一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)

王藝燃，孫 權(quán)，焦 龍，霍 菁，李霖楓

(中國電子進(jìn)出口總公司，北京 100036)

一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)

王藝燃，孫 權(quán)，焦 龍，霍 菁，李霖楓

(中國電子進(jìn)出口總公司，北京 100036)

提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)，可為半徑為8 km范圍的戰(zhàn)術(shù)區(qū)域提供穩(wěn)定的無線寬帶通信信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)面向多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的寬帶數(shù)據(jù)傳輸和集群話音、視頻通話功能。對(duì)系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在MIMO天線采用空間分集設(shè)置條件下，單基站可在半徑為8 km的區(qū)域內(nèi)同時(shí)提供上行寬帶約15 Mb/s、下行寬帶約28 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力以及多路RS-422串口數(shù)據(jù)傳輸能力，并可在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行多種模式的戰(zhàn)術(shù)集群通話，滿足戰(zhàn)術(shù)通信業(yè)務(wù)需求。

LTE；無線通信；VPN；軟交換

0 引言

在反恐作戰(zhàn)、邊境巡邏、區(qū)域防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境下，需通過無線通信手段實(shí)現(xiàn)陣地內(nèi)人員、裝備之間的話音和數(shù)據(jù)傳輸。話音通信包括指揮機(jī)構(gòu)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話、電話會(huì)議通話以及集群通話。數(shù)據(jù)通信包括戰(zhàn)場(chǎng)寬帶多媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，以及傳感器、作戰(zhàn)裝備、指控裝備之間的參數(shù)和命令傳輸?shù)萚1-2]。

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，通信系統(tǒng)需承載的戰(zhàn)術(shù)業(yè)務(wù)類型越來越豐富，對(duì)通信系統(tǒng)的能力要求越來越高，傳統(tǒng)的通信裝備已難以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)通信手段存在帶寬窄、數(shù)據(jù)傳輸速率低、用戶容量小、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定、系統(tǒng)擴(kuò)容困難等應(yīng)用缺陷[3]。

應(yīng)用于民用寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域的LTE(Long Term Evolution)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有傳輸穩(wěn)定、頻譜利用率高、誤碼率低、組網(wǎng)靈活、業(yè)務(wù)樣式豐富等優(yōu)點(diǎn)[4-8]。基于這些優(yōu)勢(shì)，LTE技術(shù)在反恐、軍事等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的重視，但在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的LTE通信系統(tǒng)存在大區(qū)制工作方式下信號(hào)覆蓋范圍小、單一通信終端無法接入多臺(tái)IP用戶設(shè)備、話音調(diào)度業(yè)務(wù)功能難以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求等缺陷[9]。

本文提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)，在充分利用LTE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 LTE戰(zhàn)術(shù)寬帶無線通信

本文提出的基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)，通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network，VPN)技術(shù)解決在單臺(tái)通信終端下接入多路信息設(shè)備的問題，通過專用天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍的提升，通過基于軟交換技術(shù)的調(diào)度服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻調(diào)度以及IP電話與采用PTT鍵通話的通信電臺(tái)之間的戰(zhàn)術(shù)集群話音調(diào)度功能。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由通信中心站和指揮型通信機(jī)、背負(fù)式電臺(tái)兩種通信終端構(gòu)成。

通信中心站一般搭載于專用的通信車上，通過LTE通信基站提供無線通信信號(hào)的覆蓋，完成數(shù)據(jù)和話音的雙向傳輸。通信中心站的通信管理設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、VPN服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器和調(diào)度終端?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入本地衛(wèi)星通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與上級(jí)通信站點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信。

圖1 基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)理圖

指揮型通信機(jī)適用于各類指揮所或指揮車，可通過VPN客戶端同時(shí)接入多部IP電話和計(jì)算機(jī)，或通過接口轉(zhuǎn)換模塊將IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指定的通信接口(如RS-422、RS-485接口等)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與傳感器等裝備的數(shù)據(jù)傳輸。

背負(fù)式電臺(tái)適用于對(duì)便攜性有較高要求、需采集戰(zhàn)場(chǎng)視頻、采用PTT(Push To Talk)形式進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)通話，或需要對(duì)高炮、便攜式防空導(dǎo)彈等作戰(zhàn)裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的作戰(zhàn)單位使用。

1.2 VPN系統(tǒng)

在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中，位于指揮所、指揮車等節(jié)點(diǎn)的通信終端通常需要接入多路信息設(shè)備，如IP電話、筆記本電腦、傳感器等，并與其他通信終端下的信息設(shè)備進(jìn)行交互，而LTE協(xié)議本身的NAT功能并不支持這種訪問方式。

本系統(tǒng)采用VPN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)該功能，以LTE寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，通過通信中心站的VPN服務(wù)器對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，為全網(wǎng)指揮型通信機(jī)的接入設(shè)備提供虛擬的專用傳輸通道，并通過指揮型通信機(jī)的VPN客戶端實(shí)現(xiàn)本地多路設(shè)備的擴(kuò)展接入。

1.3 調(diào)度功能

通過設(shè)置于上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)和LTE通信中心站的調(diào)度服務(wù)器與調(diào)度終端進(jìn)行高清視頻業(yè)務(wù)的接入處理以及戰(zhàn)術(shù)話音的調(diào)度。話音傳輸基于SIP協(xié)議，話音調(diào)度功能包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)、電話會(huì)議、廣播、通撥等[10]。上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)與多個(gè)LTE通信中心站的調(diào)度服務(wù)器之間可聯(lián)網(wǎng)工作，繼而實(shí)現(xiàn)上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)和多個(gè)LTE寬帶子網(wǎng)之間的視頻、話音互聯(lián)。戰(zhàn)術(shù)通話方式主要包括以下幾種。

(1) IP電話之間：上級(jí)通信站點(diǎn)、通信中心站以及連接在指揮型通信機(jī)的IP電話間通過撥固定號(hào)碼進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話或電話會(huì)議通話。

(2) 背負(fù)式電臺(tái)之間：背負(fù)式電臺(tái)采用PTT手柄進(jìn)行通話，根據(jù)指揮層級(jí)關(guān)系，電臺(tái)的人機(jī)界面預(yù)設(shè)有多個(gè)可定義的撥號(hào)快捷鍵，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通撥通話。

(3) IP電話與背負(fù)式電臺(tái)之間：指揮機(jī)構(gòu)的IP電話可通過撥預(yù)設(shè)號(hào)碼對(duì)下屬背負(fù)式電臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話或廣播通話。

上述通話過程中，可通過所在網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度終端對(duì)正在進(jìn)行的通話進(jìn)行強(qiáng)插、強(qiáng)拆等操作。

1.4 天線

為了滿足戰(zhàn)術(shù)使用的信號(hào)覆蓋范圍要求，系統(tǒng)采用了高增益的基站天線和終端天線，并基于軍用背景加大了基站與終端的發(fā)射功率。系統(tǒng)所使用的基站與終端的天線基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。其中，DX-LTE1為終端天線，DX-LTE2為基站天線。

表1 天線參數(shù)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

2015年11月20日在合肥市郊進(jìn)行了本系統(tǒng)的實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證工作。通信中心站配置于合肥市濱湖新區(qū)南淝河大橋中段偏西處，各通信終端分別配置于中心站西側(cè)距中心站3 km、5 km、8 km處。3 km～5 km之間設(shè)置用于測(cè)試背負(fù)式終端得動(dòng)中通性能的路段。

通信中心站采用車載方式，天線通過升降桿升高至約6 m高度。通信節(jié)點(diǎn)的終端天線架設(shè)高度約1.8 m。各通信節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。其中，將5 km通信節(jié)點(diǎn)的指揮型通信機(jī)設(shè)置為全部背負(fù)式電臺(tái)的上級(jí)指揮站，在全部背負(fù)式電臺(tái)中，5 km通信節(jié)點(diǎn)處的182#為指揮機(jī)，即可對(duì)其他電臺(tái)進(jìn)行一鍵通播通話。測(cè)試前通過通信中心站的調(diào)度終端對(duì)上述話音調(diào)度關(guān)系進(jìn)行配置。114#通信機(jī)和184#電臺(tái)各設(shè)置一個(gè)RS-422串口，用于測(cè)試接口轉(zhuǎn)換傳輸能力。為了保證戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的信息傳輸可靠性，系統(tǒng)天線均采用空間分集模式。

表2 試驗(yàn)設(shè)備編號(hào)

2.2 寬帶傳輸試驗(yàn)

使用FTP軟件進(jìn)行多線程數(shù)據(jù)上傳和下載，記錄傳輸速率。

(1)單站最遠(yuǎn)距離傳輸試驗(yàn)

首先測(cè)試在8 km的設(shè)計(jì)極限距離上單站同時(shí)上傳下載多個(gè)文件的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過114#通信機(jī)接入的計(jì)算機(jī)與中心站的計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)2次，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 寬帶傳輸試驗(yàn)I

(2)多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)

首先進(jìn)行單站上行、多站下行的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。通信機(jī)102#的計(jì)算機(jī)向基站計(jì)算機(jī)上傳文件，119#、114#的計(jì)算機(jī)從基站計(jì)算機(jī)同時(shí)下載文件，3次測(cè)試的通信速率如表4所示。

表4 寬帶傳輸試驗(yàn)II (Mb/s)

由試驗(yàn)結(jié)果可見，在多站雙向通信條件下，系統(tǒng)總的上傳、下載速率較單站傳輸略有下降。

其次進(jìn)行多站同時(shí)上行的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。102#、119#、114#三站的計(jì)算機(jī)同時(shí)上傳文件，3次測(cè)試的通信速率如表5所示。

表5 寬帶傳輸試驗(yàn)III (Mb/s)

第1次測(cè)試與第2、3次測(cè)試數(shù)據(jù)相差較大，這是由于后兩次測(cè)試采用了更多的傳輸線程?？傮w而言多次試驗(yàn)性能參數(shù)穩(wěn)定。

由多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)可見，各個(gè)并行站所分得的傳輸資源與其信道狀況有關(guān)，在同樣的射頻性能條件下，隨著與通信中心站距離變遠(yuǎn)，終端的通信性能有一定的衰減。

2.3 接口轉(zhuǎn)換傳輸試驗(yàn)

在多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)的同時(shí)，通過8 km節(jié)點(diǎn)的114#指通信機(jī)和184#電臺(tái)進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換傳輸能力測(cè)試。通過通信中心站的計(jì)算機(jī)向兩個(gè)終端各發(fā)送一路RS-422串口數(shù)據(jù)，從各自的串口讀取接收到的數(shù)據(jù)并測(cè)試誤碼率，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 接口轉(zhuǎn)換傳輸試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在滿負(fù)荷寬帶傳輸?shù)臈l件下，通信終端RS-422串口傳輸?shù)恼`碼率為0，具備良好的誤碼率性能，可以滿足戰(zhàn)術(shù)裝備的數(shù)據(jù)傳輸要求。

2.4 戰(zhàn)術(shù)話音與視頻傳輸試驗(yàn)

在多站并發(fā)傳輸?shù)那闆r下進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)話音和視頻傳輸試驗(yàn)，測(cè)試話音和視頻的調(diào)度能力以及數(shù)據(jù)-話音同傳的穩(wěn)定性。

(1) 話音傳輸試驗(yàn)

IP電話點(diǎn)對(duì)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在全系統(tǒng)滿負(fù)荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，通信機(jī)接入的IP話機(jī)之間可相互撥號(hào)通話，且話音效果良好。

IP電話與背負(fù)式電臺(tái)之間，以及電臺(tái)彼此間的撥號(hào)通話試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。當(dāng)IP電話對(duì)背負(fù)式電臺(tái)撥號(hào)時(shí)，系統(tǒng)在撥號(hào)后立即建立并接通通話，但試驗(yàn)中存在0.5～1 s的通話建立延時(shí)時(shí)間，這是由于試驗(yàn)系統(tǒng)中背負(fù)式電臺(tái)采用的是基于Android系統(tǒng)的軟電話設(shè)計(jì)，存在一定的軟件內(nèi)部延時(shí)，該延時(shí)可在后續(xù)的軟件優(yōu)化中予以消除。

表8 通話試驗(yàn)II

兩種終端的通播功能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。試驗(yàn)中，部分電臺(tái)在通話建立后通過自身人機(jī)界面的“掛斷”鍵進(jìn)行主動(dòng)掛斷，部分通過主叫方掛斷進(jìn)行被動(dòng)掛斷。

表9 通話試驗(yàn)III

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在VPN系統(tǒng)和調(diào)度服務(wù)器的支持下，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)IP電話與背負(fù)式電臺(tái)PTT話音之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通播通話。

(2)視頻傳輸試驗(yàn)

在多站并發(fā)傳輸?shù)那闆r下，采用118#電臺(tái)進(jìn)行“動(dòng)中通”視頻傳輸性能測(cè)試，該電臺(tái)搭載于車輛上，沿3 km節(jié)點(diǎn)東西向各2 km的路段往復(fù)行駛。為保證信號(hào)不被車體阻斷，將電臺(tái)天線固定于車輛頂部。該電臺(tái)與181#～184#電臺(tái)的視頻傳輸試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 視頻傳輸試驗(yàn)

3 結(jié)論

本文提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)LTE通信系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍小、單一通信終端無法接入多臺(tái)IP用戶設(shè)備、話音調(diào)度業(yè)務(wù)功能難以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求等缺陷，可為戰(zhàn)術(shù)區(qū)域提供穩(wěn)定的無線寬帶通信信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)面向多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸和集群話音通話功能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)所采用的基站與終端天線可以滿足8 km的寬無線信號(hào)覆蓋，VPN系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)傳輸和話音通話提供穩(wěn)定的NAT應(yīng)用支持，調(diào)度服務(wù)器可在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下保障戰(zhàn)術(shù)話音和視頻業(yè)務(wù)的建立和傳輸，且系統(tǒng)具備穩(wěn)定的動(dòng)中通能力，為反恐作戰(zhàn)、邊境巡邏、區(qū)域防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境提供了一種切實(shí)可行的綜合通信解決方案。

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A tactical wireless wideband communication system based on LTE technology

Wang Yiran，Sun Quan，Jiao Long,Huo Jing,Li Linfeng

(China National Electronics Import & Export Corp., Beijing 100036, China)

A tactical wireless wideband communication system based on Long Term Evolution (LTE) technology is proposed in this paper, which can provide a stable communication network of 8 km coverage radius and support various tactical applications such as data transmission, trunking call and video call. The functionality & performance of the system are validated by field experiments. Experimental results show that under the condition of setting antenna in spatial diversity receiving mode, within 8 km radius coverage area, a single base station provides simultaneously up-link 15 Mb/s & down-link 28 Mb/s data transmission rate, multichannel RS-422 data transmission capability, and multi-mode tactical trunking call capability.

LTE; wireless communication; VPN; soft-switch

TN924

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.017

王藝燃，孫權(quán)，焦龍，等. 一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：57-60.

2016-07-22)

王藝燃(1984-)，男，博士，工程師，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

孫權(quán)(1986-)，男，博士，工程師，主要研究方向：無線通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

焦龍(1988-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：無線通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗技術(shù)。