大地域話音通播的研究與實現

劉永恩，米健峰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

在目前的寬帶網絡中，視頻會議雖然已經開始得到較為普遍的應用，但是話音相較于視頻、圖像和文本等其他媒體，具有簡潔、實時、直接和高效等優點，依然是目前最受青睞的指揮通信方式。話音廣播[1]是應用歷史最長的音頻通播方案，技術成熟，基礎設備較為完備，具有所需帶寬小、易于實現的優點，但因廣播的單向性質[2]，只能有一個固定發言方，參與用戶只能接收，無法進行實時反饋，在使用中存在很多不便。電臺話音通播的按鍵發話通播方式是用戶體驗很好的一種話音通播方式[3]，但電臺的通信距離受限，影響了其應用范圍。因此，構建一個可以覆蓋大地域的雙工(或半雙工)話音通播系統是目前在很多領域廣泛存在的需求。

本文一方面利用MF-TDMA(多頻時分復用)衛星通信系統的大地域覆蓋能力，一方面利用電臺話音通播的用戶數量優勢，通過對相關技術體制的分析、研究，提出了大地域話音通播的實現方案。

1　電臺話音通播技術

電臺話音通播(以下簡稱電臺通播)，一般是指基于電臺無線組網的話音通信功能[4]，各用戶在同一時刻采用相同的工作頻率，基于時分復用半雙工技術體制[5]，通過按鍵發話(Push to Talk，PTT)競爭方式獲取發言權限，實現較大數量用戶的話音半雙工通信，以其低功耗、便捷易用，而得到較廣泛應用。

電臺通播中最常用的就是VHF電臺(超短波電臺，工作頻率30～88 MHz)通播，面臨的最大問題是通信距離受限[6]。超短波傳播的主要特點是依靠直射波傳播。地形、地物對接收場強影響比較明顯。在標準大氣條件下，直射波傳播距離的近似計算公式為：

式中，h1、h2分別為收發天線的高度，也就是說，如果收發天線都有100 m高，那么2部電臺的理論有效通聯距離可達80 km之遙。顯然，普通便攜型手持電臺或機動型車載電臺是不可能做到的[7]，要做到1 m的天線都非常困難，根據理論分析及實際經驗，中等起伏地形下，理論傳輸距離25 km左右，實際使用中，受到建筑物等遮擋的影響，通信距離一般都在20 km以內。對于UHF電臺(超高頻電臺，工作頻率通常在2.55 GHz左右)，傳輸距離更短，一般不大于8 km。

2　全雙工音頻會議

全雙工音頻會議也叫做電話會議，一般存在一個音頻會議橋，全雙工音頻會議系統就是利用電話技術及設備，通過通信網絡，實現在多個地點召開由多個成員參加的會議[8]。在邏輯意義上，可以看作每個會議成員建立了一條與音頻會議橋的話音連接。以G.729A話音編碼(使用共軛結構代數碼激勵線性預測的8 kbit/s語音編碼)為例，加上話音處理開銷，一般單路話音帶寬為10 kbit/s，假設會議成員數為N，則所需單向話音總帶寬為N*10 kbit/s，考慮到話音的雙向性，總帶寬共需2N*10 kbit/s，且隨著會議成員數N的增大而線性增大。

全雙工音頻會議中，召集者和每個成員隨時都可以發言，召集者或每個成員聽到其余各方語音的疊加。這種會議使用方便，也符合大家面對面開會時的習慣[9]。

全雙工音頻會議系統實現較為簡單，除了音頻會議橋外，其他處理均可沿用普通話音業務的呼叫處理過程，是一種較為常用的電子化會議系統。

全雙工音頻會議方案具有全雙工通話和音頻疊加的優勢，能最大程度地還原在線用戶的話音內容，但存在以下不足[10]：

① 會議方人數受限，當會議方人數較多時實現較為困難，一般對支持的最大成員數有較嚴格的限制。

② 帶寬浪費嚴重，占用鏈路資源過多。因為音頻會議方案實際上是各個用戶同會場建立的話音連接實現的，連接數量基本等于用戶數量。

③ 增加會議成員操作較為復雜，對于退會成員很難及時發現，重新召入時需要較高技術手段，會議主持者難以操作。

④ 話音質量難以保證，回聲問題和隨著會議方的增加背景噪音的疊加均會嚴重影響話音質量，這也是會議方人數受限的重要原因。

3　大地域話音通播的實現方式

3.1　系統設計

針對電臺通播面臨的通信距離受限，全雙工音頻會議又面臨會議方成員受限等問題，通過一種支持大地域通信且具有雙工(或半雙工)廣播通信的通信手段，如MF-TDMA衛星通信系統，把多個區域覆蓋的電臺話音通播子系統組織起來，即可實現大地域時分復用半雙工話音通播系統，同時避免全雙工會議系統的諸多不足。

大地域話音通播系統是由電臺子系統、衛通子系統和通播適配盒組成。系統組成如圖1所示。

圖1　大地域雙工話音通播系統組成

電臺子系統是指目前常用的VHF/UHF電臺網，一般采用時分復用半雙工方式，由PTT觸發搶占空中信道[11]。電臺子系統由主臺和若干從臺組成，主臺包括一部提供頻率基準等主控制功能的電臺和一部電臺控制器，電臺控制器通過互連接口可以接收空中信息進行落地處理，也可以通過互連接口實現對空中信道的控制，從臺是加入該電臺網的用戶，可以通過PTT觸發發話[12]。

衛星通信子系統是指可以利用衛星信道實現全網雙向廣播的MF-TDMA衛星通信系統[13]，所需設備一般包括衛星通信主站和便攜式衛星通信小站。衛星的波束覆蓋一般在數百至數千km，是典型的大地域覆蓋通信系統[14]。電臺子系統的接入數量由衛星通信子系統的衛星通信地面站點確定，目前已經可以支持不小于1 000個地面站點。

通播適配盒連接電臺子系統和衛星通信子系統，通過相關處理的轉換和適配，實現電臺話音和PTT機制在衛星通信系統的傳輸，是大地域話音通播系統的關鍵設備。

大地域通播話信令和數據流程如圖2所示，首先需要建立一條該電子系統主臺電臺控制器到通播適配盒的話音專線，其源端口為連接電臺主臺的端口，目的號碼為通播適配盒的號碼。參與大地域通播的各通播適配盒都需建立此類專線。

圖2　大地域通播話信令和數據流程

當主呼側主臺的電臺控制器檢測到電臺PTT信令，通過專線發送給通播適配盒，通播適配盒收到PTT信令，進行狀態的判斷來決定是否向衛星終端發送PTT廣播，如果沒有信道并發，則向衛星終端發送PTT信令。衛星終端通過廣播時隙向全網廣播PTT信令。遠端適配器接收到PTT信令后，首先檢測本地PTT狀態，如果沒有沖突則將接收的PTT信令通過專線發送被呼側主臺的電臺控制器，該電臺控制器將PTT信令發送給被呼側從臺。

通過以上處理，主呼側電子子系統內的從臺用戶就跨衛星信道實現了與被呼側電臺子系統內從臺用戶的話音互通。

3.2　高損傷無線信道的處理考慮

衛星信道的通信質量一般比較高[15]，但是受天氣(雨衰等)[16]和地形影響較大，尤其對于動中通通信要求的情況下，其無線信道的高損傷特性就必須重點考慮，制定相應處理策略[17]以保證大地域通播話的可靠使用，主要包括以下4個方面。

① PTT的可靠傳輸。可以采用隨路傳輸，連續記錄、多次前后關聯分析的方式提高魯棒性和可靠性。

② PTT發話漏檢。一旦漏檢會導致發話失效，可以采用PTT發話和話音驅動2種方式予以保障。

③ PTT釋放丟失。如果PTT釋放處理不好，將導致不能正常釋放，后果非常嚴重。必須制定相應超時機制。

④ PTT競爭。PTT競爭是大地域通播中不可避免的現象，衛星廣播信道為時間優先搶占式，所有站點均可競爭發送，因此PTT的主要競爭處理需要通播適配盒完成，當競爭出現時，因數據沖突干擾，衛星將不向適配盒發送數據。

3.3　與傳統話音通播方案的比較

地域覆蓋方面，電臺通播一般不大于20 km。音頻會議的覆蓋范圍依托于通信網的鋪設范圍，理論上可以不受范圍限制，但實際上通信網的鋪設成本很高，覆蓋范圍有限。話音廣播方案以常用的調頻(頻率范圍87～108 MHz)方式為例，即使廣播基站天線較大，通信距離一般也不大于100 km。大地域話音通播方案的最大地域覆蓋范圍為MF-TDMA衛星通信系統的覆蓋范圍與電臺通播的覆蓋范圍之和。以我國神通系列衛星為例，目前Ka/Ku頻段的波束覆蓋一般不低于800 km，最大可達數千km。所以大地域話音通播方案的覆蓋范圍大于800 km。

用戶數量方面，電臺通播、話音廣播的理論用戶數量均可以無限大，因大地域話音通播方案可以支持多達上千個電臺通播，因此用戶數量比電臺網更有優勢。音頻會議的最大用戶數量方案為32方、64方、128方和256方，實際使用上，超過64方后，連接建立及保持、話音質量等用戶體驗已經非常差了。

實時反饋方面，電臺通播、大地域話音通播方案的實時反饋功能基本一致，因為是半雙工的通信，需要搶占式進行發話，一般在指揮系統使用時，半雙工的通信是完全可以滿足要求的。音頻會議可以多個用戶同時發言，符合大家面對面開會時的習慣。話音廣播方案無實時反饋功能。

所需帶寬，電臺通播目前在無線信道上采用聲碼化話音編碼，理論上只需要2.4 kbit/s，大地域通播在電臺子系統內與電臺通播所需帶寬一致，上星帶寬如果保持聲碼化話音編碼不變，加上隨路的冗余開銷也可以控制在4 kbit/s，如果采用更加通用的G.729A話音編碼，帶寬也基本在10 kbit/s左右。話音廣播目前多采用脈沖編碼調制(PCM)編碼，所需帶寬為64 kbit/s，音頻會議所需的帶寬最大，為2N*10 kbit/s。

可靠性上，電臺通播、話音廣播和大地域通播雖然在信道受到干擾時會影響通話，但都可以在信道變好時自動恢復，音頻會議的會議成員連接一旦因信道原因斷掉，則很難恢復。

綜上所述，4種方案比較結果匯總如表1所示。

表14種方案對比結果匯總

通播方案地域覆蓋用戶數量實時反饋帶寬利用可靠性電臺通播<20km較大較好好好音頻會議較大受限好差差話音廣播較大較大無好好大地域通播>800km無限大較好好好

顯然，大地域通播話音方案是各方面優勢均較為突出的最佳話音通播方案。

3.4　驗證情況

大地域通播話音方案依托于西藏林芝地區(試驗覆蓋地域為100 km×80 km)、河北保定地區(試驗覆蓋地域為120 km×100 km)等區域進行了實際應用，結果證明，不管是在西藏的高原、高寒、叢林和峽谷地形，還是在華北平原的中等起伏地形，該方案都可以在衛星通信波束覆蓋范圍內實現超短波電臺無線網的有機融合，在通播的話音質量、操作方式等方面用戶體驗良好。

4　結束語

大地域雙工話音通播系統就是利用電臺網和衛星通信系統相結合的方式，充分利用衛星通信系統的超大地域覆蓋和廣播特性以及電臺網的時分復用雙工特性而構建的理論用戶數量無限大、所需帶寬極低的可以覆蓋超大地域的雙工話音通播系統，具有傳統全雙工音頻會議方案和話音廣播方案無法比擬的優勢。

本文研究既適用于軍用通信系統，也適用于民用領域，如固定通信設施欠佳或需要臨時構建大范圍實時通信系統的行業或領域，比如應急抗險救災、欠發達地區特大城市的交通實時指揮與通報以及大地域性行業的實時指揮協調等。

[1]單慶勇.未來十年廣播技術的發展趨勢[J].科技信息，2009(19)：33.

[2]梁秀頎.廣播技術研究綜述[J].新聞世界，2010(12)：44-45.

[3]張榮文，張國強.跳頻電臺組網方式分析[J].艦船電子工程，2007(2)：158-159.

[4]譚中華.戰術電臺組網的關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2009：6-12.

[5]崔逢橋.超短波跳頻電臺TDMA組網協議的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2011：21-27.

[6]袁新.跳頻電臺抗干擾能力分析[J].計算機與網絡，2000(Z1)：33-35.

[7]全厚德，張洪才，王長利，等.跳頻電臺自動測試系統設計[J].火力與指揮控制，2005(4)：108-110.

[8]徐有青，張英，邱林海.音頻會議電話的設計[J].微型機與應用，1998(10)：21-22.

[9]鄭進錄，魏曉婭，趙長富.交換機電話會議的實現[J].無線電工程，2007，37(4)：9-10.

[10] 康京山.通信網電話會議技術研究[J].無線電通信技術，2006，32(4)：36-38.

[11] 安姍姍.超短波電臺混合多址接入技術研發[D].西安：西安電子科技大學，2013：18-27.

[12] 劉赟，劉乃安.跳頻電臺中央控制單元及跳頻單元的硬件設計[J].國外電子元器件，2005(12)：4-6.

[13] 郝學坤，孫晨華，李文鐸.MF-TDMA衛星通信系統技術體制研究[J].無線電通信技術，2006，32(5)：1-3.

[14] 郝學坤.MF-TDMA衛星通信多站型組網體制研究[J].無線電通信技術，2012，38(1)：5-7.

[15] 谷春燕，陳新富，易克初.衛星通信抗干擾技術的發展趨勢[J].系統工程與電子技術，2004(12)：1793-1795.

[16] 龐宗山，路平.Ku波段衛星通信雨衰分析及對抗措施[J].科學技術與工程，2007(9)：2078-2081.

[17] 劉柱，張海勇.艦載Ku波段衛星通信雨衰分析及解決措施[J].無線通信技術，2008，34(2)：32-35.