一种基于LTE的战术无线宽带通信系统

王艺燃，孙 权，焦 龙，霍 菁，李霖枫

(中国电子进出口总公司，北京 100036)

一种基于LTE的战术无线宽带通信系统

王艺燃，孙 权，焦 龙，霍 菁，李霖枫

(中国电子进出口总公司，北京 100036)

提出了一种基于LTE的战术无线宽带通信系统，可为半径为8 km范围的战术区域提供稳定的无线宽带通信信号覆盖，实现面向多种战术应用的宽带数据传输和集群话音、视频通话功能。对系统功能和性能进行了试验验证，试验结果显示，在MIMO天线采用空间分集设置条件下，单基站可在半径为8 km的区域内同时提供上行宽带约15 Mb/s、下行宽带约28 Mb/s的数据传输能力以及多路RS-422串口数据传输能力，并可在数据传输的同时进行多种模式的战术集群通话，满足战术通信业务需求。

LTE；无线通信；VPN；软交换

0 引言

在反恐作战、边境巡逻、区域防空作战等战术应用环境下，需通过无线通信手段实现阵地内人员、装备之间的话音和数据传输。话音通信包括指挥机构之间的点对点通话、电话会议通话以及集群通话。数据通信包括战场宽带多媒体数据的实时传输，以及传感器、作战装备、指控装备之间的参数和命令传输等[1-2]。

现代战场环境下，通信系统需承载的战术业务类型越来越丰富，对通信系统的能力要求越来越高，传统的通信装备已难以满足战术应用需求。传统的战术通信手段存在带宽窄、数据传输速率低、用户容量小、拓扑结构固定、系统扩容困难等应用缺陷[3]。

应用于民用宽带移动通信领域的LTE(Long Term Evolution)技术标准具有传输稳定、频谱利用率高、误码率低、组网灵活、业务样式丰富等优点[4-8]。基于这些优势，LTE技术在反恐、军事等特殊领域的应用受到越来越多的重视，但在这些应用场景中，传统的LTE通信系统存在大区制工作方式下信号覆盖范围小、单一通信终端无法接入多台IP用户设备、话音调度业务功能难以满足战术应用需求等缺陷[9]。

本文提出了一种基于LTE的战术无线宽带通信系统，在充分利用LTE标准技术优势的同时，面向战术应用进行了优化设计。

1 LTE战术宽带无线通信

本文提出的基于LTE的战术无线宽带通信系统，通过虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)技术解决在单台通信终端下接入多路信息设备的问题，通过专用天线实现信号覆盖范围的提升，通过基于软交换技术的调度服务器实现视频调度以及IP电话与采用PTT键通话的通信电台之间的战术集群话音调度功能。

1.1 系统架构

系统的组成架构如图1所示。系统由通信中心站和指挥型通信机、背负式电台两种通信终端构成。

通信中心站一般搭载于专用的通信车上，通过LTE通信基站提供无线通信信号的覆盖，完成数据和话音的双向传输。通信中心站的通信管理设备包括网络交换机、VPN服务器、调度服务器和调度终端。可通过网络交换机接入本地卫星通信设备，实现本系统与上级通信站点的实时通信。

图1 基于LTE的战术无线宽带通信系统理图

指挥型通信机适用于各类指挥所或指挥车，可通过VPN客户端同时接入多部IP电话和计算机，或通过接口转换模块将IP网络数据转换为指定的通信接口(如RS-422、RS-485接口等)数据，实现与传感器等装备的数据传输。

背负式电台适用于对便携性有较高要求、需采集战场视频、采用PTT(Push To Talk)形式进行战术通话，或需要对高炮、便携式防空导弹等作战装备进行数据通信的作战单位使用。

1.2 VPN系统

在战术通信系统中，位于指挥所、指挥车等节点的通信终端通常需要接入多路信息设备，如IP电话、笔记本电脑、传感器等，并与其他通信终端下的信息设备进行交互，而LTE协议本身的NAT功能并不支持这种访问方式。

本系统采用VPN 技术实现该功能，以LTE宽带无线通信网络为平台，通过通信中心站的VPN服务器对LTE网络进行虚拟网络扩展，为全网指挥型通信机的接入设备提供虚拟的专用传输通道，并通过指挥型通信机的VPN客户端实现本地多路设备的扩展接入。

1.3 调度功能

通过设置于上级通信节点和LTE通信中心站的调度服务器与调度终端进行高清视频业务的接入处理以及战术话音的调度。话音传输基于SIP协议，话音调度功能包括点对点拨号、电话会议、广播、通拨等[10]。上级通信节点与多个LTE通信中心站的调度服务器之间可联网工作，继而实现上级通信节点和多个LTE宽带子网之间的视频、话音互联。战术通话方式主要包括以下几种。

(1) IP电话之间：上级通信站点、通信中心站以及连接在指挥型通信机的IP电话间通过拨固定号码进行点对点拨号通话或电话会议通话。

(2) 背负式电台之间：背负式电台采用PTT手柄进行通话，根据指挥层级关系，电台的人机界面预设有多个可定义的拨号快捷键，可进行点对点通话或点对多点通拨通话。

(3) IP电话与背负式电台之间：指挥机构的IP电话可通过拨预设号码对下属背负式电台进行点对点通话或广播通话。

上述通话过程中，可通过所在网络的调度终端对正在进行的通话进行强插、强拆等操作。

1.4 天线

为了满足战术使用的信号覆盖范围要求，系统采用了高增益的基站天线和终端天线，并基于军用背景加大了基站与终端的发射功率。系统所使用的基站与终端的天线基本设计参数如表1所示。其中，DX-LTE1为终端天线，DX-LTE2为基站天线。

表1 天线参数

2 试验验证

2.1 试验环境

2015年11月20日在合肥市郊进行了本系统的实地测试验证工作。通信中心站配置于合肥市滨湖新区南淝河大桥中段偏西处，各通信终端分别配置于中心站西侧距中心站3 km、5 km、8 km处。3 km～5 km之间设置用于测试背负式终端得动中通性能的路段。

通信中心站采用车载方式，天线通过升降杆升高至约6 m高度。通信节点的终端天线架设高度约1.8 m。各通信节点的试验设备如表2所示。其中，将5 km通信节点的指挥型通信机设置为全部背负式电台的上级指挥站，在全部背负式电台中，5 km通信节点处的182#为指挥机，即可对其他电台进行一键通播通话。测试前通过通信中心站的调度终端对上述话音调度关系进行配置。114#通信机和184#电台各设置一个RS-422串口，用于测试接口转换传输能力。为了保证战术环境下的信息传输可靠性，系统天线均采用空间分集模式。

表2 试验设备编号

2.2 宽带传输试验

使用FTP软件进行多线程数据上传和下载，记录传输速率。

(1)单站最远距离传输试验

首先测试在8 km的设计极限距离上单站同时上传下载多个文件的数据传输速率，通过114#通信机接入的计算机与中心站的计算机进行双向数据传输试验2次，测试结果如表3所示。

表3 宽带传输试验I

(2)多站并发传输试验

首先进行单站上行、多站下行的并发数据传输测试。通信机102#的计算机向基站计算机上传文件，119#、114#的计算机从基站计算机同时下载文件，3次测试的通信速率如表4所示。

表4 宽带传输试验II (Mb/s)

由试验结果可见，在多站双向通信条件下，系统总的上传、下载速率较单站传输略有下降。

其次进行多站同时上行的并发数据传输测试。102#、119#、114#三站的计算机同时上传文件，3次测试的通信速率如表5所示。

表5 宽带传输试验III (Mb/s)

第1次测试与第2、3次测试数据相差较大，这是由于后两次测试采用了更多的传输线程。总体而言多次试验性能参数稳定。

由多站并发传输试验可见，各个并行站所分得的传输资源与其信道状况有关，在同样的射频性能条件下，随着与通信中心站距离变远，终端的通信性能有一定的衰减。

2.3 接口转换传输试验

在多站并发传输试验的同时，通过8 km节点的114#指通信机和184#电台进行接口转换传输能力测试。通过通信中心站的计算机向两个终端各发送一路RS-422串口数据，从各自的串口读取接收到的数据并测试误码率，测试结果如表6所示。

表6 接口转换传输试验

试验结果显示，在满负荷宽带传输的条件下，通信终端RS-422串口传输的误码率为0，具备良好的误码率性能，可以满足战术装备的数据传输要求。

2.4 战术话音与视频传输试验

在多站并发传输的情况下进行战术话音和视频传输试验，测试话音和视频的调度能力以及数据-话音同传的稳定性。

(1) 话音传输试验

IP电话点对点试验结果如表7所示。试验结果显示，在全系统满负荷数据传输的条件下，通信机接入的IP话机之间可相互拨号通话，且话音效果良好。

IP电话与背负式电台之间，以及电台彼此间的拨号通话试验结果如表8所示。当IP电话对背负式电台拨号时，系统在拨号后立即建立并接通通话，但试验中存在0.5～1 s的通话建立延时时间，这是由于试验系统中背负式电台采用的是基于Android系统的软电话设计，存在一定的软件内部延时，该延时可在后续的软件优化中予以消除。

表8 通话试验II

两种终端的通播功能试验结果如表9所示。试验中，部分电台在通话建立后通过自身人机界面的“挂断”键进行主动挂断，部分通过主叫方挂断进行被动挂断。

表9 通话试验III

试验结果显示，在VPN系统和调度服务器的支持下，本系统可以实现IP电话与背负式电台PTT话音之间的点对点拨号通话与点对多点通播通话。

(2)视频传输试验

在多站并发传输的情况下，采用118#电台进行“动中通”视频传输性能测试，该电台搭载于车辆上，沿3 km节点东西向各2 km的路段往复行驶。为保证信号不被车体阻断，将电台天线固定于车辆顶部。该电台与181#～184#电台的视频传输试验结果如表10所示。

表10 视频传输试验

3 结论

本文提出了一种基于LTE的战术无线宽带通信系统,解决了传统LTE通信系统信号覆盖范围小、单一通信终端无法接入多台IP用户设备、话音调度业务功能难以满足战术应用需求等缺陷，可为战术区域提供稳定的无线宽带通信信号覆盖，实现面向多种战术应用的数据传输和集群话音通话功能。试验结果显示，系统所采用的基站与终端天线可以满足8 km的宽无线信号覆盖，VPN系统可为数据传输和话音通话提供稳定的NAT应用支持，调度服务器可在高速数据传输的情况下保障战术话音和视频业务的建立和传输，且系统具备稳定的动中通能力，为反恐作战、边境巡逻、区域防空作战等战术应用环境提供了一种切实可行的综合通信解决方案。

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[4] 孙昀. TD-LTE 业务和终端现状及发展趋势[J].电信工程技术与标准化, 2010, 23(12):13-16.

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A tactical wireless wideband communication system based on LTE technology

Wang Yiran，Sun Quan，Jiao Long,Huo Jing,Li Linfeng

(China National Electronics Import & Export Corp., Beijing 100036, China)

A tactical wireless wideband communication system based on Long Term Evolution (LTE) technology is proposed in this paper, which can provide a stable communication network of 8 km coverage radius and support various tactical applications such as data transmission, trunking call and video call. The functionality & performance of the system are validated by field experiments. Experimental results show that under the condition of setting antenna in spatial diversity receiving mode, within 8 km radius coverage area, a single base station provides simultaneously up-link 15 Mb/s & down-link 28 Mb/s data transmission rate, multichannel RS-422 data transmission capability, and multi-mode tactical trunking call capability.

LTE; wireless communication; VPN; soft-switch

TN924

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.017

王艺燃，孙权，焦龙，等. 一种基于LTE的战术无线宽带通信系统[J].微型机与应用，2016,35(24)：57-60.

2016-07-22)

王艺燃(1984-)，男，博士，工程师，主要研究方向：通信与信息系统、信号与信息处理、卫星导航系统。

孙权(1986-)，男，博士，工程师，主要研究方向：无线通信系统、物联网系统。

焦龙(1988-)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向：无线通信系统、电子对抗技术。