摘要：該文設(shè)計(jì)了基于長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）和數(shù)字移動無線電（Digital Mobile Radio，DMR）的便攜式寬窄融合應(yīng)急通信系統(tǒng)，旨在為自然災(zāi)害或人為事件導(dǎo)致的通信覆蓋不足地區(qū)提供適應(yīng)性強(qiáng)、易于攜帶并能迅速配置的應(yīng)急通信方案。該系統(tǒng)由終端用戶設(shè)備、窄帶基站、LTE專網(wǎng)基站、無線Mesh設(shè)備、寬窄帶綜合設(shè)備、便攜式應(yīng)急電源和指揮調(diào)度控制臺等組成，能夠在復(fù)雜環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)寬窄帶設(shè)備融合互通，并提供語音、視頻、數(shù)據(jù)及定位等多種服務(wù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的寬帶集群和窄帶數(shù)字通信的有效融合，為應(yīng)急救援行動提供了有力的通信支撐。

關(guān)鍵詞：長期演進(jìn)技術(shù)；數(shù)字移動無線電；應(yīng)急通信；寬窄融合；便攜式；融合互通

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.015

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-00-03

Design and Research of Portable Wide Narrow Fusion Emergency Communication System Based on \"LTE+DMR\"

LI Wei

（China Telecom Shaoxing Branch， Shaoxing 312099， China）

Abstract： This article designs a portable wide and narrow fusion emergency communication system based on \"LTE+DMR\"， aiming to provide an adaptable， easy to carry， and quickly configurable emergency communication solution for areas with insufficient communication coverage caused by natural disasters or human events. The system consists of end-user devices， narrowband base stations， LTE private network base stations， wireless Mesh devices， wideband and narrowband integrated devices， portable emergency power supplies， and command and dispatch consoles. It can achieve the integration and interoperability of narrowband and narrowband devices under complex environmental conditions， and provide various services such as voice， video， data， and positioning. The effective integration of broadband cluster and narrowband digital communication achieved by this system provides strong communication support for emergency rescue operations.

Keywords： LTE; DMR; emergency communication; wide and narrow fusion; portable; integration and interoperability

1" "便攜式寬窄融合應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 便攜式寬窄融合應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)急通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不足的地區(qū)，比如山嶺、森林等[1]。該系統(tǒng)由應(yīng)用層、終端層、接入層和交換控制層等多個(gè)功能層組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）應(yīng)用層：提供如語音集束調(diào)度、數(shù)值調(diào)度、數(shù)值會議、人員追蹤、維護(hù)檢查等多種業(yè)務(wù)。

（2）交換控制層：負(fù)責(zé)語音、數(shù)值和數(shù)據(jù)的疏通，管理互相聯(lián)通的網(wǎng)關(guān)和寬帶、窄帶數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。寬帶和窄帶網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)寬帶用戶和窄帶用戶的注冊、分群、權(quán)限檢查，互通網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)寬頻集群與窄頻數(shù)字間的呼叫管理、管理控制和聲音格式轉(zhuǎn)換[2]。

（3）接入層：提供多種網(wǎng)絡(luò)通信信號接入方案，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋的寬窄信號覆蓋以及集群通信。

（4）終端設(shè)備：是直接裝備到急救人員身上的通信設(shè)備，如數(shù)字步行電臺、專有網(wǎng)絡(luò)終端、智能終端和雙狀態(tài)終端等。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在通信網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害或人為事件時(shí)，需要適應(yīng)性強(qiáng)、易于攜帶并且能夠迅速配置的帶應(yīng)急通信方案。應(yīng)急通信方案既需要確?；镜恼Z音通信需求，還要為救援人員提供寬帶多媒體服務(wù)[3]。

寬窄應(yīng)急通信系統(tǒng)包括7個(gè)功能單元：終端用戶設(shè)備、窄帶基站、LTE專網(wǎng)基站、寬窄帶綜合設(shè)備、便攜式應(yīng)急電源、指揮調(diào)度控制臺。

2" "便攜式寬窄融合應(yīng)急通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 單兵終端

單兵終端為“LTE+DMR”雙通道機(jī)型，可以兼容專用TD-LTE與DMR模數(shù)通信系統(tǒng)，并整合北斗和GPS的定位能力。單兵終端搭載Android操作系統(tǒng)，具有靈活安裝調(diào)度、定位等功能，實(shí)現(xiàn)基于LTE專網(wǎng)的寬帶集群通信接入。當(dāng)工作人員在寬帶覆蓋的區(qū)域內(nèi)時(shí)，可利用網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行音視感數(shù)據(jù)的傳輸；當(dāng)其超出寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí)，終端自動轉(zhuǎn)換至DMR模式，利用窄帶通話功能保持通信連續(xù)性。

2.2 便攜式LTE專網(wǎng)基站

在寬帶集群通信系統(tǒng)中，LTE專網(wǎng)基站提供寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，基站采用時(shí)分雙工模式，最大發(fā)射功率為2×10 W，工作頻率為1 785～1 805 MHz。與傳統(tǒng)基站相比，LTE基站在尺寸和質(zhì)量上較小，便于攜帶和安裝。

便攜式LTE專網(wǎng)基站集成多種功能，包括寬帶數(shù)據(jù)傳輸、音視頻集群通信、視頻回傳、GIS定位以及多媒體調(diào)度等。在多基站模式下，系統(tǒng)由主站和從站組成，主站核心網(wǎng)開啟，從站核心網(wǎng)關(guān)閉，所有用戶都在主站進(jìn)行注冊和認(rèn)證。此外，該基站支持多種傳輸方式，包括標(biāo)準(zhǔn)IP接口的衛(wèi)星、公網(wǎng)聚合路由器、自組網(wǎng)以及固網(wǎng)等，能夠靈活地進(jìn)行信息回傳[4]。

2.3 寬帶信號回傳

“LTE+Mesh網(wǎng)絡(luò)”的組網(wǎng)方案為現(xiàn)場救護(hù)隊(duì)員攜帶的便攜式LTE專網(wǎng)基站，能夠針對災(zāi)難現(xiàn)場的需求進(jìn)行定位和部署，保障現(xiàn)場與前線指揮部寬帶信號傳輸。

設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的IP接口與無線Mesh設(shè)備進(jìn)行連接。無線Mesh方案采用566～626 MHz頻段設(shè)備，整合無中心同頻自組網(wǎng)技術(shù)。設(shè)備以2×2 W的發(fā)射功率運(yùn)行，適應(yīng)任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒛芘c衛(wèi)星、公網(wǎng)、LTE基站等對接。

Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括基帶和射頻電路兩個(gè)部分，其中基帶模塊負(fù)責(zé)主機(jī)接口、MAC層配置及調(diào)制解調(diào)任務(wù)，射頻收發(fā)器負(fù)責(zé)信號的變頻和傳輸。射頻前端主要完成接收與發(fā)射信號的放大和濾波；切換器主要負(fù)責(zé)天線接收和發(fā)送切換，確保通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性。具體如圖2所示。

2.4 調(diào)度臺

通過DCS接口實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺與服務(wù)器之間的信息交互，采用UDP進(jìn)行用戶信息的傳輸。調(diào)度臺與寬帶集群核心網(wǎng)通過D接口通信，實(shí)現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)和定位等多項(xiàng)業(yè)務(wù)的集群調(diào)度。D接口控制層面采用SIP通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)呼叫控制和管理集群業(yè)務(wù)的調(diào)度功能。用戶面利用RTP，確保音頻和視頻等多媒體資料采用UDP傳輸。寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)采用B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)下的D接口，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻及定位等多種服務(wù)的高效集成，并支持多類型終端設(shè)備的協(xié)同調(diào)度[5]。寬帶集群調(diào)度臺包括以下功能：提供語音調(diào)度、引入視頻調(diào)度能力、實(shí)施地理信息系統(tǒng)調(diào)度、數(shù)據(jù)調(diào)度、存儲功能、設(shè)備設(shè)置管理。

3" "窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)

3.1 單兵終端

單兵終端配備DMR數(shù)字對講機(jī)，其工作頻率為400～470 MHz，接收靈敏度和發(fā)射功率分別為-105 dBm、4 W。通信系統(tǒng)數(shù)字中繼轉(zhuǎn)換收發(fā)頻點(diǎn)分別為412.5875 MHz和422.5875 MHz。為使對講機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行頻率編程，包括聯(lián)系人和群組配置等初始化步驟。此外，單兵終端與中繼臺的配置相對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。

3.2 DMR基站

數(shù)字移動無線電（DMR）基站作為無線電通信系統(tǒng)由PR900數(shù)字中轉(zhuǎn)臺、雙工器和全向天線構(gòu)成。PR900設(shè)備工作頻段為400～470 MHz，具備25 W的發(fā)射功率和7.6 dBi天線增益，以及-113.5 dBm的接收靈敏度。在該系統(tǒng)中，雙工器負(fù)責(zé)將中繼器的接收和發(fā)射信號隔離，確保通信的穩(wěn)定性，支持發(fā)射和接收在同一時(shí)間內(nèi)切換。通過與核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，數(shù)字中繼臺向?qū)拵Ш驼瓗Ъ稍O(shè)備提供橋接功能。數(shù)字中轉(zhuǎn)臺的功能是放大并轉(zhuǎn)發(fā)對講機(jī)信號，以便擴(kuò)展通信的覆蓋范圍。

3.3 指揮調(diào)度系統(tǒng)

指揮調(diào)度系統(tǒng)基于AIS協(xié)議，該協(xié)議用于外部設(shè)備與DMR網(wǎng)絡(luò)之間的通信。AIS協(xié)議在SIP與RTP的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，利用協(xié)議SIP及RTP完成媒體面的控制信號傳輸，包括語音通話、文本消息、定位服務(wù)等。

指揮調(diào)度系統(tǒng)包括客戶端和服務(wù)端，采用C/S架構(gòu)及模塊化理念，整合數(shù)字通信功能，如單呼、定位、短信、記錄等。這些功能具體包括：實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)間的一對一、一對多或全體呼叫；實(shí)時(shí)的設(shè)備定位和歷史軌跡回放；支持調(diào)度人員與用戶或群體雙向短信傳遞；所有通話內(nèi)容的長期存儲及客戶端調(diào)用；系統(tǒng)配置包括用戶權(quán)限、群組、網(wǎng)絡(luò)資源和調(diào)度者的使用與維護(hù)。

3.4 寬窄融合一體機(jī)

寬窄融合一體設(shè)備集成了互通網(wǎng)關(guān)、寬帶與窄帶調(diào)度服務(wù)器、數(shù)字中繼臺等多個(gè)單元，并通過信令和媒體格式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。該設(shè)備采用小型服務(wù)器，在保持功能強(qiáng)大的同時(shí)，降低硬件的物理尺寸和能耗，使得設(shè)備更加便攜，尤其適合小型用戶組網(wǎng)和應(yīng)急救援場景。服務(wù)器結(jié)合虛擬化技術(shù)，通過Linux操作系統(tǒng)和Docker容器引擎的集成，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的快速部署并實(shí)現(xiàn)服務(wù)與應(yīng)用的兼容[6]。電源方面采用高容量、輕量、便攜的應(yīng)急電源模塊，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間滿足4 h以上的需求。該設(shè)備被設(shè)計(jì)成易于攜帶的19英寸拉桿箱形式，方便救援團(tuán)隊(duì)快速部署和搬運(yùn)設(shè)備。

4" "寬窄帶通信系統(tǒng)融合互通實(shí)現(xiàn)

4.1 互通網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

互通網(wǎng)關(guān)通過融合互通實(shí)現(xiàn)不同通信系統(tǒng)中個(gè)人和群組編號的映射，允許窄帶系統(tǒng)內(nèi)的通信在寬帶集群系統(tǒng)中鏡像注冊，并通過IP鏈路分別與兩種通信系統(tǒng)建立連接。

互通網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)按功能劃分為設(shè)備管理、服務(wù)監(jiān)控、信令控制、媒體處理和鏈路管理模塊。其中，設(shè)備管理模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的配置、故障和性能的管理；服務(wù)監(jiān)控模塊管理注冊信息，監(jiān)控資源狀態(tài)和進(jìn)程；在信令處理模塊中，由于不同信令在兩個(gè)通信系統(tǒng)中的使用差異，網(wǎng)關(guān)需要保證通信信令的轉(zhuǎn)換，確保通信控制的有效性；媒體處理模塊專注于寬帶和窄帶系統(tǒng)中媒體格式的轉(zhuǎn)換，例如，實(shí)現(xiàn)AMR編解碼與其它編碼標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，解決由于編碼差異導(dǎo)致的通信障礙；鏈路管理模塊則保障兩個(gè)系統(tǒng)的鏈路維護(hù)，以及確保消息的順利交換。

4.2 寬窄帶終端融合互通

為了促進(jìn)寬窄帶終端融合互通，在寬帶和窄帶集群系統(tǒng)中分別創(chuàng)建用戶和群組，并為互通網(wǎng)關(guān)設(shè)置映射關(guān)系以及統(tǒng)一的用戶號碼。根據(jù)呼叫建立、媒體流轉(zhuǎn)、話權(quán)提示等關(guān)鍵流程，在互通網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)用戶和群組的互通功能。

方案實(shí)施步驟：首先在寬帶集群系統(tǒng)中添加用戶a1、a2、a3，將其納入固定群組A中；在窄帶系統(tǒng)中創(chuàng)建用戶b1、b2和群組A1，將A1指定為A的子群組；然后在互通網(wǎng)關(guān)中設(shè)置A1與A的對應(yīng)關(guān)系，并維護(hù)不同系統(tǒng)中同一用戶的號碼。

在通信過程中，窄帶用戶發(fā)起群呼請求，窄帶核心網(wǎng)將該請求發(fā)送至互通網(wǎng)關(guān)，互通網(wǎng)關(guān)將呼叫信息轉(zhuǎn)換為寬帶通信格式，并轉(zhuǎn)發(fā)至寬帶核心網(wǎng)。然后，寬帶核心網(wǎng)根據(jù)群組信息，將呼叫傳達(dá)至寬帶用戶。寬帶用戶在收到呼叫后，用互通網(wǎng)關(guān)向窄帶核心網(wǎng)發(fā)送話權(quán)提示，在互通網(wǎng)關(guān)的作用下，實(shí)現(xiàn)語音通話。

5" "結(jié)束語

本文介紹了基于“LTE+DMR”的便攜式寬窄融合應(yīng)急通信系統(tǒng)，以滿足復(fù)雜環(huán)境如山地林區(qū)等臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)需求。該系統(tǒng)由終端用戶設(shè)備、窄帶基站、LTE專網(wǎng)基站、無線Mesh設(shè)備、寬/窄帶綜合設(shè)備、便攜式應(yīng)急電源和指揮調(diào)度控制臺等功能單元構(gòu)成。該系統(tǒng)在提供聲音、視頻、數(shù)據(jù)通信及定位服務(wù)等多個(gè)方面具備高效性和靈活性。特別是在多部門聯(lián)合應(yīng)急救援場景下，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)間的無縫融合與通信，確保了通信的統(tǒng)一管理和調(diào)度效率。

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