金紅軍

(中國電子科技集團公司第五十研究所,上海200063)

寬帶戰(zhàn)術通信系統(tǒng)架構設計與實現*

金紅軍

(中國電子科技集團公司第五十研究所,上海200063)

針對未來戰(zhàn)術通信向高速、寬帶、移動和網絡化方向發(fā)展,提出了利用LTE技術構建寬帶戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的網絡架構和設計思想。通過高速傳輸技術、高效多天線技術和無線接入技術,以及頻率下移、綜合集成技術,建立了一套一體化車載式基站系統(tǒng),描述了網絡架構、實體和基本設計策略,給出了系統(tǒng)主要設計指標。通過實例驗證：通信距離可達20 km,通信距離顯著提高,此時數據吞吐量可達47 Mbit/s,比現役提升近百倍,證明了系統(tǒng)架構設計的有效性和可行性,真正實現了戰(zhàn)術通信系統(tǒng)跨越式發(fā)展。

寬帶 戰(zhàn)術通信 系統(tǒng)架構 LTE技術

0 引 言

目前戰(zhàn)術通信都是窄帶、以中低速率為主,最高傳輸速率幾十kbit/s到幾百kbit/s,且以話音、數據傳輸為主,圖像、視頻業(yè)務不支持或不足,限制了作戰(zhàn)應用和作戰(zhàn)效果,尤其是現代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)概念的變化,對地理圖像信息、現場視頻信息和態(tài)勢感知信息的需求將會急劇增加,數據量將會呈指數增長,高的傳輸速率、高的網絡性和高的移動性將會更加重要,這就對戰(zhàn)術通信提出了新需求和新要求[1-4]。未來的數字化戰(zhàn)場,作戰(zhàn)方式已從以前常規(guī)的前沿預設部署進入兵力隨機投送階段,從以武器平臺為主進入以網絡中心為主,這一新的變化將要求將機動性、靈活性、模塊化、高速化、寬帶化和網絡化緊密的結合在一起,對能夠快速反應、快速接入能力更加渴望[5]。目前現役的戰(zhàn)術通信系統(tǒng)和戰(zhàn)術通信技術已經不能支持對數字化戰(zhàn)場的需求,很難完成這種使命,必須尋求新的突破。近十年來,與戰(zhàn)術通信發(fā)展相對落后,我國民用移動通信可謂突飛猛進,已經成為移動通信領域的引領者,具有自主知識產權的第四代移動通信(4G)TD-LTE技術就是典型代表,在前沿技術、關鍵技術、核心處理器和制造工藝等方面與西方國家已站在同一起跑線上,為戰(zhàn)術通信提供了堅實的技術支撐和廣闊的應用前景。LTE技術采用正交頻分復用(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)相結合,可以提供100Mbit/s以上的峰值速率,提供高質量、低時延的語音、數據、圖像和視屏等多媒體業(yè)務一體化服務,網絡架構通用而簡約,是構建寬帶戰(zhàn)術通信最理想的可靠應用技術。民用技術已成為當今世界各國發(fā)展軍事技術的一大趨勢,從美軍戰(zhàn)術通信發(fā)展的歷程與趨勢看,民用技術軍用化扮演了重要角色,將LTE技術引人戰(zhàn)術通信領域,打造全新的多媒體寬帶戰(zhàn)術通信系統(tǒng)體系架構,全面提升戰(zhàn)術性能,適應未來作戰(zhàn)模式的轉變。

1 LTE技術的主要特點與改進

TD-LTE技術是我國在民用信息技術發(fā)展領域的一個歷史性的突破,擁有完全自主知識產權,全面掌握技術體系和關鍵技術,成為技術的領導者和推動者,在網絡架構、傳輸速率、頻譜效率和傳輸時延等方面比3G移動通信技術有了巨大改變和提升,現在已進入大規(guī)模商用實施階段。其主要技術特點與改進是:

(1)全IP扁平網絡架構

采用全IP網絡架構,只有基站一種邏輯節(jié)點,網絡架構中節(jié)點數量與節(jié)點層次減少,接入網更加趨于扁平化,趨近于典型的IP寬帶網絡結構。核心網節(jié)點控制平面和用戶平面管理完全分離,網絡節(jié)點配置靈活,基站之間X2接口、基站與核心網之間S1接口都采用通用以太網接口,語音和數據業(yè)務高度融合,承載平臺一樣,提高了信息業(yè)務處理的通用性、可擴展性和靈活性,網絡運作更高效。

(2)高速傳輸技術

采用OFDM高速傳輸技術和MIMO高效多天線技術相結合,在20 MHz的載波帶寬下,頻譜效率為5 bit/s/Hz,峰值速率可達100 Mbit/s。OFDM技術是在多載波調制(MCM)技術基礎上發(fā)展而來的,由于其頻譜利用率高、成本低的原因得到人們的極大關注。頻分復用技術就是將高速的數據流分為若干個低速數據流,每個低速數據流再調制到對應的子載波上,從而構成多路低速數據并行發(fā)送高速數據的傳輸模式,子載波之間要求相互正交,且信道帶寬很窄,近似平坦衰落信道。因此,OFDM技術大大提升了頻譜效率,子載波越多,頻譜利用率越高;同時能夠有效對抗頻率選擇性衰落和載波間干擾,具有抗衰落和抗多徑干擾的特性。

(3)高效多天線技術

根據香農定理可知:信道頻譜效率與信道帶寬、信號功率成正比,隨著信道帶寬、信號功率的增加,信道頻譜效率的增加越來越慢,為了大幅提高信道頻譜效率,MIMO技術應運而生,即通過在共享的無線信道上建立多條并行的信息傳輸通道,利用多經來抵抗衰落、提供更高的數據吞吐量、增加覆蓋范圍和可靠性?？刹捎?天線、4天線和8天線,在信道強相關條件下,一般采用波束賦形或空分多址技術,天線間距離通常相對較小;在信道弱相關條件下,一般采用分集或空分復用技術,天線間距離通常相對較大。因此,MIMO技術可以在多徑衰落等不利因素情況下成倍提高信道容量、改善系統(tǒng)覆蓋和增加峰值速率,從而提高頻譜利用率。

(4)傳輸低時延

傳輸時延對傳輸速率、QoS、業(yè)務建立和切換以及容量有著重要影響,將控制平面時延降低到100 ms以內,其中駐留態(tài)與激活態(tài)之間的轉換時間小于100 ms,激活態(tài)與睡眠態(tài)之間的轉換時間小于50 ms;將用戶平面時延降低到10 ms以下,在無負載的小數據IP包情況下,時延小于5 ms。

(5)高移動性

支持在多個小區(qū)的移動和切換,最高可實現350 km/h的移動性能。在0～15 km/h低速場景下進行優(yōu)化設計;在15～120 km/h高速場景下能夠實現較高的性能;同時,能夠支持120～350 km/h甚至更高速場景下的移動性。

(6)支持多載波帶寬

支持1.4～20 MHz多種帶寬選擇,每一種帶寬支持15 kHz和7.5 kHz兩種子載波間隔,每一個子載波支持QPSK、16QAM和64QAM調制模式,根據信道狀態(tài),自動自適應調制編碼方式,以滿足配置系統(tǒng)時窄帶頻譜分配時的靈活性。

2 寬帶戰(zhàn)術通信系統(tǒng)體系架構設計

2.1 體系架構

寬帶戰(zhàn)術通信系統(tǒng)體系架構遵循TD-LTE系統(tǒng)基本網絡架構[6-9],采用全IP3層網絡架構,如圖1所示,由接入網、骨干網和中繼網3層網絡組成。

圖1 寬帶戰(zhàn)術通信系統(tǒng)體系架構Fig.1 Wideband tactical communications architecture

骨干網層由一體化基站組成,采用扁平化的全IP、自組織網絡架構,以無線方式,覆蓋整個作戰(zhàn)區(qū)域。一體化基站是由基站(eNode B)和分組核心網(EPC)集成設計而成,實現用戶及會話管理控制、鑒權、數據轉發(fā)和路由切換選擇等功能,實現車載用戶終端的隨機接入控制?；局g通過無線接口互相連接;基站與核心網之間通過S1邏輯接口互相連接,每個基站與一個核心網互相連接。

接入網層由眾多的車載用戶終端組成,通過OFDMA和SC-FDMA多址無線接入技術實現所屬基站的鏈接,實現數據的發(fā)送、接收和漫游。

中繼網層由衛(wèi)星或空中平臺(無人機、飛艇或系留氣球)組成,提供基站間超視距連接能力,實現空中信息轉發(fā),與骨干網絡組成完整的天空地一體化的立體通信網絡,提供全新的無線組網模式,適用于山區(qū)、遠距離傳輸和跨區(qū)聯(lián)合通信要求。通過中繼網層可以把各單元實體有機連接在一起,實現信號的中繼和放大,延伸無線網絡的覆蓋范圍,形成新的無線覆蓋區(qū)域,從而實現對整個戰(zhàn)場空間的全覆蓋。

采用這種分層、分布式的體系架構,骨干網絡可提供近百Mbit/s高速率傳輸帶寬;接入網絡用戶也可提供幾Mbit/s傳輸帶寬,用戶容量大,且可方便隨機接入,更能實現跨區(qū)漫游、快速部署;中繼網絡解決了遠距離通信和覆蓋問題。網絡通用性和智能化強,移動性和抗毀性能好,互聯(lián)互通互操作能力好,適用于大數據傳輸,適合于聯(lián)合作戰(zhàn)應用,可以有效解決動中通、抗中通和山中通的問題。

2.2 一體化基站網絡實體和主要功能

一體化基站網絡實體是在原LTE系統(tǒng)網絡實體的基礎上,集成基站(eNode B)和核心網(EPC)為一體,替代各網絡實體的功能,其各實體的主要功能如下:

基站(eNode B)由基帶控制單元和射頻拉遠單元組成,基帶控制單元完成編碼與交織、調制和映射到OFDM符合的各子載波上,插入導頻,對子載波的符號進行逆傅里葉變換后生成時域信號、并/串轉換,形成高速串行數據流,送往射頻拉遠單元,以及反過程信號處理;射頻拉遠單元完成數/模轉換、變頻、濾波和放大,形成射頻信號,以及反過程信號處理。同時負責無線承載控制、無線接入控制、連接移動性控制和上下行對用戶動態(tài)資源分配等無線資源管理功能;IP頭壓縮和用戶數據流加密;用戶平面數據路由選擇;尋呼信息和廣播信息的組織和發(fā)送等功能。

移動管理實體(MME)是核心網(EPC)的核心組成部分,通過S1邏輯接口與基站(eNode B)相連,每一基站(eNode B)都配置有移動管理實體(MME),實現本基站所屬用戶管理。當用戶終端在移動過程中依然駐留在MME上,減少接口信令交互以及MME處理負荷,主要作用是移動性控制,負責用戶及會話管理的所有控制平面功能、位置管理和移動性管理,完成用戶終端與任何IP節(jié)點之間的信息承載的建立,包括非接入層(NAS)信令和接入層(AS)及其安全,以及網關通道出口選擇,實現數據轉發(fā)、漫游和鑒權。

網關(GW)也是核心網(EPC)的核心組成部分,包括服務網關(S-GW)和分組數據網網關(PDN -GW)。服務網關(S-GW)是一個終止于eNode B接口的網關,通過S1邏輯接口與基站(eNode B)相連,是移動性管理的接入點,本地移動性錨點,一個用戶面功能實體,負責為用戶終端提供承載通道來完成數據的傳送、轉發(fā)以及路由切換等。分組數據網網關(PDN-GW)是外部以太網網絡會話的錨點,連接外部數據網的網關出口,實現用戶終端數據包過濾、合法監(jiān)聽和IP地址分配,提供數據傳輸通道。

2.3 系統(tǒng)主要設計指標

系統(tǒng)主要參數指標如表1所示,規(guī)定了工作頻段、傳輸帶寬、復用技術、調制方式、傳輸技術、發(fā)射功率、天線配置、傳輸速率和覆蓋范圍等主要系統(tǒng)參數的取值和性能指標要求。

表1 系統(tǒng)主要設計指標Table 1 System key parameters index

2.4 幀結構

幀結構是指空中傳輸的數據幀結構,每個無線幀結構由十個子幀組成,長度為10 ms,其中包括8個長度為30 720×TS=1 ms的子幀和子幀1、子幀6兩個特殊子幀。每個特殊子幀包含下行鏈路導頻時隙(DwPTS)、保護間隔(GP)和上行導頻時隙(Up-PTS)3項參數;其它子幀則由兩個時隙構成,子幀0和子幀5通常用于下行。上下行子幀可以靈活配置比例,靈活支持不同業(yè)務傳輸需求。

2.5 無線接口協(xié)議棧

無線接口是指用戶終端與基站之間的接口,或稱空中接口,無線接口協(xié)議是用來建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務的,無線接口協(xié)議棧由空中接口的用戶平面協(xié)議棧和控制平面協(xié)議棧構成,包括物理層、數據鏈路層和網絡層3個層面,由一體化基站統(tǒng)一進行管理和控制,包括完成基站之間的切換。用戶平面通過空中接口傳輸通道為上層協(xié)議層提供用戶數據傳輸服務,同時為控制平面和非接入子層(NAS)信令提供傳輸通道;控制平面負責用戶無線資源的管理、無線連接的建立、業(yè)務的QoS保證和最終的資源釋放?？刂破矫娴牡讓訁f(xié)議和用戶平面相同,而上層的無線資源控制(RRC)層和NAS層是控制平面最主要的功能實體。

2.6 無線接入技術

無線接入是指用戶終端接入骨干網的過程,包括用戶終端主動或被動發(fā)起業(yè)務所需的隨機接入過程、尋呼過程和廣播過程。無線接入采用正交頻分多址接入(OFDMA)和單載波頻分多址接入(SCFDMA)技術,OFDMA技術易于與多天線技術結合,頻譜效率更高,信號處理簡單,實現復雜性低;SCFDMA技術采用單載波調制技術,降低了對放大器的要求,提高了功率效率,具有更低的峰均比(PAPR),保持了與下行OFDM技術的一致性。隨機接入是用戶終端進行初始連接、切換、連接重建立、從空閑模式轉換到連接模式時的唯一策略,是與網絡之間建立無線鏈路的必經過程。只有在隨機接入過程完成后,一體化基站與用戶終端才可能進行正常的數據傳輸和通信。用戶終端在隨機時刻隨機選擇前導序列接入,這樣接入的結果也就有隨機性,但不能保證100%成功。隨機接入過程涉及物理層、MAC層、RRC層等多個協(xié)議層。物理層定義隨機接入過程前導碼(Preamble)、物理隨機接入信道(PRACH)時域資源分配、各消息之間的時序關系; MAC層負責控制隨機接入過程的觸發(fā)與實施,以及對用戶終端退避的控制。隨機接入過程有競爭隨機接入和非競爭隨機接入兩種模式,在正常情況下,一體化基站優(yōu)先選擇非競爭隨機接入,只有在非競爭隨機接入資源不夠分配時,才指示用戶終端發(fā)起競爭隨機接入。

3 一體化基站系統(tǒng)設計與策略

3.1 工作頻段下移

目前TD-LTE系統(tǒng)的工作頻段為2.3～2.4 GHz、2.57～2.62 GHz,屬于特高頻頻段,頻率較高,視距傳播,電波衰落比較大,傳播距離比較近,一般在5 km左右。另外,民用頻段用戶多,頻率擁擠,相互干擾大,一般不適合于戰(zhàn)術通信。因此,盡量選擇電波傳播損耗小的微波低端頻段,同時,要考慮保證系統(tǒng)的寬帶特性,綜合分析,選擇0.3～1 GHz頻段進行頻率下移變換,是最佳的選擇。

3.2 基站之間無線傳輸技術

在TD-LTE系統(tǒng)中,基站之間通過邏輯接口(X2)互聯(lián),只是傳輸一些信令或控制信息,基站之間通過核心網連接的有線線路傳輸和交換數據信息,傳輸線路都是同軸電纜或光纖電纜等有線媒介,需要建設大量基礎設施和鋪設大量有線線路,基站之間不能通過無線信道直接通信連接和服務。這樣,對于戰(zhàn)術通信的應用帶來很大困難,失去了戰(zhàn)術通信網絡的機動性和靈活性。另外,在現行的LTE系統(tǒng)中,移動用戶終端與基站之間的通信采用的是非對稱的上下行通信體制,即基站發(fā)送信號時采用OFDMA調制技術,而基站接收時采用SC-FDMA解調技術,這又從根本上導致了基站之間不能直接進行無線通信。因此,可以在基站內嵌入用戶終端模塊,使基站具有雙向OFDMA/SC-FDMA技術體制,用于骨干網節(jié)點多跳組網時接入需要中繼的基站,從而建立一條無線鏈路,通過這個方法可以實現基站之間的無線直接互聯(lián)。另外,可以采用無線中繼(Relay)技術。即通過增加無線中繼基站(Relay Station)將基站的信號重新處理后再發(fā)送出去,可以是L1層、L2層、L3層中繼技術。L1層中繼基站就是物理層中繼;L2層中繼基站需要對接收信號的MAC層進行解碼處理;L3層中繼基站需要對接收信號的MAC層以上進行處理,根據中繼策略調度有效數據發(fā)送給用戶終端。同時,也可以利用衛(wèi)星接口,實現基站之間無線傳輸和鏈接。

3.3 一體化、小型化基站系統(tǒng)設計

在TD-LTE系統(tǒng)中,基站和核心網等設備都是固定式的,核心網是網絡交換控制的核心,所有數據交互和控制的實現都由核心網來完成,以固定模式設計,設備種類多、體積龐大、重量太重、功耗太大。另外,很多功能,如與2G、3G網絡的兼容接入接口、計費功能,以及過多的冗余設計等,都增加了系統(tǒng)的復雜性,對于戰(zhàn)術通信來說并不一定需要,這種體系結構是無法滿足戰(zhàn)術通信車載系統(tǒng)和移動性要求的。因此,對于核心網要進行小型化設計,通過核心網設備和基站設備的一體化設計,實現在結構上大幅簡化,重量上大幅減輕,功耗上大幅降低,便于戰(zhàn)術通信使用。

4 實例測試與分析

根據表1描述的系統(tǒng)主要設計指標要求,我們設計了一套一體化車載式基站系統(tǒng)和車載用戶終端,在平原地帶進行了一體化基站與車載用戶終端無線接入覆蓋試驗。選擇工作頻段600 MHz、功放40 W、天線高架12 m,上行/下行配置1,子幀配置: DSUUDDSUUD(其中D代表下行子幀,U代表上行子幀,S代表特殊子幀),特殊時隙配置為5(DwPTS: GP:UpPTS=3:9:2),CP選擇常規(guī)長度。在5 km時,實測下行傳輸數據吞吐量67 Mbit/s,上行傳輸數據吞吐量23 Mbit/s;在20 km時,實測下行傳輸數據吞吐量30 Mbit/s,上行傳輸數據吞吐量17 Mbit/s。試驗表明:通過工作頻段下移,提高發(fā)射功率,通信距離可達20 km,通信距離顯著提高,此時上下行數據吞吐量達到47 Mbit/s;在通信距離5 km時,上下行數據吞吐量可達到90 Mbit/s,比現役戰(zhàn)術通信系統(tǒng)提升近百倍。

這對于戰(zhàn)術通信來說,具有無與倫比的吸引力,可同時支持數據、話音、圖像和視頻等多媒體業(yè)務,與現有戰(zhàn)術通信的體系架構相比最大的優(yōu)勢是可實現動中通和視頻指揮,體系架構不再依賴建立在穩(wěn)定、半固定的基礎結構上,工作模式不再是靜態(tài)、中低速,節(jié)點可隨機接入,帶寬可動態(tài)分配,作戰(zhàn)單元的集成和信息支持可在運動中完成,真正實現機動指揮。因此,把LTE技術的優(yōu)勢和核心技術移植到戰(zhàn)術通信中,可以帶來幾方面的好處,一是快速提升戰(zhàn)術性能,轉變作戰(zhàn)模式;二是縮短研發(fā)周期,節(jié)約資金投入;三是實現互通互聯(lián)互操作最佳手段,網絡融合、擴展更加靈活、方便;四是操作更加簡單、智能,質量更高、服務更優(yōu),是我軍戰(zhàn)術通信趕超世界先進水平、真正邁向全數字化和網絡化時代的突破口。

5 結 語

目前,LTE技術已經商業(yè)化,技術十分成熟,其高速化、寬帶化和移動性能符合未來戰(zhàn)術通信的發(fā)展方向,通過適應性改進,工作頻率下移,增加發(fā)射功率,覆蓋范圍由原來最大5 km可達到20 km,數據吞吐量達到47 Mbit/s,雖然數據吞吐量比最高降低近一半,但比現役戰(zhàn)術通信系統(tǒng)提高近百倍,完全滿足對于圖像、視頻等大數據傳輸要求;通過采用OFDM+MIMO相結合技術,能夠有效對抗頻率選擇性衰落和載波間干擾,具有抗衰落和抗多徑干擾的能力;通過采用循環(huán)前綴(CP),可以保證每個子載波的完整性和正交性,從而避免子載波間干擾;通過采用小區(qū)間干擾協(xié)調(ICIC)技術可以有效解決小區(qū)間間干擾;通過采用干擾隨機化技術,將相鄰小區(qū)干擾信號通過加擾或交織的方法轉化為隨機的干擾信號,從而方便干擾消除或抑制;而其高速移動性、移動隨機接入能力更讓其展現優(yōu)良的戰(zhàn)術性能。通過開展LTE技術軍用化研究,加快寬帶戰(zhàn)術通信體系構建,對于我國未來戰(zhàn)術通信及裝備發(fā)展具有十分重要意義。

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Design and Implementation of Wideband Tactical Communications System Architecture

JIN Hong-jun
(No.50 Institute of CETC,Shanghai 200063,China)

Aiming at the development of future tactical communication to high-speed,broadband,mobile and network direction,LTE network architecture and design idea for construction of wideband tactical communication system are proposed.With the technologies such as the high-speed transmission technology, multi-antenna technology,wireless access technology,frequency downshift and integrated technology,a set of integrated mobile basestation system is built up.Meanwhile,the network architecture,the entity and the basic design method are described,and the main design indexes of the system are given in this paper. The experiment shows that the communication distance is greatly improved,and could be up to 20km, while the data throughput is up to 47Mbit/s,nearly a hundred times of the existing one.The validity and feasibility of the system architecture design are verified,and the leapfrog development of tactical communication system is actually realized.

wideband;tactical communications;system architecture;LTE technology

TN929.53;TN915.851

A

1002-0802(2014)09-1021-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.009

2014-06-10;

2014-07-11 Received date：2014-06-10;Revised date：2014-07-11

金紅軍(1963—),男,碩士,研究員,主要研究方向為通信網絡技術和無線寬帶技術。

JIN Hong-jun(1963-),male,M.Sci,research fellow,majoring in communication network technology and wireless broadband technology.