寬帶無線中繼傳輸在應急通信中的應用研究

賴曉陽，朵　琳，2

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

寬帶無線中繼傳輸在應急通信中的應用研究

賴曉陽1，朵琳1，2

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

摘要:針對TD-LTE寬帶集群通信系統依托固定通信設施建立骨干傳輸鏈路的應用短板，結合新時期突發公共事件現場可視化指揮調度的新需求，通過增加寬帶無線中繼傳輸系統，構建起寬帶集群通信系統的無線骨干傳輸備份鏈路，并對兩種典型突發公共事件場景下的應急通信保障網絡架構進行了分析，闡明了寬帶無線中繼傳輸有助于提升TD-LTE寬帶集群通信系統的在應急通信中的用戶體驗，促進我國自主知識產權應急通信保障體系的建設。

關鍵詞:無線中繼；應急通信；TD-LTE；寬帶集群通信

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

我國已在北京、天津、南京、上海、銀川等城市開通了TD-LTE寬帶集群通信系統示范應用[2]，可以為專網用戶提供語音、數據和視頻等無線通信服務，包括單呼、組呼、廣播、強插、強拆等集群語音業務，多媒體數據上傳/下載、移動辦公、導航定位等高速數據業務；以及無線視頻會議、移動視頻監控等視頻業務[3]。現階段，國內TD-LTE寬帶集群通信系統的骨干網絡采用的是光纖互聯，在突發公共事件的應急現場，系統的抗毀性不足，因此在骨干網絡上增加無線中繼傳輸手段將是TD-LTE寬帶集群通信系統應用在應急通信領域的有益補充。

1寬帶集群通信系統簡介

1.1國內外集群通信發展歷程

專用無線通信系統最早可以追溯到第二次世界大戰末期的步話機(Walkie-Talkie)，后來發展成為單工對講機[4]。隨著人們對移動通信系統使用要求的提高，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，進一步到異頻單(雙)工組網，再到單信道廣播呼叫、帶選呼的多信道自動選擇系統等。20世紀90年代，以數字調制技術為主的專用無線通信系統——數字集群移動通信系統正式誕生。1998年，國際電信聯盟(ITU)推薦了7種數字集群移動通信系統[5]，其中TETRA和iDEN的應用范圍最為廣泛，由于采用了時分多址(TDMA)接入技術，較模擬集群系統頻譜利用率更高，系統容量更大，從而能夠提供高質量、遠距離的通信保障。

我國在窄帶專用無線通信系統的技術研究和規模應用相對滯后，中興通訊基于CDMA2000-1X系統研制的GoTa和華為公司基于GSM系統開發的GT800于2005年通過了原信息產業部組織的技術鑒定[6]。不過，這兩套通信系統都是基于公眾移動通信系統設計，在性能上遜于TETRA和iDEN。據統計，在國內市場上，基于TETRA體制的專用無線通信系統占據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的蓬勃發展，以高速多媒體業務為代表的新一代移動通信系統已經成為熱點，基于LTE技術發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)決定建設基于(LTE)平臺的應急通信系統；2012年10月，陸上集群無線電(TETRA)及其關鍵型通信聯合會(TCCA)決定采用LTE平臺建設未來的應急通信系統[7]。與此同時，中國通信標準化協會(CCSA)也于2009年11月批準啟動了《基于TD-LTE技術的寬帶數字集群通信系統的研究》課題[5]，拉開了國內專用LTE寬帶集群通信系統的序幕。“十二五”期間，我國從國家層面開展了以“寬帶無線多媒體集群系統(BWT)”為代表的寬帶無線專網標準體系研究和系統規劃設計，并成立了公共保護和救災寬帶無線通信技術論壇，以推進寬帶集群與應急通信的研究和應用[6]。

1.2TD-LTE寬帶集群通信系統架構

TD-LTE寬帶集群通信系統是以集群技術為基礎融合LTE技術形成的，其系統架構如圖1所示。TD-LTE寬帶集群通信系統包括終端、接入網、核心網，以及后臺業務，為了滿足集群指揮調度業務的特殊需求，各網元之間的接口在LTE標準接口基礎上進行了適應性擴展，空空接口為Uu-T、基站與核心網采用S1-T[8]。

圖1　TD-LTE寬帶集群通信系統架構

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

由于采用了正交頻分復用(OFDM)技術，TD-LTE寬帶集群通信系統可以在時、頻、空三維資源上進行靈活的分組調度，通過業務優先級、公平性、吞吐量、干擾協調、信道質量等信息對多媒體業務進行調度傳輸，無線指揮調度的可靠性大大增強。

2新時期對應急通信的新需求

近年來，我國處在自然災害、事故災難和社會安全等突發公共事件高發期，應急通信在突發事件處置中發揮著越來越重要的作用。在重大活動、防災救災、反恐維穩等突發事件現場處置過程中，應急通信系統不僅承擔著及時、準確、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和維穩處突的中樞神經[9]。傳統的應急通信以窄帶話音業務為主，可視化和多媒體指揮調度能力不足，尤其在環境相對復雜的應急現場，缺乏有效的通信覆蓋保障手段。為了更好地維護社會經濟建設發展，提高新形勢下突發公共安全事件的處置效率，對應急通信系統提出了新的要求。

1)基礎通信設施的低依賴

突發公共事件時間和地點具有不可預知性，因此對事件區域的基礎通信設施狀態具有不確定性，從而要求應急通信系統應降低對基礎通信設施的依賴，以滿足在缺乏基礎通信設施支撐的場景下能夠快速建立事件區域的通信覆蓋。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)指揮調度業務的多樣化

隨著信息通信技術的發展，應急現場的數據由單一向多元化發展，及時交互突發事件現場的綜合化數據是快速完成事件處置的關鍵要素。應急現場指揮中心必須通過語音、數據、視頻等多種方式準確把握突發事件現場的態勢，在取得全局信息的情況下行使指揮調度命令。

3)端到端的互聯互通

在突發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，提升決策效率和執行力。

4)處置力量的動態編組

應急現場的處置任務、團隊分組和指揮關系多樣，針對瞬息萬變的現場態勢，事件處置團隊的編組必須反應靈活、快捷有效，以確保及時協調各方資源與力量，實現動態編組。

在突發公共事件的應急通信保障中，商業公眾通信網絡的使用受到限制(被動損毀或主動強制關停)，寬帶集群通信系統采用無線專網，可以充分保證應急通信指揮調度的業務傳輸，并且系統支持群呼和直呼等快速指揮調度功能，滿足包括多媒體業務并發同傳、端到端互聯互通以及力量動態編組的需求，無疑是新時期應急現場指揮調度的重要保障手段。

3寬帶無線中繼傳輸在應急通信中的

應用分析

3.1概述

在TD-LTE寬帶集群通信系統中，集群基站、接入子系統、核心網子系統都依托固定的光纖骨干網絡實現互聯，在地震、洪水等、暴恐襲擊等應急現場，固定和移動基礎通信設施都可能受到損毀，也都可能人為關停，從而降低TD-LTE寬帶集群通信系統在應急現場的可用性。

本文在集群基站之間、以及集群基站與核心網之間構建中繼傳輸節點，采用寬帶無線通信技術打通集群基站之間、以及集群基站與核心網之間的無線通信鏈路，作為TD-LTE寬帶集群通信系統骨干傳輸鏈路的無線補充，有助于降低TD-LTE寬帶集群通信系統對基礎通信設施的依賴，對TD-LTE寬帶集群通信系統在應急通信中的拓展應用也具有較高的現實意義。

在TD-LTE寬帶集群通信系統中，集群基站之間的互聯遵循X2接口規范、基站與核心網之間的互聯執行S1-T接口規范，而S1-T和X2的接口數據都是基于IP傳輸的，作為無線互聯的補充，寬帶無線中繼傳輸系統只需要提供無線TCP/IP服務，承載S1-T和X2接口數據。此外，針對應急現場可能的復雜通信環境，中繼傳輸節點需要具備系統組網能力，但是網絡結構應盡量扁平化，支持多節點的無線網絡自組織，支持網絡拓撲的動態變化及自適應、支持業務數據的多跳路由等。

3.2單站無線回傳應用

在小規模非法聚集、樓宇火災救援等突發公共事件現場，專用集群通信系統未有效覆蓋或者基礎通信設施不可靠的場景下，需要派駐一輛機動通信車進入事件核心區域，建立無線應急通信覆蓋，以便為事件處置團隊提供網絡支撐，形成信息化協同處置能力。現場指揮中心駐扎在核心區域外圍，部署核心網子系統、業務子系統和寬帶無線中繼傳輸設備，系統網絡拓撲示意如圖2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備，通過集群基站完成事件現場的寬帶無線通信覆蓋，通過無線中繼傳輸鏈路實現集群基站與核心網數據無線連接，事件處置團隊通過專用終端接入現場架設的專用集群通信系統，實現語音、數據、視頻等多媒體信息的無線交互，保證指揮中心對事件現場的可視化指揮調度。

圖2　單站中繼回傳應用示意圖

3.3多站無線中繼組網應用

在地震、洪水、森林大火、暴恐活動等大范圍受損的突發公共事件現場，基礎通信設施的可靠性較低，為實現全域范圍的應急通信覆蓋，往往需要部署若干機動通信車，事件現場的車載集群基站之間、與應急現場指揮中心之間都可以通過寬帶無線中繼傳輸系統實現多站無線組網，構建起應急現場的無線骨干傳輸網絡。同時，根據應急現場通信環境的需要，還可以在應急現場部署搭載寬帶無線中繼設備的無人飛行平臺，以鞏固和強化應急現場骨干網絡的可靠性，提升數據交互的穩定性。

采用多站無線中繼組網的寬帶無線集群通信系統可以快速實現應急現場的通信全覆蓋，便于指揮中心及時有效的掌握突發事件區域的全局態勢，并且在綜合研判的基礎上開展指揮調度。系統網絡內的專用終端能夠在全網范圍內通信、交互、切換和漫游，以提升事件處置團隊的協同工作能力。系統的網絡拓撲如圖3所示，采用多站無線中繼組網的TD-LTE寬帶集群通信系統將不再受限于基礎通信設施，具有更靈活的機動部署能力和多場景適應能力[8-13]。

圖3　多站中繼組網應用

4小結

TD-LTE寬帶集群通信系統的通信傳輸技術已經過大規模的組網應用驗證，并且能夠伴隨LTE技術的演進而持續升級發展。隨著國家加速推進自主知識產權TD-LTE技術的行業應用，TD-LTE寬帶集群通信系統有望納入國家層面的應急通信保障體系。將寬帶無線中繼傳輸與TD-LTE寬帶集群通信系統相結合，能夠大大降低系統對固定通信設施的依賴，促進TD-LTE寬帶集群通信系統在應急通信中發揮出更強的作用，有利于我國自主知識產權應急通信保障體系的建設。

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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信號處理及網絡協議關鍵技術；

朵琳(1974— )，女，博士生，主要研究方向為下一代網絡技術。

責任編輯：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急通信中的應用研究[J].電視技術，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.