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(tǒng)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(fā)公共事件現(xiàn)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(tǒng)，構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急通信保障網(wǎng)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(tǒng)的在應急通信中的用戶體驗，促進我國自主知識產(chǎn)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(fā)展，寬帶無線多媒體應用已經(jīng)深入人們的日常生產(chǎn)生活。將LTE技術與保障突發(fā)公共事件的專用集群通信相結合不僅可以繼承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(xiàn)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(tǒng)示范應用[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，包括單呼、組呼、廣播、強插、強拆等集群語音業(yè)務，多媒體數(shù)據(jù)上傳/下載、移動辦公、導航定位等高速數(shù)據(jù)業(yè)務；以及無線視頻會議、移動視頻監(jiān)控等視頻業(yè)務[3]?，F(xiàn)階段，國內TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡采用的是光纖互聯(lián)，在突發(fā)公共事件的應急現(xiàn)場，系統(tǒng)的抗毀性不足，因此在骨干網(wǎng)絡上增加無線中繼傳輸手段將是TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)應用在應急通信領域的有益補充。

1寬帶集群通信系統(tǒng)簡介

1.1國內外集群通信發(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90年代，以數(shù)字調制技術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(tǒng)頻譜利用率更高，系統(tǒng)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(tǒng)的技術研究和規(guī)模應用相對滯后，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)設計，在性能上遜于TETRA和iDEN。據(jù)統(tǒng)計，在國內市場上，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的蓬勃發(fā)展，以高速多媒體業(yè)務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)決定建設基于(LTE)平臺的應急通信系統(tǒng)；2012年10月，陸上集群無線電(TETRA)及其關鍵型通信聯(lián)合會(TCCA)決定采用LTE平臺建設未來的應急通信系統(tǒng)[7]。與此同時，中國通信標準化協(xié)會(CCSA)也于2009年11月批準啟動了《基于TD-LTE技術的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)的研究》課題[5]，拉開了國內專用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)標準體系研究和系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)架構

TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)是以集群技術為基礎融合LTE技術形成的，其系統(tǒng)架構如圖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，為了滿足集群指揮調度業(yè)務的特殊需求，各網(wǎng)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(wǎng)采用S1-T[8]。

圖1　TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)架構

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(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。

由于采用了正交頻分復用(OFDM)技術，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度，通過業(yè)務優(yōu)先級、公平性、吞吐量、干擾協(xié)調、信道質量等信息對多媒體業(yè)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(fā)公共事件高發(fā)期，應急通信在突發(fā)事件處置中發(fā)揮著越來越重要的作用。在重大活動、防災救災、反恐維穩(wěn)等突發(fā)事件現(xiàn)場處置過程中，應急通信系統(tǒng)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(wěn)處突的中樞神經(jīng)[9]。傳統(tǒng)的應急通信以窄帶話音業(yè)務為主，可視化和多媒體指揮調度能力不足，尤其在環(huán)境相對復雜的應急現(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，對應急通信系統(tǒng)提出了新的要求。

1)基礎通信設施的低依賴

突發(fā)公共事件時間和地點具有不可預知性，因此對事件區(qū)域的基礎通信設施狀態(tài)具有不確定性，從而要求應急通信系統(tǒng)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(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(yè)務的多樣化

隨著信息通信技術的發(fā)展，應急現(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鍵要素。應急現(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

應急現(xiàn)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(xiàn)場態(tài)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(xié)調各方資源與力量，實現(xiàn)動態(tài)編組。

在突發(fā)公共事件的應急通信保障中，商業(yè)公眾通信網(wǎng)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(tǒng)采用無線專網(wǎng)，可以充分保證應急通信指揮調度的業(yè)務傳輸，并且系統(tǒng)支持群呼和直呼等快速指揮調度功能，滿足包括多媒體業(yè)務并發(fā)同傳、端到端互聯(lián)互通以及力量動態(tài)編組的需求，無疑是新時期應急現(xiàn)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(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)絡實現(xiàn)互聯(lián)，在地震、洪水等、暴恐襲擊等應急現(xiàn)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(tǒng)在應急現(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)之間構建中繼傳輸節(jié)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(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)對基礎通信設施的依賴，對TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)在應急通信中的拓展應用也具有較高的現(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，承載S1-T和X2接口數(shù)據(jù)。此外，針對應急現(xiàn)場可能的復雜通信環(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)絡結構應盡量扁平化，支持多節(jié)點的無線網(wǎng)絡自組織，支持網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化及自適應、支持業(yè)務數(shù)據(jù)的多跳路由等。

3.2單站無線回傳應用

在小規(guī)模非法聚集、樓宇火災救援等突發(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(qū)域，建立無線應急通信覆蓋，以便為事件處置團隊提供網(wǎng)絡支撐，形成信息化協(xié)同處置能力。現(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)務子系統(tǒng)和寬帶無線中繼傳輸設備，系統(tǒng)網(wǎng)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(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)場的可視化指揮調度。

圖2　單站中繼回傳應用示意圖

3.3多站無線中繼組網(wǎng)應用

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，基礎通信設施的可靠性較低，為實現(xiàn)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(xiàn)場的車載集群基站之間、與應急現(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)，構建起應急現(xiàn)場的無線骨干傳輸網(wǎng)絡。同時，根據(jù)應急現(xiàn)場通信環(huán)境的需要，還可以在應急現(xiàn)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(xiàn)場骨干網(wǎng)絡的可靠性，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上開展指揮調度。系統(tǒng)網(wǎng)絡內的專用終端能夠在全網(wǎng)范圍內通信、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)絡拓撲如圖3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(wǎng)應用

4小結

TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)的通信傳輸技術已經(jīng)過大規(guī)模的組網(wǎng)應用驗證，并且能夠伴隨LTE技術的演進而持續(xù)升級發(fā)展。隨著國家加速推進自主知識產(chǎn)權TD-LTE技術的行業(yè)應用，TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)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(tǒng)相結合，能夠大大降低系統(tǒng)對固定通信設施的依賴，促進TD-LTE寬帶集群通信系統(tǒng)在應急通信中發(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(tǒng)信號處理及網(wǎng)絡協(xié)議關鍵技術；

朵琳(1974— )，女，博士生，主要研究方向為下一代網(wǎng)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.