宽带无线中继传输在应急通信中的应用研究

赖晓阳，朵　琳，2

(1.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083；2.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650051)

宽带无线中继传输在应急通信中的应用研究

赖晓阳1，朵琳1，2

(1.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083；2.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650051)

摘要:针对TD-LTE宽带集群通信系统依托固定通信设施建立骨干传输链路的应用短板，结合新时期突发公共事件现场可视化指挥调度的新需求，通过增加宽带无线中继传输系统，构建起宽带集群通信系统的无线骨干传输备份链路，并对两种典型突发公共事件场景下的应急通信保障网络架构进行了分析，阐明了宽带无线中继传输有助于提升TD-LTE宽带集群通信系统的在应急通信中的用户体验，促进我国自主知识产权应急通信保障体系的建设。

关键词:无线中继；应急通信；TD-LTE；宽带集群通信

随着第四代移动通信技术(LTE)的发展，宽带无线多媒体应用已经深入人们的日常生产生活。将LTE技术与保障突发公共事件的专用集群通信相结合不仅可以继承LTE系统高速率、大带宽等优点，同时能够为应急通信提供较高的频谱利用率和较强的抗干扰性能，有助于在应急通信场景下实现无线可视化和多媒体信息化指挥调度[1]。

我国已在北京、天津、南京、上海、银川等城市开通了TD-LTE宽带集群通信系统示范应用[2]，可以为专网用户提供语音、数据和视频等无线通信服务，包括单呼、组呼、广播、强插、强拆等集群语音业务，多媒体数据上传/下载、移动办公、导航定位等高速数据业务；以及无线视频会议、移动视频监控等视频业务[3]。现阶段，国内TD-LTE宽带集群通信系统的骨干网络采用的是光纤互联，在突发公共事件的应急现场，系统的抗毁性不足，因此在骨干网络上增加无线中继传输手段将是TD-LTE宽带集群通信系统应用在应急通信领域的有益补充。

1宽带集群通信系统简介

1.1国内外集群通信发展历程

专用无线通信系统最早可以追溯到第二次世界大战末期的步话机(Walkie-Talkie)，后来发展成为单工对讲机[4]。随着人们对移动通信系统使用要求的提高，单工对讲机逐渐从点对点的通信形式，演进到同频单工组网，进一步到异频单(双)工组网，再到单信道广播呼叫、带选呼的多信道自动选择系统等。20世纪90年代，以数字调制技术为主的专用无线通信系统——数字集群移动通信系统正式诞生。1998年，国际电信联盟(ITU)推荐了7种数字集群移动通信系统[5]，其中TETRA和iDEN的应用范围最为广泛，由于采用了时分多址(TDMA)接入技术，较模拟集群系统频谱利用率更高，系统容量更大，从而能够提供高质量、远距离的通信保障。

我国在窄带专用无线通信系统的技术研究和规模应用相对滞后，中兴通讯基于CDMA2000-1X系统研制的GoTa和华为公司基于GSM系统开发的GT800于2005年通过了原信息产业部组织的技术鉴定[6]。不过，这两套通信系统都是基于公众移动通信系统设计，在性能上逊于TETRA和iDEN。据统计，在国内市场上，基于TETRA体制的专用无线通信系统占据50%市场份额，iDEN拥有约25%的市场份额，GoTa和GT800分享余下的25%市场份额[6]。

随着无线宽带通信技术的蓬勃发展，以高速多媒体业务为代表的新一代移动通信系统已经成为热点，基于LTE技术发展宽带无线集群通信得到世界各国的共识。2009年7月，美国国家公共安全委员会(NPSTC)决定建设基于(LTE)平台的应急通信系统；2012年10月，陆上集群无线电(TETRA)及其关键型通信联合会(TCCA)决定采用LTE平台建设未来的应急通信系统[7]。与此同时，中国通信标准化协会(CCSA)也于2009年11月批准启动了《基于TD-LTE技术的宽带数字集群通信系统的研究》课题[5]，拉开了国内专用LTE宽带集群通信系统的序幕。“十二五”期间，我国从国家层面开展了以“宽带无线多媒体集群系统(BWT)”为代表的宽带无线专网标准体系研究和系统规划设计，并成立了公共保护和救灾宽带无线通信技术论坛，以推进宽带集群与应急通信的研究和应用[6]。

1.2TD-LTE宽带集群通信系统架构

TD-LTE宽带集群通信系统是以集群技术为基础融合LTE技术形成的，其系统架构如图1所示。TD-LTE宽带集群通信系统包括终端、接入网、核心网，以及后台业务，为了满足集群指挥调度业务的特殊需求，各网元之间的接口在LTE标准接口基础上进行了适应性扩展，空空接口为Uu-T、基站与核心网采用S1-T[8]。

图1　TD-LTE宽带集群通信系统架构

TD-LTE宽带集群通信系统集LTE和集群优势于一体，在20 MHz带宽模式下，系统最大上行50 Mbit/s、下行100 Mbit/s；集群建组时延小于300 ms、话权申请/话权抢占小于200 ms，支持包括组呼、广播呼叫、强插/强拆、动态重组、迟后进入等特色功能，语音集群功能和性能达到TETRA的指标。

由于采用了正交频分复用(OFDM)技术，TD-LTE宽带集群通信系统可以在时、频、空三维资源上进行灵活的分组调度，通过业务优先级、公平性、吞吐量、干扰协调、信道质量等信息对多媒体业务进行调度传输，无线指挥调度的可靠性大大增强。

2新时期对应急通信的新需求

近年来，我国处在自然灾害、事故灾难和社会安全等突发公共事件高发期，应急通信在突发事件处置中发挥着越来越重要的作用。在重大活动、防灾救灾、反恐维稳等突发事件现场处置过程中，应急通信系统不仅承担着及时、准确、畅通的传递第一手信息的“急先锋”角色，更是决策者正确指挥抢险救灾和维稳处突的中枢神经[9]。传统的应急通信以窄带话音业务为主，可视化和多媒体指挥调度能力不足，尤其在环境相对复杂的应急现场，缺乏有效的通信覆盖保障手段。为了更好地维护社会经济建设发展，提高新形势下突发公共安全事件的处置效率，对应急通信系统提出了新的要求。

1)基础通信设施的低依赖

突发公共事件时间和地点具有不可预知性，因此对事件区域的基础通信设施状态具有不确定性，从而要求应急通信系统应降低对基础通信设施的依赖，以满足在缺乏基础通信设施支撑的场景下能够快速建立事件区域的通信覆盖。尤其在重大公共安全和救援事件中，具备无固定设施依托的通信能力是提升事件处置团队自身生存能力的重要保障。

2)指挥调度业务的多样化

随着信息通信技术的发展，应急现场的数据由单一向多元化发展，及时交互突发事件现场的综合化数据是快速完成事件处置的关键要素。应急现场指挥中心必须通过语音、数据、视频等多种方式准确把握突发事件现场的态势，在取得全局信息的情况下行使指挥调度命令。

3)端到端的互联互通

在突发公共事件处置过程中，事件处置团队一方面是处置命令的一线执行人员，同时也对上提供各项行动命令的决策参考，这要求事件处置团队中的个体成为信息节点，具备多媒体信息采集和交互的能力，并且能够端到端开展信息交互，提升决策效率和执行力。

4)处置力量的动态编组

应急现场的处置任务、团队分组和指挥关系多样，针对瞬息万变的现场态势，事件处置团队的编组必须反应灵活、快捷有效，以确保及时协调各方资源与力量，实现动态编组。

在突发公共事件的应急通信保障中，商业公众通信网络的使用受到限制(被动损毁或主动强制关停)，宽带集群通信系统采用无线专网，可以充分保证应急通信指挥调度的业务传输，并且系统支持群呼和直呼等快速指挥调度功能，满足包括多媒体业务并发同传、端到端互联互通以及力量动态编组的需求，无疑是新时期应急现场指挥调度的重要保障手段。

3宽带无线中继传输在应急通信中的

应用分析

3.1概述

在TD-LTE宽带集群通信系统中，集群基站、接入子系统、核心网子系统都依托固定的光纤骨干网络实现互联，在地震、洪水等、暴恐袭击等应急现场，固定和移动基础通信设施都可能受到损毁，也都可能人为关停，从而降低TD-LTE宽带集群通信系统在应急现场的可用性。

本文在集群基站之间、以及集群基站与核心网之间构建中继传输节点，采用宽带无线通信技术打通集群基站之间、以及集群基站与核心网之间的无线通信链路，作为TD-LTE宽带集群通信系统骨干传输链路的无线补充，有助于降低TD-LTE宽带集群通信系统对基础通信设施的依赖，对TD-LTE宽带集群通信系统在应急通信中的拓展应用也具有较高的现实意义。

在TD-LTE宽带集群通信系统中，集群基站之间的互联遵循X2接口规范、基站与核心网之间的互联执行S1-T接口规范，而S1-T和X2的接口数据都是基于IP传输的，作为无线互联的补充，宽带无线中继传输系统只需要提供无线TCP/IP服务，承载S1-T和X2接口数据。此外，针对应急现场可能的复杂通信环境，中继传输节点需要具备系统组网能力，但是网络结构应尽量扁平化，支持多节点的无线网络自组织，支持网络拓扑的动态变化及自适应、支持业务数据的多跳路由等。

3.2单站无线回传应用

在小规模非法聚集、楼宇火灾救援等突发公共事件现场，专用集群通信系统未有效覆盖或者基础通信设施不可靠的场景下，需要派驻一辆机动通信车进入事件核心区域，建立无线应急通信覆盖，以便为事件处置团队提供网络支撑，形成信息化协同处置能力。现场指挥中心驻扎在核心区域外围，部署核心网子系统、业务子系统和宽带无线中继传输设备，系统网络拓扑示意如图2所示。机动通信车同时搭载集群基站和宽带无线中继传输设备，通过集群基站完成事件现场的宽带无线通信覆盖，通过无线中继传输链路实现集群基站与核心网数据无线连接，事件处置团队通过专用终端接入现场架设的专用集群通信系统，实现语音、数据、视频等多媒体信息的无线交互，保证指挥中心对事件现场的可视化指挥调度。

图2　单站中继回传应用示意图

3.3多站无线中继组网应用

在地震、洪水、森林大火、暴恐活动等大范围受损的突发公共事件现场，基础通信设施的可靠性较低，为实现全域范围的应急通信覆盖，往往需要部署若干机动通信车，事件现场的车载集群基站之间、与应急现场指挥中心之间都可以通过宽带无线中继传输系统实现多站无线组网，构建起应急现场的无线骨干传输网络。同时，根据应急现场通信环境的需要，还可以在应急现场部署搭载宽带无线中继设备的无人飞行平台，以巩固和强化应急现场骨干网络的可靠性，提升数据交互的稳定性。

采用多站无线中继组网的宽带无线集群通信系统可以快速实现应急现场的通信全覆盖，便于指挥中心及时有效的掌握突发事件区域的全局态势，并且在综合研判的基础上开展指挥调度。系统网络内的专用终端能够在全网范围内通信、交互、切换和漫游，以提升事件处置团队的协同工作能力。系统的网络拓扑如图3所示，采用多站无线中继组网的TD-LTE宽带集群通信系统将不再受限于基础通信设施，具有更灵活的机动部署能力和多场景适应能力[8-13]。

图3　多站中继组网应用

4小结

TD-LTE宽带集群通信系统的通信传输技术已经过大规模的组网应用验证，并且能够伴随LTE技术的演进而持续升级发展。随着国家加速推进自主知识产权TD-LTE技术的行业应用，TD-LTE宽带集群通信系统有望纳入国家层面的应急通信保障体系。将宽带无线中继传输与TD-LTE宽带集群通信系统相结合，能够大大降低系统对固定通信设施的依赖，促进TD-LTE宽带集群通信系统在应急通信中发挥出更强的作用，有利于我国自主知识产权应急通信保障体系的建设。

参考文献：

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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

中图分类号：TN911

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.024

作者简介：

赖晓阳(1982— )，博士生，主要研究方向为宽带移动通信系统信号处理及网络协议关键技术；

朵琳(1974— )，女，博士生，主要研究方向为下一代网络技术。

责任编辑：闫雯雯

收稿日期：2016-04-15

文献引用格式：赖晓阳，朵琳. 宽带无线中继传输在应急通信中的应用研究[J].电视技术，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.