MCPTT终端软件的设计与实现

概述

集群通信系统是为了满足用户指挥调度需求开发的，面向特定行业应用的专用无线通信系统。其特点是大量用户共享少量无线信道，具备快速的语音建立和抢占能力。集群通信系统在政务、医疗、能源、交通、应急通信等领域有着广泛的应用。

2016年3月，3GPP（3rd Generation Partnership Project，国际标准组织第三代合作伙伴计划）宣布MCPTT（Mission Critical Push To Talk，关键任务一键通）成为LTE标准的一部分。MCPTT被定义为一种运行在LTE网络上的全IP应用层服务，它使了用基于IMS域的实现方案，综合了大带宽、低延迟、易于大规模建网等众多优点，相比于现有的技术具有相当的优势。MCPTT服务提供的是一种增强型的PTT服务，适用于执行关键任务的场景，支持鉴权、组附属、组管理、组呼、单呼、优先级呼叫、发言权控制、位置上报等功能。

MCPTT系统介绍

MCPTT系统由终端域、承载域、SIP核心域以及MCPTT应用域组成，如下图所示。

终端通过Relay中继接入到EPS承载域中，EPS承载域向上与SIP核心域相连接，SIP核心域向上与MCPTT应用域相连，由MCPTT域在应用层提供媒体分发，话语权控制等业务。

终端域代表终端所处的位置，该部分主要由用户直接使用的设备组成，用户设备可以通过Relay中继接入到承载域的EPS中，也可以通过E-UTRAN直接接入搭配网络中。

承载域代表MCPTT业务所需要的底层支持，一般是LTE网络。HSS是移动通信核心网的重要用户数据设备，存储用户的业务签约、鉴权认证、接入控制、位置状态等信息，为CS、PS、EPC、CM-IMS提供服务。MME是一个信令实体，主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能。SGW主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能，支持3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点。PGW负责管理3GPP和非3GPP间的数据路由，管理3GPP接入和非3GPP接入间的移动通信，还负责DHCP、策略执行、计费等功能。E-UTRAN是LTE网络的接入网部分，负责用户的接入。MBMS GW负责LTE网络广播多播业务的媒体流的转发。BM-SC是广播多播服务器中心，是MBMS的核心功能实体,负责提供和管理MBMS业务。PCRF是策略和计费规则功能，该功能实体包含策略控制决策和基于流计费控制的功能。

SIP核心域处于应用层，是对SIP信令进行预处理的一个位置。该域只有一个SIP核心模块，它由P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF组成。P-CSCF负责终端接入到整个网络中，是终端与网络相连的第一个节点，同时也负责IP寻址，将SIP信令发送到对应的终端中。I-CSCF负责在SIP核心中，与SIP数据库交互，查询并修改用户相关信息；S-CSCF负责在SIP核心中，提供服务选择等功能，将终端发送来的SIP信令传递给合适的MCPTT服务器。

MCPTT域由用户数据库、参与MCPTT服务器、控制MCPTT服务器、组管理服务器、身份管理服务器组成。其中MCPTT用户数据库用于存储MCPTT用户的相关数据，包括用户名及各项权限等等。参与MCPTT服务器用于和终端之间的会话管理和上报位置内容等业务，一般用作接入服务器。控制MCPTT服务器用于呼叫控制、话语权的控制、语音的分发等。组管理服务器存储了组相关的信息，向终端和服务器提供查询的接口。

MCPTT终端软件架构设计

MCPTT终端软件运行在终端域的UE上，主要包括用户界面和后台逻辑两大部分，其中后台逻辑部分包括消息中心、信令收发与处理、语音状态机以及Web等模块。

用户界面主要负责终端软件与用户间的交互，接收用户的点击事件，将点击事件交由后台逻辑处理，并显示后台逻辑处理后的反馈结果。

消息中心用于后台通知界面更新。后台线程无法直接更新用户界面，当后台线程需要更新时，直接将消息投递到消息中心，消息中心负责将更新消息分发给界面。

信令收发与处理模块主要负责终端与接入服务器的信令交互，包括发送和接收信令。对信令进行封装、解析和相应的处理，并可在特定环境中对信令进行压缩和解压。

Web模块主要负责终端与Web服务器的信令交互，包括HTTP通道的建立、信令的封装和发送以及HTTP信令的解析处理。

语音状态机接收从信令中解析出的与呼叫相关的参数，并根据接收的参数进行状态的转换和事件的处理，以完成相应的语音呼叫功能。

地理围栏

地理围栏是MCPTT中十分重要的地理位置信息上报触发条件，可根据实际任务情景，在地图上划定任意的多边形区域来对终端的位置进行监测。在终端获取自身地理位置后，如何计算其是否处于设定的地理围栏的范围内，是一个关键的问题。

对于多边形区域，服务器在地理位置配置信息中告知终端多边形边界点的坐标列表，这些点的坐标是按顺序进行排列的，每两个相邻坐标之间是多边形的一条边，一个典型的多边形地理围栏如图所示。

断一个点是否在多边形内，可从该点向任意方向做一条射线，如果该射线与多边形的边相交奇数次则该点在多边形内，若相交偶数次则该点不在多边形内。

在多边形区域地理围栏算法中，以终端位置为起点向左侧水平做一条射线。在终端软件中判断该射线是否与某条边相交，首先判断起点是否在边的两端点的水平平行线之间，在则可能存在交点，否则不存在交点。若可能存在交点，则进一步判断终端位置在边的左侧还是右侧，由于射线是以终端为起点向左侧水平射出，故终端位置在边右侧时存在交点。这里采用点和直线关系的公式，即当时，点于直线的右侧，其中k表示直线的斜率，b表示直线的截距。

若多边形区域某条边的端点坐标为和终端位置坐标为，则当其满足式（1）或式（2）时，终端在两端点的水平平行线之间。

（1）

（2）

在满足式（1）或式（2）的条件下，终端满足式（3）的不等式，则以终端为起点向左侧的射线与该边存在交点。

（3）

用以上所述算法遍历多边形全部的边，最终判断相交次数是否为奇数，若为奇数则终端位于多边形区域内，否则位于多边形区域外。

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