車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)研究與設(shè)計

文｜普天信息技術(shù)有限公司 杜濤 李瑞林;國家無線電檢測中心 李鋼

1.研究與設(shè)計背景

車載集群通信系統(tǒng)是應(yīng)急通信場景下的重要通信工具。車載窄帶集群通信系統(tǒng)具有覆蓋半徑大的優(yōu)勢，但是只能支持語音和短數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)。隨著LTE寬帶集群的不斷成熟和大規(guī)模應(yīng)用，車載寬帶集群通信系統(tǒng)也開始實際部署應(yīng)用。車載寬帶集群通信系統(tǒng)能夠提供高帶寬數(shù)據(jù)能力，支持高清視頻、多媒體指揮調(diào)度和高速數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)等，為指揮決策提供更高效和更直觀的數(shù)據(jù)支撐，但是覆蓋半徑小。為了發(fā)揮寬窄帶集群各自優(yōu)勢，更好服務(wù)于應(yīng)急通信需求，本文提出了車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)，實現(xiàn)寬窄帶集群用戶的統(tǒng)一調(diào)度管理。

本文重點研究在一輛應(yīng)急通信車上同時部署PDT窄帶集群和LTE寬帶集群兩種集群通信系統(tǒng)。通過統(tǒng)一的車載集群核心網(wǎng)進行LTE寬帶集群和PDT窄帶集群接入系統(tǒng)的融合，在車載集群核心網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)寬窄帶集群用戶之間的融合通信，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一編組、統(tǒng)一調(diào)度和統(tǒng)一定位等。

2.總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)是為需要機動而迅速部署集群應(yīng)急通信網(wǎng)的場景而設(shè)計，含統(tǒng)一核心網(wǎng)、PDT窄帶集群基站、LTE寬帶集群基站，支持在一臺應(yīng)急通信車上同時部署LTE寬帶集群和PDT窄帶集群應(yīng)急通信。完整的車載通信系統(tǒng)分為車內(nèi)設(shè)備和車外設(shè)備兩部分。車內(nèi)設(shè)備含車載寬窄帶融合集群通信一體機和調(diào)度臺DC，車外設(shè)備有天線（PDT和LTE）和LTE遠端射頻單元RRU。車外設(shè)備還可架設(shè)衛(wèi)星通信設(shè)備與應(yīng)急指控中心傳輸通信。系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖如下：

（1）車載寬窄帶融合集群通信一體機

車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)的主要設(shè)備為寬窄帶融合一體機，設(shè)備包括下列五部分單元：

a)車載交換控制平臺SCC（Switch &Control Center）

SCC包括一個交換中心和一個網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，使用統(tǒng)一的交換中心實現(xiàn)對寬帶LTE和窄帶PDT集群接入系統(tǒng)的控制，同時支持寬帶和窄帶的接入，并提供數(shù)據(jù)和信令通道，負責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交換控制和傳送，具有移動性管理功能。

b)LTE接入設(shè)備LTEPCN （LTE EPC&eNodeB）

LTEPCN集成了LTE基站處理單元BBU和LTE 核心網(wǎng)單元EPC，其中基站處理單元BBU和車外設(shè)備遠端射頻單元RRU共同配合實現(xiàn)一個完整的LTE eNodeB邏輯功能，執(zhí)行LTE集群接入功能。

c)車載PDT基站 PDTBS（PDT Base Station）

車載PDT基站PDTBS與原有標(biāo)準(zhǔn)PDT基站子系統(tǒng)在業(yè)務(wù)功能方面基本保持一致，用于執(zhí)行PDT集群接入功能。

d)車載調(diào)度業(yè)務(wù)平臺GDS（GIS/GPS Server和 DC Server）

車載綜合調(diào)度平臺GDS提供GPS、北斗、GIS位置服務(wù)，配合調(diào)度臺執(zhí)行現(xiàn)場GIS指揮調(diào)度。

e)車載電源

提供車載電源與車載一體機之間的電壓轉(zhuǎn)換和適配。

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)上將上述五部分單元用堅固牢靠的結(jié)構(gòu)件固定在高強度一體化機柜中，便于快速部署。硬件示意圖如下：

圖1 車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2 車載寬窄帶融合集群通信一體機

（2）調(diào)度臺DC

調(diào)度臺DC是車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)的調(diào)度控制中心，負責(zé)集群協(xié)調(diào)調(diào)度、呼叫控制、用戶調(diào)度、應(yīng)用擴展等功能，同時為用戶提供調(diào)度操作界面。可提供窄帶語音類和寬帶視頻類業(yè)務(wù)，可進行寬窄帶用戶的統(tǒng)一編組和統(tǒng)一管理，并結(jié)合GPS、北斗、GIS技術(shù)提供基于地圖的界面呈現(xiàn)。

（3）車外設(shè)備（天線和RRU）

車載通信系統(tǒng)的外部設(shè)備有寬帶和窄帶兩部分。寬帶設(shè)備包含天線和LTE遠端射頻單元RRU，窄帶是PDT天線。

2.1.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

產(chǎn)品在邏輯上分為以下幾個模塊：交換控制平臺模塊SCC（含用戶數(shù)據(jù)庫）、集群調(diào)度臺DC模塊、車載調(diào)度業(yè)務(wù)平臺GDS模塊、窄帶PDT基站處理單元PDTBS模塊、LTE寬帶核心網(wǎng)單元EPC模塊、LTE寬帶基站處理單元BBU模塊、LTE款待遠端射頻單元RRU模塊、天線單元等。其中，SCC又包含IMSC和ENMS_S模塊，IMSC模塊包含業(yè)務(wù)、媒體和接口協(xié)議處理模塊，ENMS_S模塊包含了網(wǎng)管服務(wù)器、簽約數(shù)據(jù)庫等模塊；LTE基站處理單元BBU和遠端射頻單元RRU共同配合實現(xiàn)一個完整的LTE基站邏輯功能。具體的邏輯組網(wǎng)架構(gòu)如圖3。

B1接口為PDT集群基站PDTBS與窄帶PDT終端之間的接口，PDT終端和基站之間的接口功能包括隨機接入、注冊、切換、呼叫控制、短數(shù)據(jù)、狀態(tài)消息等。

圖3 車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)邏輯組網(wǎng)架構(gòu)圖

Uu-T接口為LTE寬帶集群基站eNB與寬帶終端之間的接口,主要功能包括物理層的管理、MAC層管理、RLC管理、系統(tǒng)信息廣播和無線資源管理等功能。

S1-T接口為LTE EPC與eNB之間的接口，主要功能包括E-RAB管理功能、EMMCONNECTED狀態(tài)下針對UE的移動性功能、S1尋呼功能、NAS信令傳輸功能、S1接口管理功能、NAS節(jié)點選擇功能、UE初始上下文管理功能、組呼業(yè)務(wù)管理功能，以及S1接口用戶面?zhèn)鬏敼δ堋?/p>

PS2接口為窄帶PDT基站PDTBS與SCC之間的接口，主要功能包括窄帶PDT針對UE的移動性功能、尋呼功能、業(yè)務(wù)管理功能以及PS2接口用戶面?zhèn)鬏敼δ堋?/p>

T接口為LTE EPC與SCC之間的接口，主要功能包括設(shè)備注冊、設(shè)備心跳、組呼管理和話權(quán)通知等信令面功能，以及為完成組呼下行用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

R1接口為LTE EPC/PDT基站與用戶簽約數(shù)據(jù)庫之間的接口，主要完成集群終端接入功能簽約數(shù)據(jù)傳輸功能以及UE和組的關(guān)聯(lián)關(guān)系傳輸功能。

R2接口為用戶簽約數(shù)據(jù)庫與SCC之間的接口，主要完成寬帶和窄帶集群終端和組的簽約數(shù)據(jù)傳輸功能。

D接口為車載交換控制平臺SCC與調(diào)度臺DC之間的接口，SCC通過此接口上報用戶的基本屬性，用戶的狀態(tài)信息，用戶位置信息等，DC通過此接口實現(xiàn)調(diào)度類業(yè)務(wù)。

D-G接口為車載調(diào)度臺DC和調(diào)度業(yè)務(wù)平臺GDS之間的接口，DC通過此接口獲得終端的GIS位置信息。

2.2 功能設(shè)計

車載寬窄帶融合集群通信系統(tǒng)在功能設(shè)計上支持寬窄帶語音融合互通、支持統(tǒng)一編組、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一定位；融合系統(tǒng)支持最大注冊用戶數(shù)500個；寬帶系統(tǒng)支持單載波，20MHz/載波；窄帶系統(tǒng)最大支持4載波，12.5kHz/載波；寬帶語音組呼并發(fā)數(shù)不少于50個，窄帶語音組呼并發(fā)數(shù)最大7個。除語音通信外，系統(tǒng)支持視頻上傳業(yè)務(wù)等多媒體業(yè)務(wù)。

2.2.1 語音融合

系統(tǒng)通過統(tǒng)一的交換控制平臺SCC實現(xiàn)語音融合，包括窄帶PDT集群終端和寬帶LTE集群終端之間的組呼和單呼互通，以及調(diào)度臺用戶與寬窄帶集群用戶的互通。

SCC中有統(tǒng)一的用戶簽約數(shù)據(jù)庫，簽約數(shù)據(jù)包含PDT終端簽約和LTE終端簽約數(shù)據(jù)，組簽約包含LTE系統(tǒng)內(nèi)組和PDT系統(tǒng)內(nèi)組以及混合組數(shù)據(jù)。

信令面，SCC既支持與PDT基站的PS2接口，也支持LTE系統(tǒng)EPC之間的T接口。兩者接口均提供單呼建立釋放、組呼建立釋放、話權(quán)申請釋放、話權(quán)通知等功能。

用戶面，在SCC內(nèi)部完成PDT集群NVOC語音編碼和LTE集群AMR語音編解碼的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 寬帶業(yè)務(wù)

除了語音業(yè)務(wù)功能外，寬窄帶融合車載系統(tǒng)還支持寬帶業(yè)務(wù)，包括視頻組呼、視頻單呼、視頻上拉、視頻下發(fā)和視頻回傳等。

寬帶業(yè)務(wù)主要由DC、SCC、LTEPCN以及寬帶終端來完成。

用戶可以在調(diào)度臺上拉查看寬帶集群終端、無線攝像頭或iPad終端的視頻，可以將任何查看的視頻通過視頻下發(fā)的方式發(fā)送給寬帶集群終端或iPad終端，并且系統(tǒng)可以提供通過衛(wèi)星設(shè)備將視頻傳回給應(yīng)急指控中心。

2.2.3 統(tǒng)一編組

系統(tǒng)通過在車載交換控制平臺SCC內(nèi)部設(shè)置一個共同的用戶簽約數(shù)據(jù)庫，使寬帶LTE集群終端和窄帶集群PDT終端的簽約數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一起，寬窄帶用戶可統(tǒng)一編組，可以實現(xiàn)寬窄帶用戶統(tǒng)一語音組呼調(diào)度指揮。

2.2.4 統(tǒng)一調(diào)度

寬窄帶融合車載系統(tǒng)中，寬帶和窄帶共用一個調(diào)度臺DC，交換控制平臺SCC給調(diào)度臺DC提供統(tǒng)一接口，實現(xiàn)調(diào)度臺對數(shù)字集群終端，寬帶集群終端的統(tǒng)一調(diào)度管理。SCC對寬窄帶終端和組上報的相關(guān)信息進行融合，對調(diào)度臺DC提供統(tǒng)一的信息，實現(xiàn)融合調(diào)度功能。

統(tǒng)一調(diào)度除單呼、組呼外，還支持如下功能:短信、狀態(tài)消息、派接、多選、并組、動態(tài)重組、慎密監(jiān)聽、強拆強插、遙暈復(fù)活遙斃、視頻上拉、視頻回傳、視頻下發(fā)等。

2.2.5 統(tǒng)一管理

系統(tǒng)在SCC內(nèi)部設(shè)置統(tǒng)一的OM網(wǎng)管服務(wù)器，用DC實現(xiàn)統(tǒng)一的寬窄帶網(wǎng)管客戶端功能，寬窄帶用戶可以統(tǒng)一進行開戶管理。網(wǎng)管服務(wù)器通過SNMP協(xié)議管理SCC，EPC，PDT基站和LTE基站，網(wǎng)管客戶端通過BS架構(gòu)訪問網(wǎng)管服務(wù)器，客戶端通過瀏覽器進行簽約數(shù)據(jù)開戶，實現(xiàn)網(wǎng)管功能。

統(tǒng)一網(wǎng)管包括統(tǒng)一的開戶、告警、統(tǒng)計、日志等網(wǎng)管功能，支持批量開戶，批量刪除，批量用戶修改。根據(jù)某個屬性獲取用戶，批量修改某個屬性，支持文件批處理導(dǎo)入和導(dǎo)出。

2.2.6 統(tǒng)一定位

系統(tǒng)可以實現(xiàn)包括對PDT集群終端，LTE集群終端進行統(tǒng)一的定位功能，并能夠在定位的基礎(chǔ)上實現(xiàn)基于GIS的可視化調(diào)度業(yè)務(wù)，歷史軌跡等功能。

系統(tǒng)中PDT集群終端，LTE集群終端均向SCC上報位置信息，SCC向車載綜合調(diào)度平臺GDS上報位置信息。 SCC與GDS之間的接口采用接口定義方式，傳輸采用UDP。

GDS綜合系統(tǒng)中所有終端上報的位置信息，給調(diào)度臺提供接口實現(xiàn)對終端的實時定位，歷史軌跡和基于GIS的可視化調(diào)度功能。

3.融合SCC設(shè)計

3.1 功能特點

寬窄帶融合通信交換系統(tǒng)同時支持寬帶和窄帶的接入，寬帶和窄帶共用一個核心網(wǎng)，車載交換控制平臺SCC包括一個交換中心和一個網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

寬窄帶融合系統(tǒng)實現(xiàn)了寬窄帶用戶之間的融合通信，與兩個獨立的寬、窄帶系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的方式相比較，它具備以下優(yōu)勢：

1）互通組呼只一個控制中心，可避免話權(quán)沖突。

2）統(tǒng)一的配置管理。寬窄帶共用一個網(wǎng)管系統(tǒng)，方便對寬窄帶設(shè)備，以及用戶和通話組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的配置管理。

3）業(yè)務(wù)只經(jīng)由一個控制中心的處理，時延小。

除了PDT窄帶的業(yè)務(wù)功能外，寬窄帶融合系統(tǒng)還支持寬帶視頻類業(yè)務(wù)，以及寬窄帶之間的業(yè)務(wù)互通，包括：

1)視頻組呼：LTE用戶之間、或LTE用戶與調(diào)度用戶之間的點對多點的半雙工視頻呼叫。

2)視頻單呼：兩個LTE用戶之間、或LTE用戶與調(diào)度用戶之間的點對點的視頻呼叫。

3)視頻上拉：調(diào)度臺上拉指定LTE終端的視頻，并實時播放。

4)視頻回傳：調(diào)度臺接收LTE終端回傳的視頻，并實時播放。

5)視頻下發(fā)：調(diào)度臺將本地存儲的視頻、或本地攝像頭的視頻、或從某個LTE終端上拉的視頻，或某個LTE終端回傳的視頻下發(fā)給指定的一些LTE用戶或通話組。

6)混合組呼：寬窄帶用戶混合編組，加入同一個組呼。

7)混合組短信：寬窄帶用戶混合編組，組內(nèi)任一用戶（窄帶或?qū)拵В┌l(fā)送組短信至組內(nèi)其他用戶。

8)單呼互通：寬窄帶用戶之間點對點的語音呼叫。

9)個短信互通：寬窄帶用戶之間的點對點短信。

10)遙暈、復(fù)活和遙斃。

11)動態(tài)重組。

12)慎密監(jiān)聽。

13)被叫用戶搶占。

14)主叫號碼顯示與限制。

15)講話方識別。

16)基于VPN的業(yè)務(wù)限制。

3.2 硬件設(shè)計

車載SCC硬件為19”的1U機盒，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示：

各模塊功能如下：

（1）核心主控制模塊MCCP：控制管理、協(xié)議處理、媒體處理、接口處理；（2）電源模塊POW：完成AC110/220V到直流輸出電源的轉(zhuǎn)換；（3）存儲模塊MEM：在線固態(tài)硬盤等；（4）外圍接口模塊OIA：網(wǎng)絡(luò)接口、控制接口、調(diào)試接口、面板顯示接口。

車載SCC硬件的主要特點是：用在線FLASH和固態(tài)硬盤解決離散移動硬盤不能抗振問題以及富媒體加速支持硬件編解碼加速。

圖4 車載SCC硬件框圖

3.3 軟件設(shè)計

SCC軟件除公共平臺外，包括業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、接口協(xié)議子系統(tǒng)、媒體處理子系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)，其中各軟件模塊的功能說明見表1。

4.融合 GDS 設(shè)計

4.1 功能特點

基于GIS信息的車載綜合調(diào)度平臺GDS是一個具有豐富調(diào)度功能和良好視覺呈現(xiàn)的綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)，不僅能提供窄帶語音類業(yè)務(wù)，還能提供寬帶視頻類業(yè)務(wù)，通過寬窄帶用戶的統(tǒng)一編組和統(tǒng)一管理，并結(jié)合GPS/北斗、GIS技術(shù)提供基于地圖的界面呈現(xiàn)，能清晰地看到調(diào)度資源、人、車等的地理區(qū)域分布情況，形成直觀、高效、便捷的圖上指揮調(diào)度模式，可有效加快對突發(fā)事件的響應(yīng)速度，提高指揮調(diào)度的能力。

GDS支持如下功能:

1)單呼、組呼

2)短信

3)狀態(tài)消息

4)派接、多選、并組、動態(tài)重組

5)慎密監(jiān)聽、強拆、前插

6)環(huán)境監(jiān)聽

7)遙暈、復(fù)活和遙斃

8)視頻組呼：LTE用戶與調(diào)度用戶之間的點對多點的半雙工視頻呼叫。

9)視頻單呼：LTE用戶與調(diào)度用戶之間的點對點的視頻呼叫。

10)視頻上拉：調(diào)度臺上拉指定LTE終端的視頻，并實時播放。

11)視頻回傳：調(diào)度臺接收LTE終端回傳的視頻，并實時播放。

12)視頻下發(fā)：調(diào)度臺將本地存儲的視頻、或本地攝像頭的視頻、或從某個LTE終端上拉的視頻，或某個LTE終端回傳的視頻下發(fā)給指定的一些LTE用戶或通話組。

13)地圖縮放、平移、導(dǎo)航、測距、鷹眼

14)電子?xùn)艡?/p>

15)對象鎖定

16)實時軌跡、歷史軌跡

17)定位上報控制與統(tǒng)計管理

4.2 硬件設(shè)計

同SCC硬件。

4.3 軟件設(shè)計

綜合調(diào)度平臺GDS由綜合調(diào)度服務(wù)器和綜合調(diào)度終端組成:

綜合調(diào)度服務(wù)器：統(tǒng)一接收、解析、存儲無線終端的位置信息,提供調(diào)度臺管理、基礎(chǔ)信息維護、GIS應(yīng)用業(yè)務(wù)等功能。

綜合調(diào)度終端：向調(diào)度員提供基于地圖的操作界面，提供豐富的語音調(diào)度業(yè)務(wù)、視頻調(diào)度業(yè)務(wù)、GIS應(yīng)用業(yè)務(wù)功能。

綜合調(diào)度服務(wù)器除使用操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等通用軟件外，內(nèi)部各軟件模塊的功能說明如表2。

綜合調(diào)度終端除使用操作系統(tǒng)、瀏覽器等通用軟件外，內(nèi)部各軟件模塊的功能說明如表3。

5.結(jié)論

該方案在一輛應(yīng)急通信車上同時部署PDT窄帶集群和LTE寬帶集群兩種集群通信系統(tǒng)。通過統(tǒng)一的車載集群核心網(wǎng)進行LTE寬帶集群和PDT窄帶集群接入系統(tǒng)的融合，在車載集群核心網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)寬窄帶集群用戶之間的融合通信，實現(xiàn)了統(tǒng)一管理、統(tǒng)一編組、統(tǒng)一調(diào)度和統(tǒng)一定位等，充分發(fā)揮了PDT窄帶集群和LTE寬帶集群各自的優(yōu)勢，可以更好地服務(wù)于各種應(yīng)急通信場景的用戶需求。模塊名 功能簡介

B1AP 基站、調(diào)度臺、錄音錄像服務(wù)器的接入管理；業(yè)務(wù)層信令的傳送。

TASIP TA接口協(xié)議處理；TA接口與內(nèi)部接口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

SCTP SCTP協(xié)議處理；上層消息的傳送。

Diameter R1接口協(xié)議處理；R1接口與內(nèi)部接口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

NVOC/AMR NVOC和AMR語音編解碼轉(zhuǎn)換。

H.264 H.264視頻流轉(zhuǎn)發(fā)。

CC 語音、視頻呼叫處理

MM PDT和LTE用戶的移動性管理，包括Attach、注冊、組附著、簽約數(shù)據(jù)推送、

組信息請求與更新等。

VLR 從網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫下載用戶和通話組數(shù)據(jù)；記錄用戶和通話組的動態(tài)信息，如

用戶的位置信息。

SDS 短信業(yè)務(wù)（個短信和組短信）的處理。

SS 動態(tài)重組、遙暈遙斃等補充業(yè)務(wù)的處理。

CM 媒體通道的連接管理。

RM PDT業(yè)務(wù)信道、媒體端口等資源的管理。

WEB服務(wù)器 處理客戶端瀏覽器的HTTP請求。

網(wǎng)管服務(wù)器 安全管理、用戶管理、故障管理、配置管理和輔助管理等。數(shù)據(jù)庫 存儲用戶、通話組的靜態(tài)簽約數(shù)據(jù)以及設(shè)備的配置數(shù)據(jù)。LDAP服務(wù)器 提供用戶、通話組數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)的下載。

表2

表3