公安340 MHz 頻譜基于5G 技術的應用研究

胡 彬，徐 勝，余愛民，楊永堅，盧宗嶺

（1.宜賓市公安局，四川 宜賓 644002；2.海能達通信股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 公安340MHz 概述

1.1 公安340 MHz 頻譜發展與現狀

從2008 年開始，公安部門在日常和應急工作中對移動圖像、視頻業務的需求逐漸增多，各地公安部門根據 2011年公安部頒布的《公安專用無線視音頻傳輸系統設備技術規范》（ GA962-2011）標準，進行了公安 340 MHz 無線圖傳視頻系統的建設。隨著社會經濟的高速發展，國內外公共安全風險的不斷加劇，公安部門對信息化的要求也越來越高，特別是對移動警務應用的需求越來越多，因此，在新的形勢下，傳統的 340 MHz 無線圖傳系統的設備陳舊，建設時間過長，維護成本越來越高，同時由于技術演進較慢，系統相對封閉，產業發展滯后，原有 340 MHz 無線圖傳系統已經無法滿足公安機關日益增長的實戰要求，各地公安機關使用頻次越來越低?；趯嶋H情況， 2017年底公安部廢除了 2011年頒布的《公安專用無線視音頻傳輸系統設備技術規范》（ GA962-2011）標準，為公安 340 MHz 頻譜資源采用新技術進行公安無線通信研究探索提供了方便。

1.2 公340MHz 無線寬帶通信需求

340 MHz 公安無線視頻傳輸系統對于當前以及未來公安部門日常和應急通信保障業務都具有非常重要的意義。結合公安實戰的要求和產業鏈的發展，基于新技術的 340 MHz 無線視頻傳輸系統需要滿足以下要求：

1.2.1 技術體制

新型340 MHz 無線寬帶系統的技術體制，既要考慮技術本身的先進性、成熟型、開放性和可持續演進的能力，也需要考慮技術的可落地性，既要結合當前產業的現狀，也要考慮下一步演進的兼容。在當前國際局勢較為復雜的情況下，優先考慮國有自主知識產權的技術體制更有利于公安機關信息安全和可控要求。

1.2.2 覆蓋要求

公安機關執行任務的地域比較廣闊，因此， 340 MHz無線寬帶專網需要進行廣域覆蓋，而公網主要是對話務量大的區域進行重點覆蓋，兩者覆蓋要求具有明顯的差異。因此，新一代 340 MHz 無線圖傳系統需要采用大區制，從而降低覆蓋網絡建設和維護的成本。

1.2.3 業務需求公安機關更多情況是將現場態勢信息回傳到指揮部，因此，無線圖傳系統主要以上行業務為主，這一點和公網的業務模型正好相反。針對這個特點，需要對新一代 340 MHz 無線寬帶專網的上行鏈路進行優化和增強，提升各種場景下，尤其是移動環境、多建筑物環境下的回傳容量。

1.2.4 場景需求

公安應急任務具有很強的時間突發性、地點隨機性，很多場景下都沒有很好的基礎設施支撐，因此，要求新一代 340 MHz 無線寬帶專網能夠具備靈活的組網能力和快速部署能力，比如自組網功能，當終端離開蜂窩網覆蓋區域，可以快速、靈活地自主成網，實現小范圍的通信。

1.2.5 抗干擾需求

相比公網，公安無線專網要求具有更高的可靠性與很強的抗干擾能力，在干擾下仍然能夠保持基本的通信能力。

1.2.6 安全需求

相比公網，公安無線專網要求具有更高的安全性，空口傳輸需要專業的安全加密，信源也需要采用滿足公安安全標準的加密和認證算法。

除了上述需求以外，新一代 340 MHz 無線寬帶專網也需要具備良好的擴展性，當未來有新的頻譜資源或者應急情況下可以臨時使用一些頻譜時，系統應該能夠靈活配置使用。

2 5G 新技術特點與優勢

新型340 MHz 無線寬帶系統采用4G/5G 技術，繼承了4G 成熟產業鏈和5G 先進技術，在此基礎上，針對公安實戰的要求自主創新，相比原有的 340 MHz 圖傳技術、公網4G 圖傳技術，具有以下優勢：

⊙上行回傳鏈路的性能和容量得到了顯著增強，能夠支持更大容量、更高質量的無線視頻傳輸需求。

⊙單站覆蓋范圍顯著提升，極大程度地減少了廣覆蓋組網的成本。

⊙終端支持蜂窩模式和自組網模式，更加貼近公安實戰應用場景。

⊙網絡架構更加靈活、開放，能夠更好地與其他無線視頻傳輸系統融合。從理論上分析，盡管新型 340 MHz 無線寬帶系統只使用了8 MHz 頻譜帶寬，但是采用上述關鍵技術，其視頻回傳容量遠超公網4G 圖傳系統，甚至也明顯強于使用 20 MHz 頻譜帶寬的政務網系統。綜合考慮覆蓋能力和回傳容量，新型 340 MHz 無線視頻傳輸系統的性價比要遠超公網和政務專網。

3 5G 新技術公安340MHz 寬帶專網介紹

3.1 系統架構

3.1.1 技術體制新型340 MHz 寬帶專網采用國際主流的4G/5G 技術體制，保證技術的成熟性、先進性和可持續演進性，同時能夠獲得更加成熟的產業資源支撐。在當前國際形勢下，技術選擇也需要考慮國有自主可控的要求，而4G/5G 技術規范兼顧主流技術體制和國產自主可控兩方面的要求，是新型 340 MHz 寬帶專網的首選。

3.1.2 組網模式

新型340 MHz 寬帶專網采用蜂窩組網模式，但是考慮到 340 MHz 頻段只有 8 MHz 頻譜帶寬，因此只能采用同頻組網模式。新型 340 MHz 寬帶專網要求各種終端具備蜂窩網通信和自組網通信能力，在蜂窩網覆蓋范圍內，使用蜂窩網模式進行通信，當處于蜂窩網覆蓋范圍之外，使用自組網模式，保證局部通信的能力，而且網絡終端和自組網終端可以通過背靠背的方式，將處于蜂窩網覆蓋范圍之外的終端橋接進入網絡，從而實現蜂窩網的覆蓋延伸。

3.1.3 主要功能和性能

新型340 MHz 寬帶專網延用了4G/5G 規范中大部分成熟的功能，包括空口傳輸的主要功能，如鏈路自適應功能、 HARQ 功能、 IRC/MRC 接收功能、上/下行子幀靈活配比功能等，在此基礎上也會針對公安實戰的需求，引入一些新功能，如大功率終端、上行增強等。因此，新型 340 MHz 無線視頻傳輸技術具備比 TD-LTE 更強的無線視頻傳輸性能，特別是視頻回傳的性能，表 1對比了 TD-LTE 系統和新型無線視頻傳輸系統的上行回傳性能，新型無線視頻傳輸系統的上行頻譜效率、吞吐率都有了顯著的提升，特別在城區密集建筑、高速移動環境下，平均頻譜效率有了近 3倍的提升。

表1 TD-LTE和新340 MHz無線寬帶專網技術上行回傳能力的對比

在組網功能方面，新型無線視頻傳輸技術會延用ICIC 功能來解決低頻段、同頻組網之間的干擾問題，實現相鄰基站之間的干擾協調。

在業務服務質量保障機制方面，新型無線視頻傳輸技術也會延用 3GPP 最新定義的關鍵型任務質量服務等級，延用 TD-LTE 技術中成熟的基于 QoS 的調度算法和一系列優先級保障機制，通過差異化調度方式保障不同業務的優先級。

在端到端安全機制方面，延用 TD-LTE 空口鑒權、加密和完整性保護功能，確?？湛诮尤?、傳輸的安全性。

3.1.4 網絡架構

如上所述，新型 340 MHz 寬帶專網以成熟的蜂窩網絡架構為主，一方面可以增加覆蓋范圍，同時也可以通過多小區來保證整個系統的容量，終端在多小區之間平滑切換，不同地區的終端可以實現異地漫游，充分借用4G 成熟的技術和成功的經驗。

但是，考慮到現場應急通信的需求， 340 MHz 寬帶專網系統的終端也能夠支持寬帶直通或者自組網的功能，在脫網的情況下能夠自組成網。脫網直通和自組網是公安實戰應用中比較常見和十分重要的功能，這一點在窄帶專網中已經被充分證明，而在3GPP 4.5G 標準中，為了公共安全領域的需求，專門新增了寬帶 D2D 的功能。因此，在傳統蜂窩接入層的下面，建議新增自組網接入層，當終端不在蜂窩網覆蓋范圍內的時候，可以自組成網，或者通過多跳橋接的方式擴展蜂窩網的覆蓋范圍，臨時補盲。

基于上述考慮，新型 340 MHz 寬帶專網分為三層架構：

（1）非接入層，包括核心網和網絡管理系統。核心網主要負責接入控制、數據路由和轉發、移動性和安全性管理以及無線資源管理等功能；網絡管理系統主要負責系統配置管理、終端管理、告警管理和性能管理等。

（2）蜂窩接入層，包括基站和各種終端，終端處于蜂窩網工作模式。在蜂窩模式下，終端只與基站建立無線連接，進行雙向數據傳輸，終端之間并不能直接通信，支持跨小區的切換，保證業務的連續性。

（3）自組網接入層，包括各種終端，終端處于自組網工作模式。在自組網模式下，終端并不與固定網基站建立無線連接，而只與其他終端建立無線連接，自組成網，進行雙向數據傳輸。

另一方面，新型340 MHz 寬帶專網的架構也需要考慮和現有4G 圖傳系統以及警航空中圖傳系統之間的融合，從而形成公、專融合、天地一體化的公安無線圖傳體系。如圖 1所示，將現場的態勢信息多角度、全方位地及時、準確回傳到各級指揮中心，更好地支撐各級指揮部門迅速地做出準確的判斷和決策。

圖1 專網融合圖傳與空、地一體化圖傳的網絡架構

根據公安業務數據板塊和安全級別的不同，應用層分為公安數據內網和視頻專網兩個子網，視頻圖像數直接進入視頻專網，既可在視頻專網內進行視頻調度指揮、圖像比對等應用，同時又可通過安全邊界將獲得的數據推送到公安內網，在公安內網中進行其他基于視頻、圖像的深度應用。

總之，新型 340 MHz 無線寬帶專網能有效彌補了公網4G 圖傳在安全性、可靠性、可控性以及信道擁塞、信號易丟失、圖像質量不高等方面的不足，同時又能夠對警航空中圖傳系統提供地面支撐。通過新型340 MHz寬帶專網，指揮中心將空中視頻分發到地面作戰人員，反過來地面無人機控制人員也可以通過新型 340 MHz 寬帶專網接入到警航空中圖傳專網，通過安全、可靠、可控的 340 MHz 無線寬帶專網實現對無人機的控制。因此，新型340 MHz 寬帶專網是實現空、地一體化無線專網圖傳、協作和指揮調度目標的關鍵一環。

3.2 關鍵技術

延用TD-LTE 成熟的技術，同時針對公安實戰的要求，借鑒5G 中的新技術，新型 340 MHz 寬帶專網在無線鏈路、規模組網、業務質量保障以及安全可控等方面采用了如下一些關鍵技術，在滿足公安實戰需求的同時，也能夠更好地和其他系統進行融合，充分利用主流的產業資源，有利于長期、健康、持續的發展。

3.2.1 無線鏈路關鍵技術

在無線鏈路方面采用了上行OFDMA 的編碼調制方式相比于標準 LTE 上行采用的SC-FDMA 的調整方式，增加了3 dB 增益提升上行覆蓋半徑，同時通過上行MIMO 多天線技術，增加了上行增益，并可提供上行MIMO 工作模式，上行傳輸速率翻倍。此外還支持幀結構靈活配比，根據業務需求動態調整空口資源，進一步提升頻率資源利用率。

圖2 FDMA和SC-FDMA的性能對比

圖3 IRC/MRC增益表

3.2.2 規模組網關鍵技術系統組網方面采用了跨區切換和無縫漫游技術，保障終端用戶在各基站內可進行平滑切換，切換過程中業務不中斷，提升通信效果。并針對 340 MHz 頻譜同頻組網模式受同頻干擾影響采用了 ICIC 干擾協調技術和 IRC干擾抑制合并技術，降低相互的干擾影響，提升切換帶的傳輸速率和業務質量。

3.2.3 安全可控關鍵技術

系統支持控制信道和業務信道雙重加密模式，保障系統控制信令和傳輸數據雙重安全保障，系統同時支持基站與終端雙向鑒權，保障系統和終端均為合法用戶，禁止非法用戶的接入，防止數據泄密。

圖4 鑒權流程

圖5 空口加密流程

4 典型應用案例

隨著經濟的高速發展，社會治安形勢日趨復雜，各類刑事案件、治安案件和災害事故時有發生，大型集會和重要保衛任務十分頻繁，公共安全重大突發性事件也時有發生，在這些重大事件的處置中，要保障公安機關領導者準確及時有效地進行指揮決策，現場實時圖像信息的快速獲取顯得尤為重要?；谏鲜龅男枨?，在宜賓市建設一套基于5G 技術公安 340 MHz 頻譜無線寬帶通信系統，通過實際應用表明基于5G 技術的 340 MHz 頻譜寬帶應用具有可行性、先進性和實用性，典型研究應用如下。

4.1 重大活動安保臨時指揮部的搭建

我單位基于5G 新技術的 340 MHz 公安無線寬帶通信系統建成驗收后即投入到 2019年宜賓國際名酒節安保任務中， 340 MHz 無線寬帶為大會安保的現場指揮部搭建提供接入支撐，任務現場指揮部部署一臺 340 MHz 數據終端，將現場指揮部與視頻專網打通后，不僅實現了對周邊環境監控的調用，同時通過視頻專網內部署的兩臺視頻指揮調度終端直呼連接后，通過背靠背的方式與公安網局聯合指揮部終端互聯，實現現場指揮部視頻調度系統、多媒體調度應用與市局指揮中心互通，實現前方與后方聯動指揮（見圖 6）。

圖6 重大安保典型應用

4.2 應急現場通信

基于5G 技術的 340 MHz 無線寬帶通信系統終端具有自組網功能，當終端處于系統基站覆蓋范圍之外時，可以啟動自組網的功能，終端進入自組網模式在沒有基站的情況下實現現場組網，為應急現場提供通信保障，結合現場多媒體調度指揮系統，為現場調度指揮提供語音、視頻、定位、圖像等通信功能，并可通過大功率終端實現應急現場的大范圍應急通信覆蓋需求。在 2019年宜賓長寧地震應急救援現場，在具有光纖回傳的通信鐵塔上部署一臺室外型大功率終端，實現了地震中心長寧縣雙河鎮城區及周邊半徑 10千米左右的覆蓋范圍，將災害現場的視頻回傳至宜賓市公安局及省公安廳，并提供現場指揮調度保障（見圖7）。

圖7 長寧地震現場視頻回傳圖

4.3 日常警務應用

基于我國成熟的公網4G 網絡資源，在公共治安秩序維持、移動警務辦公、日常治安巡邏、交通巡查、偵查抓捕等警務活動中，4G 公網成為語音、數據、視頻、位置定位的通信需求的主要傳輸方式和手段，承載了大量的日常警務通信的應用需求，提升了公安警務活動的效率，在公安警務活動中發揮了重大的作用。但是由于公網4G 本身上行帶寬小，與外網無法進行物理隔離、無高優先級保障等缺點，在進行高清上行視頻回傳、高保密性數據、高優先級指揮調度業務的通信需求無法完全得到保障時，采用 340 MHz 公安寬帶專網進行補充。我局為特警巡防快反車配置 340 MHz 移動終端，配合布控球機，并接入天網平臺，使之成為移動的天網終端，并可通過安全邊界推送至公安內網視頻平臺。為指揮中心及巡防單位的日常應用提供安全、穩定、可靠的支撐（見圖 8）。

圖8 日常巡邏視頻監控

4.4 可為固定或移動場景的數據采集提供通道

現階段，我局為特警巡防快反車配置 340 MHz 移動終端，配合布控球機，并接入天網平臺，使之成為移動的天網終端，并可通過安全邊界推送至公安內網視頻平臺，實現“公專融合”，解決了特警巡防快反車移動人臉識別只能在本車上比對的現狀?？梢詫④嚿蟼骰氐囊曨l在視頻專網或公安網內進行結構化處理，作為移動的干燥原數據，也可作為下一步視覺計算應用的移動點位，同時也為移動場景感知源或其他數據的實時采集提供了可能。

4.5 特殊環境通信

在停車場、隧道、地下室、在建工地等公網4G 覆蓋較差甚至無覆蓋的特殊區域，基于公網4G 的通信保障無法提供可靠通信保障時，采用 340 MHz 公安寬帶專網“蜂窩 +自組”的組網應用模式，前端警務人員將公專融合手持終端切換至自組網模式，通過自組網多跳中繼組網模式對地面 340 MHz 寬帶專網信號進行覆蓋延伸，實現屏蔽空間與后方指揮中心的互聯互通，解決地下空間等特殊場景下通信“老大難”的問題。如圖9所示。

圖9 特殊環境覆蓋延伸應用

5 結束語

無線寬帶專網建設是公安部門當前重要工作之一，面對頻譜、標準和成本多方面的困難，公安部門需要采用新的思路和新的技術，結合公安業務的特點對現有的340 MHz 頻譜，結合公網4G，相互補充，構建多層次、廣覆蓋、高容量的無線寬帶專網用于支撐當前的應急和日常勤務。實驗結果表明，采用5G 新技術的 340 MHz無線寬帶系統具備超強的覆蓋能力，組網方式靈活，部署便捷，上行回傳容量相比標準 LTE 系統有了較大提升，能夠有效地彌補公網4G 系統的不足，從而形成互補。未來， 340 MHz 系統的智能終端設備，如 Pad、智能手機將進一步豐富該系統的應用范圍，與公網一起支撐公安移動警務應用工作。