劉永恩，米健峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(wǎng)絡(luò)中，視頻會(huì)議雖然已經(jīng)開始得到較為普遍的應(yīng)用，但是話音相較于視頻、圖像和文本等其他媒體，具有簡(jiǎn)潔、實(shí)時(shí)、直接和高效等優(yōu)點(diǎn)，依然是目前最受青睞的指揮通信方式。話音廣播[1]是應(yīng)用歷史最長(zhǎng)的音頻通播方案，技術(shù)成熟，基礎(chǔ)設(shè)備較為完備，具有所需帶寬小、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但因廣播的單向性質(zhì)[2]，只能有一個(gè)固定發(fā)言方，參與用戶只能接收，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，在使用中存在很多不便。電臺(tái)話音通播的按鍵發(fā)話通播方式是用戶體驗(yàn)很好的一種話音通播方式[3]，但電臺(tái)的通信距離受限，影響了其應(yīng)用范圍。因此，構(gòu)建一個(gè)可以覆蓋大地域的雙工(或半雙工)話音通播系統(tǒng)是目前在很多領(lǐng)域廣泛存在的需求。

本文一方面利用MF-TDMA(多頻時(shí)分復(fù)用)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大地域覆蓋能力，一方面利用電臺(tái)話音通播的用戶數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，通過對(duì)相關(guān)技術(shù)體制的分析、研究，提出了大地域話音通播的實(shí)現(xiàn)方案。

1　電臺(tái)話音通播技術(shù)

電臺(tái)話音通播(以下簡(jiǎn)稱電臺(tái)通播)，一般是指基于電臺(tái)無線組網(wǎng)的話音通信功能[4]，各用戶在同一時(shí)刻采用相同的工作頻率，基于時(shí)分復(fù)用半雙工技術(shù)體制[5]，通過按鍵發(fā)話(Push to Talk，PTT)競(jìng)爭(zhēng)方式獲取發(fā)言權(quán)限，實(shí)現(xiàn)較大數(shù)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(yīng)用。

電臺(tái)通播中最常用的就是VHF電臺(tái)(超短波電臺(tái)，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(diǎn)是依靠直射波傳播。地形、地物對(duì)接收?qǐng)鰪?qiáng)影響比較明顯。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，直射波傳播距離的近似計(jì)算公式為：

式中，h1、h2分別為收發(fā)天線的高度，也就是說，如果收發(fā)天線都有100 m高，那么2部電臺(tái)的理論有效通聯(lián)距離可達(dá)80 km之遙。顯然，普通便攜型手持電臺(tái)或機(jī)動(dòng)型車載電臺(tái)是不可能做到的[7]，要做到1 m的天線都非常困難，根據(jù)理論分析及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，中等起伏地形下，理論傳輸距離25 km左右，實(shí)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(nèi)。對(duì)于UHF電臺(tái)(超高頻電臺(tái)，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(huì)議

全雙工音頻會(huì)議也叫做電話會(huì)議，一般存在一個(gè)音頻會(huì)議橋，全雙工音頻會(huì)議系統(tǒng)就是利用電話技術(shù)及設(shè)備，通過通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)地點(diǎn)召開由多個(gè)成員參加的會(huì)議[8]。在邏輯意義上，可以看作每個(gè)會(huì)議成員建立了一條與音頻會(huì)議橋的話音連接。以G.729A話音編碼(使用共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)的8 kbit/s語(yǔ)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(shè)會(huì)議成員數(shù)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(huì)議成員數(shù)N的增大而線性增大。

全雙工音頻會(huì)議中，召集者和每個(gè)成員隨時(shí)都可以發(fā)言，召集者或每個(gè)成員聽到其余各方語(yǔ)音的疊加。這種會(huì)議使用方便，也符合大家面對(duì)面開會(huì)時(shí)的習(xí)慣[9]。

全雙工音頻會(huì)議系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，除了音頻會(huì)議橋外，其他處理均可沿用普通話音業(yè)務(wù)的呼叫處理過程，是一種較為常用的電子化會(huì)議系統(tǒng)。

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

① 會(huì)議方人數(shù)受限，當(dāng)會(huì)議方人數(shù)較多時(shí)實(shí)現(xiàn)較為困難，一般對(duì)支持的最大成員數(shù)有較嚴(yán)格的限制。

② 帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重，占用鏈路資源過多。因?yàn)橐纛l會(huì)議方案實(shí)際上是各個(gè)用戶同會(huì)場(chǎng)建立的話音連接實(shí)現(xiàn)的，連接數(shù)量基本等于用戶數(shù)量。

③ 增加會(huì)議成員操作較為復(fù)雜，對(duì)于退會(huì)成員很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，重新召入時(shí)需要較高技術(shù)手段，會(huì)議主持者難以操作。

④ 話音質(zhì)量難以保證，回聲問題和隨著會(huì)議方的增加背景噪音的疊加均會(huì)嚴(yán)重影響話音質(zhì)量，這也是會(huì)議方人數(shù)受限的重要原因。

3　大地域話音通播的實(shí)現(xiàn)方式

3.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)電臺(tái)通播面臨的通信距離受限，全雙工音頻會(huì)議又面臨會(huì)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(wèi)星通信系統(tǒng)，把多個(gè)區(qū)域覆蓋的電臺(tái)話音通播子系統(tǒng)組織起來，即可實(shí)現(xiàn)大地域時(shí)分復(fù)用半雙工話音通播系統(tǒng)，同時(shí)避免全雙工會(huì)議系統(tǒng)的諸多不足。

大地域話音通播系統(tǒng)是由電臺(tái)子系統(tǒng)、衛(wèi)通子系統(tǒng)和通播適配盒組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　大地域雙工話音通播系統(tǒng)組成

電臺(tái)子系統(tǒng)是指目前常用的VHF/UHF電臺(tái)網(wǎng)，一般采用時(shí)分復(fù)用半雙工方式，由PTT觸發(fā)搶占空中信道[11]。電臺(tái)子系統(tǒng)由主臺(tái)和若干從臺(tái)組成，主臺(tái)包括一部提供頻率基準(zhǔn)等主控制功能的電臺(tái)和一部電臺(tái)控制器，電臺(tái)控制器通過互連接口可以接收空中信息進(jìn)行落地處理，也可以通過互連接口實(shí)現(xiàn)對(duì)空中信道的控制，從臺(tái)是加入該電臺(tái)網(wǎng)的用戶，可以通過PTT觸發(fā)發(fā)話[12]。

衛(wèi)星通信子系統(tǒng)是指可以利用衛(wèi)星信道實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)雙向廣播的MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)[13]，所需設(shè)備一般包括衛(wèi)星通信主站和便攜式衛(wèi)星通信小站。衛(wèi)星的波束覆蓋一般在數(shù)百至數(shù)千km，是典型的大地域覆蓋通信系統(tǒng)[14]。電臺(tái)子系統(tǒng)的接入數(shù)量由衛(wèi)星通信子系統(tǒng)的衛(wèi)星通信地面站點(diǎn)確定，目前已經(jīng)可以支持不小于1 000個(gè)地面站點(diǎn)。

通播適配盒連接電臺(tái)子系統(tǒng)和衛(wèi)星通信子系統(tǒng)，通過相關(guān)處理的轉(zhuǎn)換和適配，實(shí)現(xiàn)電臺(tái)話音和PTT機(jī)制在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸，是大地域話音通播系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

大地域通播話信令和數(shù)據(jù)流程如圖2所示，首先需要建立一條該電子系統(tǒng)主臺(tái)電臺(tái)控制器到通播適配盒的話音專線，其源端口為連接電臺(tái)主臺(tái)的端口，目的號(hào)碼為通播適配盒的號(hào)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(shù)據(jù)流程

當(dāng)主呼側(cè)主臺(tái)的電臺(tái)控制器檢測(cè)到電臺(tái)PTT信令，通過專線發(fā)送給通播適配盒，通播適配盒收到PTT信令，進(jìn)行狀態(tài)的判斷來決定是否向衛(wèi)星終端發(fā)送PTT廣播，如果沒有信道并發(fā)，則向衛(wèi)星終端發(fā)送PTT信令。衛(wèi)星終端通過廣播時(shí)隙向全網(wǎng)廣播PTT信令。遠(yuǎn)端適配器接收到PTT信令后，首先檢測(cè)本地PTT狀態(tài)，如果沒有沖突則將接收的PTT信令通過專線發(fā)送被呼側(cè)主臺(tái)的電臺(tái)控制器，該電臺(tái)控制器將PTT信令發(fā)送給被呼側(cè)從臺(tái)。

通過以上處理，主呼側(cè)電子子系統(tǒng)內(nèi)的從臺(tái)用戶就跨衛(wèi)星信道實(shí)現(xiàn)了與被呼側(cè)電臺(tái)子系統(tǒng)內(nèi)從臺(tái)用戶的話音互通。

3.2　高損傷無線信道的處理考慮

衛(wèi)星信道的通信質(zhì)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(duì)于動(dòng)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(diǎn)考慮，制定相應(yīng)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(gè)方面。

① PTT的可靠傳輸?？梢圆捎秒S路傳輸，連續(xù)記錄、多次前后關(guān)聯(lián)分析的方式提高魯棒性和可靠性。

② PTT發(fā)話漏檢。一旦漏檢會(huì)導(dǎo)致發(fā)話失效，可以采用PTT發(fā)話和話音驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致不能正常釋放，后果非常嚴(yán)重。必須制定相應(yīng)超時(shí)機(jī)制。

④ PTT競(jìng)爭(zhēng)。PTT競(jìng)爭(zhēng)是大地域通播中不可避免的現(xiàn)象，衛(wèi)星廣播信道為時(shí)間優(yōu)先搶占式，所有站點(diǎn)均可競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送，因此PTT的主要競(jìng)爭(zhēng)處理需要通播適配盒完成，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)時(shí)，因數(shù)據(jù)沖突干擾，衛(wèi)星將不向適配盒發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3　與傳統(tǒng)話音通播方案的比較

地域覆蓋方面，電臺(tái)通播一般不大于20 km。音頻會(huì)議的覆蓋范圍依托于通信網(wǎng)的鋪設(shè)范圍，理論上可以不受范圍限制，但實(shí)際上通信網(wǎng)的鋪設(shè)成本很高，覆蓋范圍有限。話音廣播方案以常用的調(diào)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(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍與電臺(tái)通播的覆蓋范圍之和。以我國(guó)神通系列衛(wèi)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(dá)數(shù)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(shù)量方面，電臺(tái)通播、話音廣播的理論用戶數(shù)量均可以無限大，因大地域話音通播方案可以支持多達(dá)上千個(gè)電臺(tái)通播，因此用戶數(shù)量比電臺(tái)網(wǎng)更有優(yōu)勢(shì)。音頻會(huì)議的最大用戶數(shù)量方案為32方、64方、128方和256方，實(shí)際使用上，超過64方后，連接建立及保持、話音質(zhì)量等用戶體驗(yàn)已經(jīng)非常差了。

實(shí)時(shí)反饋方面，電臺(tái)通播、大地域話音通播方案的實(shí)時(shí)反饋功能基本一致，因?yàn)槭前腚p工的通信，需要搶占式進(jìn)行發(fā)話，一般在指揮系統(tǒng)使用時(shí)，半雙工的通信是完全可以滿足要求的。音頻會(huì)議可以多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)言，符合大家面對(duì)面開會(huì)時(shí)的習(xí)慣。話音廣播方案無實(shí)時(shí)反饋功能。

所需帶寬，電臺(tái)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(tái)子系統(tǒng)內(nèi)與電臺(tái)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(diào)制(PCM)編碼，所需帶寬為64 kbit/s，音頻會(huì)議所需的帶寬最大，為2N*10 kbit/s。

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

綜上所述，4種方案比較結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表14種方案對(duì)比結(jié)果匯總

通播方案地域覆蓋用戶數(shù)量實(shí)時(shí)反饋帶寬利用可靠性電臺(tái)通播<20km較大較好好好音頻會(huì)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(yōu)勢(shì)均較為突出的最佳話音通播方案。

3.4　驗(yàn)證情況

大地域通播話音方案依托于西藏林芝地區(qū)(試驗(yàn)覆蓋地域?yàn)?00 km×80 km)、河北保定地區(qū)(試驗(yàn)覆蓋地域?yàn)?20 km×100 km)等區(qū)域進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，結(jié)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(wèi)星通信波束覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超短波電臺(tái)無線網(wǎng)的有機(jī)融合，在通播的話音質(zhì)量、操作方式等方面用戶體驗(yàn)良好。

4　結(jié)束語(yǔ)

大地域雙工話音通播系統(tǒng)就是利用電臺(tái)網(wǎng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合的方式，充分利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超大地域覆蓋和廣播特性以及電臺(tái)網(wǎng)的時(shí)分復(fù)用雙工特性而構(gòu)建的理論用戶數(shù)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(tǒng)，具有傳統(tǒng)全雙工音頻會(huì)議方案和話音廣播方案無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

本文研究既適用于軍用通信系統(tǒng)，也適用于民用領(lǐng)域，如固定通信設(shè)施欠佳或需要臨時(shí)構(gòu)建大范圍實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的行業(yè)或領(lǐng)域，比如應(yīng)急抗險(xiǎn)救災(zāi)、欠發(fā)達(dá)地區(qū)特大城市的交通實(shí)時(shí)指揮與通報(bào)以及大地域性行業(yè)的實(shí)時(shí)指揮協(xié)調(diào)等。

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