李 堃 戴星航 宇世俊 彭 果

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.北京航天萬達(dá)高科技有限公司，北京 100143）

0 引言

應(yīng)急通信多用于應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害以及社會(huì)安全事故領(lǐng)域，這類應(yīng)急任務(wù)具有突發(fā)性強(qiáng)、復(fù)雜度高等特點(diǎn)。該情況下的應(yīng)急保障通常采用機(jī)動(dòng)性好的通信方式，包括衛(wèi)星通信、無線通信等[1]。為了更好地應(yīng)對(duì)重大突發(fā)事件，加強(qiáng)應(yīng)急通信保障能力的建設(shè)，提高有關(guān)部門快速反應(yīng)、統(tǒng)一指揮以及協(xié)同作戰(zhàn)能力就顯得尤為重要。

單兵圖傳憑借其實(shí)時(shí)監(jiān)控、部署簡(jiǎn)單以及機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域。在道路受阻的條件下，應(yīng)急通信人員通過無線通信方式將任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的視頻、數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)傳輸至指揮車或指揮中心，供現(xiàn)場(chǎng)決策[2]。當(dāng)前單兵圖傳存在一定的局限性，例如多個(gè)單兵同時(shí)工作時(shí)，占用頻率資源多、傳輸距離有限且通信范圍小。針對(duì)現(xiàn)階段的應(yīng)用情況，如何提升單兵圖傳的通信能力，更好地應(yīng)對(duì)各類突發(fā)事件就成為應(yīng)急保障方面需要關(guān)注的重點(diǎn)。

該文對(duì)現(xiàn)有單兵圖傳在應(yīng)急通信中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以提供高質(zhì)量的應(yīng)急通信為目標(biāo)，將同頻組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用其中，設(shè)計(jì)了一種單兵圖傳同頻組網(wǎng)系統(tǒng)。該方案可以減少頻率占用、增加傳輸距離以及提高系統(tǒng)系統(tǒng)可靠性，從而完善應(yīng)急通信體系，提高通信保障能力。

1 同頻組網(wǎng)技術(shù)

同頻組網(wǎng)采用第四代移動(dòng)通信中的VSF-OFCDM（Variable Spreading Factor and Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing，可變擴(kuò)頻因子－正交頻率碼分復(fù)用）調(diào)制技術(shù)，是一種全I(xiàn)P鏈路的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在這種特殊的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，所有站點(diǎn)相互平等[3]。與WLAN、WiMAX以及Wi-Fi等無線產(chǎn)品對(duì)比，具有以下3個(gè)特點(diǎn)。

1.1 同頻傳輸

同頻組網(wǎng)的無線接入方式在時(shí)域和頻域2個(gè)維度上靈活改變擴(kuò)頻因子的大小，實(shí)現(xiàn)頻域分集增益和多址干擾之間的平衡，具有高數(shù)據(jù)吞吐量、高頻譜利用率等優(yōu)勢(shì)。

1.2 自組織

同頻組網(wǎng)系統(tǒng)的架設(shè)和開展無須依賴任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，每個(gè)組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)都具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。接入網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，能夠快速、自動(dòng)地組建成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，具有極高的組網(wǎng)自由度。

1.3 動(dòng)態(tài)拓?fù)?/h3>

同頻組網(wǎng)系統(tǒng)沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨節(jié)點(diǎn)的加入和離開發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于硬件故障或外界干擾而停止工作，那么網(wǎng)狀網(wǎng)會(huì)自動(dòng)改變信息包的路由，選擇另一替代路徑，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 同頻組網(wǎng)方案分析

同頻組網(wǎng)是指LTE系統(tǒng)網(wǎng)覆蓋的所有小區(qū)都使用相同的頻點(diǎn)，根據(jù)場(chǎng)景的不同，邊緣小區(qū)的速率所受的影響不同，可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)邊緣小區(qū)使用不同的頻率復(fù)用方式來達(dá)到組網(wǎng)要求。在頻譜資源稀缺的今天，同頻組網(wǎng)對(duì)TDLTE未來的規(guī)模商用具有至關(guān)重要的作用，是提升頻譜效率的關(guān)鍵[4]。因此，首先需要檢驗(yàn)同頻組網(wǎng)的可行性，然后再根據(jù)實(shí)際情況建設(shè)不同方式的同頻組網(wǎng)以滿足用戶的需求。

因?yàn)門D-LTE采用OFDM技術(shù)，這就意味各子載波相互正交，所以TD-LTE的小區(qū)內(nèi)干擾不是TD-LTE系統(tǒng)中出現(xiàn)干擾的主要因素，TD-LTE系統(tǒng)中干擾的主要源于小區(qū)間的干擾[5]。TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)部干擾可從鏈路級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)2個(gè)層面來討論。鏈路級(jí)干擾主要是因物理資源的正交性損失而導(dǎo)致的干擾，可采用專門的干擾消除手段予以消除，各種干擾消除技術(shù)的應(yīng)用以及性能會(huì)對(duì)物理層的解調(diào)性能造成影響。網(wǎng)絡(luò)級(jí)干擾是組網(wǎng)應(yīng)用在不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下引起的系統(tǒng)干擾，需要采用調(diào)度、功控以及ICIC等策略來對(duì)小區(qū)間的干擾進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)。業(yè)務(wù)信道同頻組網(wǎng)技術(shù)有功控技術(shù)、調(diào)度以及ICIC技術(shù)等。通過功率控制可減少干擾RB的發(fā)射功率，從而減少小區(qū)間的干擾；采用調(diào)度技術(shù)時(shí)，可以盡量?jī)?yōu)先采用干擾低的RB資源，避免采用干擾高的RB資源，從而盡量避免小區(qū)間的干擾；ICIC則以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對(duì)各小區(qū)中無線資源的使用進(jìn)行限制，從而限制小區(qū)間的干擾。對(duì)于控制信道同頻組網(wǎng)方案，首先分析控制信道的干擾情況，然后對(duì)控制信道同頻組網(wǎng)進(jìn)行仿真；從分析結(jié)果來看，上下控制信道在同頻組網(wǎng)時(shí)，覆蓋概率可達(dá)90%以上，因此，可以滿足同頻組網(wǎng)的需求。

2.2 單兵圖傳系統(tǒng)

單兵圖傳系統(tǒng)是應(yīng)急通信中一種常見的手段，在通信車受限的條件下，相關(guān)人員手持?jǐn)z像機(jī)，背負(fù)單兵終端，徒步到任務(wù)地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息采集，為偵查、取證等工作提供有

利保障。該系統(tǒng)主要由單兵圖傳高清攝像機(jī)、單兵設(shè)備、車載單兵圖傳接收機(jī)、車載發(fā)射機(jī)以及圖傳基站等組成[6]。單兵圖傳高清攝像機(jī)可以用于信息采集，獲取事件現(xiàn)場(chǎng)的音視頻圖像。便攜式單兵設(shè)備可進(jìn)行數(shù)字無線圖像傳輸，具有較強(qiáng)的穿透能力和繞射能力，能在多徑效應(yīng)嚴(yán)重的惡劣環(huán)境中傳輸高質(zhì)量的視頻圖像，不需要定向天線就可以實(shí)現(xiàn)局部范圍的覆蓋[7]。車載單兵圖傳接收機(jī)部署在應(yīng)急通信指揮車中，接收單兵設(shè)備傳輸來的圖像信息。車載發(fā)射機(jī)能將接收到的圖像發(fā)射至圖傳基站或4G基站，再由基站通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至指揮中心或相關(guān)部門[8]。

2.3 應(yīng)用方案一：一單兵場(chǎng)景下系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前，大多數(shù)單兵設(shè)備在應(yīng)急通信中的應(yīng)用主要有以下4種模式：1或N臺(tái)單兵設(shè)備、1或N臺(tái)車載單兵圖傳接收機(jī)、1臺(tái)車載發(fā)射機(jī)以及M臺(tái)基站設(shè)備。其中，單兵設(shè)備與車載單兵圖傳接收機(jī)配對(duì)使用，用不同頻率的信道進(jìn)行區(qū)分，互不干擾。某項(xiàng)目采用普通系統(tǒng)組成方案，指揮車配備1臺(tái)單兵設(shè)備和1臺(tái)車載單兵圖傳接收機(jī)，該項(xiàng)目的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 應(yīng)用方案一系統(tǒng)圖

使用者通過便攜高清攝像機(jī)及話筒等設(shè)備采集事件現(xiàn)場(chǎng)的語音、圖像等實(shí)時(shí)信息，單兵圖傳發(fā)射機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)音視頻進(jìn)行編碼后，以預(yù)先設(shè)定的頻率（例如408 MHz）發(fā)射無線信號(hào)，指揮車上的車載單兵圖傳接收機(jī)接收該無線信號(hào)，經(jīng)過解碼后轉(zhuǎn)成音視頻信號(hào)，即可顯示在本地指揮車上，供現(xiàn)場(chǎng)決策使用。另外，車載發(fā)射機(jī)（例如340 MHz）將接收到的圖像發(fā)射到圖傳基站。各個(gè)圖傳基站之間通過340 MHz的頻率傳輸數(shù)據(jù)，將采集到的信息傳送至指揮中心，指揮中心的340 M接收機(jī)接收后就能夠顯示任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像。

2.4 應(yīng)用方案二：多單兵場(chǎng)景下系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

某項(xiàng)目中無線圖傳部分一輛指揮車需要配備多個(gè)單兵。為滿足該需求，通常需要N個(gè)單兵和N臺(tái)車載單兵圖傳接收機(jī)，各個(gè)單兵同時(shí)工作時(shí)使用不同的頻率即可。該方式雖然部署簡(jiǎn)單，但是會(huì)占用較多的頻率資源，并且每個(gè)單兵圖傳的通信范圍有限。為解決上述方式的局限性，將同頻組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到單兵圖傳中，能夠減少頻率占用、增加傳輸距離以及提高系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)備配置方面，各個(gè)指揮車上需要配置相同頻率的車載高清發(fā)射機(jī)。根據(jù)該項(xiàng)目的具體情況，設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 應(yīng)用方案二系統(tǒng)圖

多個(gè)單兵通過一段設(shè)定的頻率（例如430 MHz）將采集到的圖像、聲音等信息傳輸?shù)綉?yīng)急通信指揮車上，車上的單兵接收機(jī)接收該圖像和語音數(shù)據(jù)。在多個(gè)單兵構(gòu)成的同頻組網(wǎng)中，帶寬資源被劃分成一系列正交的子載波，并分配給不同的單兵實(shí)現(xiàn)正交頻分多址的通信方式，各個(gè)單兵可以使用相同的傳輸頻率直接通信，并不存在干擾。這樣可以大大減少系統(tǒng)的頻率占用，更加適用于頻譜資源緊張的條件。此外，每個(gè)同頻組網(wǎng)中的單兵節(jié)點(diǎn)都具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，信息包會(huì)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)目的地。單兵節(jié)點(diǎn)具備中繼功能后能夠增加傳輸距離，擴(kuò)大應(yīng)急通信的范圍。與此同時(shí)，還有另外一組頻率（例如340 MHz）用來傳輸指揮車和單兵間的語音數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)指揮車對(duì)單兵的統(tǒng)一調(diào)度和管理。

該項(xiàng)目中，任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的圖像可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況通過圖傳基站、4G公網(wǎng)和衛(wèi)星通信3種方式由應(yīng)急通信指揮車傳輸?shù)竭h(yuǎn)端指揮中心，具體如下：1）圖傳基站。各個(gè)指揮車上的車載發(fā)射機(jī)可將接收到的單兵信號(hào)以340 MHz的頻率發(fā)射至固定基站設(shè)備，基站通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)信息回傳至指揮中心。2）4G通信。如果任務(wù)區(qū)域處于運(yùn)營(yíng)商4G基站覆蓋范圍內(nèi)，且無網(wǎng)絡(luò)擁塞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可利用車上的4G設(shè)備將接收到的信息發(fā)送至基站，再接入核心網(wǎng)，由4G公網(wǎng)傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息。3）衛(wèi)星通信。對(duì)于云層狀況良好、無雨雪天氣的情況，可采用衛(wèi)星通信的方式。車載圖傳接收機(jī)將接收到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入編解碼器進(jìn)行編碼，然后經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制處理后變成射頻信號(hào)，再由功放將信號(hào)放大，并通過靜中通天線發(fā)送至通信衛(wèi)星。指揮中心的地面站天線接收通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回來的射頻信號(hào)后，通過一系列信號(hào)，將實(shí)時(shí)圖像顯示到指揮中心，為領(lǐng)導(dǎo)的相關(guān)決策提供依據(jù)。

除了傳輸圖像數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)信息外，單兵設(shè)備還支持定位功能，可通過北斗衛(wèi)星將位置信息上傳至指揮中心的GIS服務(wù)器。指揮中心的地圖上能夠?qū)崟r(shí)顯示每個(gè)單兵的地理位置。

在上述單兵圖傳方案設(shè)計(jì)中，所有的單兵、車載接收機(jī)采用同頻組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了單兵和指揮中心以及各個(gè)單兵之間的相互通信。可以看出，在應(yīng)急通信領(lǐng)域應(yīng)用同頻組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)包括：1）減少頻率占用。單兵圖傳同頻組網(wǎng)技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有載波間相互正交，使用同一頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以有效提高頻率的利用率，更加適用于頻譜資源緊張的環(huán)境。2）增加傳輸距離。系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)單兵節(jié)點(diǎn)不依賴任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，能夠自動(dòng)地組建成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)中的單兵設(shè)備都可以將數(shù)據(jù)傳輸至指揮車，并且各單兵之間能夠直接通信，大大提升了應(yīng)急通信的范圍和能力。3）提高系統(tǒng)可靠性。同頻組網(wǎng)是一種無中心且具有動(dòng)態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等，所有單兵均可任意移動(dòng)，并且能隨時(shí)加入和離開。實(shí)時(shí)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使網(wǎng)絡(luò)中任何的節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，有助于提高整個(gè)單兵系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步提升應(yīng)急通信的保障能力。

3 結(jié)論

該文的主要內(nèi)容是在應(yīng)急通信領(lǐng)域應(yīng)用同頻組網(wǎng)技術(shù)解決單兵圖傳占用頻率資源多、通信范圍有限以及系統(tǒng)可靠性低等問題，設(shè)計(jì)了一種單兵圖傳同頻組網(wǎng)系統(tǒng)，并結(jié)合2個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用情況詳細(xì)闡述了系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可以減少頻率占用、增加傳輸距離以及提高系統(tǒng)的可靠性，為應(yīng)急通信工作提供更有力的通信保障。自項(xiàng)目應(yīng)用以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶反映良好，具有較高的市場(chǎng)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。