適用于特種行業的無線移動寬帶通信系統設計

張淼++張建國++閆軍++王叔洋

摘 要：特種行業相對公眾移動通信技術落后。將先進的移動通信技術引入特種行業應用面臨許多問題，包括核心網系統龐大、造價昂貴、管理和配置復雜、功能單一無法滿足特種行業的指揮調度、數據及視頻傳輸的需求等。該文采用了先進的SIP/IMS構架解決指揮調度問題，采用成熟工業嵌入式計算機和X86平臺解決核心網體積重量及造價問題，同時加入數據傳輸能力。為特種行業提供一種技術先進的移動寬帶通信平臺。

關鍵詞：特種行業 移動通信技術 SIP/IMS核心網

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0236-02

目前特種行業無線通信大都采用落后的對講機、數字集群等通信技術，遠落后公眾移動通信系統。該文采用的新一代行業移動寬帶通信平臺解決方案基于普通手機作為終端，攻克平臺高度集成化的難題，構建電信級通信質量的便攜式無線移動寬帶通信平臺和指揮調度系統，從而提高行業內部通信及指揮調度能力，提高各生產、服務行業工作效率。

特種行業無線移動寬帶通信平臺的需求如下：

大量語音用戶接入能力，可以兼容手機設備以節約大量終端購買費用開支。

具備一對多的語音通話能力，以實現指揮調度功能。

具備移動通信能力，適應在中高速運動下的語音通信。

具備一定的雙向數據傳送能力，以滿足當前大量電子材料的傳送。

具備超便攜特性，隨時部署或搬移以適應遷移式作業需要。

1 設計原理

平臺核心為基于SIP協議的緊湊型核心網系統。行業移動寬帶通信平臺可提供電信級的語音、短信、數據業務和調度指揮功能。系統嚴格遵循3GPP2的體系結構及ITU-T、IETF各項標準與規范，采用統一的IP移動軟交換體系和開放式的系統結構，本項目開發了專用的SIP CDMA軟交換系統和純軟件版本的分組域核心網（分組數據服務節點PDSN和AAA服務器），用來代替傳統的CDMA核心網系統。傳輸速率實現下行速率3.1 Mbps，上行速率1.8 Mbps，設備體積小，用戶容量大，覆蓋范圍廣，組網快速方便，可以通過衛星/Internet與公網連接。

行業用戶通信中，指揮對講功能必不可少。傳統的調度指揮系統是針對專用調度終端。在實際應用中，專用調度終端成本高，數量少，緊急情況下難以獲得。指揮調度平臺有軟硬件共同構成，其分為指揮調度機與基于SIP協議的核心網內指揮調度軟件系統兩部分。核心指揮調度功能部署在核心網設備上，用戶的分組、優先級配置、強插、強拆、監聽、錄音等功能均有核心網側部署的軟件實現，手機端無需增加硬件模塊或是軟件，為整體指揮調度節省了成本。

完整的移動通信系統包括接入網系統與核心網系統。其中接入網系統包括基站和基站控制器，核心網系統主要包括移動交換機、短消息中心、分組數據業務節點等。本項目的設計目標之一是實現超小型移動通信系統。系統設計接入網部分利用外方合作企業提供微蜂窩基站，自主開發射頻前端模塊，包括天線端雙工濾波器器，低噪聲放大器，高功率放大器，近端雙工濾波器。核心網部分開發實現高集成度的核心網功能模塊，指揮調度功能模塊，實現小型的移動通信系統設備。

2 設計實現

在整體構架中，如圖1所示。主要網絡實體包括Femtocell（微蜂窩基站）、IP PBX（Private Branch Exchange，交換機）和CN Platform（核心網平臺）組成。其中CN Platform又包含FNG（Femtocell Network Gateway蜂窩網關）、FSM（Femtocell Service Manager蜂窩服務管理）和SIP/IMS Core Network（SIP/IMS核心網）等功能模塊。

Femtocell同時支持1xRTT（CDMA2000 IS-2000標準在蜂窩網絡上支持語音數據服務）和EVDO（CDMA2000HRPD標準在蜂窩網絡上支持高速數據包傳送服務）。Femtocell通過IP回程網與CN Platform（核心網平臺）連接。用戶語音由1xRTT承載并傳送給Femtocell，然后被轉換由SIP/RTP（會話發起協議/實時傳輸協議）承載傳送給核心網。用戶數據則是在建立一個IP主代理之后在普通的IP承載上傳送。

PBX完成企業內部之間以及與公共電信網絡的電話交換。該部分采用商用設備即可，本設計中采用思科通用小型化設備。且該設備支持通過SIP/RTP與核心網平臺進行交互。

FNG是一個安全接入網關來許可Femtocell接入核心網，FSM是一組管理Femtocell的服務程序其管理協議基于TR-069（Technical Report-069）協議。其組件完成兩項功能，一個是基礎設備管理功能，另外一個是多Femtocell下的自動網絡規劃及網絡管理。

SIP/IMS Core Network運行在linux操作系統上，硬件采用通用的X86處理器，使得核心網的成本大大降低。其提供了基本的移動性管理和呼叫處理功能，與Femtocell的接口為Abis協議，通過SIP協議與IP PBX通信，實施媒體傳輸協議為RTP。PDSN（分組數據服務節點）功能也是純軟件方式完成，并未采用任何專用通信處理器。本系統PDSN全面支持簡單IP模式和移動IP模式。由于采用的純軟件方式完成核心網功能，核心網功能包括：系統控制和管理模塊、A11信令處理模塊、IP協議處理及IP包轉發模塊、PPP協議處理模塊、隧道協議處理模塊、AAA（認證、授權及計費體系）處理模塊等。

3 系統測試

基于SIP協議的緊湊型核心網及核心網硬件集成，選用成熟可靠的工業控制嵌入式計算機架構，作為核心網主要功能實現平臺，將移動運營商重量為幾噸，造價上千萬的設備集成到可單兵背負，且成本僅為其幾十分之一。單兵背負的核心網實物如圖2所示。

基于普通手機的指揮調度功能包括強插、強拆、監聽、分組等多種功能，免資費的語音通信及內部寬帶服務，為行業定制移動運營不具備的指揮調度功能，亦填補了移動運營商、移動通信設備制造商無法顧及的特種行業用戶。

研發純軟件版本的PDSN技術，CDMA EVDO達到分組數據速率：CDMA2000 1x：153.6Kbps，CDMA2000 Ev-Do Rev.A：3.1 Mbps/1.8 Mbps。

測試結果表明核心網采用成熟工業控制嵌入式計算機技術后，體積、重量、成本都大大的降低，更加適于特種行業的應用、部署和遷移。增加了企業用戶才有的指揮調度功能，且完全免費通信并具備數據傳輸能力。基于EVDO的無線移動寬帶通信可以滿足對視頻等大數據無線傳輸的要求，并可以隨空口技術進步演進至LTE，滿足高清視頻等更大數據帶寬的應用需求。

參考文獻

[1] 王安義，劉麗君，張謙，等.TD-SCDMA技術在煤炭行業中的應用分析[J].工礦自動化，2011（10）：4-7.

[2] 韓富有.煤礦井下無線移動通信[J].中國無線通信，1999，5（8）：14，16-17.

[3] Dragos Vingarzan，Peter Weik， Thomas Magedanz.Design and Implementation of an Open IMS Core.Mobility Aware Technologies and Applications[J]. Lecture Notes in Computer Science，2005，3744：284-293.endprint

摘 要：特種行業相對公眾移動通信技術落后。將先進的移動通信技術引入特種行業應用面臨許多問題，包括核心網系統龐大、造價昂貴、管理和配置復雜、功能單一無法滿足特種行業的指揮調度、數據及視頻傳輸的需求等。該文采用了先進的SIP/IMS構架解決指揮調度問題，采用成熟工業嵌入式計算機和X86平臺解決核心網體積重量及造價問題，同時加入數據傳輸能力。為特種行業提供一種技術先進的移動寬帶通信平臺。

關鍵詞：特種行業 移動通信技術 SIP/IMS核心網

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0236-02

目前特種行業無線通信大都采用落后的對講機、數字集群等通信技術，遠落后公眾移動通信系統。該文采用的新一代行業移動寬帶通信平臺解決方案基于普通手機作為終端，攻克平臺高度集成化的難題，構建電信級通信質量的便攜式無線移動寬帶通信平臺和指揮調度系統，從而提高行業內部通信及指揮調度能力，提高各生產、服務行業工作效率。

特種行業無線移動寬帶通信平臺的需求如下：

大量語音用戶接入能力，可以兼容手機設備以節約大量終端購買費用開支。

具備一對多的語音通話能力，以實現指揮調度功能。

具備移動通信能力，適應在中高速運動下的語音通信。

具備一定的雙向數據傳送能力，以滿足當前大量電子材料的傳送。

具備超便攜特性，隨時部署或搬移以適應遷移式作業需要。

1 設計原理

平臺核心為基于SIP協議的緊湊型核心網系統。行業移動寬帶通信平臺可提供電信級的語音、短信、數據業務和調度指揮功能。系統嚴格遵循3GPP2的體系結構及ITU-T、IETF各項標準與規范，采用統一的IP移動軟交換體系和開放式的系統結構，本項目開發了專用的SIP CDMA軟交換系統和純軟件版本的分組域核心網（分組數據服務節點PDSN和AAA服務器），用來代替傳統的CDMA核心網系統。傳輸速率實現下行速率3.1 Mbps，上行速率1.8 Mbps，設備體積小，用戶容量大，覆蓋范圍廣，組網快速方便，可以通過衛星/Internet與公網連接。

行業用戶通信中，指揮對講功能必不可少。傳統的調度指揮系統是針對專用調度終端。在實際應用中，專用調度終端成本高，數量少，緊急情況下難以獲得。指揮調度平臺有軟硬件共同構成，其分為指揮調度機與基于SIP協議的核心網內指揮調度軟件系統兩部分。核心指揮調度功能部署在核心網設備上，用戶的分組、優先級配置、強插、強拆、監聽、錄音等功能均有核心網側部署的軟件實現，手機端無需增加硬件模塊或是軟件，為整體指揮調度節省了成本。

完整的移動通信系統包括接入網系統與核心網系統。其中接入網系統包括基站和基站控制器，核心網系統主要包括移動交換機、短消息中心、分組數據業務節點等。本項目的設計目標之一是實現超小型移動通信系統。系統設計接入網部分利用外方合作企業提供微蜂窩基站，自主開發射頻前端模塊，包括天線端雙工濾波器器，低噪聲放大器，高功率放大器，近端雙工濾波器。核心網部分開發實現高集成度的核心網功能模塊，指揮調度功能模塊，實現小型的移動通信系統設備。

2 設計實現

在整體構架中，如圖1所示。主要網絡實體包括Femtocell（微蜂窩基站）、IP PBX（Private Branch Exchange，交換機）和CN Platform（核心網平臺）組成。其中CN Platform又包含FNG（Femtocell Network Gateway蜂窩網關）、FSM（Femtocell Service Manager蜂窩服務管理）和SIP/IMS Core Network（SIP/IMS核心網）等功能模塊。

Femtocell同時支持1xRTT（CDMA2000 IS-2000標準在蜂窩網絡上支持語音數據服務）和EVDO（CDMA2000HRPD標準在蜂窩網絡上支持高速數據包傳送服務）。Femtocell通過IP回程網與CN Platform（核心網平臺）連接。用戶語音由1xRTT承載并傳送給Femtocell，然后被轉換由SIP/RTP（會話發起協議/實時傳輸協議）承載傳送給核心網。用戶數據則是在建立一個IP主代理之后在普通的IP承載上傳送。

PBX完成企業內部之間以及與公共電信網絡的電話交換。該部分采用商用設備即可，本設計中采用思科通用小型化設備。且該設備支持通過SIP/RTP與核心網平臺進行交互。

FNG是一個安全接入網關來許可Femtocell接入核心網，FSM是一組管理Femtocell的服務程序其管理協議基于TR-069（Technical Report-069）協議。其組件完成兩項功能，一個是基礎設備管理功能，另外一個是多Femtocell下的自動網絡規劃及網絡管理。

SIP/IMS Core Network運行在linux操作系統上，硬件采用通用的X86處理器，使得核心網的成本大大降低。其提供了基本的移動性管理和呼叫處理功能，與Femtocell的接口為Abis協議，通過SIP協議與IP PBX通信，實施媒體傳輸協議為RTP。PDSN（分組數據服務節點）功能也是純軟件方式完成，并未采用任何專用通信處理器。本系統PDSN全面支持簡單IP模式和移動IP模式。由于采用的純軟件方式完成核心網功能，核心網功能包括：系統控制和管理模塊、A11信令處理模塊、IP協議處理及IP包轉發模塊、PPP協議處理模塊、隧道協議處理模塊、AAA（認證、授權及計費體系）處理模塊等。

3 系統測試

基于SIP協議的緊湊型核心網及核心網硬件集成，選用成熟可靠的工業控制嵌入式計算機架構，作為核心網主要功能實現平臺，將移動運營商重量為幾噸，造價上千萬的設備集成到可單兵背負，且成本僅為其幾十分之一。單兵背負的核心網實物如圖2所示。

基于普通手機的指揮調度功能包括強插、強拆、監聽、分組等多種功能，免資費的語音通信及內部寬帶服務，為行業定制移動運營不具備的指揮調度功能，亦填補了移動運營商、移動通信設備制造商無法顧及的特種行業用戶。

研發純軟件版本的PDSN技術，CDMA EVDO達到分組數據速率：CDMA2000 1x：153.6Kbps，CDMA2000 Ev-Do Rev.A：3.1 Mbps/1.8 Mbps。

測試結果表明核心網采用成熟工業控制嵌入式計算機技術后，體積、重量、成本都大大的降低，更加適于特種行業的應用、部署和遷移。增加了企業用戶才有的指揮調度功能，且完全免費通信并具備數據傳輸能力。基于EVDO的無線移動寬帶通信可以滿足對視頻等大數據無線傳輸的要求，并可以隨空口技術進步演進至LTE，滿足高清視頻等更大數據帶寬的應用需求。

參考文獻

[1] 王安義，劉麗君，張謙，等.TD-SCDMA技術在煤炭行業中的應用分析[J].工礦自動化，2011（10）：4-7.

[2] 韓富有.煤礦井下無線移動通信[J].中國無線通信，1999，5（8）：14，16-17.

[3] Dragos Vingarzan，Peter Weik， Thomas Magedanz.Design and Implementation of an Open IMS Core.Mobility Aware Technologies and Applications[J]. Lecture Notes in Computer Science，2005，3744：284-293.endprint

摘 要：特種行業相對公眾移動通信技術落后。將先進的移動通信技術引入特種行業應用面臨許多問題，包括核心網系統龐大、造價昂貴、管理和配置復雜、功能單一無法滿足特種行業的指揮調度、數據及視頻傳輸的需求等。該文采用了先進的SIP/IMS構架解決指揮調度問題，采用成熟工業嵌入式計算機和X86平臺解決核心網體積重量及造價問題，同時加入數據傳輸能力。為特種行業提供一種技術先進的移動寬帶通信平臺。

關鍵詞：特種行業 移動通信技術 SIP/IMS核心網

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0236-02

目前特種行業無線通信大都采用落后的對講機、數字集群等通信技術，遠落后公眾移動通信系統。該文采用的新一代行業移動寬帶通信平臺解決方案基于普通手機作為終端，攻克平臺高度集成化的難題，構建電信級通信質量的便攜式無線移動寬帶通信平臺和指揮調度系統，從而提高行業內部通信及指揮調度能力，提高各生產、服務行業工作效率。

特種行業無線移動寬帶通信平臺的需求如下：

大量語音用戶接入能力，可以兼容手機設備以節約大量終端購買費用開支。

具備一對多的語音通話能力，以實現指揮調度功能。

具備移動通信能力，適應在中高速運動下的語音通信。

具備一定的雙向數據傳送能力，以滿足當前大量電子材料的傳送。

具備超便攜特性，隨時部署或搬移以適應遷移式作業需要。

1 設計原理

平臺核心為基于SIP協議的緊湊型核心網系統。行業移動寬帶通信平臺可提供電信級的語音、短信、數據業務和調度指揮功能。系統嚴格遵循3GPP2的體系結構及ITU-T、IETF各項標準與規范，采用統一的IP移動軟交換體系和開放式的系統結構，本項目開發了專用的SIP CDMA軟交換系統和純軟件版本的分組域核心網（分組數據服務節點PDSN和AAA服務器），用來代替傳統的CDMA核心網系統。傳輸速率實現下行速率3.1 Mbps，上行速率1.8 Mbps，設備體積小，用戶容量大，覆蓋范圍廣，組網快速方便，可以通過衛星/Internet與公網連接。

行業用戶通信中，指揮對講功能必不可少。傳統的調度指揮系統是針對專用調度終端。在實際應用中，專用調度終端成本高，數量少，緊急情況下難以獲得。指揮調度平臺有軟硬件共同構成，其分為指揮調度機與基于SIP協議的核心網內指揮調度軟件系統兩部分。核心指揮調度功能部署在核心網設備上，用戶的分組、優先級配置、強插、強拆、監聽、錄音等功能均有核心網側部署的軟件實現，手機端無需增加硬件模塊或是軟件，為整體指揮調度節省了成本。

完整的移動通信系統包括接入網系統與核心網系統。其中接入網系統包括基站和基站控制器，核心網系統主要包括移動交換機、短消息中心、分組數據業務節點等。本項目的設計目標之一是實現超小型移動通信系統。系統設計接入網部分利用外方合作企業提供微蜂窩基站，自主開發射頻前端模塊，包括天線端雙工濾波器器，低噪聲放大器，高功率放大器，近端雙工濾波器。核心網部分開發實現高集成度的核心網功能模塊，指揮調度功能模塊，實現小型的移動通信系統設備。

2 設計實現

在整體構架中，如圖1所示。主要網絡實體包括Femtocell（微蜂窩基站）、IP PBX（Private Branch Exchange，交換機）和CN Platform（核心網平臺）組成。其中CN Platform又包含FNG（Femtocell Network Gateway蜂窩網關）、FSM（Femtocell Service Manager蜂窩服務管理）和SIP/IMS Core Network（SIP/IMS核心網）等功能模塊。

Femtocell同時支持1xRTT（CDMA2000 IS-2000標準在蜂窩網絡上支持語音數據服務）和EVDO（CDMA2000HRPD標準在蜂窩網絡上支持高速數據包傳送服務）。Femtocell通過IP回程網與CN Platform（核心網平臺）連接。用戶語音由1xRTT承載并傳送給Femtocell，然后被轉換由SIP/RTP（會話發起協議/實時傳輸協議）承載傳送給核心網。用戶數據則是在建立一個IP主代理之后在普通的IP承載上傳送。

PBX完成企業內部之間以及與公共電信網絡的電話交換。該部分采用商用設備即可，本設計中采用思科通用小型化設備。且該設備支持通過SIP/RTP與核心網平臺進行交互。

FNG是一個安全接入網關來許可Femtocell接入核心網，FSM是一組管理Femtocell的服務程序其管理協議基于TR-069（Technical Report-069）協議。其組件完成兩項功能，一個是基礎設備管理功能，另外一個是多Femtocell下的自動網絡規劃及網絡管理。

SIP/IMS Core Network運行在linux操作系統上，硬件采用通用的X86處理器，使得核心網的成本大大降低。其提供了基本的移動性管理和呼叫處理功能，與Femtocell的接口為Abis協議，通過SIP協議與IP PBX通信，實施媒體傳輸協議為RTP。PDSN（分組數據服務節點）功能也是純軟件方式完成，并未采用任何專用通信處理器。本系統PDSN全面支持簡單IP模式和移動IP模式。由于采用的純軟件方式完成核心網功能，核心網功能包括：系統控制和管理模塊、A11信令處理模塊、IP協議處理及IP包轉發模塊、PPP協議處理模塊、隧道協議處理模塊、AAA（認證、授權及計費體系）處理模塊等。

3 系統測試

基于SIP協議的緊湊型核心網及核心網硬件集成，選用成熟可靠的工業控制嵌入式計算機架構，作為核心網主要功能實現平臺，將移動運營商重量為幾噸，造價上千萬的設備集成到可單兵背負，且成本僅為其幾十分之一。單兵背負的核心網實物如圖2所示。

基于普通手機的指揮調度功能包括強插、強拆、監聽、分組等多種功能，免資費的語音通信及內部寬帶服務，為行業定制移動運營不具備的指揮調度功能，亦填補了移動運營商、移動通信設備制造商無法顧及的特種行業用戶。

研發純軟件版本的PDSN技術，CDMA EVDO達到分組數據速率：CDMA2000 1x：153.6Kbps，CDMA2000 Ev-Do Rev.A：3.1 Mbps/1.8 Mbps。

測試結果表明核心網采用成熟工業控制嵌入式計算機技術后，體積、重量、成本都大大的降低，更加適于特種行業的應用、部署和遷移。增加了企業用戶才有的指揮調度功能，且完全免費通信并具備數據傳輸能力。基于EVDO的無線移動寬帶通信可以滿足對視頻等大數據無線傳輸的要求，并可以隨空口技術進步演進至LTE，滿足高清視頻等更大數據帶寬的應用需求。

參考文獻

[1] 王安義，劉麗君，張謙，等.TD-SCDMA技術在煤炭行業中的應用分析[J].工礦自動化，2011（10）：4-7.

[2] 韓富有.煤礦井下無線移動通信[J].中國無線通信，1999，5（8）：14，16-17.

[3] Dragos Vingarzan，Peter Weik， Thomas Magedanz.Design and Implementation of an Open IMS Core.Mobility Aware Technologies and Applications[J]. Lecture Notes in Computer Science，2005，3744：284-293.endprint