一种TDLTE应急语音通信系统的终端设备.pdf

本发明请求保护一种TD-LTE应急通信系语音统终端装置，包括显示控制模块，TD-LTE传输模块、语音模块、电池管理模块和北斗定位模块，显示控制模块对语音和信息交互进行处理、显示和操作控制，TD-LTE传输模块与核心网络接入基站进行IP数据通信，北斗定位模块用于获取所述应急语音通信装置的位置信息，电池模块用于给整个应急语音通信装置供电。本发明基于TD-LTE技术，具有速率高，延时小，稳定性好，操作简便等特点，适用于突发事件应急救援、抢险救灾，公安执法等场合时提供可靠快速的信息实时传输。

1.  一种TD-LTE应急语音通信系统的终端设备，包括显示控制模块、通信传输 模块、语音模块、电池管理模块，其特征在于：还包括北斗定位模块，及所述通信传 输模块为TD-LTE传输模块；
所述语音模块对语音数据进行采集并传输给显示控制模块；所述显示控制 模块对语音、交互信息进行处理、显示和操作控制；所述TD-LTE传输模块通过 基站、TD-LTE核心网络与监控指挥中心相连接并进行IP数据通信；所述北斗 定位模块用于获取终端设备的位置信息；所述电池管理模块用于给整个应急语 音通信终端设备供电；所述语音模块中，语音采集、回放通过利用ALSA语音 处理框架实现；所述显示控制模块，主要包括语音处理模块和信令处理模块， 语音处理模块包括语音编码模块，语音发送模块，语音接收模块以及语音回放 模块，语音编码、解码通过利用达芬奇技术平台提供的G.711语音编解码器实现， 语音发送、接收通过利用RTP传输协议进行语音数据的传输；所述信令处理模 块采用采用SIP信令控制协议实现信令处理，实现主呼与被呼的建立、呼叫拒 绝以及呼叫断开信令；所述TD-LTE传输模块包括TD-LTE模拟基带、TD-LTE 基带处理器、TD-LTE模拟基带、TD-LTE射频电路；所述北斗定位模块采用 UM220-IIIB北斗、GPS双系统定位芯片，获取应急通信终端的经纬度坐标位置 地理信息，再传输给显示控制模块，将本终端的地理位置信息显示在显示屏， 或通过LTE网络发送给监控中心和其它互联的应急通信终端。

2.  根据权利要求1所述的TD-LTE应急语音通信系统的终端设备，其特征 在于：所述音频处理模块的ALSA语音处理框架包括步骤：
(1)初始化音频设备，获取并分析音频设备属性，调用相应函数设置音频 设备参数、音频数据格式、音频数据速率、音频数据信道数；
(2)打开音频设备函数，该函数以采集或回放模式分别打开PCM硬件设 备，使得声卡同时工作在采集、回放状态下，然后调用设置音频函数，并将音 频参数传递给设置音频参数函数；
(3)设置声卡工作参数，一方面设置采集。回放状态下声卡的采集参数， 包括音频格式。速率以及信道数；另一方面设置声卡采集、回放状态下相应的 工作参数，包括周期数、周期大小、访问模式；
(4)音频数据采集，从硬件缓存中将音频数据读入到用户缓存中；
(5)音频数据回放，将音频数据从用户缓存中读入到硬件缓存中。

3.  根据权利要求1所述的TD-LTE应急语音通信系统的终端设备，其特征 在于：所述终端装置存在两种工作状态，待机状态和在忙状态，待机状态是指 终端装置没有进行任何语音调度业务，并循环监听信令端口。在忙状态是指终 端装置在进行某项语音调度业务，其自身也可能是主呼或是被呼，语音调度业 务包括单呼业务、组呼业务、广播呼业务，单呼业务是指主呼对被呼进行呼叫， 是一对一的全双工通信方式，组呼业务是指主呼对组内其他成员进行呼叫，是 一对多的半双工通信方式，广播呼业务是指组内任一一成员对其他成员进行呼 叫，是一对多的单工通信方式。

一种TD-LTE应急语音通信系统的终端设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，涉及移动通信终端，尤其是一种TD-LTE应 急通信系统语音终端设备。
背景技术
近年来自然灾害，大型事故，公共安全突发事件频繁发生，应急通信也越 来越重要。为了有效地指挥调度，高效的现场救援和处置，需要保持事发现场 与远方的指挥中心实时通信以及现场人员之间的通信。由于很多事发现场环境 复杂多变，很难使用大型通信设备，多需要便携的可靠的通信装置进行全天候 的实时通信。
TD-LTE是由我国主导研发的4G标准，随着各个电信运营商对4G网络的 部署应用，我国将逐步建成完善的TD-LTE宽带网络通信体系。与3G相比， TD-LTE更具技术优势，TD-LTE提供了更快地无线通信速度，能够以100Mbps 的速度下载，50Mbps的速度上传，比拨号上网快2000倍，并且降低了无线通 信网络时延，可以实现高质量通信，因此能效支撑视频、语音、图像和文本信 息的实时通信。TD-LTE技术具有QoS保证，保证了实时业务的服务质量，提 高了应急通信质量的可靠性。
经过检索发现以下相关专利文献：
一种便携式应急救灾移动通信装置(CN 103945569 A)，包括收容壳体、显 示设备、CDMA核心网模块、电源管理模块、ARM处理模块、语音模块、FM 调频模块、天线模块、通信接口模块，CDMA核心网模块、电源管理模块、ARM 处理模块、FM调频模块设置在收容壳体内，显示设备、天线模块、通信接口模 块设置在收容壳体外，电源管理模块与CDMA核心网模块、ARM处理模块电 连接，CDMA核心网模块与天线模块电连接。显示设备设置在收容壳体的第一 面上，收容壳体的与第一面相背的第二面上设置有滚轮、伸缩把手、背带卡， 滚轮靠近收容壳体的底面，伸缩把手靠近收容壳体的顶面，背带卡设置在第二 面的四角上。但是该装置采用的是CDMA技术，由于使用相同的载频，许多用 户共用一个信道，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，从而产生“远－－近” 效应，影响用户通话，同时在数据传输速率、业务时延等用户体验方面都不及 TD-LTE技术，而且该装置体积较大，难以手持操作，不方便单人携带。
一种TD-LTE数字集群系统中点对点呼叫方法及设备(CN 103096259 A)。 该方法包括LTE核心网接收主叫UE发送的用于触发点对点呼叫的消息，所述 用于触发点对点呼叫的消息中携带被叫UE的标识信息；LTE核心网根据所述被 叫UE的标识信息获取所述被叫UE在数字集群系统中的业务状态信息，并在根 据所述业务状态信息确定继续点对点呼叫以及所述被叫UE的RRC连接建立后， 接续所述主叫UE和被叫UE；LTE核心网在接续主叫UE和被叫UE后，分别 与所述主叫UE和被叫UE建立语音承载并进行主被叫呼叫业务。本发明实施例 在点对点呼叫时不需要在现有TD-LTE系统中额外引入CS域或IMS域，可以 降低成本及复杂度。但是该方法及设备功能单一，没有组呼，广播呼叫的功能， 无法应对复杂任务的需要。
通过分析以上专利申请的技术内容与本专利申请有较大的差别。
发明内容
针对以上现有技术中移动通信终端无法满足自然灾害、大型事故救援，公共安全 突发事件等现场处置人员方便携带及使用的要求；现有的WIFI、3G技术难以实现语 音，信息等多媒体信息远距离无线传输的技术难题的不足，本发明的目的在于提供一 种便于携带，且能快速定位，实现了复杂环境中信息实时交互通信的方法，本发明的 技术方案如下：一种TD-LTE应急语音通信系统的终端设备，包括显示控制模块、通 信传输模块、语音模块、电池管理模块，其还包括北斗定位模块，及所述通信传输模 块为TD-LTE传输模块；
所述语音模块对语音数据进行采集并传输给显示控制模块；所述显示控制 模块对语音、交互信息进行处理、显示和操作控制；所述TD-LTE传输模块通过 基站、TD-LTE核心网络与监控指挥中心相连接并进行IP数据通信；所述北斗 定位模块用于获取终端设备的位置信息；所述电池管理模块用于给整个应急语 音通信终端设备供电；所述语音模块中，语音采集、回放通过利用ALSA语音 处理框架实现；所述显示控制模块，主要包括语音处理模块和信令处理模块， 语音处理模块包括语音编码模块，语音发送模块，语音接收模块以及语音回放 模块，语音编码、解码通过利用达芬奇技术平台提供的G.711语音编解码器实现， 语音发送、接收通过利用RTP传输协议进行语音数据的传输；所述信令处理模 块采用采用SIP信令控制协议实现信令处理，实现主呼与被呼的建立、呼叫拒 绝以及呼叫断开信令；所述TD-LTE传输模块包括TD-LTE模拟基带、TD-LTE 基带处理器、TD-LTE模拟基带、TD-LTE射频电路；所述北斗定位模块采用 UM220-IIIB北斗、GPS双系统定位芯片，获取应急通信终端的经纬度坐标位置 地理信息，再传输给显示控制模块，将本终端的地理位置信息显示在显示屏， 或通过LTE网络发送给监控中心和其它互联的应急通信终端。
进一步的，所述音频处理模块的ALSA语音处理框架包括步骤：
(1)初始化音频设备，获取并分析音频设备属性，调用相应函数设置音频 设备参数、音频数据格式、音频数据速率、音频数据信道数；
(2)打开音频设备函数，该函数以采集或回放模式分别打开PCM硬件设 备，使得声卡同时工作在采集、回放状态下，然后调用设置音频函数，并将音 频参数传递给设置音频参数函数；
(3)设置声卡工作参数，一方面设置采集。回放状态下声卡的采集参数， 包括音频格式。速率以及信道数；另一方面设置声卡采集、回放状态下相应的 工作参数，包括周期数、周期大小、访问模式；
(4)音频数据采集，从硬件缓存中将音频数据读入到用户缓存中；
(5)音频数据回放，将音频数据从用户缓存中读入到硬件缓存中。
进一步的，所述终端装置存在两种工作状态，待机状态和在忙状态，待机 状态是指终端装置没有进行任何语音调度业务，并循环监听信令端口。在忙状 态是指终端装置在进行某项语音调度业务，其自身也可能是主呼或是被呼，语 音调度业务包括单呼业务、组呼业务、广播呼业务，单呼业务是指主呼对被呼 进行呼叫，是一对一的全双工通信方式，组呼业务是指主呼对组内其他成员进 行呼叫，是一对多的半双工通信方式，广播呼业务是指组内任一一成员对其他 成员进行呼叫，是一对多的单工通信方式。
本发明的优点及有益效果如下：
1、所述的TD-LTE终端装置可以接入商用TD-LTE网络，可以实现全国范 围内的远程无线通信，将指挥监控中心与远程现场建立了信息交互，实现了远 程指挥调度。
2、所述的TD-LTE终端装置可以接入TD-LTE应急通信系统等专用网络， 解决了复杂环境下快速恢复和建立通信的难题，为现场作业和远程指挥提供可 靠有效地通信连接。
3、所述的TD-LTE终端装置使用的TD-LTE技术较之前的3G等技术在传输 速率和质量上都有很大的提高，可以为应急通信提供实时可靠的语音等多媒体 信息的传输。
4、所述的TD-LTE终端装置便于携带，使用方便，适用于抢险救灾、反恐 治安、矿区作业等场所。
附图说明
图1是本发明的实用场景工作示意图；
图2为本发明的结构原理框图；
图3为本发明的显示控制模块原理框图；
图4为本发明的TD-LTE传输模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明：
本发明的核心技术在于，基于TI DM3730处理器的ARM+DSP双核结构， 通过语音模块和显示控制模块对语音进行采集、储存、编码、解码、回放，还 有信令交互，包括单呼、组呼、群呼、优先级设置以及强插强拆的信令流程实 现。通过TD-LTE传输模块实现高速率低延迟传输。该装置携带方便，操作便捷， 应用于井下或地下矿山作业、应急救援救灾，治安、反恐维稳等场景。
附图1示出了本发明的实用场景工作示意图；监控中心利用通信网络，与 终端进行通信，终端之间利用通信网络进行互联通信。通过语音通信终端实现 便捷、高效的实时语音通话，即可将现场场景反馈给监控中心实现远程指挥监 控的目的以及现场作业相互协作通信的目的。
附图2示出了本发明的结构原理框图，具体包括：语音模块、显示控制模 块、TD-LTE传输模块、北斗定位模块、电池管理模块。
本发明的工作方式是：通过语音模块采集语音数据，然后将采集的语音数 据传送到显示控制模块，将原始语音数据压缩编码处理后，利用TD-LTE模块传 与监控中心或其它终端建立连接，进行数据传送与交互。
所述的语音模块中，语音采集、回放通过利用ALSA语音处理框架实现。 ALSA语音处理框架在Linux操作系统上提供了音频和MIDI的支持。ALSA语 音处理框架工作流程主要包括：
(1)初始化音频设备，获取并分析设备属性，调用相应函数设置设备别参 数、音频数据格式、音频数据速率、音频数据信道数。
(2)打开音频设备函数，该函数以采集或回放模式分别打开PCM硬件设 备，使得声卡同时工作在采集、回放状态下，然后调用设置音频函数，并将音 频参数传递给设置音频参数函数。
(3)设置声卡工作参数，一方面设置采集。回放状态下声卡的采集参数， 包括音频格式。速率以及信道数；另一方面设置声卡采集、回放状态下相应的 工作参数，包括周期数、周期大小、访问模式。
(4)音频数据采集，从硬件缓存中将音频数据读入到用户缓存中。
(5)音频数据回放，将音频数据从用户缓存中读入到硬件缓存中。
结构上主要包括TFT触摸显示器、包含NAND Flash和SDRAM的储存模 块、USB HOST、USB OTG以及扩展I/O和音频I/O外部接口、TI DM3730低 功耗嵌入式处理器。其中TI DM3730低功耗嵌入式处理器是由主频为1GHz(同 时支持300,600和800MHz)的ARM Cortex-A8内核和主频为800MHz(同时支 持250,520和660MHz)的TMS320C64x+DSP Core两部分组，并集成了3D图形 处理器和视频加速器，其中DSP具有高效的数字信号处理能力，ARM具有强大 的外设管理能力，保证了语音通道交互的连贯性和切换响应的速度。DSP数字 滤波有效滤除高频干扰和背景噪声，保证转发的语音质量。
显示控制模块要进行语音处理线程和信令处理线程。语音处理线程包括语 音编码线程，语音发送线程，语音接收线程以及语音回放线程。语音编码、解 码通过利用达芬奇技术平台提供的G.711语音编解码器实现，语音发送、接收通 过利用RTP传输协议进行语音数据的传输。
上所述的信令处理流程，采用SIP信令控制协议实现信令处理。通过利用 SIP信令控制协议实现主呼与被呼的建立、呼叫拒绝以及呼叫断开信令流程。
本终端装置存在两种工作状态，待机状态和在忙状态，待机状态是指终端 装置没有进行任何语音调度业务，并循环监听信令端口。在忙状态是指终端装 置在进行某项语音调度业务，其自身也可能是主呼或是被呼。语音调度业务包 括单呼业务、组呼业务、广播呼业务。单呼业务是指主呼对被呼进行呼叫，是 一对一的全双工通信方式。组呼业务是指主呼对组内其他成员进行呼叫，是一 对多的半双工通信方式。广播呼业务是指组内任一一成员对其他成员进行呼叫， 是一对多的单工通信方式。
首先各个终端在服务器上注册，注册内容包括终端的优先级、IP号码等信 息。对单呼以及组呼业务，通过优先级设置，当被呼叫方收到了呼叫请求时， 首先检测自身的工作状态，若为待机状态，则接收呼叫请求并建立呼叫连接， 若为在忙状态，则检测主呼方的优先级是否高于自身的优先级，若是，则终止 当前的语音业务，并与主呼方建立呼叫连接，否则向主呼方发送呼叫拒绝
主呼终端A，被呼终端B，设置业务标志位flag0、flag1，flag0为语音发送 标志位，flag1为语音接收标志位，当flag0＝1，flag1＝1时，即同时进行语音的 发送和接收，即全双头通信方式。
(1)上述单呼业务流程:单呼业务为全双工通信方式，因此主呼A与被呼 B的标志位flag0、flag1都设置为1。主呼A会话建立流程，主呼A向被呼B 发起会话时，首先向B发送INVITE消息，若B向A返回ANSWER消息，则 A再发送ACK消息，此时会话建立，设置标志位flag0＝1，flag1＝1；若B向A 返回CANCEL消息，则A再发送ACK消息，会话将不会建立；若经过等待B 未返回任何消息，则会话也不会建立。
被呼B会话建立流程，当B收到A发送到INVITE消息时，若此时B处于 待机状态，则向A发送ANSWER消息，B接收到A返回的ACK消息，则此时 会话建立，设置标志位flag0＝1，flag1＝1；若此时B处于在忙状态，则根据A和 B的优先级来判断，若A的优先级大于B的优先级，则B终止当前业务，建立 与A的会话，若A的优先级小于B的优先级，则向A发送CANCEL消息，A 返回ACK消息，会话将不会建立；若经过等待B为返回任何消息，会话将不会 建立。
单呼会话释放是建立在主呼A与被呼B已建立会话连接并进行单呼全双工 通信时，正常释放会话连接流程。不论主呼A或被呼B发起释放流程，流程过 程都是一样的，假定由A发起会话释放，A向B发送BYE消息，若收到B返 回的ACK消息，则会话释放，设置标志位flag0＝0，flag1＝0。对于被呼B，若 收到A发送的BYE的消息，则向A发送ACK消息，会话释放，设置标志位 flag0＝0，flag1＝0；
(2)上述组呼业务流程:主呼A，被呼为其他部分成员构成的被呼组，定 义为B组，业务标志位flag0、flag1，组呼业务为半双工通信方式，因此当主呼 A的标志位flag0＝1，flag1＝0时。被呼B组成员的标志位flag0＝0,flag＝1，当主 呼A的标志位flag0＝0，flag1＝1时，被呼B组成员的标志位flag0＝1，flag1＝0。 组呼会话建立流程：主呼A会话建立，首先向B组各个成员发送INVITER消息， 若收到B组成员返回的ANSWER消息，确认返回ANSWER消息的成员，然后 发送ACK至对应的组员，此时会话建立，设置标志位flag0＝1，flag1＝0；若收 到B组成员返回的CANCEL消息，确认发送消息的B组成员，然后发送ACK 至对应组员，此时会话建不会建立；若经过等待，为收到B组中成员的返回消 息，则会话也不能建立。
被呼B组成员会话建立，对于B组成员，当接收A发送的呼叫请求时，对 B组成员来说，即建立单呼连接，流程如单呼业务中被呼会话建立流程一样，只 是此时标志位是flag0＝0，flag1＝1。
组呼会话释放，当发起组呼业务的A发起会话释放请求后，A与B组中各 个成员依次终止会话，组呼会话释放流程：主呼A发起释放时，发送BYE消息 至B组中各个成员，若收到B组成员返回的ACK消息，确定对应组成员，然 后对应组成员的会话被释放，设置标志位lag0＝0，flag1＝0。对于B组成员，若 接收到BYE消息，则向A发送ACK消息，此时会话被释放，设置标志位flag0＝0， flag1＝0。
当B组在某成员发起会话释放请求时，A接收会话释放请求并与其终止会 话，但A与B组其他成员依然保持会话连接，此时B组某成员与A的会话释放 流程与单呼业务中会话释放流程一样。
(3)上述广播呼叫业务流程：主呼A，被呼为除A以外所有成员，定义为 C组。业务标志位flag0、flag1，广播呼叫业务为单工通信方式，主呼A的标志 位flag0设置为1、flag1设置为0，C组中标志位flag0设置为0、flag1设置为1。 广播呼叫业务会话建立，主呼A会话建立流程与组呼业务中主呼A的会话建立 连接类似，但组呼业务中，主呼A将会话建立请求发送至各个组员，而广播呼 叫业务中主呼A将会话建立请求发送至所有应急环境下所有终端成员，即C组 中所有成员，此时会话为单工通信。
被呼C组中某成员的会话建立。被呼C组中某成员的会话建立连接与单呼 业务中被呼的会话连接类似，但由于广播呼叫业务为单工通信方式，被呼C组 中各个成员只需要进行语音接收解码回放，而不需要进行语音的采集编码发送。
广播呼叫业务会话释放。当主呼A发起会话释放时，其流程与组呼业务中 主呼A发起的会话释放流程一样。当被呼C组中某成员发起会话释放时，其流 程与组呼业务中被呼B组中某成员发起的会话释放流程一样。
(4)上述的语音处理流程，根据不同语音调度业务的信令控制流程，对终 端上的语音处理具有不同的设置，语音处理流程根据信令交互之后返回的标志 位、会话IP或IP组进行处理。处理流程为：若flag0＝1,则确定业务类型并设置 目的端，然后进行语音采集编码线程，再进行语音发送线程，之后循环判断标 志位flag0；若flag0＝0，则继续循环判断标志位flag0。若flag1＝1，则确定业务 类型，然后进行语音接收线程，再进行语音解码回放线程，之后循环判断标志 位flag1；若flag1＝0，则继续循环判断标志位flag1。
附图4示出了本发明所述的TD-LTE传输模块，主要包括：TD-LTE基带处 理器、TD-LTE模拟基带、TD-LTE射频电路等。该模块通过USB2.0接口与显 示控制模块的USB HOST接口连接，TD-LTE传输模块与显示控制模块连接后， 为了使其在LINUX操作系统下正常工作，需要进行串口模式转换，即以modern 模式被识别。通过TD-LTE传输模块，终端可接入到LTE网络，从而实现无线 通信
所述的北斗定位模块，采用UM220-III北斗、GPS双系统定位芯片模块， 该模块集成度高、功率低、灵敏度高。通过该模块获取应急通信终端的经纬度 坐标等位置地理信息，再传输给显示控制模块，可将本终端的地理位置信息显 示在显示屏，也可以通过LTE网络发送给监控中心和其它互联的应急通信终端。
所述的电源管理模块，该模块负责给整个应急通信终端的各个模块进行供 电，采用可拆卸更换的充电电池。
本发明解决了3G网络对于处理高数据速率、数据分组传送、降低延迟、广 域覆盖以及向下兼容等要求存在一定劣势的问题，并解决了在紧急情况下快速 建立通信，将紧急事件现场状况迅速反馈给指挥中心。本发明体积小携带方便， 操作简单，还可以快速稳定的实现单呼、组呼以及广播呼叫的语音业务，有利 于应急情况下快速响应。本发明提供的接口配件能够方便的将各种通信外设快 速接入。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。