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公网PoC软对讲与PDT数字集群互通方案原理

2017-02-22    龚乐中、闫路平、王俊人

公网PoC(Push-to-Talk Over Cellular)软对讲由于其使用便利、没有距离限制,越来越受到人们的欢迎,在各行各业应用广泛。

然而,公网对讲不能完全替代传统专网对讲系统,特别是公安用350M PDT数字集群系统。在突发的极端情况下,公网通信设施常常会遭到严重破坏。因此,在进行应急救援或执行紧急任务时,相关指挥部门的专网集群系统仍发挥着无法替代的作用。这为两种不同的集群对讲系统的互联互通带来了挑战。

1 传统对讲方案及对比

1.1 公网 PoC 软对讲

公网PoC软对讲是依托运营商移动通信网络建立起来的一种用于指挥调度的移动通信系统。PoC软对讲只要很少的流量就可以实现集群对讲功能,并且具备比传统对讲机更强大的功能,如:即时消息、图传、实时视频回传等。公网PoC软对讲的实现原理也相对简单,采取 C/S(客户端/服务器)模式。只须在网络侧部署PoC服务器,并开发一个软对讲APP,就可以把智能手机变成一部功能强大的对讲机。它的主要定位是为企事业单位、团体部门提供工作管理和指挥调度业务,主要面对的是集团用户,如公安、消防、医院、城管、政府机关、交通运输、机场航空、大型集会、军事应用等。由于其覆盖广、成本低等特点,可快速批量部署,以满足这些集团提高应急响应速度和工作效率的需求。

1.2 专网集群对讲

公安行业专网对讲通信系统主要是指350M常规模式、模拟集群模式(MPT1343、CPX)和数字集群对讲机(PDT、TETRA)。这类自建中继站系统, 并具有安全稳定、接通率高、不易受网络波动影响等优势。但是,系统受基站数量、建筑物阻挡等约束,覆盖范围有限,郊县和偏远地区无法对讲。

PDT(Professional Digital Trunking),简称PDT标准,是注入了中国厂商自主创新因素的全新数字集群体制,是一部具有我国自主知识产权的数字集群标准。PDT 标准制定时参考了MPT、Tetra、P25 和DMR标准,具有非常优秀的集群功能。相比于TETRA标准,成本更为低廉。从产品的市场份额及长远发展趋势看,PDT数字集群具有较好前景。

近年来,全国各省市公安系统已充分认识到信息技术手段对公安工作的重要作用。公安系统经常需要进行紧急命令的传递、重要案情的通报、重要案件的分析、重大活动的部署。但是,这些活动均受到了专网系统不足的影响。

具体的,专网系统的不足可归结为以下几方面。

(1)350M常规系统:频率不能复用,仅限于小范围、小群组的简单对讲,无任何安全保密性及系统扩展性。

(2)模拟集群系统:覆盖基站数量有限、信道数量有限、容易被窃听、经常出现干扰杂音、安全性差;频谱利用率低、集群应用层次低下,技术陈旧,业务扩展能力差。国家工信部已经发文,明确要求模拟对讲机在2017年12月31日退出市场应用。

(3)数字集群系统:初步普及阶段,未大规模应用。它同样存在覆盖基站数量有限、远距离无法对讲、信道数量有限的不足,且终端和基站建设成本及升级维护费用非常高昂。

1.3 两种对讲方案的对比

两种对讲方案的优劣对比,如表1所示。

项目

公网PoC

专网集群

使用范围

固定投入

终端成本

可靠性

使用方法

复杂

简单

多媒体功能

支持

不支持

资费


表1  公网PoC软对讲和专网集群对讲的对比

以上两种对讲方案有着各自的特点和应用场景,可互相作为补充和备份。因此,互联互通已成为集群对讲领域的一个重要发展方向。

2 对讲互通方案

2.1 对讲互通方案系统框架

本文重点关注公网PoC软对讲和PDT数字集群系统,属于两种可独立运行的集群对讲方案。对讲互通网关作为互通方案中的关键网元,位于两套传统对讲系统之间,将两种对讲方案的语音对讲业务进行融合。

对讲互通方案系统框架图,如图1所示。对讲互通网关处于公网PoC软对讲系统和PDT数字集群系统之间,负责这两个相对独立系统之间的互通。

图1 对讲互通方案系统框架

2.2 对讲互通网关原理

对讲互通方案原理为一种使用互通网关实现两种不同网络互连互通,继而实现两种网络远程半双工对讲。网关通过软对讲内部信令接入到公网PoC软对讲网络。

(1)PDT数字集群系统发起呼叫,网关通过接入的专网对讲车台会自动获取呼叫状态,并同时发起公网PoC软对讲呼叫,将语音数据转发到公网PoC软对讲群组,实现专网向公网PoC软对讲的语音实时传输;

(2)公网PoC软对讲发起呼叫,网关通过软对讲内部信令检测到PoC软对讲发起呼叫状态,并同时发起专网呼叫,将语音数据通过专网车台转发到专网群组,实现PoC软对讲向专网的语音实时传输;

(3)经过以上步骤,实现了二个网络的互联互通,无缝对接。

对讲互通网关基于通用的服务器硬件平台,通过IP网络分别与PDT数字集群系统和PoC软对讲系统互联。如图2所示,对讲互通网关软件由链路管理模块、信令处理模块、媒体处理模块、服务监控模块和设备管理模块五大部分组成。

具体的,对讲互通网关原理图,如图2所示。

图2 对讲互通网关原理

对讲互通网关融合了信令和媒体两大业务。为了高效、快速地完成信令接续和无损、流畅地完成媒体交互,按照上述总体设计,对讲互通网关需要解决以下两个核心问题。

(1)信令映射适配。PDT数字集群和PoC软对讲采用完全不同的信令流程,如何实现合理的信令映射适配是设计时需要解决的一个核心问题。

(2)媒体转换。PDT 数字集群和PoC软对讲的媒体格式不同,传输速率也不同,如何实现高效的速率匹配媒体转换机制是设计时需要解决的又一个核心问题。

2.3 信令映射适配

信令处理模块中的呼叫控制采用统一的信令模型。PDT 数字集群与PoC终端的信令通过映射适配到呼叫控制的信令模型。

以点呼为例,呼叫信令流程包括PoC终端发起点呼建立呼叫、PDT终端发起点呼建立呼叫两大类型。

2.3.1

类型一:PoC终端发起点呼建立呼叫

PoC终端发起点呼建立呼叫的信令映射适配流程,如图3所示。

图3  PoC终端发起点呼建立信令映射适配流程

图3流程具体描述如下:

①PoC终端通过Invite向对讲互通网关发起呼叫建立;

②对讲互通网关接收到Invite后,向PoC终端回复100trying,同时向PDT终端发送C_AHOY;

③PDT 终端收到C_AHOY之后,向对讲互通网关回复C_ACKU和C_RAND;

④对讲互通网关接收到C_ACKU之后,向PoC终端发送180 ringing,并在接收到C_RAND之后向PoC终端发送200 OK;

⑤PoC终端收到200 OK之后,向对讲互通网关回复ACK;

⑥对讲互通网关接收到ACK之后,向PDT终端发送PV_GRANT,至此呼叫正常建立。

2.3.2

类型二:PDT 终端发起点呼建立呼叫

PDT 终端发起点呼建立呼叫的信令映射适配流程,如图 4 所示。

图4  PDT终端发起点呼建立信令映射适配流程

图4流程具体描述如下:

①PDT终端通过C_RAND向对讲互通网关发起呼叫建立;

②对讲互通网关接收到C_RAND之后,向PoC终端发送Invite;

③PoC终端接收到Invite之后,向对讲互通网关依次回复100 trying、180 ringing和200 OK;

④对讲互通网关接收到180 ringing 之后,向PDT 终端发送 C_ACKD,并在接收到200 OK之后向PDT终端发送PV_GRANT;

⑤PDT终端接收到PV_GRANT之后,向对讲互通网关回复C_RAND;

⑥对讲互通网关接收到C_RAND之后,向PoC终端发送ACK,至此呼叫正常建立。

2.4 媒体转换

根据PDT数字集群标准规定,PDT数字集群系统使用的国产NVOC声码器输出为2.4 kb/s的压缩语音。PoC终端可采用的语音编解码有 AMR-nb、G711、G723和G729等。

下面以对讲互通网关支持PoC终端AMR-nb语音编解码为例进行描述。

PDT数字集群系统每间隔60 ms进行一次NVOC话音打包,PoC软对讲系统每间隔20 ms进行一次AMR-nb话音打包,两者话音打包频率不同。 如图5所示,对讲互通网关以20 ms为基础时间单位,对AMR-nb采取缓冲机制、对NVOC采取分片机制,实现了话音打包频率的匹配。

图5  AMR与NVOC语音打包速率匹配

为了提升媒体转换话音编解码的并发能力,媒体转换采用多进程并行处理的实现方式。软件启动过程中,自动检测通用服务器硬件平台的内核数量,根据内核数量N,启动N-1个媒体转换进程,并将进程与内核绑定,以提升话音编解码效率。

2.5 互通方案安全性

公网PoC终端,仅针对特定的安卓智能终端并辅以相应的安全手段进行部署。业内当前比较常见的方式是采用安全双域终端,并将PoC软对讲APP安装于安全终端的工作域,“公私隔离”确保PoC软对讲在智能终端侧的安全。

PoC软对讲在系统内采取信源加密的方式,满足通过公网使用PoC业务的安全要求。

公专网对讲业务互通时,PoC服务器将软对讲业务的密文转化为明文后,发送给对讲互通网关;反之,PoC服务器将对讲互通网关传过来的明文转化为密文后发送给PoC终端。

PoC服务器和对讲互通网关往往部署在同一网络。如果两者异地部署,则通过IPSec VPN来保证网络传输的安全。以上两种方式,可确保互通方案中“明密转换”的安全。

3  结语

本文针对专网集群对讲现阶段建设状况和使用特点,提出了将公网PoC软对讲和专网对讲进行互联互通的方案,解决了专网覆盖不足的问题,实现了在不改变、不淘汰原有系统的前提下,使用公网PoC终端对专网大范围通讯的一种补充。对讲互通网关具有快速部署、安全可靠以及操作简单等特点,可方便应用于城市应急、公安、武警等行业应急指挥中心以及应急通信指挥车等各种应急通信环境中。在突发事件发生时,可在现场迅速构建应急指挥调度通信平台,解决通信互联互通难题,体现真正的“一机在手,通信无忧”。

基于目前通信技术和网络共存的状况,更需要有跨网络、跨平台的融合互通方案,打破各种通信网络、制式和频段之间的障碍,彻底消除“信息孤岛”,使应急通信系统可以真正做到与应急预案保持同步的节奏。一些诸如卫生、公安、武警、能源和生产型企业,为了提升自身的反应速度和管理效率,也需要让各级应急系统之间能够顺利平滑联接。公专网集群对讲互通方案的推出,必然给应急救援以及应急联动的系统工作注入强劲活力。(作者 / 龚乐中、闫路平、王俊人;作者单位 / 龚乐中、王俊人:成都卫士通信息产业股份有限公司,闫路平:成都三零瑞通移动通信有限公司)

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