宽带无线多媒体集群系统方案与关键技术

谭学治+孟维晓

谭学治

哈尔滨工业大学

教授/博士生导师

通信技术研究所副所长

国家科技重大专项BWT总体技术组组长

孟维晓

哈尔滨工业大学

教授/博士生导师

通信技术研究所移动通信研究室副主任

专用通信教育部工程中心副主任

【摘 要】

随着宽带无线多媒体技术的快速发展，数字集群技术也呈现出数据宽带化、业务多样化、终端多模化和系统IP 化的发展趋势。介绍了在国家科技重大专项支持下我国开展的宽带无线多媒体集群系统的研究情况，包括系统的网络架构，信令接口、支持业务和关键技术等。具备多模兼容的宽带无线多媒体集群系统将有希望成为未来集群通信宽带化的主导体制。

【关键词】

集群通信 宽带无线多媒体集群 网络架构 多模融合

1 引言

自上世纪90年代以来，传统窄带数字集群技术体制，如TETRA，Project25等，为公共安全、交通运输、石油化工等行业提供了安全、可靠和稳定的通信保障，显著地改善了其通信能力。然而，随着社会的进步和科技的发展，各行各业的工作方式发生了改变，对宽带移动通信业务如图像、视频传输等的需求也日益强烈。此外，在紧急情况下，移动通信系统还应该实现跨系统、跨机构、跨区域的无缝对接，即优良的互操作性，从而更好地为行业服务。国外主要专业通信设备研发厂商对专业宽带移动通信系统的研发方兴未艾，摩托罗拉、欧洲宇航、爱立信等公司纷纷与具有4G技术优势的商业网络设备厂商签署战略合作协议，旨在将4G技术与集群通信技术结合起来，发展专业宽带移动通信技术，大大推动了专业宽带移动通信技术的进步。

宽带多媒体集群系统在这样的迫切的应用需求下得以发展。从2006年开始，宽带无线多媒体系统的研究被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中确定的16个重大科技专项之一的“新一代宽带无线移动通信网”课题的一个主要研究方向。针对多种特殊行业的应用需求，结合我国的实际国情，产学研三方面相结合，推动产业化发展，形成具有我国自主知识产权的具有中速、高速和超高三种模式融合、并且可控可管特点的宽带无线多媒体集群（Broadband Wireless Trunking，BWT）系统。该系统对我国无线多媒体集群系统的发展具有明确和深远的指导意义。

2 宽带多媒体集群系统框架

主要建设思想是基于大区制的语音通信和建网成本应该是专网发展的主要因素，同时为了保证在一些地区和特定地点对宽带数据业务的需求，提出宽带无线多媒体集群系统是一个多种接入模式的宽带无线多媒体集群系统架构，支持包括具有中低速、高速、超高速等多种宽带技术的接入，从而实现融合体系架构下集群调度、图像、视频以及分组数据等业务。宽带无线多媒体集群系统的网络架构、特色和各接入模式的速率如图1、图2、图3所示。

宽带无线多媒体集群系统由四个部分组成，包括：终端、无线接入子系统、交换控制平台、调度应用平台，支持包括中低速模式、高速模式和超高速模式等多种无线接入技术，以及与其他数字集群系统、PSTN网络、移动蜂窝网络和空天系统的互联互通。终端是系统用户可以直接操作的设备，提供与系统交互信息的能力。由于系统支持多种接入模式，其终端设备也可分为单模终端和多模终端。不同模式的终端分别通过Um、Uh、Us等无线接口与接入子系统相连。

无线接入子系统（RAN）通过空中接口与终端建立通信，实现空口控制和传输、无线资源的管理、系统设备的操作维护等功能。宽带无线集群系统支持的接入模式包括中低速、高速、超高速三种模式。

2.1 中低速模式

中低速模式需采用大区制组网；通过可重构平台实现对窄带集群系统的兼容，向宽带化平滑过渡；由于国外的TETRA数字集群存在建网和维护成本高、信息安全无法保障、无法从现有模拟集群网平滑升级等缺点，我国公安部牵头制订了我国自主知识产权的PDT警用数字集群标准。PDT标准具有通话保密性高、扩展应用能力强、数模兼容、建网和运营维护成本低等优势，能有效满足公共安全和公用事业用户专业无线通信建网需求。特别是PDT数字集群标准采用了大区制的技术体制，可以实现由原有MPT模拟集群系统的平滑升级，能有效保护前期大量的MPT网络建设投资，节省建网和维护成本。该标准未来有望成为与我国国情相似的广大发展中国家的主流建网标准。因此宽带无线集群系统方案中中低速的部分采用了基于PDT标准的方案。通过基站自组网、终端脱网直通等多种方式提高系统的抗毁性和可靠性；通过自适应链路技术、频率资源动态分配技术、终端多点协作技术、随机接入碰撞避免算法等来保证多媒体业务的QoS指标。中低速模式支持最高500kbps的数据传输速率，提供语音、图像及压缩视频等中速数据传输，适合应用于公共安全、交通运输、石油化工等多个行业用户领域。图4列出来BWT中低速接入的优势和空中接口。

2.2 高速模式

高速模式覆盖范围应介于中速与超高速之间，兼容中速模式，与中速数据业务的区别在于支持普清视频以及高清图像业务的双向传输。高速模式采用5MHz带宽支持25Mbps的数据传输速率，具有优先级的数据业务服务、基本的信道捆绑、基本的资源分配以及选择传输策略等技术。图5列出了高速模式的特点。

2.3 超高速模式

超高速模式是三种模式中覆盖范围最小的一种，基于TD-LTE标准，采用5～20MHz带宽，最高支持100Mbps的数据传输速率，兼容其他速度模式。超高速模式支持标清视频业务的传输，采用频谱感知、频谱聚合、分集接收、MIMO、协作通信、自适应资源分配、自适应传输策略以及MAC层的随机接入退避等技术。

交换控制平台包括交换控制中心、互联网关和注册数据服务器三个部分，主要提供移动性管理、业务交换、系统互连和用户信息管理等功能。采用统一的Ta接口实现与RAN信息交互；采用统一的D接口实现与调度控制平台信息交互；采用统一的R接口实现与注册数据服务器的信息交互。endprint

调度应用平台包括调度台、录音/录像服务器、安全服务器和应用服务器。其中，应用服务器ApS对外提供IP通道，是可授权第三方进行二次应用开发的接口。图6列举了超高速模式的特点。

图6 超高速空中接口

3 宽带多媒体集群系统新增业务与功能

在兼备全部传统集群通信功能（诸如单呼、组呼、紧急呼叫和动态重组等）的基础上，宽带多媒体集群系统新增业务与功能主要有：

（1）可视单呼：两个终端之间建立的双向视频通话，建立视频通话的双方，既可听到对方语音又可看到对方视频，且音唇同步。可视单呼包括终端与终端之间、终端与调度台之间的可视单呼。

（2）可视组呼：一种集成语音和视频两种多媒体形式的组呼。可视组呼分为：

方式1：移动用户和调度台等具有可视组呼权限的用户可发起可视组呼，相当于同时建立语音和视频两种媒体流的组呼业务；

方式2：业务以用户分组为单位进行，呼叫控制权分为话权和视频控制权，在一次会话中，话权的处理与语音组呼一致，视频控制权由特定用户（可以是调度员、指挥员或调度用户）控制，可发起针对组内一个或一个以上终端的视频上传、视频分发的操作，通常情况下，组内的终端只上传视频或只浏览视频。

（3）实时短数据：宽带无线多媒体集群系统允许终端之间传送一些以预定义或者原始数据格式定义的消息，系统支持实时短数据功能。一个终端能够向另一个终端发送短数据，系统要求收到短数据的终端立即回复确认消息，延时在百毫秒以内。

（4）订阅：宽带无线多媒体集群系统应支持状态监控功能。调度台订阅内容包括在线通话状态信息、用户状态信息、组信息基本属性、终端用户基本属性以及通话组基本属性等状态信息。当所订阅的状态信息发生变化后，调度台应当立刻收到更新后的状态信息。

（5）多重速率数据业务：宽带无线多媒体集群系统支持基本的数据业务。宽带无线多媒体集群系统根据需要和空中接口能力，支持从500kbps至100Mbps范围内的安全可控、可管的多重数据传输通道。

4 宽带多媒体集群系统关键技术

4.1 基于TD-LTE的频谱聚合研究

TD-LTE对频谱利用已接近理论的上限，专网系统若要获得完整的一段20MHz的最大系统带宽，并达到100Mbps的最高峰值速率基本是不现实的，因而采用合理的技术拓宽传输带宽是未来专用移动通信发展的必然趋势。然而现今紧俏的频谱资源很难提供新的连续的宽带频谱。因此，载波聚合技术成为扩展系统带宽的必然方式。

4.2 SIP协议的理论研究

根据BWT项目的需求，对SIP协议的系统架构和消息语法进行了详细的分析，实现了系统中集群调度台的SIP模块，并在实际工程中进行了验证。在考虑可靠重传机制的条件下分别推导了基于不同的传输层承载的SIP会话建立时延公式，并据此进行了时延优化的分析，提出了带预处理的LZSS结合霍夫曼压缩算法，能够有效的压缩SIP信息，降低时延。

4.3 广域组网方法研究

由于专网大多是大区制，所以广域组网方法非常重要。研究表明：机会路由相比于多跳无线网络中的传统路由协议，更加适应无线信道的特性，可以提高数据传输的可靠性和端到端的吞吐量。

5 结论

宽带多媒体集群系统是在国家科技重大专项的支持下，经过宽带多媒体集群系统总体组和各个项目参与企业、研究院所和高校的不懈努力，已经完成了第一阶段的技术验证样机和标准化工作，今后将逐步在行业中应用推广。endprint