基于IP结构的省域模拟集群通信网

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一、前言

中国公安350兆模拟集群网是中国最大的专用移动通信网，迄今全国已有三分之二以上的地市建设了各自的模拟集群通信系统。这些系统正在朝两个方向发展，经济实力雄厚且技术力量强大的省市如北京市公安局和上海市公安局已经使用数字集群，但模拟集群仍保留下来，作为数字网的补充和备份;目前没有条件上数字集群的地方，纷纷将独立的同型或异型模拟集群联网，特别是全省区域联网，如宁夏回族自治区、内蒙古自治区。在可预见的若干年内，模拟集群仍将是中国警用无线通信的主力。

公安部一所在全国最早推出全市联网的模拟集群系统，建设了青岛大网、郑州全市网等成功的警用通信网。在这些联网系统及其他厂家的类似系统中，单个基站内部符合MPT1327和CPS标准，从基站出来的模拟信号送进PCM复用器，通过E1接口，进入光缆或微波传输网，到达另一个或几个基站，再经PCM复用器解码还原模拟信号。因此传输链路是一种基于E1的结构。随着计算机技术和IP技术飞速发展，有的厂家推出了所谓采用IP联网的集群系统，信令传输采用TCP/IP协议，话音传输仍然采用E1方式。公安部一所联合宁夏自治区公安厅，又一次走在同行前列，新近建设成真正基于IP结构的模拟集群通信网。在这个先进的联网系统中，单个基站内部特性没有改变，但从基站出来的信令、话音甚至网管数据，都是符合TCP/IP协议的数字信号，按照分组交换方式，进入公安计算机专用网传输并到达目的地。

二、一个基于IP结构的集群通信网

宁夏自治区350兆警用集群网有这样几个特点：

● 联网链路为全IP结构。

● 网络规模、覆盖范围大至全区(省)。参考城域网概念，称之为省域网。

● 先进的补充子网。在主干网之外，建设了若干无线延伸站、智能常规站，与主干网互联互通。

● 高可靠性。DC(移动数据中心)服务器采用双CPU双硬盘，各基站主控板双备份。

● 建设成本低。采用现有公安计算机专网作为传输链路大大减少建网投资，尽量保留现有基站设备并加以改造也节省大量资金。

其中最大的特点是一个基于IP结构的集群通信网。

1、网络结构

(1)网络结构图

宁夏省域网的结构用图1、图2示意。

图1 宁夏公安省域集群网网络结构图

图2 宁夏公安省域集群网基站结构图

2、网络结构描述

(1)三级结构

宁夏省域网为三级结构，与自治区行政结构和区域完全对应。

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一级节点设在区公安厅，是整个网络的数据中心和管理中心。由一台DC服务器(移动数据中心)负责管理转接各市之间的信令传送以及完成跨市间的呼叫数据查询功能，一级网管中心负责全网基站参数和移动台参数的设置、维护、远程下载等。这个节点不设本地基站，只有对全网的话音指挥调度。一级节点的数据及话音通过公安二级网与其他各站互联。

二级站设在五个地级市，分别是银川、石嘴山、吴忠、中卫和固原。每个二级站包括一个二级节点和一个本地基站，本地基站负责该地级市市区的话音通信，二级节点是全市的数据中心和交换中心，管理该地级市及下辖若干县，构成一个环。二级节点的话音和数据通过公安二级网与一级节点互联，通过公安三级网与环内各县互联，通过公安计算机专网与其他各环互联。

三级站设在十四个县，每个站都是标准的MPT1327集群基站，实现本县城区的话音通信以及网络管理。三级站的话音和数据通过公安三级网与二级节点互联。

(2)站点结构

参看图2，每个站点配置一台网络交换机，这是基站设备与公安计算机专网的接入点，站点内相关设备和模块都有独立IP地址，这些设备和模块都挂在交换机上。网管计算机、调度计算机和CXU板是内部IP地址，形成一个内网，IPNU板是外部IP地址，接入外网。调度计算机可以指挥调度本站的无线用户，也可以指挥调度下级站的无线用户;网管计算机可以管理本站的用户及参数，也可以通过公安专网管理下级站的用户及参数;主控模块接受本级的管理;最重要的联网模块是名为IPNU的单元，信令在这里被组装成IP包，发到网络上请求呼叫或传输指令，话音也在这里被组装成IP包，发到各联网基站，实现跨站呼叫。CXU板以HDLC协议与IPNU板通信，将网管数据接收或发送到外网。

只要在各基站的覆盖范围内，处于宁夏自治区某地的一位干警，可以与任一或若干异地的干警实现无线对讲，传达警情。宁夏省域网的信令、话音甚至网管数据都实现了IP联网。

从管理意义上看，宁夏省域网的拓扑结构是一个树形结构，顶点是区厅一级节点，向下五个分支连到五个二级节点，每个二级节点有两或三个分支连到三级节点。上级可以访问本级和下级数据库，增减用户、设置权限、修改参数、规定组呼规模，下级不能访问上级数据库。

3、技术要点

(1)联网协议

宁夏省域网信令采用面向连接的TCP协议，通过“出错重传”的机制保证信令的可靠性;话音采用无连接但实时性较好的UDP协议，由于音频数据冗余量大，允许少量丢失，减少了重传带来的时延和网络开销。

(2)占用带宽

一个IP包的基本带宽为6.4kbps，考虑其他开销，应保证17kbps。假如一个环包含4个基站，当环内某个三级站发起本环跨站组呼，从该站同时发出3个IP包，分别发给3个被叫基站，因此主叫基站占用17k×3 =51 kbps带宽。如果这个三级站发起一个包含本环和其他环的跨站组呼，从该站仍同时发出3个IP包，分别发给环内3个被叫基站，二级站将收到的IP包复制后传给下一个或几个二级站，这些二级站继续复制IP包并传给本环的三级站。由于宁夏省域网一共5个二级站，如果从区公安厅调度台发起一个包含全网所有基站的组呼，区厅出口可能占用的最大带宽是17k×5 =85kbps。

(3)核心模块

主控模块CXU板是基站的核心部分，负责呼叫处理、信道控制和监控系统其他部分操作状态，提供实时的系统和用户管理。提供512×512路数字交换，用于系统各种话音及数据交换。提供一个10M以太网络接口与计算机通信。

IP联网模块IPNU板是各个基站间联网的核心模块。将CXU板过来的64k的 PCM信号，在AC48105型高速处理器中压缩成6.4k的IP Packege(IP包)，传到公安计算机专网，实现集群基站联网。为保证通信质量，基站间的话音数据采用G.723.1编码方式压缩。可同时发起最多5路的IP话音呼叫。

三、宁夏省域网的意义

1、现代信息网及发展趋势

自电报发明以来，人类社会经过约180年发展，通信的概念已远远超出最初的涵义，已经建设了电话通信网、计算机通信网和电视通信网三个庞大的通信网，构成人类赖以生存的现代信息网。特别是进入二十一世纪，信息与通信技术为核心的技术革命对世界各国的经济、社会与文化生活正产生着更复杂而深刻的影响。

长期以来科技界、产业界和政府部门一直探索将各种电信网络融为一体，使人类信息交流更快速、更便利、更经济。得益于近几年来通信技术、计算机技术和IP技术的巨大进步，人们找到了三网融合的有利条件——TCP/IP通信协议，它为三网在业务层面的融合奠定了基础。我国在《十一五规划建议》中着重指出，要“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进‘三网融合’，健全信息安全保障体系。”摩托罗拉已与上海电信签约共同搭建上海市800兆数字集群政务共网，该网采用基于全IP技术的TETRA数字集群系统。这些事例说明，现代信息网的发展趋势是三网融合，其共同的桥梁就是TCP/IP技术。

2、作用和意义

当今中国高速公路四通八达，信息传输快捷便利，为罪犯流动作案带来方便，也为公安机关快速反应、跨区作战、处置突发事件、抢险救灾和大型警卫安保任务创造了条件，公安无线通信必须紧跟和适应新形势的需要。宁夏公安省域集群网正是在这种新形势下诞生的新事物，用最先进的技术构建了一个大规模的集群通信网，使宁夏公安的话音调度通信跃上一个新台阶，为新世纪的公安信息通信提供强有力支持，为维护稳定、打击犯罪、服务群众和行政管理提供强有力手段，显著提高了宁夏公安机关统一指挥、快速反应、协同作战的能力，显著提高了宁夏公安无线通信现代化水平。

宁夏省域网符合现代信息网发展趋势。

四、存在的问题和发展前景

IP交换的主要问题是时延、拥塞甚至丢包。宁夏公安省域集群网基于IP交换，必然受这些问题影响，当前最敏感的是传输带宽不够。在发达地区如青岛市，公安二、三级网均为百兆，有足够的资源支持集群联网。宁夏目前二级网带宽4M，三级网带宽2M，要传输计算机人口信息、电视电话会议等多种业务，本身已非常繁忙，再加上集群联网，带宽严重不足。即便是带宽充足，由于计算机网络的突发性特点，也会造成信息延迟甚至丢失，不如电路交换能确保话音质量。在带宽如此紧张情况下，话音质量更难保证，很容易出现呼叫失败、话音延时大、断续等问题。

值得期待的是宁夏公安厅正在对全区公安计算机专网扩容，今年内就可将二级网一步扩到100M，三级网扩到4M.这将大大缓解目前传输带宽紧张的状况，明显提高集群通信的服务质量。

采用公安计算机专网作为联网链路也是一种很好的方式。由于公安计算机专网与互联网相互独立，公安领导部门可以根据需要分配带宽，保证链路畅通，而互联网是无法控制的，容易出现传输受阻的问题。

可以相信，金盾工程的实施和IT产业的发展将很快突破网络带宽的制约，为集群系统联网提供一个优良的平台，宁夏公安省域集群网一定是一个先进、快速、通畅的无线通信大网。

五、结束语

公安部一所通信事业部最近为宁夏回族自治区公安厅建设了全省规模的警用模拟集群通信网。该网在联网技术上是最先进的，在网络规模上是前所未有的。该网的最大特点是一个基于IP结构的省域模拟集群通信网。虽然对IP结构传输话音的效果仍存在不同看法，但在人类社会进入数字化时代的大趋势下，在新理论、新技术飞速发展中，三网融合迟早将实现，IP结构必定是模拟集群以及数字集群联网的方向。