寬帶無線中繼傳輸在應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究

賴曉陽，朵　琳，2

(1.北京科技大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院，北京 100083；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650051)

寬帶無線中繼傳輸在應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究

賴曉陽1，朵琳1，2

(1.北京科技大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院，北京 100083；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650051)

摘要:針對TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)依托固定通信設(shè)施建立骨干傳輸鏈路的應(yīng)用短板，結(jié)合新時期突發(fā)公共事件現(xiàn)場可視化指揮調(diào)度的新需求，通過增加寬帶無線中繼傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建起寬帶集群通信系統(tǒng)的無線骨干傳輸備份鏈路，并對兩種典型突發(fā)公共事件場景下的應(yīng)急通信保障網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了分析，闡明了寬帶無線中繼傳輸有助于提升TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)的在應(yīng)急通信中的用戶體驗，促進我國自主知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)急通信保障體系的建設(shè)。

關(guān)鍵詞:無線中繼；應(yīng)急通信；TD-LTE；寬帶集群通信

隨著第四代移動通信技術(shù)(LTE)的發(fā)展，寬帶無線多媒體應(yīng)用已經(jīng)深入人們的日常生產(chǎn)生活。將LTE技術(shù)與保障突發(fā)公共事件的專用集群通信相結(jié)合不僅可以繼承LTE系統(tǒng)高速率、大帶寬等優(yōu)點，同時能夠為應(yīng)急通信提供較高的頻譜利用率和較強的抗干擾性能，有助于在應(yīng)急通信場景下實現(xiàn)無線可視化和多媒體信息化指揮調(diào)度[1]。

我國已在北京、天津、南京、上海、銀川等城市開通了TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)示范應(yīng)用[2]，可以為專網(wǎng)用戶提供語音、數(shù)據(jù)和視頻等無線通信服務(wù)，包括單呼、組呼、廣播、強插、強拆等集群語音業(yè)務(wù)，多媒體數(shù)據(jù)上傳/下載、移動辦公、導(dǎo)航定位等高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；以及無線視頻會議、移動視頻監(jiān)控等視頻業(yè)務(wù)[3]。現(xiàn)階段，國內(nèi)TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)采用的是光纖互聯(lián)，在突發(fā)公共事件的應(yīng)急現(xiàn)場，系統(tǒng)的抗毀性不足，因此在骨干網(wǎng)絡(luò)上增加無線中繼傳輸手段將是TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)應(yīng)用在應(yīng)急通信領(lǐng)域的有益補充。

1寬帶集群通信系統(tǒng)簡介

1.1國內(nèi)外集群通信發(fā)展歷程

專用無線通信系統(tǒng)最早可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)末期的步話機(Walkie-Talkie)，后來發(fā)展成為單工對講機[4]。隨著人們對移動通信系統(tǒng)使用要求的提高，單工對講機逐漸從點對點的通信形式，演進到同頻單工組網(wǎng)，進一步到異頻單(雙)工組網(wǎng)，再到單信道廣播呼叫、帶選呼的多信道自動選擇系統(tǒng)等。20世紀(jì)90年代，以數(shù)字調(diào)制技術(shù)為主的專用無線通信系統(tǒng)——數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)正式誕生。1998年，國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦了7種數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[5]，其中TETRA和iDEN的應(yīng)用范圍最為廣泛，由于采用了時分多址(TDMA)接入技術(shù)，較模擬集群系統(tǒng)頻譜利用率更高，系統(tǒng)容量更大，從而能夠提供高質(zhì)量、遠距離的通信保障。

我國在窄帶專用無線通信系統(tǒng)的技術(shù)研究和規(guī)模應(yīng)用相對滯后，中興通訊基于CDMA2000-1X系統(tǒng)研制的GoTa和華為公司基于GSM系統(tǒng)開發(fā)的GT800于2005年通過了原信息產(chǎn)業(yè)部組織的技術(shù)鑒定[6]。不過，這兩套通信系統(tǒng)都是基于公眾移動通信系統(tǒng)設(shè)計，在性能上遜于TETRA和iDEN。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)市場上，基于TETRA體制的專用無線通信系統(tǒng)占據(jù)50%市場份額，iDEN擁有約25%的市場份額，GoTa和GT800分享余下的25%市場份額[6]。

隨著無線寬帶通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以高速多媒體業(yè)務(wù)為代表的新一代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)成為熱點，基于LTE技術(shù)發(fā)展寬帶無線集群通信得到世界各國的共識。2009年7月，美國國家公共安全委員會(NPSTC)決定建設(shè)基于(LTE)平臺的應(yīng)急通信系統(tǒng)；2012年10月，陸上集群無線電(TETRA)及其關(guān)鍵型通信聯(lián)合會(TCCA)決定采用LTE平臺建設(shè)未來的應(yīng)急通信系統(tǒng)[7]。與此同時，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)也于2009年11月批準(zhǔn)啟動了《基于TD-LTE技術(shù)的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)的研究》課題[5]，拉開了國內(nèi)專用LTE寬帶集群通信系統(tǒng)的序幕?！笆濉逼陂g，我國從國家層面開展了以“寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)(BWT)”為代表的寬帶無線專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究和系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計，并成立了公共保護和救災(zāi)寬帶無線通信技術(shù)論壇，以推進寬帶集群與應(yīng)急通信的研究和應(yīng)用[6]。

1.2TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)架構(gòu)

TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)是以集群技術(shù)為基礎(chǔ)融合LTE技術(shù)形成的，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)包括終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)，以及后臺業(yè)務(wù)，為了滿足集群指揮調(diào)度業(yè)務(wù)的特殊需求，各網(wǎng)元之間的接口在LTE標(biāo)準(zhǔn)接口基礎(chǔ)上進行了適應(yīng)性擴展，空空接口為Uu-T、基站與核心網(wǎng)采用S1-T[8]。

圖1　TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)架構(gòu)

TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)集LTE和集群優(yōu)勢于一體，在20 MHz帶寬模式下，系統(tǒng)最大上行50 Mbit/s、下行100 Mbit/s；集群建組時延小于300 ms、話權(quán)申請/話權(quán)搶占小于200 ms，支持包括組呼、廣播呼叫、強插/強拆、動態(tài)重組、遲后進入等特色功能，語音集群功能和性能達到TETRA的指標(biāo)。

由于采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)可以在時、頻、空三維資源上進行靈活的分組調(diào)度，通過業(yè)務(wù)優(yōu)先級、公平性、吞吐量、干擾協(xié)調(diào)、信道質(zhì)量等信息對多媒體業(yè)務(wù)進行調(diào)度傳輸，無線指揮調(diào)度的可靠性大大增強。

2新時期對應(yīng)急通信的新需求

近年來，我國處在自然災(zāi)害、事故災(zāi)難和社會安全等突發(fā)公共事件高發(fā)期，應(yīng)急通信在突發(fā)事件處置中發(fā)揮著越來越重要的作用。在重大活動、防災(zāi)救災(zāi)、反恐維穩(wěn)等突發(fā)事件現(xiàn)場處置過程中，應(yīng)急通信系統(tǒng)不僅承擔(dān)著及時、準(zhǔn)確、暢通的傳遞第一手信息的“急先鋒”角色，更是決策者正確指揮搶險救災(zāi)和維穩(wěn)處突的中樞神經(jīng)[9]。傳統(tǒng)的應(yīng)急通信以窄帶話音業(yè)務(wù)為主，可視化和多媒體指揮調(diào)度能力不足，尤其在環(huán)境相對復(fù)雜的應(yīng)急現(xiàn)場，缺乏有效的通信覆蓋保障手段。為了更好地維護社會經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，提高新形勢下突發(fā)公共安全事件的處置效率，對應(yīng)急通信系統(tǒng)提出了新的要求。

1)基礎(chǔ)通信設(shè)施的低依賴

突發(fā)公共事件時間和地點具有不可預(yù)知性，因此對事件區(qū)域的基礎(chǔ)通信設(shè)施狀態(tài)具有不確定性，從而要求應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)降低對基礎(chǔ)通信設(shè)施的依賴，以滿足在缺乏基礎(chǔ)通信設(shè)施支撐的場景下能夠快速建立事件區(qū)域的通信覆蓋。尤其在重大公共安全和救援事件中，具備無固定設(shè)施依托的通信能力是提升事件處置團隊自身生存能力的重要保障。

2)指揮調(diào)度業(yè)務(wù)的多樣化

隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)急現(xiàn)場的數(shù)據(jù)由單一向多元化發(fā)展，及時交互突發(fā)事件現(xiàn)場的綜合化數(shù)據(jù)是快速完成事件處置的關(guān)鍵要素。應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心必須通過語音、數(shù)據(jù)、視頻等多種方式準(zhǔn)確把握突發(fā)事件現(xiàn)場的態(tài)勢，在取得全局信息的情況下行使指揮調(diào)度命令。

3)端到端的互聯(lián)互通

在突發(fā)公共事件處置過程中，事件處置團隊一方面是處置命令的一線執(zhí)行人員，同時也對上提供各項行動命令的決策參考，這要求事件處置團隊中的個體成為信息節(jié)點，具備多媒體信息采集和交互的能力，并且能夠端到端開展信息交互，提升決策效率和執(zhí)行力。

4)處置力量的動態(tài)編組

應(yīng)急現(xiàn)場的處置任務(wù)、團隊分組和指揮關(guān)系多樣，針對瞬息萬變的現(xiàn)場態(tài)勢，事件處置團隊的編組必須反應(yīng)靈活、快捷有效，以確保及時協(xié)調(diào)各方資源與力量，實現(xiàn)動態(tài)編組。

在突發(fā)公共事件的應(yīng)急通信保障中，商業(yè)公眾通信網(wǎng)絡(luò)的使用受到限制(被動損毀或主動強制關(guān)停)，寬帶集群通信系統(tǒng)采用無線專網(wǎng)，可以充分保證應(yīng)急通信指揮調(diào)度的業(yè)務(wù)傳輸，并且系統(tǒng)支持群呼和直呼等快速指揮調(diào)度功能，滿足包括多媒體業(yè)務(wù)并發(fā)同傳、端到端互聯(lián)互通以及力量動態(tài)編組的需求，無疑是新時期應(yīng)急現(xiàn)場指揮調(diào)度的重要保障手段。

3寬帶無線中繼傳輸在應(yīng)急通信中的

應(yīng)用分析

3.1概述

在TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)中，集群基站、接入子系統(tǒng)、核心網(wǎng)子系統(tǒng)都依托固定的光纖骨干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)，在地震、洪水等、暴恐襲擊等應(yīng)急現(xiàn)場，固定和移動基礎(chǔ)通信設(shè)施都可能受到損毀，也都可能人為關(guān)停，從而降低TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)在應(yīng)急現(xiàn)場的可用性。

本文在集群基站之間、以及集群基站與核心網(wǎng)之間構(gòu)建中繼傳輸節(jié)點，采用寬帶無線通信技術(shù)打通集群基站之間、以及集群基站與核心網(wǎng)之間的無線通信鏈路，作為TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)骨干傳輸鏈路的無線補充，有助于降低TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)對基礎(chǔ)通信設(shè)施的依賴，對TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)在應(yīng)急通信中的拓展應(yīng)用也具有較高的現(xiàn)實意義。

在TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)中，集群基站之間的互聯(lián)遵循X2接口規(guī)范、基站與核心網(wǎng)之間的互聯(lián)執(zhí)行S1-T接口規(guī)范，而S1-T和X2的接口數(shù)據(jù)都是基于IP傳輸?shù)?，作為無線互聯(lián)的補充，寬帶無線中繼傳輸系統(tǒng)只需要提供無線TCP/IP服務(wù)，承載S1-T和X2接口數(shù)據(jù)。此外，針對應(yīng)急現(xiàn)場可能的復(fù)雜通信環(huán)境，中繼傳輸節(jié)點需要具備系統(tǒng)組網(wǎng)能力，但是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量扁平化，支持多節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)自組織，支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化及自適應(yīng)、支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的多跳路由等。

3.2單站無線回傳應(yīng)用

在小規(guī)模非法聚集、樓宇火災(zāi)救援等突發(fā)公共事件現(xiàn)場，專用集群通信系統(tǒng)未有效覆蓋或者基礎(chǔ)通信設(shè)施不可靠的場景下，需要派駐一輛機動通信車進入事件核心區(qū)域，建立無線應(yīng)急通信覆蓋，以便為事件處置團隊提供網(wǎng)絡(luò)支撐，形成信息化協(xié)同處置能力?，F(xiàn)場指揮中心駐扎在核心區(qū)域外圍，部署核心網(wǎng)子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)和寬帶無線中繼傳輸設(shè)備，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽馊鐖D2所示。機動通信車同時搭載集群基站和寬帶無線中繼傳輸設(shè)備，通過集群基站完成事件現(xiàn)場的寬帶無線通信覆蓋，通過無線中繼傳輸鏈路實現(xiàn)集群基站與核心網(wǎng)數(shù)據(jù)無線連接，事件處置團隊通過專用終端接入現(xiàn)場架設(shè)的專用集群通信系統(tǒng)，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻等多媒體信息的無線交互，保證指揮中心對事件現(xiàn)場的可視化指揮調(diào)度。

圖2　單站中繼回傳應(yīng)用示意圖

3.3多站無線中繼組網(wǎng)應(yīng)用

在地震、洪水、森林大火、暴恐活動等大范圍受損的突發(fā)公共事件現(xiàn)場，基礎(chǔ)通信設(shè)施的可靠性較低，為實現(xiàn)全域范圍的應(yīng)急通信覆蓋，往往需要部署若干機動通信車，事件現(xiàn)場的車載集群基站之間、與應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心之間都可以通過寬帶無線中繼傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)多站無線組網(wǎng)，構(gòu)建起應(yīng)急現(xiàn)場的無線骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)。同時，根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場通信環(huán)境的需要，還可以在應(yīng)急現(xiàn)場部署搭載寬帶無線中繼設(shè)備的無人飛行平臺，以鞏固和強化應(yīng)急現(xiàn)場骨干網(wǎng)絡(luò)的可靠性，提升數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性。

采用多站無線中繼組網(wǎng)的寬帶無線集群通信系統(tǒng)可以快速實現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場的通信全覆蓋，便于指揮中心及時有效的掌握突發(fā)事件區(qū)域的全局態(tài)勢，并且在綜合研判的基礎(chǔ)上開展指揮調(diào)度。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的專用終端能夠在全網(wǎng)范圍內(nèi)通信、交互、切換和漫游，以提升事件處置團隊的協(xié)同工作能力。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示，采用多站無線中繼組網(wǎng)的TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)將不再受限于基礎(chǔ)通信設(shè)施，具有更靈活的機動部署能力和多場景適應(yīng)能力[8-13]。

圖3　多站中繼組網(wǎng)應(yīng)用

4小結(jié)

TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)的通信傳輸技術(shù)已經(jīng)過大規(guī)模的組網(wǎng)應(yīng)用驗證，并且能夠伴隨LTE技術(shù)的演進而持續(xù)升級發(fā)展。隨著國家加速推進自主知識產(chǎn)權(quán)TD-LTE技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用，TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)有望納入國家層面的應(yīng)急通信保障體系。將寬帶無線中繼傳輸與TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)相結(jié)合，能夠大大降低系統(tǒng)對固定通信設(shè)施的依賴，促進TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)在應(yīng)急通信中發(fā)揮出更強的作用，有利于我國自主知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)急通信保障體系的建設(shè)。

參考文獻：

[1]RAINER L， DEVAKI C， CURT W， et al. LTE for public safety networks[J]. IEEE communications magazine，2013，51(2)：106-112.

[2]段正. LTE推動寬帶應(yīng)急通信時代的到來[J]. 世界電信，2015(12)：41-44.

[3]馮海亮，施玉海，劉海濤，等.基于TD-LTE數(shù)字集群的寬帶無線專網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].廣播電視信息，2015(6)：61-63.

[4]韓慶文. 應(yīng)急通信無線局域網(wǎng)OFDM關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 天津：南開大學(xué)，2010.

[5]APCO J D， TETRA association partner to support public-safety LTE research[J]. Urgent communications exclusive insight， 2012(5)：4-6.

[6]楊驊， 劉勁松. TD-LTE寬帶數(shù)字集群通信發(fā)展分析及建議[J]. 移動通信，2014(1)：48-53.

[7]陳琦. 應(yīng)急通信保障指揮平臺的研究與實踐[J]. 電信快報(網(wǎng)絡(luò)與通信)，2013(1)：4-6.

[8]ANDREWS J G，BACCELLI F，GANTI R K. A tractable approach to coverage and rate in cellular networks[J]. IEEE transactions on communications，2010，59(11)：3122-3134.

[9]CHANG C Y， CHANG C T， WANG T C， et al. Throughput-enhanced relay placement mechanism in WiMAX 802.16j multihop relay networks[J]. IEEE systems journal，

2014，9(3)：1-15.

[10]李旭.面向應(yīng)急通信的中繼網(wǎng)絡(luò)部署問題研究[D]. 合肥：中國科技大學(xué)，2015.

[11]GUO W， O′FARRELL T. Relay deployment in cellular networks： planning and optimization[J]. IEEE journal on Selected areas in communications，2013，31(8)：1597-1606.

[12]CHEN X， GUO D， GROSSPIETSCH J. The public safety broadband network： a novel architecture with mobile base stations[C]// IEEE International Conference on Communications. [S.l.]：IEEE， 2013：3328-3332.

[13]吳素文， 王振， 朱近康．基于信道特性的中繼選擇協(xié)作通信方法研究[J]．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報， 2009，39(11)：1136-1140．

Applied research of broadband wireless relay transmission system for emergency communication

LAI Xiaoyang1， DUO Lin1，2

(1.SchoolofComputer&Communication，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.FacultyofInformationEngineeringandAutomation，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650051，China)

Abstract:Regarding the shortcomings in TD-LTE broadband trunk communication system， together with the new requirement for emergency communication， a broadband wireless relay transmission system has been established as the backbone network in the broadband trunk communication system through increasing broadband wireless relay transmission system. Through the analysis of typical usage scenarios of public emergence， wireless relay communication is proven useful for enhancing the user experience in TD-LTE broadband trunk communication system with broadband wireless relay transmission system， which may also contribute to the development of emergency communication system with proprietary intellectual property.

Key words:wireless relay； emergency communication； TD-LTE； broadband trunk communication

中圖分類號：TN911

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.024

作者簡介：

賴曉陽(1982— )，博士生，主要研究方向為寬帶移動通信系統(tǒng)信號處理及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)；

朵琳(1974— )，女，博士生，主要研究方向為下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

收稿日期：2016-04-15

文獻引用格式：賴曉陽，朵琳. 寬帶無線中繼傳輸在應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究[J].電視技術(shù)，2016，40(6)：131-135.

LAI X Y，DUO L. Applied research of broadband wireless relay transmission system for emergency communication[J].Video engineering，2016，40(6)：131-135.