn)了VHF鏈路中雙工話音的點(diǎn)呼與調(diào)度，滿足了某地只有VHF無(wú)線通信移動(dòng)部署條件下的指揮調(diào)度需求，對(duì)保證話音指揮調(diào)度網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有特殊的意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

話音調(diào)度系統(tǒng)物理上由中心、基站、終端組成，中心和各基站間鋪設(shè)有線鏈路（具備E1的接入和傳輸），基站和各移動(dòng)終端之間采用VHF無(wú)線通信。如圖1 所示，PSTN話音網(wǎng)和VHF話音網(wǎng)原本相互獨(dú)立，中心和基站間可實(shí)現(xiàn)有線話音的雙工通話和調(diào)度，基站和終端由VHF話音網(wǎng)實(shí)現(xiàn)半雙工聲碼話指揮調(diào)度。

根據(jù)系統(tǒng)使用需求，中心、各基站、各終端之間均配備二線話機(jī)和調(diào)度臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)任意兩點(diǎn)間的雙工通話和調(diào)度。

2.2 硬件互連設(shè)計(jì)

為了要完成有線話音和VHF話音融合通信的設(shè)計(jì)要求，需要將原本獨(dú)立的兩個(gè)話音網(wǎng)在硬件上互連。在本系統(tǒng)中，中心、各基站部署了話音調(diào)度設(shè)備（簡(jiǎn)稱PBX），通過(guò)E1互連，可實(shí)現(xiàn)話音單呼、組呼、全呼、強(qiáng)拆、強(qiáng)插、代答、監(jiān)聽(tīng)、保持、轉(zhuǎn)接、錄音等多種功能。

基站與終端的PBX之間只有VHF無(wú)線網(wǎng)，為了要完成統(tǒng)一的話音融合通信，邏輯上也是通過(guò)E1互連的，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了通信控制器（簡(jiǎn)稱INC），用來(lái)連接PSTN網(wǎng)和VHF話音網(wǎng)。INC的作用就是通過(guò)信令的識(shí)別、透?jìng)?，?shí)現(xiàn)電臺(tái)網(wǎng)傳輸?shù)耐该鞣庋b，為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)備互聯(lián)、業(yè)務(wù)適配、信息交換、綜合組網(wǎng)、路由優(yōu)選等功能。圖1 為本系統(tǒng)的硬件連接及信號(hào)流程關(guān)系圖。

圖1 調(diào)度系統(tǒng)硬件組成及信號(hào)流程示意圖

2.3 新技術(shù)設(shè)計(jì)

圖1實(shí)現(xiàn)了有線話音網(wǎng)和無(wú)線話音網(wǎng)物理上的連接，但要讓兩個(gè)通信系統(tǒng)融合在一起實(shí)現(xiàn)基于VHF鏈路的雙工話音調(diào)度，需在傳統(tǒng)的通信產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的新技術(shù)來(lái)滿足系統(tǒng)的組網(wǎng)需求。

從圖1可以看出，E1的連接分為兩種：一種是中心和基站間PBX之間的連接，每個(gè)E1中的16時(shí)隙負(fù)責(zé)傳送兩個(gè)話路的線路信令，即中國(guó)1號(hào)信令［2］；另一種是基站PBX和INC之間的E1連接，需設(shè)計(jì)一套基于VHF鏈路中傳輸?shù)腅1專用話音信令，除了話音交互還加入了對(duì)VHF鏈路的開(kāi)啟、關(guān)閉的控制。

針對(duì)VHF信道傳輸帶寬受限，需要對(duì)64kbit/s的PCM編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的INC設(shè)計(jì)新的話音編碼技術(shù)以適合在VHF電臺(tái)中傳輸。此外，還需要解決VHF電臺(tái)中采用新的時(shí)分復(fù)用方式滿足多路數(shù)據(jù)和話音同傳、如何在無(wú)線系統(tǒng)中保證話音質(zhì)量、移動(dòng)終端在不同基站覆蓋范圍內(nèi)的越區(qū)切換等諸多技術(shù)問(wèn)題，下文將針對(duì)上述技術(shù)作簡(jiǎn)要分析。

3 關(guān)鍵技術(shù)解析

3.1 VHF鏈路雙工話音和數(shù)據(jù)同傳技術(shù)

在本文介紹的通信調(diào)度系統(tǒng)中，結(jié)合VHF的傳輸能力和通信距離要求，每個(gè)基站的VHF鏈路能支持4路雙工話音和4路數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸。由此，在VHF鏈路中采用數(shù)據(jù)時(shí)隙與話音時(shí)隙復(fù)用的TDMA方式［3］，即當(dāng)沒(méi)有話音傳輸時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，具體時(shí)隙設(shè)計(jì)如圖2 所示。

其中Vu1為第一路的上行話音時(shí)隙，Vd1為第一路的下行話音時(shí)隙，Du1為第一路的上行數(shù)據(jù)時(shí)隙，Dd1為第一路的下行數(shù)據(jù)時(shí)隙，Vu2/Vd2…Du4/Dd4時(shí)隙設(shè)計(jì)可依次類推。當(dāng)VHF鏈路傳輸速率為19.2kbit/s時(shí)，則一部VHF電臺(tái)在完成4路1200bit/s雙工話傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也可傳輸1.2～9.6kbit/s的上下行短報(bào)文的數(shù)據(jù)。

3.2 話音編碼轉(zhuǎn)換技術(shù)

圖2 4路雙工話/數(shù)據(jù)同傳的時(shí)隙設(shè)計(jì)

PSTN話音網(wǎng)中用于傳輸交換的話音編碼為64kbit/s的PCM編碼［4］，VHF電臺(tái)使用的聲碼話速率為2400bit/s甚至更低的1200bit/s。為了實(shí)現(xiàn)雙工話音在VHF鏈路中傳輸，必須在兩種通信系統(tǒng)間對(duì)話音的編碼方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，在VHF窄帶數(shù)字通信中，采用線性預(yù)測(cè)編碼（LPC）技術(shù)，由于其計(jì)算量小，存儲(chǔ)效率高，對(duì)話音保密、話音抗干擾、保證話音質(zhì)量方面具有良好的效果［6］。

話音編碼轉(zhuǎn)換原理如圖3 所示，INC與PBX通過(guò)E1接口互聯(lián)，INC與VHF電臺(tái)通過(guò)K口互聯(lián)，INC將PCM編碼轉(zhuǎn)換為用于VHF電臺(tái)傳輸?shù)腖PC語(yǔ)音編碼；同時(shí)也將LPC語(yǔ)音編碼還原為用于PBX傳輸?shù)腜CM編碼。

圖3 話音編碼轉(zhuǎn)換原理

3.3 E1專用信令技術(shù)

在本系統(tǒng)中，基站和終端的PBX與INC之間通過(guò)E1接口互連，由于VHF鏈路的傳輸帶寬有限、傳輸時(shí)延較大，無(wú)法使用如1號(hào)信令（SS1）、7號(hào)信令（SS7）等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字中繼信令，所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用了E1專用信令用于VHF信道話音控制信息的交互，通過(guò)E1接口第16時(shí)隙中的HDLC通道進(jìn)行傳輸，E1專用信令定義了3種類型信令。E1專用信令定義了3種類型信令：接入狀態(tài)信令（INC發(fā)起）、透?jìng)餍帕睿≒BX發(fā)起）、通道控制信令（PBX發(fā)起），其傳輸流程如圖4 所示。

（1）接入狀態(tài)信令

接入狀態(tài)信令由基站INC發(fā)起，基站INC根據(jù)當(dāng)前終端VHF的入網(wǎng)情況向基站PBX發(fā)出是否“允許連接”信令，如基站VHF通道時(shí)隙已被完全占用則通知基站INC當(dāng)前無(wú)可用時(shí)隙，待某個(gè)終端VHF從基站VHF退網(wǎng)有空閑時(shí)隙后，再為之前入網(wǎng)的從站VHF分配主站VHF時(shí)隙。通過(guò)上述隨機(jī)分配原則自動(dòng)為從站VHF分配主站VHF的時(shí)隙而無(wú)需人工干預(yù)。

（2）通道控制信令

通道控制信令由PBX發(fā)起，在呼叫發(fā)起即“建立連接請(qǐng)求”階段由PBX根據(jù)VHF當(dāng)前時(shí)隙使用情況，向INC發(fā)出打開(kāi)VHF時(shí)隙控制信令，INC收到該信令后通過(guò)K接口控制VHF打開(kāi)對(duì)應(yīng)時(shí)隙，從而使VHF進(jìn)行全雙工話音數(shù)據(jù)傳輸。反之，在呼叫結(jié)束即“撤銷(xiāo)連接請(qǐng)求”階段由PBX向INC發(fā)出關(guān)閉VHF時(shí)隙控制信令，INC收到該信令后通過(guò)K接口控制VHF關(guān)閉對(duì)應(yīng)時(shí)隙結(jié)束話音數(shù)據(jù)傳輸。

（3）透?jìng)餍帕?/p>

由于VHF無(wú)線鏈路傳輸帶寬的限制，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的E1專用信令在標(biāo)準(zhǔn)1號(hào)信令的基礎(chǔ)上進(jìn)行了精簡(jiǎn)，保留了傳輸如主/被叫號(hào)碼、摘/掛機(jī)和被叫忙等信令?；綪BX會(huì)向所屬的所有終端VHF廣播該透?jìng)餍帕?，終端PBX比較透?jìng)餍帕钪械谋唤刑?hào)碼字冠是否與本地局號(hào)相同，相同則回復(fù)應(yīng)答信令，不同則不做處理。反之終端VHF只會(huì)向主站VHF發(fā)出透?jìng)餍帕疃粫?huì)向其余終端VHF廣播，基站PBX收到信令后直接回復(fù)應(yīng)答信令。

3.4 終端與不同基站間越區(qū)切換技術(shù)

根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)在使用中實(shí)際情況，各終端具備移動(dòng)性，有可能從一個(gè)基站的覆蓋范圍切換到另一個(gè)基站覆蓋范圍，這就要解決越區(qū)切換的問(wèn)題，即終端從原基站退網(wǎng)、重新接入新基站入網(wǎng)的問(wèn)題［7］。

（1）切換時(shí)機(jī)

基站的INC擇機(jī)循環(huán)發(fā)送終端設(shè)備離開(kāi)基站的狀態(tài)信息（該信息含有終端設(shè)備的唯一ID號(hào)）給PBX，PBX收到狀態(tài)信息后向INC應(yīng)答，INC收到應(yīng)答信息后停發(fā)退網(wǎng)信息。此時(shí)基站的PBX除更新自己的組網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系外，還要向基站的INC發(fā)送刪除原來(lái)拓?fù)潢P(guān)系的信息，同時(shí)基站的PBX通過(guò)以太網(wǎng)控制管理接口向中心的PBX發(fā)送組網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系更新信息，中心的PBX收到更新信息后自動(dòng)更新自己的拓?fù)潢P(guān)系。

（2）重新入網(wǎng)參數(shù)

當(dāng)終端進(jìn)入另一個(gè)基站的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，基站的INC循環(huán)發(fā)送終端設(shè)備進(jìn)入基站的狀態(tài)信息（該信息含有終端設(shè)備的唯一ID號(hào)）給PBX，PBX收到入網(wǎng)信息后向INC進(jìn)行應(yīng)答，INC收到應(yīng)答信息后停發(fā)入網(wǎng)信息。此時(shí)基站的PBX更新組網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)控制管理接口向中心的PBX發(fā)送組網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系更新信息，中心的PBX收到更新信息后自動(dòng)更新組網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系。

圖4 E1專用信令傳輸流程

（3）切換流程

當(dāng)終端移動(dòng)到跨區(qū)切換點(diǎn)時(shí)，終端中心PBX下發(fā)的跨區(qū)切換指令，進(jìn)行切換；終端更改超短波電臺(tái)的頻表和網(wǎng)號(hào)，待終端與新接入基站組網(wǎng)后，終端、基站的通信控制器與中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)路由交互，路由收斂后，各終端的PBX設(shè)備之間完成信令交互并更新話音注冊(cè)表，完成跨區(qū)切換。

3.5 回波抵消技術(shù)

由于話音在VHF鏈路中存在一定的傳輸延時(shí)，在近端PBX側(cè)2/4線混合線圈產(chǎn)生的回音（也稱回波、回聲）超過(guò)了人耳能忍受的范圍，將使遠(yuǎn)端用戶難以承受。因此本系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的PBX的設(shè)計(jì)需增加回波消除電路，以有效消除線路中的回音［5］。

PBX設(shè)備采用一款帶32個(gè)獨(dú)立通道的語(yǔ)音回波抵消芯片?；夭ǖ窒娐吩砣鐖D5所示。本端接收的話音信號(hào)Rin，通過(guò)一個(gè)特別設(shè)計(jì)的濾波器，可實(shí)現(xiàn)回波路徑的測(cè)量，使得濾波器能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出回波估值，然后在發(fā)送路徑上Sin自適應(yīng)地減去該估值，對(duì)于Sout來(lái)說(shuō)，只有本端的話音被發(fā)送到遠(yuǎn)端，于是回波就消除了。其特點(diǎn)是近端安裝回波抵消電路則遠(yuǎn)端用戶受益，遠(yuǎn)端安裝回波抵消電路則近端用戶受益［6］。

圖5 話音回波抵消原理

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于PSTN和VHF鏈路的話音調(diào)度系統(tǒng)，不增加通信設(shè)備，只是在既有的通信設(shè)備上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的新技術(shù)，使該調(diào)度系統(tǒng)不論在使用靈活性、成本上都具有很大的優(yōu)勢(shì)。既滿足了調(diào)度系統(tǒng)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間良好的融合通信，又能夠在VHF頻段下展開(kāi)指揮調(diào)度的移動(dòng)部署，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域和行業(yè)部門(mén)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)指揮，同時(shí)具備良好的保密和安全性能。可廣泛應(yīng)用到部隊(duì)、公安、武警、人防、消防、廣電、鐵路等使用VHF移動(dòng)電臺(tái)通信的中短距離、指揮調(diào)度或機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)的指揮通信任務(wù)。

1 明久強(qiáng).基于SIP的語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).華中科技大學(xué) 2009

2 郭詮水等.通信設(shè)備接口協(xié)議手冊(cè).人民郵電出版社 2005王虔.VHF跳頻自組網(wǎng)時(shí)隙分配協(xié)議研究.電子科技大學(xué)2010

3 劉穎等.同步數(shù)字傳輸技術(shù).科學(xué)出版社 2012

4 丁世杰.衛(wèi)星通信系統(tǒng)群路回音消除器方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).無(wú)線電通信技術(shù) 2003

5 袁三男等.基于ZL38003的回波抑制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).上海電力學(xué)院學(xué)報(bào) 2008

6 李瑩等.VHF/UHF空地?cái)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)越區(qū)切換設(shè)計(jì).電視技術(shù) 2008

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.08.016

2016-07-24）