大地域话音通播的研究与实现

2018-04-10刘永恩米健峰

无线电工程 2018年5期

刘永恩，米健峰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0　引言

在目前的宽带网络中，视频会议虽然已经开始得到较为普遍的应用，但是话音相较于视频、图像和文本等其他媒体，具有简洁、实时、直接和高效等优点，依然是目前最受青睐的指挥通信方式。话音广播[1]是应用历史最长的音频通播方案，技术成熟，基础设备较为完备，具有所需带宽小、易于实现的优点，但因广播的单向性质[2]，只能有一个固定发言方，参与用户只能接收，无法进行实时反馈，在使用中存在很多不便。电台话音通播的按键发话通播方式是用户体验很好的一种话音通播方式[3]，但电台的通信距离受限，影响了其应用范围。因此，构建一个可以覆盖大地域的双工(或半双工)话音通播系统是目前在很多领域广泛存在的需求。

本文一方面利用MF-TDMA(多频时分复用)卫星通信系统的大地域覆盖能力，一方面利用电台话音通播的用户数量优势，通过对相关技术体制的分析、研究，提出了大地域话音通播的实现方案。

1　电台话音通播技术

电台话音通播(以下简称电台通播)，一般是指基于电台无线组网的话音通信功能[4]，各用户在同一时刻采用相同的工作频率，基于时分复用半双工技术体制[5]，通过按键发话(Push to Talk，PTT)竞争方式获取发言权限，实现较大数量用户的话音半双工通信，以其低功耗、便捷易用，而得到较广泛应用。

电台通播中最常用的就是VHF电台(超短波电台，工作频率30～88 MHz)通播，面临的最大问题是通信距离受限[6]。超短波传播的主要特点是依靠直射波传播。地形、地物对接收场强影响比较明显。在标准大气条件下，直射波传播距离的近似计算公式为：

式中，h1、h2分别为收发天线的高度，也就是说，如果收发天线都有100 m高，那么2部电台的理论有效通联距离可达80 km之遥。显然，普通便携型手持电台或机动型车载电台是不可能做到的[7]，要做到1 m的天线都非常困难，根据理论分析及实际经验，中等起伏地形下，理论传输距离25 km左右，实际使用中，受到建筑物等遮挡的影响，通信距离一般都在20 km以内。对于UHF电台(超高频电台，工作频率通常在2.55 GHz左右)，传输距离更短，一般不大于8 km。

2　全双工音频会议

全双工音频会议也叫做电话会议，一般存在一个音频会议桥，全双工音频会议系统就是利用电话技术及设备，通过通信网络，实现在多个地点召开由多个成员参加的会议[8]。在逻辑意义上，可以看作每个会议成员建立了一条与音频会议桥的话音连接。以G.729A话音编码(使用共轭结构代数码激励线性预测的8 kbit/s语音编码)为例，加上话音处理开销，一般单路话音带宽为10 kbit/s，假设会议成员数为N，则所需单向话音总带宽为N*10 kbit/s，考虑到话音的双向性，总带宽共需2N*10 kbit/s，且随着会议成员数N的增大而线性增大。

全双工音频会议中，召集者和每个成员随时都可以发言，召集者或每个成员听到其余各方语音的叠加。这种会议使用方便，也符合大家面对面开会时的习惯[9]。

全双工音频会议系统实现较为简单，除了音频会议桥外，其他处理均可沿用普通话音业务的呼叫处理过程，是一种较为常用的电子化会议系统。

全双工音频会议方案具有全双工通话和音频叠加的优势，能最大程度地还原在线用户的话音内容，但存在以下不足[10]：

① 会议方人数受限，当会议方人数较多时实现较为困难，一般对支持的最大成员数有较严格的限制。

② 带宽浪费严重，占用链路资源过多。因为音频会议方案实际上是各个用户同会场建立的话音连接实现的，连接数量基本等于用户数量。

③ 增加会议成员操作较为复杂，对于退会成员很难及时发现，重新召入时需要较高技术手段，会议主持者难以操作。

④ 话音质量难以保证，回声问题和随着会议方的增加背景噪音的叠加均会严重影响话音质量，这也是会议方人数受限的重要原因。

3　大地域话音通播的实现方式

3.1　系统设计

针对电台通播面临的通信距离受限，全双工音频会议又面临会议方成员受限等问题，通过一种支持大地域通信且具有双工(或半双工)广播通信的通信手段，如MF-TDMA卫星通信系统，把多个区域覆盖的电台话音通播子系统组织起来，即可实现大地域时分复用半双工话音通播系统，同时避免全双工会议系统的诸多不足。

大地域话音通播系统是由电台子系统、卫通子系统和通播适配盒组成。系统组成如图1所示。

图1　大地域双工话音通播系统组成

电台子系统是指目前常用的VHF/UHF电台网，一般采用时分复用半双工方式，由PTT触发抢占空中信道[11]。电台子系统由主台和若干从台组成，主台包括一部提供频率基准等主控制功能的电台和一部电台控制器，电台控制器通过互连接口可以接收空中信息进行落地处理，也可以通过互连接口实现对空中信道的控制，从台是加入该电台网的用户，可以通过PTT触发发话[12]。

卫星通信子系统是指可以利用卫星信道实现全网双向广播的MF-TDMA卫星通信系统[13]，所需设备一般包括卫星通信主站和便携式卫星通信小站。卫星的波束覆盖一般在数百至数千km，是典型的大地域覆盖通信系统[14]。电台子系统的接入数量由卫星通信子系统的卫星通信地面站点确定，目前已经可以支持不小于1 000个地面站点。

通播适配盒连接电台子系统和卫星通信子系统，通过相关处理的转换和适配，实现电台话音和PTT机制在卫星通信系统的传输，是大地域话音通播系统的关键设备。

大地域通播话信令和数据流程如图2所示，首先需要建立一条该电子系统主台电台控制器到通播适配盒的话音专线，其源端口为连接电台主台的端口，目的号码为通播适配盒的号码。参与大地域通播的各通播适配盒都需建立此类专线。

图2　大地域通播话信令和数据流程

当主呼侧主台的电台控制器检测到电台PTT信令，通过专线发送给通播适配盒，通播适配盒收到PTT信令，进行状态的判断来决定是否向卫星终端发送PTT广播，如果没有信道并发，则向卫星终端发送PTT信令。卫星终端通过广播时隙向全网广播PTT信令。远端适配器接收到PTT信令后，首先检测本地PTT状态，如果没有冲突则将接收的PTT信令通过专线发送被呼侧主台的电台控制器，该电台控制器将PTT信令发送给被呼侧从台。

通过以上处理，主呼侧电子子系统内的从台用户就跨卫星信道实现了与被呼侧电台子系统内从台用户的话音互通。

3.2　高损伤无线信道的处理考虑

卫星信道的通信质量一般比较高[15]，但是受天气(雨衰等)[16]和地形影响较大，尤其对于动中通通信要求的情况下，其无线信道的高损伤特性就必须重点考虑，制定相应处理策略[17]以保证大地域通播话的可靠使用，主要包括以下4个方面。

① PTT的可靠传输。可以采用随路传输，连续记录、多次前后关联分析的方式提高鲁棒性和可靠性。

② PTT发话漏检。一旦漏检会导致发话失效，可以采用PTT发话和话音驱动2种方式予以保障。

③ PTT释放丢失。如果PTT释放处理不好，将导致不能正常释放，后果非常严重。必须制定相应超时机制。

④ PTT竞争。PTT竞争是大地域通播中不可避免的现象，卫星广播信道为时间优先抢占式，所有站点均可竞争发送，因此PTT的主要竞争处理需要通播适配盒完成，当竞争出现时，因数据冲突干扰，卫星将不向适配盒发送数据。

3.3　与传统话音通播方案的比较

地域覆盖方面，电台通播一般不大于20 km。音频会议的覆盖范围依托于通信网的铺设范围，理论上可以不受范围限制，但实际上通信网的铺设成本很高，覆盖范围有限。话音广播方案以常用的调频(频率范围87～108 MHz)方式为例，即使广播基站天线较大，通信距离一般也不大于100 km。大地域话音通播方案的最大地域覆盖范围为MF-TDMA卫星通信系统的覆盖范围与电台通播的覆盖范围之和。以我国神通系列卫星为例，目前Ka/Ku频段的波束覆盖一般不低于800 km，最大可达数千km。所以大地域话音通播方案的覆盖范围大于800 km。

用户数量方面，电台通播、话音广播的理论用户数量均可以无限大，因大地域话音通播方案可以支持多达上千个电台通播，因此用户数量比电台网更有优势。音频会议的最大用户数量方案为32方、64方、128方和256方，实际使用上，超过64方后，连接建立及保持、话音质量等用户体验已经非常差了。

实时反馈方面，电台通播、大地域话音通播方案的实时反馈功能基本一致，因为是半双工的通信，需要抢占式进行发话，一般在指挥系统使用时，半双工的通信是完全可以满足要求的。音频会议可以多个用户同时发言，符合大家面对面开会时的习惯。话音广播方案无实时反馈功能。

所需带宽，电台通播目前在无线信道上采用声码化话音编码，理论上只需要2.4 kbit/s，大地域通播在电台子系统内与电台通播所需带宽一致，上星带宽如果保持声码化话音编码不变，加上随路的冗余开销也可以控制在4 kbit/s，如果采用更加通用的G.729A话音编码，带宽也基本在10 kbit/s左右。话音广播目前多采用脉冲编码调制(PCM)编码，所需带宽为64 kbit/s，音频会议所需的带宽最大，为2N*10 kbit/s。

可靠性上，电台通播、话音广播和大地域通播虽然在信道受到干扰时会影响通话，但都可以在信道变好时自动恢复，音频会议的会议成员连接一旦因信道原因断掉，则很难恢复。

综上所述，4种方案比较结果汇总如表1所示。

表14种方案对比结果汇总

通播方案地域覆盖用户数量实时反馈带宽利用可靠性电台通播<20km较大较好好好音频会议较大受限好差差话音广播较大较大无好好大地域通播>800km无限大较好好好

显然，大地域通播话音方案是各方面优势均较为突出的最佳话音通播方案。

3.4　验证情况

大地域通播话音方案依托于西藏林芝地区(试验覆盖地域为100 km×80 km)、河北保定地区(试验覆盖地域为120 km×100 km)等区域进行了实际应用，结果证明，不管是在西藏的高原、高寒、丛林和峡谷地形，还是在华北平原的中等起伏地形，该方案都可以在卫星通信波束覆盖范围内实现超短波电台无线网的有机融合，在通播的话音质量、操作方式等方面用户体验良好。