公安340M无线宽带通信系统在应急通信中的融合应用

李 菲，冯大健，管 鲍，郜旭凯，冷川川

（1.四川省公安厅，成都 610041；2.海能达通信股份有限公司，深圳 518057）

1 引言

随着社会的高速发展，人民群众对公共安全的要求也日益提升，公安部门除了日常警务工作以外，还需要处置各种应急事件。反恐处突、抢险救灾任务具有很强的突发性，处理难度大，重大活动安保任务日趋常态化，参与人员多，业务多样。在这些应急任务的处置过程中，保障现场以及现场和各级指挥中心的通信顺畅非常重要。

应急任务的发生时间和地点具有很强随机性，而且地形复杂多样，要求应急通信系统具有快速、灵活组网的能力。应急通信业务也在从语音业务向多媒体业务加速转变，大容量的高清视频回传需求对无线通信技术也提出了更高的挑战。城市重大活动的安保、灾害较多地区的抢险救援、多民族区域的群体事件发生的频率日趋频繁，应急通信网络的使用也渐趋常态化。

面对这些需求，传统的无线应急通信手段无法完全满足实战要求。移动基站、自组网等设备能够解决现场通信问题，但只是一个孤立的系统，缺乏大范围覆盖和回传能力。卫星便携站容易受地形和天气影响，使用场景受限，而且传输容量有限，很难提供全天候、大范围、高容量的覆盖和回传能力，而且卫星通信频段需要提前申请，操作需要专业人员指导，实战效果都会受到影响。当前常用的通信设备主要是针对单兵使用，无法常态化使用，对于日益频繁的保障工作，临时架设网络不是很方便。

在新的形势下，公安部门需要一套技术先进、实战性强，而且性价比高的无线应急通信解决方案，既能够常态化使用，也能够兼顾应急应用。基于四川省应急通信实际需求，本文提出了新的无线应急通信网络发展思路，充分利用340M频段资源，在本地进行应用实验，为下一步规模部署奠定基础。

2 四川省应急通信网络建设思路

四川省公安应急保障任务较为频繁，难度大，主要体现在以下几个方面：山区较多，地质灾害发生频繁，抢险救援工作日趋常态化，而且救援事件和地点突发性强，很难提前准备；多民族混居区域较多，而且交通不便，群体事件处置较为频繁和困难；大城市的重大活动较多，安保工作较为频繁，参与部门多，协调难度大。

面对频繁发生的突发应急保障任务，四川公安部门将应急通信保障工作分为以下4个等级：

（1）现场基本通信保障：保证现场语音指挥调度需求，能够与外界进行基本通话。

（2）现场指挥部通信保障：保证现场指挥部与救援人员之间的音、视频通信。

（3）远程可视化指挥通信保障：保证现场与各级指挥中心之间的音、视频通信和多媒体交互，具备指挥现场警力的能力。

（4）各类资源共享保障：保证不同部门人员之间的信息共享，协调工作。

前两个保障等级属于现场音、视频通信任务，移动基站、自组网等设备能够较好地支撑这些任务。但是，后两个保障等级涉及到大范围多媒体业务通信和远距离回传，需要打通省、州/市、区/县和乡镇事发地之间的通信链路。尽管省内公安有线网络已经部署到所有的区县公安局和大部分的乡镇派出所，但是当应急事件发生的时候，乡镇事发地和区县之间的有线网络容易遭受损坏，造成通信隔断。在大部分应急保障的过程中，打通乡镇和区县之间的通信链路是首要解决的任务。基于这些实际情况，以区县为中心，建立常态化的广覆盖无线专网，能够快速、灵活且低成本地向下延伸覆盖到乡镇事发地点，对于应急保障任务较为频繁的地区是一种非常适用的发展思路。基于这个思路，四川省未来公安应急通信网络架构设想如图1所示，省、州/市和区县之间以有线网络通信为主，应急无线专网作为有线网络的延伸连接乡镇和区县，乡镇事发地点通过现有的单兵系统，如移动基站、自组网和卫星便携设备等，进行现场通信保障。这种灵活、机动的融合应用方案有效地扩大了应急通信覆盖的范围和应用场景，提升了多媒体业务回传的能力，而且也充分利用了现有的网络资源，节约了建设成本。

在上述建设思路中，以区县为中心建设常态化的广覆盖无线宽带专网是关键的环节之一。目前公安部门能够用于宽带专网建设的频谱只有1.4GHz 和340M两段频率，从覆盖成本以及频谱资源协调等方面考虑，340M频段是较好的选择。公安部在2017年底废除了原有340M图传标准，而且该频段在四川省内的使用也非常不充分、不系统，特别是在区县一级基本被闲置，如果长期不充分利用，则有可能被其他部门占用，这对于公安部门是很大的损失，因此公安部门需要尽快充分地利用好340M频谱资源。

图1 四川省应急通信网络架构设想

3 340M无线宽带专网设计要求

在公安340频段上建设以区县为中心的常态化无线宽带专网是四川省公安应急通信保障的关键任务之一，根据四川省的应用特点，340M无线宽带专网设计需要重点考虑以下几个方面的问题：

（1）技术体制。应该遵循主流的3GPP技术体制，充分利用4G、5G的先进技术和成熟的产业资源，保证当前建设系统向后演进的便利。

（2）组网模式。应该具备包括蜂窝组网、自组网等多种模式的组网能力，灵活、机动，适应应急保障复杂多样的应用场景。

（3）覆盖能力。需要尽可能的继承公安PDT系统的大区制特点，通过融合组网的模式，降低广覆盖网络建设的成本。

（4）业务模式。需要进一步提升上行传输的能力和容量，帧结构能够灵活配置，下行以组播模式为主，上行以单播模式为主，匹配应急多媒体业务模型。

（5）系统互通。具备端到端的业务质量（QoS）保障机制，便于和其他系统的业务互通，实现融合通信。

（6）安全特性。具备端到端的安全保护能力，支持特定安全算法。

专门针对公共安全业务，3GPP在最新的标准中增加了邻近服务（ProSe）功能，该功能利用D2D 和自组网技术，能够支持宽带终端之间的脱网直通、多跳桥接以及终端自组网等功能。基于3GPP最新的技术，我们建议340M无线宽带通信专网采用如图2所示的网络架构。整个无线网络分为核心网层、蜂窝接入层和邻近接入层，其中邻近接入层对应ProSe功能。通过邻近接入层，以区县为中间的蜂窝无线专网能够快速、灵活且低成本的向下延伸覆盖到乡镇应急事发地点，另一方面邻近接入层也能够以自组网的形成独立使用，用于现场通信保障。

图2 340M无线宽带通信系统网络架构

在该网络架构下，基于实际应用需求，对340M 无线宽带通信系统中的关键技术和功能提出以下一些建议：

（1）增加终端发送功率能够有效提升上行链路质量和覆盖距离，这对于公安应急至关重要，建议增加车载台、单兵背负台以及CPE等大功率终端设备。

（2）多跳中继能够灵活、机动地扩展蜂窝网络的覆盖能力，对于事发地点不确定的应急场景是一种性价比较高的方案。

（3）遵循5G软件定义空口的思想，增强帧结构的灵活性。不仅仅是上、下行子帧配比的灵活性，也包括子载波间隔、传输带宽等空口波形的灵活性，从而适应不同业务和不同覆盖场景的需求，兼顾传输能力和覆盖距离，实现窄带和宽带空口波形的融合。

（4）针对车载、单兵背负等设备，增加上行MIMO 功能，进一步提升上行的频谱效率和传输容量。

（5）遵循5G标准，上行链路可以采用OFDMA 调制模式，从而增强上行链路在高速移动、密集城区以及山区丛林等多径衰落场景下的性能，这对于”动中通”、山区救援应用场景非常重要。

（6）建议系统采用3GPP定义的QoS机制和标准，能够更好地支持应急保障中多部门、多业务的融合，也便于和其他3GPP系统实现业务上的互联互通。

4 四川省实验结果

针对当前日益频繁和严峻的应急保障任务，本着充分利用公安自有340M频谱资源的目的，在上述应急无线通信网络建设思路的指导下，四川省公安部门联合相关企业在当地进行了相关的实验，在重点区县建设常态化使用的340M无线宽带专网，与现有的卫星通信系统、自组网单兵系统融合应用于重大安保、抢险救援、反恐处突等复杂的应急保障工作。

4.1 泸定县应用实例

泸定县城位于甘孜藏族自治州东南部，面积约为2000平方千米，辖4个镇8个乡，居住16个民族，是典型的多民族混居、地质灾害较为频繁的山区。为了便于在该地区进行应急保障任务，四川省相关公安部门在泸定县城建设340M无线宽带专网，并以泸定县城为中心，根据实际需要，通过多跳的方式将无线网络延伸到乡镇或者县城以外的其他地点，从而支撑应急保障任务。

根据规划，在泸定县城原有PDT站点上架设一套340M中心基站，覆盖泸定县城5千米范围的主城区，如图3（a）所示。城区5千米外的高速卡口和主城区之间有高山阻隔，主城区基站无法直接覆盖到卡口地区。在城区和卡口之间临时增加一个移动中继站点，通过多跳的方式将县城基站覆盖范围延伸到 高速卡口，如图3（b）所示。泸定县城的无线网络通过有线网络接入甘孜州和省厅天网系统，从而打通省、州、县各级公安部门到事发地的通信管道，实现远程可视化指挥通信保障。

图3 泸定县实验局覆盖情况

中心基站工作频率为336～344MHz，上、下行时隙配比3：2。对县城按两条路线进行移动路测。第一条路线从白日坝出发，沿延安路、开湘路、成武路到遵义路，第二条路线从白日坝，沿勇士路、丰碑街、成武路到红军路。两条路线的吞吐率如图4和5所示，大部分地区的上行吞吐率都稳定在10Mb/s以上，满足3～5路高清视频上传需求，上、下ˉ行合计吞吐率在15Mb/s以上，满足双向视频会议需求，少数道路被山体遮挡，流量出现一定的下降。通过中继站，高速卡口到县城基站之间的吞吐率也能够达到12Mb/s左右，满足3～4路高清视频回传。

图4 第一条路线路测吞吐率

图5 第二条路线路测吞吐率

在实际保障过程中，当地公安部门在高速卡口区域部署一辆巡逻车，利用车载基站、自组网等传统单兵设备对卡口现场进行通信保障，另外部署两辆巡逻车在城区内进行移动监控。和传统单兵设备相融合，三辆巡逻车通过340M无线网络回传多路高清视频到泸定县公安局指挥中心，解决了第1和第2级现场多媒体保障任务要求。通过有线网络，泸定现场的音、视频信息能够实时回传到甘孜州和省公安厅指挥中心，视频清晰、流畅，如图6所示，解决了第3级远程可视化指挥通信保障任务。同时，这些信息按照安全等级可以分享给其它参加保障的部门，实现多部门协作，解决了第4级保障任务。

图6 实际保障视频回传结果

4.2 覆盖和吞吐能力分析

目前实验局的中心基站采用2天线一体化小基站，基站和车载终端的发射功率都只有2×5W，在边缘速率为8Mb/s的情况下，平均覆盖半径为3千米左右。下阶段，中心基站会升级到宏基站，覆盖能力会有较大的提升。边缘速率2Mb/s的情况下，340M 单站和1.4G单站在不同地区的覆盖距离比较如表1 所示，如果考虑340M系统的多跳中继能力，则覆盖优势会更加明显。

表1 覆盖能力估算（边缘速率2Mb/s，单位：千米）

以泸定县为例，保守估计单站覆盖半径5千米，则单站直接覆盖面积为80平方千米。考虑向下延伸5千米，则单站有效覆盖面积可以达到300平方千米。全县2000平方千米区域，大概只需要6个中心基站和6个临时中继节点即可，远小于采用1.4G系统进行全覆盖的建设规模。

实验局实际测试的频谱效率为3b/s/Hz，下一阶段升级到空分复用模式，频谱效率可以提升到6b/s/Hz。

在8MHz单载波模式下，按照上、下行子帧4：1配置，平均上行吞吐量可以达到25Mb/s以上，明显大于20MHz 1.4G系统的上行平均吞吐率。在应急情况下，临时使用340M频段相邻的一些空闲频谱资源，在多载波配置下，上行平均吞吐率可以进一步提升到80Mb/s左右，这是1.4G LTE系统无法企及的水平。

表2 吞吐能力估算（单位：Mb/s）

5 结束语

应急通信保障日益成为公安部门的重要任务之一，在新的形势下，无线宽带应急网络的建设需要采用新的思路。充分利用公安自有的340M频率资源，建设以区县为中心的广覆盖无线专网，灵活、机动向下延伸到乡镇事发地点，打通各级指挥中心和事发地点之间的通信管道，是当前较为实用的一种方案，兼顾覆盖、业务和成本多方面因素。泸定县实验局的测试结果初步证明了该方案的可行性、先进性和实用性，为后续规模建设奠定了必要的基础。

未来，更多的先进技术将被引入，系统的覆盖距离和回传能力将得到进一步提升。同时，智能终端产品的推出将进一步扩展该系统的业务范畴，实现从应急业务向日常业务的转变。■

[1] 孙慧洋，王为民，刘超.宽窄带通信系统在公安应急组网下的综合应用[J].警察技术，2017（6）：24-27.

[2] 宽带集群（B-TrunC）产业联盟，LTE宽带集群通信（B-TrunC）技术白皮书，宽带集群产业联盟，2016.

[3] 段正.LTE推动宽带应急通信时代的到来[J].世界电信，2015（12）：41-44.

[4] 5G Wireless Technology Architecture[WP].IMT-2020推进组，2015.

[5] 3GPP 36.211/212/213 Release 14.