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军用电台综合通信技术研发及运用

 论文栏目:通信技术论文     更新时间:2012-7-14 15:46:08   

1引言

综合通信系统是指集成多种有线、无线通信手段的军用广域通信网。既包括广域网上广阔作战区域内陆上固定网络部分(骨干网),又包括机动、移动作战编队用户所组成的子网(用户网),以及连接子网与骨干网的接入网。综合通信系统的调度业务包括骨干网上固定节点固定、移动用户的话音调度,以及用户子网内各个节点的固定、移动用户的话音调度。

综合通信系统的全网调度业务有多种可用技术实现体制。集群通信体制作为综合通信系统全网调度功能技术实现的一种选择。集群通信系统是多个部门共用一组无线信道的专用调度通信系统,由系统控制中心、系统管理终端、调度台、基站、移动台(车载台、手持台)等组成。系统采用信道公用,动态分配空闲信道技术。任何一个用户在控制中心的控制下,通过调用系统信道资源中的空闲信道可与系统中的另一用户进行通信。基于军用通信的特点,以军用电台作为无线信道平台,在电台平台上叠加集群标准协议实现调度业务既能满足业务需求,又符合军用通信抗干扰、抗截获、高保密的特殊要求。

2综合通信系统调度业务需求

综合通信系统的话音调度业务基本需求包括:

(1)通播话音:单向通信,即各级指挥员发话,所辖全员都能听到话音;

(2)组呼话音:半双工通信,即各级指挥员发话,所辖部分成员都能听到话音,而其他成员不能听到,组内成员也可按集群控制规则占用上行话音通道,进行话音通信;

(3)拨号话音:半双工或双工通信,实现网内用户点对点拨号话音;其他调度功能包括:强插强拆,业务优先级、成员优先级、群组优先级,呼叫限制,监听和录音等。

用户包括移动用户和固定用户,移动用户是指使用无线通信方式连接基站的用户,固定用户是指使用有线通信方式连接基站的用户。移动用户采用军用电台实现逻辑信道。

3技术方案实现总体思路

在综合通信系统覆盖的广域网区域,实现从骨干网、接入网、用户网的全网用户调度,需要采用一种合适的调度体制。集群通信作为具备频率利用率高、接通迅速、强大调度能力、大区制组网等优点的移动通信技术,适应区域集团作战指挥调度使用。可以选用集群通信作为实现综合通信系统的广域网调度体制。

现有成熟的集群产品,主要是Motorala、欧宇航等公司的产品,以及国内警用标准PDT、华为的TruStar、中兴的GoTa等产品,这些产品都是面向非军用用户研制开发的,对军用通信的抗干扰、保密等技术特点关注不够。而军用数字电台具备抗干扰能力强,保密性能好等军用体制特点。在军用电台的基础上叠加集群协议栈,以军用电台TDMA技术实现逻辑信道,集群调度业务作为应用,为用户提供可定制的话音通信指挥保障,如通话组的灵活、动态组合,业务、用户、群组多个维度的分优先级保障。实现分级、分层、分组通信,便于指挥应用。

采用军用电台实现用户逻辑信道,相比普通集群对讲系统大幅增加了抗干扰性和保密安全性。对作战区域进行合理规划,在骨干网上固定节点、接入网节点、用户网中心节点建立基站形成多区、多层次集群网络,综合通信系统为各基站之间信息的传输交换提供支持,构建大区域联网系统。每个小区以固定(车载)军用超短波跳频电台作为基站信道机,以背负式、手持式超短波跳频电台作为移动用户台;基站附近固定用户使用有线台。集群网络管理终端实现基站、全网用户的配置、故障诊断及业务管理;集群调度台实现对固定台、移动台的指挥、调度和管理。作为军用指挥调度系统,宜采用分布式控制,并考虑控制、管理设备的冗余备份。军用电台内置保密模块,根据需要进行信道和信息的双重加密,保证用户通信安全。集群小区是实现军用广域网全网调度的基本调度单元,基于军用电台的逻辑信道设计是实现集群小区的关键所在。

4集群小区移动用户的信道实现

实现集群小区的关键在于如何基于军用电台实现移动用户逻辑信道。假定电台基本能力:

(1)2400bps声码话

(2)中速跳频

(3)内置保密卡实现信道保密

(4)信道速率>30kbps

下面是以TDMA方式实现逻辑信道的一个设计示例。

帧结构如图2所示:1个超帧为1个周期,约3.3s,分为4个复帧;每个复帧又分为两个分帧,每个分帧由8个时隙组成;第1复帧的第1分帧的前两个时隙为同步时隙(B时隙),其他分帧的前两个时隙为信令时隙,剩余时隙为业务时隙。这种帧机构将控制时隙分散到不同的分帧,可以减少业务的接续时间;同时每个超帧两个同步时隙可以满足移动用户在跳频情况下的迟入网需要。两个B时隙用于基站台发送同步信息,并支持机动设备的迟入网。B时隙同步频率基于频表、网号、以及伪随机序列,采用慢跳(频率相对固定)和快跳相结合的方式,既可以使时间与基站台相差很大的用户入网,又可以在部分频带被干扰的情况下保持通信效果。B时隙的勤务信息包含网络时间,移动用户搜索到同步广播后,根据勤务信息可以将本机网络时间与基站台同步,从而实现后续的业务通信。

T时隙为业务时隙,主要用于建链后的话音传输。话音时隙的设计需要考虑话音编码速率、话音时延以及抗干扰能力。采用的话音编码为低速声码话(2.4kbps),声码器每25ms产生60bit话音数据,这样在8个时隙(420ms)内共产生约135byte话音数据,所以单个T时隙用于话音传输时,需要容纳135字节的业务数据。单个时隙的时间约为52ms,则此时电台的信息速率约为20kbps(135*8/0.052)。调制模式采用8CPTCM,编码方式采用RS(20,15),接收灵敏度可以达到-108dbm。在这种时隙结构下,话音时延即为8个时隙的长度,即416ms左右。Cd和Cu时隙分别是下行信令时隙和上行信令时隙,编码方式采用RS(20,5),调制方式根据业务需要可以选择4CPTCM或8CPTCM,分别可以传输20字节和45字节。集群协议栈的单个信令一般小于20字节,可采用4CPTCM调制方式,可以保证在极端情况下信令的可靠传输。为了充分利用信道资源,在T时隙没有被分配为话音信道时,移动用户可以将T时隙作为信令时隙使用,当T时隙用于信令传输时,为了保证信令传输的可靠性,其调制方式和编码方式与信令信道相同,具有更强的抗干扰能力和纠错能力。

因为下行信令时隙为基站台独占,不存在竞争,且基站台使用高架天线,传输距离远,有需要的情况下可以采用高阶的调制方式和编码方式,提高信道容量。所以在信道接入的设计上,T时隙在没有被分配时,只允许移动台进行竞争使用。空闲的T时隙由基站台在下行时隙进行广播。基站台可以根据当前信道占用情况,在下行信令信道邀请特定的用户或仅允许某些特定业务进行接入,以保证在上行负载较大时,也能够保证某些重点用户或业务的通信。根据上面的帧结构,一个典型的呼叫(申请,分配信道),占用1个上行时隙和1个下行信令时隙,如果上行时隙不占用空闲的业务时隙,则平均接续时间为(6*416+832)/7=475ms。

当车载移动台置为中继模式时,可以为手持台提供中继,这样延伸了系统的应用范围。因为手持台的接收灵敏度与车台相当,所以中继功能只需多占用一个业务时隙用做中继信道。手持台接收基站台在下行时隙(信令或话音时隙)发送的数据,也在中继信道接收车台发送的下行信令;手持台在中继信道发送上行信令和话音数据。当车台被置为中继模式时,可自动申请中继信道,手持台用户即可在通信范围内任意移动,并保持与车台或基站台的联系,提高了终端用户的灵活性。

5与现有调度系统、集群系统的对比

军用电台平台的集群调度网既满足移动(无线)用户使用需求又满足固定(有线)用户使用需求,实现了军用广域网全网用户的统一调度,对比常用话音调度系统具备以下优点:

(1)使用集群通信技术使得在功能和业务上比军用电台通播对讲系统有很大的技术提升;

(2)对比使用程控交换技术体制的军用电话网,集群体制更加满足军用调度“一呼百应”的应用需求;

(3)对比军用电路交换调度系统,集群系统功能更加强大,适应能力更强,网络扩展能力更强;

(4)对比上一代军用模拟集群系统,该集群系统采用数字技术,具备数字通信的基本优点。由于基于军用电台作为基础平台实现逻辑信道,使得本集群系统对比国内常见集群系统具备军用通信网的基本特点,下表为基于军用电台平台的集群调度网与国内其他常见集群系统的技术对比。

6技术优势

在军用电台的基础上叠加集群协议栈,使得本集群调度系统具备了军用电台和数字集群系统双方面的技术优势,如军用电台的抗干扰能力强、保密性能好、机动性强、抗毁性强以及数字集群系统的调度能力强、接入快速等。

6.1抗干扰能力强

采用中高速超短波跳频电台,与信道技术、调制解调、编解码技术紧密结合,具备较高的抗干扰能力。跳频图案的设计以及同步策略决定了跳频的同步性能以及抗干扰性能的优劣程度,尽可能解决和避免出现循环发送的情况,同步算法的主要设计思想是一旦进入跳频网后,不论发射台、接收台还是搜索台一直采用“随机”跳变的图案,提高抗干扰性。如通信覆盖范围要求较小时,采用高阶调制、弱编码,增加通信容量;在覆盖范围要求较大时,采用低阶调制、强编码,增大通信距离。

6.2组网灵活

采用中高速跳频超短波电台,通信距离上,单小区最大可以覆盖20km范围内的移动用户。同时,基站由超短波电台配接网络控制设备、交换机组成,通过交换机,可实现不同小区之间、小区与骨干网指挥所之间的互联,为机动用户、移动用户提供广域网的连接,实现不同地理位置的用户互联互通。通过合理规划战区内基站部署,移动用户可以在整个战区内随遇接入。根据需求,作战单元也可以单独部署,实现小范围作战通信保障。组网自动完成,在基站开通的情况下,小区内移动用户可以随时快速入网。

6.3安全抗毁性强

在抗毁性方面,考虑到中心节点被摧毁后,系统便不能运转,设计两种重组方式:一是在中心节点被毁后,下属移动台自动搜索备份信道,在备份信道重新入网;二是设置备份中心节点,在中心节点被毁后,备份中心节点自动升级为中心节点。同时,系统具有故障弱化功能,当中心节点网络控制器故障时,单一基站仍可完成基本的指挥调度任务。系统采用双向鉴权方式,即移动用户注册入网时请求鉴权,通信过程中,基站可以随时要求用户重新鉴权,可以抵抗各种威胁,使得网络正常运行更有保证。同时,电台内置保密模块,用户可根据需要,进行信道和信息的双重加密,保证通信安全。用户可以根据需要,自行加注通信密钥。

6.4机动性强

军用电台作为基站信道机,其物理形态决定了系统的机动性能,只要配置基站电台,附近用户即可接入本小区。因基站典型配置只需要一个交换机和一个超短波基站电台,搭建方便,可以随车辆机动部署。若基站内配置接入骨干网的无线通信设备,可以在不适宜铺盖有线线缆的区域实现与广域网的连接。

6.5接入快速

集群通信主要的特点为信道资源利用率高,接入快速,并且提供了半双工的集群调度话音功能,呼叫建立的时间非常短,实际小于0.5s;由于采用了标准的集群协议使得系统也具备接入快速的特点。

6.6调度业务丰富

调度业务丰富,系统具有多种指挥调度功能,如迟入网,小区选择,监听,动态重组等;可以单呼、组呼、通播和全呼,也可以多个单位组成共同的通话组,实现联合指挥;可以配置多种优先级方案,通过强拆抢占,实现重点业务重点保障。手持用户还可以通过处于中继模式的车载台,实现中继通信。

7结束语

在军用电台的基础上叠加集群协议栈研发抗干扰数字集群,继承了军用电台和标准集群协议栈的成熟性,能有效降低研发难度;同时,系统有效继承了军用电台和集群调度的众多优点,可以满足军用通信抗干扰、保密、抗毁性等特有的要求。


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