SUL技術(shù)用于公安無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的探索與研究

王亮 孫慧洋 張禹強(qiáng)

1.成都鼎橋通信技術(shù)有限公司 2.公安部第一研究所

一、利用公安現(xiàn)有頻率實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用

目前，公共安全部門(mén)正在使用和可使用的頻率有350MHz頻段、340MHz頻段、1430～1438MHz頻段和1447～1467MHz頻段，如表1所示。

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在現(xiàn)階段，各級(jí)公安機(jī)關(guān)已經(jīng)逐漸意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)多源信息對(duì)指揮調(diào)度的重要性，特別是現(xiàn)場(chǎng)視頻信息回傳在指揮決策過(guò)程中所發(fā)揮的作用已經(jīng)不亞于語(yǔ)音信息，甚至在一些場(chǎng)景下比語(yǔ)音信息還重要?，F(xiàn)場(chǎng)視頻回傳是關(guān)鍵業(yè)務(wù)，此業(yè)務(wù)現(xiàn)階段主要依靠現(xiàn)有的有線(xiàn)視頻網(wǎng)、公網(wǎng)圖傳、340M圖傳、衛(wèi)星圖傳等手段開(kāi)展應(yīng)用，無(wú)法有效保障關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用達(dá)到與集群語(yǔ)音業(yè)務(wù)應(yīng)用同等水平，不能夠滿(mǎn)足實(shí)戰(zhàn)要求和應(yīng)用發(fā)展。

在公安行業(yè)，視頻回傳傳輸需求遠(yuǎn)大于下行需求，考慮到公安現(xiàn)有頻段比較分散且各頻段帶寬小，單一頻段寬帶化業(yè)務(wù)能力有限，因此創(chuàng)造性地借鑒5G SUL技術(shù)的精髓，從350MHz頻段中以FDD模式截取一小部分做主載波進(jìn)行基礎(chǔ)覆蓋，340MHz做SUL輔載波進(jìn)行上行容量提升，滿(mǎn)足了公安應(yīng)用中視頻回傳的業(yè)務(wù)訴求，為寬窄融合發(fā)展提供了一種技術(shù)思路。通過(guò)借鑒SUL技術(shù)特性，將用戶(hù)上行傳輸和下行傳輸頻段解耦，允許上行錨定具有大帶寬的340MHz頻段，提供高速率上行視頻回傳服務(wù)，而下行則采用350MHz頻譜，從而極大地?cái)U(kuò)展適配公安離散頻譜特征。

二、SUL關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）SUL技術(shù)原理

華為在3GPP Release15標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中引入SUL技術(shù)，并將其標(biāo)準(zhǔn)化。SUL（Supplementary Uplink），即輔助上行鏈路，是一種與FDD、TDD并行的單/雙工工作模式，SUL只做上行。該技術(shù)可以將一個(gè)蜂窩小區(qū)中的上行載波和下行載波配置在不同頻段上，可以實(shí)現(xiàn)TDD/FDD協(xié)同、高頻/低頻互補(bǔ)、時(shí)域/頻域聚合，大幅提升數(shù)據(jù)的上行能力，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)上行業(yè)務(wù)訴求，降低時(shí)延，為垂直行業(yè)應(yīng)用提供更好的發(fā)展空間。

在SUL技術(shù)中，用戶(hù)上行傳輸和下行傳輸頻段解耦，允許下行錨定具有大帶寬的頻段，依賴(lài)多天線(xiàn)技術(shù)提供高速率下載等下行服務(wù)，而上行則與低頻網(wǎng)絡(luò)共享低頻段頻譜，從而極大地?cái)U(kuò)展高頻小區(qū)的上行覆蓋。提升商用部署的覆蓋能力，能夠降低部署基站的數(shù)量和密度。

圖1中定義上行的Sub-3G為補(bǔ)充的上行鏈路輔載波，C-Band為主載波（Normal UL，簡(jiǎn)稱(chēng)NUL）。引入SUL后，上行可以通過(guò)NUL載波或SUL載波承載，從而實(shí)現(xiàn)上下行解耦功能。

（二）SUL技術(shù)核心

SUL核心技術(shù)主要包括SUL載波資源管理算法、SUL載波帶寬壓縮算法和SUL載波調(diào)度算法。

1.SUL載波資源管理

由于350MHz頻段目前已部署PDT系統(tǒng)，可供LTE作為主載波錨點(diǎn)使用的350MHz帶寬非常有限，需盡可能劃出一部分帶寬作為錨點(diǎn)。為了提升專(zhuān)網(wǎng)的業(yè)務(wù)承載能力，將340MHz頻段作為上行傳輸帶寬，即將340MHz頻段中的4M（336～340MHz）或8M（336～344MHz）作為SUL頻率組合使用。8M SUL載波峰值上行吞吐量可達(dá)28Mbps，4M SUL載波峰值上行吞吐量可達(dá)13Mbps，可極大地提升寬帶上行回傳能力。

350MHz上的FDD主載波會(huì)下發(fā)系統(tǒng)消息，終端初始接入在FDD主載波上完成。當(dāng)終端接入后，會(huì)根據(jù)算法決策是否激活SUL載波，當(dāng)終端根據(jù)算法激活SUL載波時(shí)，終端的上行數(shù)據(jù)會(huì)在SUL載波上傳輸，而下行數(shù)據(jù)則在FDD載波上傳輸。

小區(qū)內(nèi)會(huì)同時(shí)存在三類(lèi)終端：不支持SUL特性的終端、支持SUL特性但接入在FDD載波的終端以及支持SUL特性且激活了SUL載波的終端，如圖2所示。

2.SUL載波帶寬壓縮

在實(shí)際使用中，用于配置為SUL載波的帶寬資源是不確定的，不一定能夠匹配LTE標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)帶寬1.4/3/5/10/15/20MHz，此時(shí)可以將SUL載波的系統(tǒng)帶寬配置為稍大于實(shí)際使用帶寬的系統(tǒng)帶寬，通過(guò)帶寬壓縮技術(shù)來(lái)最大程度的利用實(shí)際使用帶寬。

根據(jù)公安獲得頻譜情況，比如只能建立8M SUL小區(qū)，則可以建立標(biāo)準(zhǔn)10MHz LTE小區(qū)，通過(guò)上行載波壓縮，將兩邊的PUCCH分別減少4個(gè)，得到上行的實(shí)際RB數(shù)為42個(gè)，實(shí)際占用帶寬為7.56MHz。LTE的PUCCH在頻域的分配情況，如圖3所示，通過(guò)對(duì)LTE上行PUCCH資源分配的壓縮，可以實(shí)現(xiàn)SUL頻段的帶寬壓縮。

3.SUL載波調(diào)度算法

FDD載波和SUL載波都需要在FDD載波統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，因此需要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的調(diào)度算法。在基站激活SUL載波并有實(shí)際業(yè)務(wù)調(diào)度時(shí)均將觸發(fā)載波融合調(diào)度和調(diào)度優(yōu)化。

主輔載波融合調(diào)度主要流程如圖4所示，其中高優(yōu)先級(jí)載波固定采用FDD載波，低優(yōu)先級(jí)載波固定采用SUL載波。

（1）主載波獲取主輔載波所有用戶(hù)優(yōu)先級(jí)并統(tǒng)一排序；

（2）根據(jù)主輔載波用戶(hù)的優(yōu)先級(jí)和聚集級(jí)別進(jìn)行控制信道預(yù)分配，需要預(yù)分配控制信道位置，保證后續(xù)低優(yōu)先級(jí)用戶(hù)不會(huì)搜索到已預(yù)分配用戶(hù)控制信道位置；

（3）主載波按照控制信道預(yù)分配結(jié)果和主載波用戶(hù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳輸資源分配；

（4）主載波調(diào)度結(jié)束后啟動(dòng)SUL載波調(diào)度，SUL載波按照SUL載波用戶(hù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行控制信道資源（之前預(yù)留給主載波未使用完資源）分配。

三、SUL技術(shù)實(shí)戰(zhàn)探索

研究人員在實(shí)驗(yàn)局進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，在340MHz頻段，采用SUL技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)4M或8M帶寬的上行傳輸。按照LTE技術(shù)體制，技術(shù)上支持350MHz頻段上下行分別采用1.4M/3M/5M等不同頻率資源實(shí)現(xiàn)寬帶集群。初期在實(shí)驗(yàn)局進(jìn)行了全向站及雙模組網(wǎng)能力驗(yàn)證，此時(shí)可以和PDT系統(tǒng)在350MHz上共享頻率資源，同時(shí)業(yè)務(wù)互不影響。

（一）實(shí)驗(yàn)局組網(wǎng)能力驗(yàn)證

旨在評(píng)估測(cè)試?yán)肧UL技術(shù)的寬帶集群通信系統(tǒng)的覆蓋、容量、干擾共存、KPI特性。

1.測(cè)試思路

從以下四個(gè)方面開(kāi)展全向站組網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證工作：

（1）業(yè)務(wù)規(guī)格測(cè)試

集群語(yǔ)音和視頻傳輸以及并發(fā)規(guī)格，可利用實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試工具進(jìn)行有效的測(cè)試驗(yàn)證。

（2）LTE吞吐量測(cè)試

在外場(chǎng)環(huán)境下，測(cè)試組網(wǎng)時(shí)的近點(diǎn)峰值吞吐量和拉網(wǎng)吞吐量分布。

（3）覆蓋測(cè)試

單站環(huán)境下，測(cè)試PDT和LTE的語(yǔ)音覆蓋、LTE視頻極限拉遠(yuǎn)覆蓋，評(píng)估是否符合鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)。

（4）共存干擾測(cè)試

驗(yàn)證PDT和LTE系統(tǒng)在350MHz頻段共存的干擾。

2.全向站測(cè)試結(jié)果

（1）業(yè)務(wù)規(guī)格測(cè)試

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（2）吞吐量測(cè)試

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在實(shí)驗(yàn)局（配置2×3M FDD + 8M SUL）拉網(wǎng)路測(cè)，記錄覆蓋路線(xiàn)上的上行吞吐量分布，如圖5所示，橫坐標(biāo)表示上行吞吐量速率區(qū)間，縱坐標(biāo)表示區(qū)間占比，用簡(jiǎn)單算術(shù)平均方法計(jì)算得到上行平均吞吐量為7.5Mbps。

（3）覆蓋測(cè)試

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（4）共存干擾測(cè)試

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（二）實(shí)驗(yàn)局視頻防控實(shí)戰(zhàn)

在實(shí)驗(yàn)局中構(gòu)筑了全景防控體系。

1.車(chē)載視頻監(jiān)控

布控球吸附在車(chē)頂進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)控，前導(dǎo)車(chē)圖傳采取了寬帶專(zhuān)網(wǎng)解決方案和4G公網(wǎng)雙保險(xiǎn)策略，在任務(wù)中公網(wǎng)頻段信號(hào)受封控?fù)砣闆r下，車(chē)隊(duì)移動(dòng)布控球、車(chē)載移動(dòng)視頻仍然通過(guò)寬帶專(zhuān)網(wǎng)回傳，確保了安保指揮部對(duì)前線(xiàn)信息萬(wàn)無(wú)一失的掌控。

2.移動(dòng)布控球

在重要區(qū)域、卡口、檢票口、監(jiān)控忙點(diǎn)等位置快速部署移動(dòng)布控球進(jìn)行監(jiān)控，前線(xiàn)指揮員通過(guò)專(zhuān)網(wǎng)終端調(diào)用視頻回傳或視頻通話(huà)，初步實(shí)現(xiàn)了“微小型前線(xiàn)指揮部”的信息保障能力。

3.寬窄融合手持臺(tái)調(diào)看其它攝像頭視頻

隨時(shí)隨處上傳視頻，也可隨時(shí)調(diào)看其它攝像頭的視頻。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合公安目前可用頻段離散化的特點(diǎn)，提出了利用5G SUL技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬窄融合發(fā)展的思路，從技術(shù)層面驗(yàn)證了該思路的可行性，同時(shí)組網(wǎng)進(jìn)行了能力驗(yàn)證，并進(jìn)行了實(shí)戰(zhàn)測(cè)試。在沒(méi)有連續(xù)可用寬帶專(zhuān)用頻譜的基礎(chǔ)上，破解了現(xiàn)有頻譜資源無(wú)法滿(mǎn)足公安視頻傳輸上行需求遠(yuǎn)大于下行需求的困局，助力公安實(shí)現(xiàn)低頻寬帶應(yīng)用能力。