寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

金紅軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海200063)

寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

金紅軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海200063)

針對(duì)未來(lái)戰(zhàn)術(shù)通信向高速、寬帶、移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,提出了利用LTE技術(shù)構(gòu)建寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)計(jì)思想。通過(guò)高速傳輸技術(shù)、高效多天線技術(shù)和無(wú)線接入技術(shù),以及頻率下移、綜合集成技術(shù),建立了一套一體化車載式基站系統(tǒng),描述了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、實(shí)體和基本設(shè)計(jì)策略,給出了系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證：通信距離可達(dá)20 km,通信距離顯著提高,此時(shí)數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)47 Mbit/s,比現(xiàn)役提升近百倍,證明了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性和可行性,真正實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)跨越式發(fā)展。

寬帶 戰(zhàn)術(shù)通信 系統(tǒng)架構(gòu) LTE技術(shù)

0 引 言

目前戰(zhàn)術(shù)通信都是窄帶、以中低速率為主,最高傳輸速率幾十kbit/s到幾百kbit/s,且以話音、數(shù)據(jù)傳輸為主,圖像、視頻業(yè)務(wù)不支持或不足,限制了作戰(zhàn)應(yīng)用和作戰(zhàn)效果,尤其是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)概念的變化,對(duì)地理圖像信息、現(xiàn)場(chǎng)視頻信息和態(tài)勢(shì)感知信息的需求將會(huì)急劇增加,數(shù)據(jù)量將會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng),高的傳輸速率、高的網(wǎng)絡(luò)性和高的移動(dòng)性將會(huì)更加重要,這就對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信提出了新需求和新要求[1-4]。未來(lái)的數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng),作戰(zhàn)方式已從以前常規(guī)的前沿預(yù)設(shè)部署進(jìn)入兵力隨機(jī)投送階段,從以武器平臺(tái)為主進(jìn)入以網(wǎng)絡(luò)中心為主,這一新的變化將要求將機(jī)動(dòng)性、靈活性、模塊化、高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化緊密的結(jié)合在一起,對(duì)能夠快速反應(yīng)、快速接入能力更加渴望[5]。目前現(xiàn)役的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)已經(jīng)不能支持對(duì)數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的需求,很難完成這種使命,必須尋求新的突破。近十年來(lái),與戰(zhàn)術(shù)通信發(fā)展相對(duì)落后,我國(guó)民用移動(dòng)通信可謂突飛猛進(jìn),已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的引領(lǐng)者,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第四代移動(dòng)通信(4G)TD-LTE技術(shù)就是典型代表,在前沿技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)、核心處理器和制造工藝等方面與西方國(guó)家已站在同一起跑線上,為戰(zhàn)術(shù)通信提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和廣闊的應(yīng)用前景。LTE技術(shù)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)相結(jié)合,可以提供100Mbit/s以上的峰值速率,提供高質(zhì)量、低時(shí)延的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像和視屏等多媒體業(yè)務(wù)一體化服務(wù),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通用而簡(jiǎn)約,是構(gòu)建寬帶戰(zhàn)術(shù)通信最理想的可靠應(yīng)用技術(shù)。民用技術(shù)已成為當(dāng)今世界各國(guó)發(fā)展軍事技術(shù)的一大趨勢(shì),從美軍戰(zhàn)術(shù)通信發(fā)展的歷程與趨勢(shì)看,民用技術(shù)軍用化扮演了重要角色,將LTE技術(shù)引人戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域,打造全新的多媒體寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)體系架構(gòu),全面提升戰(zhàn)術(shù)性能,適應(yīng)未來(lái)作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變。

1 LTE技術(shù)的主要特點(diǎn)與改進(jìn)

TD-LTE技術(shù)是我國(guó)在民用信息技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)歷史性的突破,擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),全面掌握技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù),成為技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者和推動(dòng)者,在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸速率、頻譜效率和傳輸時(shí)延等方面比3G移動(dòng)通信技術(shù)有了巨大改變和提升,現(xiàn)在已進(jìn)入大規(guī)模商用實(shí)施階段。其主要技術(shù)特點(diǎn)與改進(jìn)是:

(1)全I(xiàn)P扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),只有基站一種邏輯節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量與節(jié)點(diǎn)層次減少,接入網(wǎng)更加趨于扁平化,趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制平面和用戶平面管理完全分離,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置靈活,基站之間X2接口、基站與核心網(wǎng)之間S1接口都采用通用以太網(wǎng)接口,語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高度融合,承載平臺(tái)一樣,提高了信息業(yè)務(wù)處理的通用性、可擴(kuò)展性和靈活性,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作更高效。

(2)高速傳輸技術(shù)

采用OFDM高速傳輸技術(shù)和MIMO高效多天線技術(shù)相結(jié)合,在20 MHz的載波帶寬下,頻譜效率為5 bit/s/Hz,峰值速率可達(dá)100 Mbit/s。OFDM技術(shù)是在多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,由于其頻譜利用率高、成本低的原因得到人們的極大關(guān)注。頻分復(fù)用技術(shù)就是將高速的數(shù)據(jù)流分為若干個(gè)低速數(shù)據(jù)流,每個(gè)低速數(shù)據(jù)流再調(diào)制到對(duì)應(yīng)的子載波上,從而構(gòu)成多路低速數(shù)據(jù)并行發(fā)送高速數(shù)據(jù)的傳輸模式,子載波之間要求相互正交,且信道帶寬很窄,近似平坦衰落信道。因此,OFDM技術(shù)大大提升了頻譜效率,子載波越多,頻譜利用率越高;同時(shí)能夠有效對(duì)抗頻率選擇性衰落和載波間干擾,具有抗衰落和抗多徑干擾的特性。

(3)高效多天線技術(shù)

根據(jù)香農(nóng)定理可知:信道頻譜效率與信道帶寬、信號(hào)功率成正比,隨著信道帶寬、信號(hào)功率的增加,信道頻譜效率的增加越來(lái)越慢,為了大幅提高信道頻譜效率,MIMO技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,即通過(guò)在共享的無(wú)線信道上建立多條并行的信息傳輸通道,利用多經(jīng)來(lái)抵抗衰落、提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量、增加覆蓋范圍和可靠性?？刹捎?天線、4天線和8天線,在信道強(qiáng)相關(guān)條件下,一般采用波束賦形或空分多址技術(shù),天線間距離通常相對(duì)較小;在信道弱相關(guān)條件下,一般采用分集或空分復(fù)用技術(shù),天線間距離通常相對(duì)較大。因此,MIMO技術(shù)可以在多徑衰落等不利因素情況下成倍提高信道容量、改善系統(tǒng)覆蓋和增加峰值速率,從而提高頻譜利用率。

(4)傳輸?shù)蜁r(shí)延

傳輸時(shí)延對(duì)傳輸速率、QoS、業(yè)務(wù)建立和切換以及容量有著重要影響,將控制平面時(shí)延降低到100 ms以內(nèi),其中駐留態(tài)與激活態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100 ms,激活態(tài)與睡眠態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于50 ms;將用戶平面時(shí)延降低到10 ms以下,在無(wú)負(fù)載的小數(shù)據(jù)IP包情況下,時(shí)延小于5 ms。

(5)高移動(dòng)性

支持在多個(gè)小區(qū)的移動(dòng)和切換,最高可實(shí)現(xiàn)350 km/h的移動(dòng)性能。在0～15 km/h低速場(chǎng)景下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);在15～120 km/h高速場(chǎng)景下能夠?qū)崿F(xiàn)較高的性能;同時(shí),能夠支持120～350 km/h甚至更高速場(chǎng)景下的移動(dòng)性。

(6)支持多載波帶寬

支持1.4～20 MHz多種帶寬選擇,每一種帶寬支持15 kHz和7.5 kHz兩種子載波間隔,每一個(gè)子載波支持QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制模式,根據(jù)信道狀態(tài),自動(dòng)自適應(yīng)調(diào)制編碼方式,以滿足配置系統(tǒng)時(shí)窄帶頻譜分配時(shí)的靈活性。

2 寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 體系架構(gòu)

寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)體系架構(gòu)遵循TD-LTE系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6-9],采用全I(xiàn)P3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖1所示,由接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)和中繼網(wǎng)3層網(wǎng)絡(luò)組成。

圖1 寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1 Wideband tactical communications architecture

骨干網(wǎng)層由一體化基站組成,采用扁平化的全I(xiàn)P、自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以無(wú)線方式,覆蓋整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域。一體化基站是由基站(eNode B)和分組核心網(wǎng)(EPC)集成設(shè)計(jì)而成,實(shí)現(xiàn)用戶及會(huì)話管理控制、鑒權(quán)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由切換選擇等功能,實(shí)現(xiàn)車載用戶終端的隨機(jī)接入控制?；局g通過(guò)無(wú)線接口互相連接;基站與核心網(wǎng)之間通過(guò)S1邏輯接口互相連接,每個(gè)基站與一個(gè)核心網(wǎng)互相連接。

接入網(wǎng)層由眾多的車載用戶終端組成,通過(guò)OFDMA和SC-FDMA多址無(wú)線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)所屬基站的鏈接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和漫游。

中繼網(wǎng)層由衛(wèi)星或空中平臺(tái)(無(wú)人機(jī)、飛艇或系留氣球)組成,提供基站間超視距連接能力,實(shí)現(xiàn)空中信息轉(zhuǎn)發(fā),與骨干網(wǎng)絡(luò)組成完整的天空地一體化的立體通信網(wǎng)絡(luò),提供全新的無(wú)線組網(wǎng)模式,適用于山區(qū)、遠(yuǎn)距離傳輸和跨區(qū)聯(lián)合通信要求。通過(guò)中繼網(wǎng)層可以把各單元實(shí)體有機(jī)連接在一起,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的中繼和放大,延伸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,形成新的無(wú)線覆蓋區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間的全覆蓋。

采用這種分層、分布式的體系架構(gòu),骨干網(wǎng)絡(luò)可提供近百M(fèi)bit/s高速率傳輸帶寬;接入網(wǎng)絡(luò)用戶也可提供幾Mbit/s傳輸帶寬,用戶容量大,且可方便隨機(jī)接入,更能實(shí)現(xiàn)跨區(qū)漫游、快速部署;中繼網(wǎng)絡(luò)解決了遠(yuǎn)距離通信和覆蓋問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)通用性和智能化強(qiáng),移動(dòng)性和抗毀性能好,互聯(lián)互通互操作能力好,適用于大數(shù)據(jù)傳輸,適合于聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用,可以有效解決動(dòng)中通、抗中通和山中通的問(wèn)題。

2.2 一體化基站網(wǎng)絡(luò)實(shí)體和主要功能

一體化基站網(wǎng)絡(luò)實(shí)體是在原LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的基礎(chǔ)上,集成基站(eNode B)和核心網(wǎng)(EPC)為一體,替代各網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的功能,其各實(shí)體的主要功能如下:

基站(eNode B)由基帶控制單元和射頻拉遠(yuǎn)單元組成,基帶控制單元完成編碼與交織、調(diào)制和映射到OFDM符合的各子載波上,插入導(dǎo)頻,對(duì)子載波的符號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換后生成時(shí)域信號(hào)、并/串轉(zhuǎn)換,形成高速串行數(shù)據(jù)流,送往射頻拉遠(yuǎn)單元,以及反過(guò)程信號(hào)處理;射頻拉遠(yuǎn)單元完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換、變頻、濾波和放大,形成射頻信號(hào),以及反過(guò)程信號(hào)處理。同時(shí)負(fù)責(zé)無(wú)線承載控制、無(wú)線接入控制、連接移動(dòng)性控制和上下行對(duì)用戶動(dòng)態(tài)資源分配等無(wú)線資源管理功能;IP頭壓縮和用戶數(shù)據(jù)流加密;用戶平面數(shù)據(jù)路由選擇;尋呼信息和廣播信息的組織和發(fā)送等功能。

移動(dòng)管理實(shí)體(MME)是核心網(wǎng)(EPC)的核心組成部分,通過(guò)S1邏輯接口與基站(eNode B)相連,每一基站(eNode B)都配置有移動(dòng)管理實(shí)體(MME),實(shí)現(xiàn)本基站所屬用戶管理。當(dāng)用戶終端在移動(dòng)過(guò)程中依然駐留在MME上,減少接口信令交互以及MME處理負(fù)荷,主要作用是移動(dòng)性控制,負(fù)責(zé)用戶及會(huì)話管理的所有控制平面功能、位置管理和移動(dòng)性管理,完成用戶終端與任何IP節(jié)點(diǎn)之間的信息承載的建立,包括非接入層(NAS)信令和接入層(AS)及其安全,以及網(wǎng)關(guān)通道出口選擇,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、漫游和鑒權(quán)。

網(wǎng)關(guān)(GW)也是核心網(wǎng)(EPC)的核心組成部分,包括服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PDN -GW)。服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)是一個(gè)終止于eNode B接口的網(wǎng)關(guān),通過(guò)S1邏輯接口與基站(eNode B)相連,是移動(dòng)性管理的接入點(diǎn),本地移動(dòng)性錨點(diǎn),一個(gè)用戶面功能實(shí)體,負(fù)責(zé)為用戶終端提供承載通道來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳送、轉(zhuǎn)發(fā)以及路由切換等。分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PDN-GW)是外部以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)話的錨點(diǎn),連接外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)出口,實(shí)現(xiàn)用戶終端數(shù)據(jù)包過(guò)濾、合法監(jiān)聽和IP地址分配,提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.3 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示,規(guī)定了工作頻段、傳輸帶寬、復(fù)用技術(shù)、調(diào)制方式、傳輸技術(shù)、發(fā)射功率、天線配置、傳輸速率和覆蓋范圍等主要系統(tǒng)參數(shù)的取值和性能指標(biāo)要求。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 System key parameters index

2.4 幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)是指空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),每個(gè)無(wú)線幀結(jié)構(gòu)由十個(gè)子幀組成,長(zhǎng)度為10 ms,其中包括8個(gè)長(zhǎng)度為30 720×TS=1 ms的子幀和子幀1、子幀6兩個(gè)特殊子幀。每個(gè)特殊子幀包含下行鏈路導(dǎo)頻時(shí)隙(DwPTS)、保護(hù)間隔(GP)和上行導(dǎo)頻時(shí)隙(Up-PTS)3項(xiàng)參數(shù);其它子幀則由兩個(gè)時(shí)隙構(gòu)成,子幀0和子幀5通常用于下行。上下行子幀可以靈活配置比例,靈活支持不同業(yè)務(wù)傳輸需求。

2.5 無(wú)線接口協(xié)議棧

無(wú)線接口是指用戶終端與基站之間的接口,或稱空中接口,無(wú)線接口協(xié)議是用來(lái)建立、重配置和釋放各種無(wú)線承載業(yè)務(wù)的,無(wú)線接口協(xié)議棧由空中接口的用戶平面協(xié)議棧和控制平面協(xié)議棧構(gòu)成,包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層3個(gè)層面,由一體化基站統(tǒng)一進(jìn)行管理和控制,包括完成基站之間的切換。用戶平面通過(guò)空中接口傳輸通道為上層協(xié)議層提供用戶數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),同時(shí)為控制平面和非接入子層(NAS)信令提供傳輸通道;控制平面負(fù)責(zé)用戶無(wú)線資源的管理、無(wú)線連接的建立、業(yè)務(wù)的QoS保證和最終的資源釋放?？刂破矫娴牡讓訁f(xié)議和用戶平面相同,而上層的無(wú)線資源控制(RRC)層和NAS層是控制平面最主要的功能實(shí)體。

2.6 無(wú)線接入技術(shù)

無(wú)線接入是指用戶終端接入骨干網(wǎng)的過(guò)程,包括用戶終端主動(dòng)或被動(dòng)發(fā)起業(yè)務(wù)所需的隨機(jī)接入過(guò)程、尋呼過(guò)程和廣播過(guò)程。無(wú)線接入采用正交頻分多址接入(OFDMA)和單載波頻分多址接入(SCFDMA)技術(shù),OFDMA技術(shù)易于與多天線技術(shù)結(jié)合,頻譜效率更高,信號(hào)處理簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性低;SCFDMA技術(shù)采用單載波調(diào)制技術(shù),降低了對(duì)放大器的要求,提高了功率效率,具有更低的峰均比(PAPR),保持了與下行OFDM技術(shù)的一致性。隨機(jī)接入是用戶終端進(jìn)行初始連接、切換、連接重建立、從空閑模式轉(zhuǎn)換到連接模式時(shí)的唯一策略,是與網(wǎng)絡(luò)之間建立無(wú)線鏈路的必經(jīng)過(guò)程。只有在隨機(jī)接入過(guò)程完成后,一體化基站與用戶終端才可能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸和通信。用戶終端在隨機(jī)時(shí)刻隨機(jī)選擇前導(dǎo)序列接入,這樣接入的結(jié)果也就有隨機(jī)性,但不能保證100%成功。隨機(jī)接入過(guò)程涉及物理層、MAC層、RRC層等多個(gè)協(xié)議層。物理層定義隨機(jī)接入過(guò)程前導(dǎo)碼(Preamble)、物理隨機(jī)接入信道(PRACH)時(shí)域資源分配、各消息之間的時(shí)序關(guān)系; MAC層負(fù)責(zé)控制隨機(jī)接入過(guò)程的觸發(fā)與實(shí)施,以及對(duì)用戶終端退避的控制。隨機(jī)接入過(guò)程有競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入和非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入兩種模式,在正常情況下,一體化基站優(yōu)先選擇非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入,只有在非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入資源不夠分配時(shí),才指示用戶終端發(fā)起競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入。

3 一體化基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與策略

3.1 工作頻段下移

目前TD-LTE系統(tǒng)的工作頻段為2.3～2.4 GHz、2.57～2.62 GHz,屬于特高頻頻段,頻率較高,視距傳播,電波衰落比較大,傳播距離比較近,一般在5 km左右。另外,民用頻段用戶多,頻率擁擠,相互干擾大,一般不適合于戰(zhàn)術(shù)通信。因此,盡量選擇電波傳播損耗小的微波低端頻段,同時(shí),要考慮保證系統(tǒng)的寬帶特性,綜合分析,選擇0.3～1 GHz頻段進(jìn)行頻率下移變換,是最佳的選擇。

3.2 基站之間無(wú)線傳輸技術(shù)

在TD-LTE系統(tǒng)中,基站之間通過(guò)邏輯接口(X2)互聯(lián),只是傳輸一些信令或控制信息,基站之間通過(guò)核心網(wǎng)連接的有線線路傳輸和交換數(shù)據(jù)信息,傳輸線路都是同軸電纜或光纖電纜等有線媒介,需要建設(shè)大量基礎(chǔ)設(shè)施和鋪設(shè)大量有線線路,基站之間不能通過(guò)無(wú)線信道直接通信連接和服務(wù)。這樣,對(duì)于戰(zhàn)術(shù)通信的應(yīng)用帶來(lái)很大困難,失去了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。另外,在現(xiàn)行的LTE系統(tǒng)中,移動(dòng)用戶終端與基站之間的通信采用的是非對(duì)稱的上下行通信體制,即基站發(fā)送信號(hào)時(shí)采用OFDMA調(diào)制技術(shù),而基站接收時(shí)采用SC-FDMA解調(diào)技術(shù),這又從根本上導(dǎo)致了基站之間不能直接進(jìn)行無(wú)線通信。因此,可以在基站內(nèi)嵌入用戶終端模塊,使基站具有雙向OFDMA/SC-FDMA技術(shù)體制,用于骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多跳組網(wǎng)時(shí)接入需要中繼的基站,從而建立一條無(wú)線鏈路,通過(guò)這個(gè)方法可以實(shí)現(xiàn)基站之間的無(wú)線直接互聯(lián)。另外,可以采用無(wú)線中繼(Relay)技術(shù)。即通過(guò)增加無(wú)線中繼基站(Relay Station)將基站的信號(hào)重新處理后再發(fā)送出去,可以是L1層、L2層、L3層中繼技術(shù)。L1層中繼基站就是物理層中繼;L2層中繼基站需要對(duì)接收信號(hào)的MAC層進(jìn)行解碼處理;L3層中繼基站需要對(duì)接收信號(hào)的MAC層以上進(jìn)行處理,根據(jù)中繼策略調(diào)度有效數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端。同時(shí),也可以利用衛(wèi)星接口,實(shí)現(xiàn)基站之間無(wú)線傳輸和鏈接。

3.3 一體化、小型化基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在TD-LTE系統(tǒng)中,基站和核心網(wǎng)等設(shè)備都是固定式的,核心網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)交換控制的核心,所有數(shù)據(jù)交互和控制的實(shí)現(xiàn)都由核心網(wǎng)來(lái)完成,以固定模式設(shè)計(jì),設(shè)備種類多、體積龐大、重量太重、功耗太大。另外,很多功能,如與2G、3G網(wǎng)絡(luò)的兼容接入接口、計(jì)費(fèi)功能,以及過(guò)多的冗余設(shè)計(jì)等,都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,對(duì)于戰(zhàn)術(shù)通信來(lái)說(shuō)并不一定需要,這種體系結(jié)構(gòu)是無(wú)法滿足戰(zhàn)術(shù)通信車載系統(tǒng)和移動(dòng)性要求的。因此,對(duì)于核心網(wǎng)要進(jìn)行小型化設(shè)計(jì),通過(guò)核心網(wǎng)設(shè)備和基站設(shè)備的一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上大幅簡(jiǎn)化,重量上大幅減輕,功耗上大幅降低,便于戰(zhàn)術(shù)通信使用。

4 實(shí)例測(cè)試與分析

根據(jù)表1描述的系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套一體化車載式基站系統(tǒng)和車載用戶終端,在平原地帶進(jìn)行了一體化基站與車載用戶終端無(wú)線接入覆蓋試驗(yàn)。選擇工作頻段600 MHz、功放40 W、天線高架12 m,上行/下行配置1,子幀配置: DSUUDDSUUD(其中D代表下行子幀,U代表上行子幀,S代表特殊子幀),特殊時(shí)隙配置為5(DwPTS: GP:UpPTS=3:9:2),CP選擇常規(guī)長(zhǎng)度。在5 km時(shí),實(shí)測(cè)下行傳輸數(shù)據(jù)吞吐量67 Mbit/s,上行傳輸數(shù)據(jù)吞吐量23 Mbit/s;在20 km時(shí),實(shí)測(cè)下行傳輸數(shù)據(jù)吞吐量30 Mbit/s,上行傳輸數(shù)據(jù)吞吐量17 Mbit/s。試驗(yàn)表明:通過(guò)工作頻段下移,提高發(fā)射功率,通信距離可達(dá)20 km,通信距離顯著提高,此時(shí)上下行數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到47 Mbit/s;在通信距離5 km時(shí),上下行數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)到90 Mbit/s,比現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)提升近百倍。

這對(duì)于戰(zhàn)術(shù)通信來(lái)說(shuō),具有無(wú)與倫比的吸引力,可同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)、話音、圖像和視頻等多媒體業(yè)務(wù),與現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信的體系架構(gòu)相比最大的優(yōu)勢(shì)是可實(shí)現(xiàn)動(dòng)中通和視頻指揮,體系架構(gòu)不再依賴建立在穩(wěn)定、半固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上,工作模式不再是靜態(tài)、中低速,節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)接入,帶寬可動(dòng)態(tài)分配,作戰(zhàn)單元的集成和信息支持可在運(yùn)動(dòng)中完成,真正實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)指揮。因此,把LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和核心技術(shù)移植到戰(zhàn)術(shù)通信中,可以帶來(lái)幾方面的好處,一是快速提升戰(zhàn)術(shù)性能,轉(zhuǎn)變作戰(zhàn)模式;二是縮短研發(fā)周期,節(jié)約資金投入;三是實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)互操作最佳手段,網(wǎng)絡(luò)融合、擴(kuò)展更加靈活、方便;四是操作更加簡(jiǎn)單、智能,質(zhì)量更高、服務(wù)更優(yōu),是我軍戰(zhàn)術(shù)通信趕超世界先進(jìn)水平、真正邁向全數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的突破口。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前,LTE技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化,技術(shù)十分成熟,其高速化、寬帶化和移動(dòng)性能符合未來(lái)戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展方向,通過(guò)適應(yīng)性改進(jìn),工作頻率下移,增加發(fā)射功率,覆蓋范圍由原來(lái)最大5 km可達(dá)到20 km,數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到47 Mbit/s,雖然數(shù)據(jù)吞吐量比最高降低近一半,但比現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)提高近百倍,完全滿足對(duì)于圖像、視頻等大數(shù)據(jù)傳輸要求;通過(guò)采用OFDM+MIMO相結(jié)合技術(shù),能夠有效對(duì)抗頻率選擇性衰落和載波間干擾,具有抗衰落和抗多徑干擾的能力;通過(guò)采用循環(huán)前綴(CP),可以保證每個(gè)子載波的完整性和正交性,從而避免子載波間干擾;通過(guò)采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)技術(shù)可以有效解決小區(qū)間間干擾;通過(guò)采用干擾隨機(jī)化技術(shù),將相鄰小區(qū)干擾信號(hào)通過(guò)加擾或交織的方法轉(zhuǎn)化為隨機(jī)的干擾信號(hào),從而方便干擾消除或抑制;而其高速移動(dòng)性、移動(dòng)隨機(jī)接入能力更讓其展現(xiàn)優(yōu)良的戰(zhàn)術(shù)性能。通過(guò)開展LTE技術(shù)軍用化研究,加快寬帶戰(zhàn)術(shù)通信體系構(gòu)建,對(duì)于我國(guó)未來(lái)戰(zhàn)術(shù)通信及裝備發(fā)展具有十分重要意義。

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Design and Implementation of Wideband Tactical Communications System Architecture

JIN Hong-jun
(No.50 Institute of CETC,Shanghai 200063,China)

Aiming at the development of future tactical communication to high-speed,broadband,mobile and network direction,LTE network architecture and design idea for construction of wideband tactical communication system are proposed.With the technologies such as the high-speed transmission technology, multi-antenna technology,wireless access technology,frequency downshift and integrated technology,a set of integrated mobile basestation system is built up.Meanwhile,the network architecture,the entity and the basic design method are described,and the main design indexes of the system are given in this paper. The experiment shows that the communication distance is greatly improved,and could be up to 20km, while the data throughput is up to 47Mbit/s,nearly a hundred times of the existing one.The validity and feasibility of the system architecture design are verified,and the leapfrog development of tactical communication system is actually realized.

wideband;tactical communications;system architecture;LTE technology

TN929.53;TN915.851

A

1002-0802(2014)09-1021-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.009

2014-06-10;

2014-07-11 Received date：2014-06-10;Revised date：2014-07-11

金紅軍(1963—),男,碩士,研究員,主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線寬帶技術(shù)。

JIN Hong-jun(1963-),male,M.Sci,research fellow,majoring in communication network technology and wireless broadband technology.