孫慧洋 巢余紅 舒滌非 管新俊 公安部第一研究所

一、公安無線通信業(yè)務(wù)需求變化

公安無線專網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展經(jīng)歷過警用模擬集群、TETRA數(shù)字集群、警用數(shù)字集群（PDT）等若干階段。上述技術(shù)在公安無線通信發(fā)展歷史進程中，均發(fā)揮了不可替代的作用。公安無線專網(wǎng)充分利用國家分配的專用頻率資源，以351MHz～356MHz、361MHz～366MHz頻段為核心，結(jié)合公安可使用的336MHz～344MHz頻段，積極發(fā)展無線集群專網(wǎng)和視頻傳輸網(wǎng)。到目前為止，警用數(shù)字集群（PDT）系統(tǒng)已經(jīng)成為公安無線通信骨干網(wǎng)，是各級公安機關(guān)指揮調(diào)度核心通信網(wǎng)，340MHz視頻圖傳系統(tǒng)在應(yīng)急處突中也發(fā)揮了重要作用。

但是隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，社會結(jié)構(gòu)日趨多元化，對公安機關(guān)執(zhí)法水平和能力也提出了更高的要求。在現(xiàn)階段，各級公安機關(guān)已經(jīng)逐漸感到現(xiàn)場多源信息對指揮調(diào)度的重要性，特別是現(xiàn)場視頻信息回傳在指揮決策過程中所發(fā)揮的作用已經(jīng)不亞于語音信息，甚至在一些場景下比語音信息還重要。筆者將現(xiàn)場視頻回傳定義為關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)，此業(yè)務(wù)現(xiàn)階段主要依靠現(xiàn)有的有線視頻網(wǎng)、公網(wǎng)圖傳、340M圖傳、衛(wèi)星圖傳等手段開展應(yīng)用。上述這些通信傳輸手段各有缺點，無法有效保障關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用達到與集群語音業(yè)務(wù)應(yīng)用同等水平，不能夠滿足實戰(zhàn)要求和應(yīng)用發(fā)展。

在沒有新的無線頻率資源使用的條件下，為解決以語音調(diào)度、定位、關(guān)鍵視頻、關(guān)鍵數(shù)據(jù)為主的核心業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，公安部第一研究所和華為技術(shù)有限公司合作，嘗試基于公安現(xiàn)有可用的350M和340M頻率資源，利用LTE技術(shù)和SUL技術(shù)，通過研究新一代寬窄帶融合集群技術(shù)，探索未來公安無線專網(wǎng)發(fā)展新方向。

二、基于350M和340M頻段的寬窄帶融合技術(shù)方案

（一）基本技術(shù)思路

公安無線專網(wǎng)工作在351MHz～356MHz/361MHz～366MHz范圍內(nèi)。結(jié)合LTE技術(shù)，可以嘗試在上述頻段中的上下行各劃分出1.4MHz帶寬資源用于LTE寬帶應(yīng)用，如圖1所示。在1.4MHz×2帶寬中，使用FDD-LTE技術(shù)，采用BTrunC標準，實現(xiàn)寬帶集群功能。

同時，在340M頻段，采用SUL技術(shù)方案，實現(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350M頻段上下行分別采用1.4M/3M/5M等不同頻率資源實現(xiàn)寬帶集群?？紤]到當前情況下350M頻段專網(wǎng)主要使用PDT技術(shù)，可以優(yōu)先采用上下行各拿出1.4M帶寬資源用于寬帶LTE集群的方案，以減少對現(xiàn)網(wǎng)的影響。

如果采用1.4MHz×2 FDD-LTE（350M頻段）+SUL（340M頻段）技術(shù)方案，則能夠?qū)崿F(xiàn)：

（1）在350M頻段， PDT技術(shù)和LTE技術(shù)兩者共存；

（2）PDT技術(shù)主要保證語音通話；

（3）350M頻段的1.4MHz×2 FDD-LTE主要作為寬帶系統(tǒng)錨點，同時支持部分語音通話和有限寬帶下行業(yè)務(wù)；

（4）340M頻段的4M或8M 采用SUL 技術(shù)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)單上行應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)和組成

與PDT等集群系統(tǒng)類似，LTE寬帶專網(wǎng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示，可分為“云、管、端”三大部分。

（1）云：主要指集群系統(tǒng)調(diào)度平臺以及各類應(yīng)用平臺、數(shù)據(jù)平臺；

（2）管：主要包括核心網(wǎng)和基站兩部分；

（3）端：各類無線終端，包括手持式終端、車載式終端、數(shù)據(jù)終端。

在350M頻段，LTE系統(tǒng)和PDT系統(tǒng)共存融合，可以在以下幾個層面開展：

（1）業(yè)務(wù)平臺：通過綜合業(yè)務(wù)調(diào)度平臺實現(xiàn)語音、定位、短消息等業(yè)務(wù)的寬窄帶融合。

（2）核心網(wǎng)：寬帶集群系統(tǒng)的核心網(wǎng)由演進的移動管理單元（eMME）、演進的核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（eXGW）、演進的歸屬用戶服務(wù)器（eHSS）、集群控制功能模塊（TCM）和集群媒體功能模塊（TMM）組成，具備支持與其他集群系統(tǒng)（1.4G政務(wù)網(wǎng)）、PDT系統(tǒng)等實現(xiàn)統(tǒng)一核心網(wǎng)的能力。

（3）基站：寬帶集群專網(wǎng)基站（T-eBN）采用BBU+RRU架構(gòu)。BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠單元）通過光纖連接。華為針對公安現(xiàn)有頻段研制了350M、340M一體化基站。在一套基站設(shè)備中同時支持LTE技術(shù)、SUL技術(shù)和PDT技術(shù)，同時支持350M、340M兩個頻段，實現(xiàn)在基站側(cè)的寬窄帶融合應(yīng)用。同時，BBU還可以接入1.4G頻段的RRU。寬帶專網(wǎng)基站采用SDR平臺，即軟件定義無線電（Software Defined Radio）平臺，通過軟件來實現(xiàn)無線通信中的功能模塊（如濾波、信號放大、調(diào)制解調(diào)等），擺脫了硬件的限制，功能的增加和修改通過軟件升級完成，開發(fā)、調(diào)試和維護的成本都大大降低。

（4）終端：根據(jù)承載業(yè)務(wù)目標不同，寬帶專網(wǎng)終端基本可以分為手持臺、車載臺、CPE、數(shù)據(jù)終端等。針對350M、340M頻段，華為公司研制了專業(yè)手持臺，同時支持350M/340M/1430M/1447M等專網(wǎng)頻段，以及公網(wǎng)運營商全頻段，具備寬帶專網(wǎng)集群功能和各類寬帶移動業(yè)務(wù)。由于在終端側(cè)寬窄帶業(yè)務(wù)的具體使用方式還有待細化，具體的應(yīng)用方式影響寬窄帶多模終端設(shè)計開發(fā)，所以寬窄帶多模終端的研制還需要進一步探索。

三、業(yè)務(wù)容量分析

（一）語音容量分析

對于LTE寬帶系統(tǒng)考慮采用國產(chǎn)NVOC聲碼器，便于與PDT系統(tǒng)實現(xiàn)互通和端到端加密。為了保證邊緣用戶的性能，達到連續(xù)覆蓋，MCS（Modulation Coding Set）需要設(shè)置為合適的范圍。根據(jù)仿真與實測結(jié)果，為了保證LTE集群的連續(xù)覆蓋，MCS取值為3（調(diào)制方式QPSK，碼率0.4左右）。考慮上述的MCS設(shè)置，LTE語音采用半靜態(tài)配置，半靜態(tài)周期為20ms，則NVOC語音每20ms需要占用3個RB（頻率上連續(xù)12個子載波，時域上1個slot，為1個RB，1個子載波帶寬為15KHz，1個RB帶寬為180KHz）?？紤]系統(tǒng)下行業(yè)務(wù)信道同時需要承載同步信道、PBCH、SIB、尋呼信道等公共信令及為動態(tài)調(diào)度預(yù)留，將20ms中的12個子幀用于語音承載，則可以分析出在LTE系統(tǒng)占用不同頻率資源條件下，寬帶系統(tǒng)的單小區(qū)或三扇區(qū)基站在考慮組網(wǎng)條件下的語音承載能力，見表1。從下表中分析可見，寬帶系統(tǒng)隨著其所用頻率資源的提升，其單基站或單小區(qū)所能提供的語音業(yè)務(wù)能力較窄帶系統(tǒng)有較大提升。

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考慮到寬帶占用350M頻段上下行1.4MHz×2、3MHz×2帶寬時，寬窄帶共存情況下，寬窄帶共存單基站語音業(yè)務(wù)容量如表2所示。此時，PDT系統(tǒng)頻率分配按無三階互調(diào)分配，符合相關(guān)文件要求。PDT單基站最大載波數(shù)位16載波，一般實際可用語音信道數(shù)為30個。從表2中可以分析出，雖然寬帶占用了部分頻率資源，造成了PDT系統(tǒng)語音信道數(shù)減少（平均可能減少2到3個語音信道），但由于寬帶系統(tǒng)的補充，實際上寬窄帶共存基站的語音業(yè)務(wù)容量大于窄帶系統(tǒng)。

（二）視頻業(yè)務(wù)容量分析

在分析系統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)容量前，首先對其吞吐量進行評估，需要峰值吞吐量與平均吞吐量。峰值吞吐量考慮在理想信道（最佳）條件下可達到的容量水平，分析LTE系統(tǒng)采用三扇區(qū)定向站組網(wǎng)時的業(yè)務(wù)承載能力，平均吞吐量（即規(guī)劃容量）基于系統(tǒng)仿真得出。分析350M頻段寬帶系統(tǒng)，組網(wǎng)條件下吞吐量時，參見表3。

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如果在340M頻段，系統(tǒng)支持SUL技術(shù)，那么上行吞吐量會有明顯的提升，具體估算見表4。

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在上述分析的基礎(chǔ)上，進一步分析寬帶系統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)容量。以1Mbps帶寬視頻為例，考慮視頻回傳終端在覆蓋區(qū)內(nèi)均勻分布，寬帶集群通信解決方案可以支持視頻容量見表5。

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（三）定位業(yè)務(wù)容量

寬帶集群定位（GIS）業(yè)務(wù)忙時每用戶業(yè)務(wù)量僅占不到0.2kbps，單基站GIS業(yè)務(wù)的并發(fā)能力可達每秒1萬次至10萬次GIS定位信息上報。GIS定位能力不受限于空口資源，受限于單基站的GIS上報處理能力。當前，350M寬窄帶單基站每秒至少可處理6千次GIS上報，每分鐘處理36萬次GIS上報。相比于常見的PDT單基站一個專用信道的GIS上報能力為單信道1000次，LTE系統(tǒng)的GIS業(yè)務(wù)能力有大幅提升。

四、覆蓋能力分析

（一）傳播模型

以O(shè)kumura-Hata（奧村-哈特）模型為基礎(chǔ)，采用PDT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時所得的實際路測數(shù)據(jù)、結(jié)合不同的典型網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景，校正后得到350M/340M寬帶專網(wǎng)傳播模型。

1. Okumura-Hata（奧村-哈特）傳播模型

說明：

（ 1）PL為城市市區(qū)的基本傳播損耗中值；

（ 2）d的 單位為km，f的單位為MHz；

（ 3）hb、hm——基站、移動臺天線有效高度，單位為米；

（4）移動臺天線高度修正因子：

2. 三種典型網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下的傳播模型

通過總結(jié)PDT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作所獲得的數(shù)據(jù)以及PDT現(xiàn)網(wǎng)基站建設(shè)數(shù)據(jù)，分別列出三種典型網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境及關(guān)鍵參數(shù)：

（1）密集城區(qū)（大型城市，PDT基站覆蓋半徑大多數(shù)為2.5km）基站下行覆蓋邊緣信號強度：-85dBm；天線高度：100米；

（2）一般城區(qū)（大型城市，PDT基站覆蓋半徑大多數(shù)為4.2 km）基站下行覆蓋邊緣信號強度：-90dBm；天線高度：80米；

（3）郊區(qū)（PDT基站覆蓋半徑大多數(shù)為6.8 km）基站下行覆蓋邊緣信號強度：-95dBm；天線高度：50米；

（二）覆蓋半徑預(yù)測

鏈路預(yù)算參數(shù)是系統(tǒng)覆蓋半徑預(yù)測的主要依據(jù)，選取寬帶集群常用參數(shù)，小區(qū)邊緣速率為1Mbps，具體見表6。

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LTE寬帶專網(wǎng)使用350M/340M頻率時，通過鏈路預(yù)算仿真后，在不同傳播環(huán)境下，LTE寬帶專網(wǎng)基站覆蓋半徑和覆蓋面積與PDT基站相比見表7。

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在上述條件下，覆蓋同樣面積，350M LTE基站數(shù)量大約為PDT基站數(shù)量的2倍。

同時，借助覆蓋仿真，將350M寬帶技術(shù)與其他頻段寬帶專網(wǎng)進行覆蓋比較，見表8。

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三種頻率的覆蓋能力，覆蓋同樣面積，350M/700M/ 1.4GHz的基站數(shù)量比例大約為1:2:6。

五、共存干擾分析

（一）同一地區(qū)寬窄帶共存干擾分析

在同一地區(qū)，特別是已建設(shè)PDT系統(tǒng)的地區(qū)，基于PDT系統(tǒng)建設(shè)實際情況分析，寬帶系統(tǒng)（主要是基站）可能出現(xiàn)以下三種與PDT系統(tǒng)（主要是基站）共同工作的情況：

（1）PDT基站與LTE基站共站、共天饋部署；

（2）PDT基站與LTE基站共站、獨立天饋部署；

（3）PDT基站與LTE基站共存部署。

在上述的三種情況下，有針對性的分析PDT基站、LTE基站、PDT終端和LTE終端四類設(shè)備之間存在的八種干擾，如表9所示。

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利用華為設(shè)備在上述場景下進行干擾分析，初步得到如表10所示結(jié)論。

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進一步分析結(jié)果，LTE設(shè)備與PDT設(shè)備間基本無干擾，或相互間產(chǎn)生的干擾不大于PDT設(shè)備間產(chǎn)生的干擾，基本不影響PDT和LTE設(shè)備使用。在研究的過程中，也發(fā)現(xiàn)PDT大功率車臺與寬帶設(shè)備共同使用時，雖然與PDT設(shè)備之間使用一樣會產(chǎn)生干擾，但還需要進一步在多種實際使用環(huán)境下進行定量的測試，明確避免出現(xiàn)近場干擾時兩種設(shè)備間的最小距離。

（二）相鄰區(qū)域間寬窄帶干擾

在某種情況下，一個區(qū)域部署了PDT+LTE系統(tǒng)，而另外一個區(qū)域只部署了PDT系統(tǒng)，如果兩個區(qū)域的PDT和LTE使用相同頻率，就會出現(xiàn)同頻干擾問題。圖3對兩個系統(tǒng)隔離進行了示意。

經(jīng)過確定性分析，保護帶內(nèi)不能夠使用350M頻段的LTE系統(tǒng)，可使用PDT系統(tǒng)或其他頻段的寬帶系統(tǒng)。在市區(qū)環(huán)境下保護帶直徑約12km，郊區(qū)環(huán)境下保護帶直徑約20km。

六、需深入研究的問題

隨著技術(shù)的發(fā)展，在低頻段，特別是350M和340M，利用LTE技術(shù)發(fā)展寬帶集群技術(shù)和寬窄帶共存技術(shù)取得了上述成果，但還是需要針對一些問題進行深入研究，主要是：

（1）研究350M/340M LTE寬帶技術(shù)的引入對周邊頻率的干擾問題，特別是對PDT、衛(wèi)星通信、民航下滑信標頻率的干擾；

（2）研究及驗證350M/340M頻段下，LTE基站組網(wǎng)時基站間同頻干擾、越區(qū)重疊覆蓋、組網(wǎng)業(yè)務(wù)能力等問題，進一步優(yōu)化控制上述問題的具體技術(shù)方法；

（3）結(jié)合未來公安無線專網(wǎng)核心業(yè)務(wù)需求，在現(xiàn)有寬帶集群技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，更深入的研究公安無線寬帶集群業(yè)務(wù)模型、功能要求、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、設(shè)備兼容性、安全加密等問題。

七、結(jié)語

警用無線通信技術(shù)的發(fā)展與公安業(yè)務(wù)需求的變化緊密相連。在PDT技術(shù)成熟應(yīng)用之后，需要著眼于未來，開展下一代警用無線集群通信技術(shù)的研究工作。在頻率資源緊缺的情況下，基于公安現(xiàn)有頻率資源，研究寬帶集群技術(shù)以及寬窄帶共存技術(shù)，為后續(xù)的技術(shù)研究工作提供了很好的思路。