基于350M/340M频率重耕的宽带集群通信技术探索与研究

2020-03-28孙慧洋巢余红舒涤非管新俊公安部第一研究所

警察技术 2020年2期

孙慧洋巢余红舒涤非管新俊公安部第一研究所

一、公安无线通信业务需求变化

公安无线专网建设和发展经历过警用模拟集群、TETRA数字集群、警用数字集群（PDT）等若干阶段。上述技术在公安无线通信发展历史进程中，均发挥了不可替代的作用。公安无线专网充分利用国家分配的专用频率资源，以351MHz～356MHz、361MHz～366MHz频段为核心，结合公安可使用的336MHz～344MHz频段，积极发展无线集群专网和视频传输网。到目前为止，警用数字集群（PDT）系统已经成为公安无线通信骨干网，是各级公安机关指挥调度核心通信网，340MHz视频图传系统在应急处突中也发挥了重要作用。

但是随着我国经济高速发展，社会结构日趋多元化，对公安机关执法水平和能力也提出了更高的要求。在现阶段，各级公安机关已经逐渐感到现场多源信息对指挥调度的重要性，特别是现场视频信息回传在指挥决策过程中所发挥的作用已经不亚于语音信息，甚至在一些场景下比语音信息还重要。笔者将现场视频回传定义为关键视频业务，此业务现阶段主要依靠现有的有线视频网、公网图传、340M图传、卫星图传等手段开展应用。上述这些通信传输手段各有缺点，无法有效保障关键视频业务应用达到与集群语音业务应用同等水平，不能够满足实战要求和应用发展。

在没有新的无线频率资源使用的条件下，为解决以语音调度、定位、关键视频、关键数据为主的核心业务应用需求，公安部第一研究所和华为技术有限公司合作，尝试基于公安现有可用的350M和340M频率资源，利用LTE技术和SUL技术，通过研究新一代宽窄带融合集群技术，探索未来公安无线专网发展新方向。

二、基于350M和340M频段的宽窄带融合技术方案

（一）基本技术思路

公安无线专网工作在351MHz～356MHz/361MHz～366MHz范围内。结合LTE技术，可以尝试在上述频段中的上下行各划分出1.4MHz带宽资源用于LTE宽带应用，如图1所示。在1.4MHz×2带宽中，使用FDD-LTE技术，采用BTrunC标准，实现宽带集群功能。

同时，在340M频段，采用SUL技术方案，实现4M或8M带宽的上行传输。

按照LTE技术体制，技术上支持350M频段上下行分别采用1.4M/3M/5M等不同频率资源实现宽带集群。考虑到当前情况下350M频段专网主要使用PDT技术，可以优先采用上下行各拿出1.4M带宽资源用于宽带LTE集群的方案，以减少对现网的影响。

如果采用1.4MHz×2 FDD-LTE（350M频段）+SUL（340M频段）技术方案，则能够实现：

（1）在350M频段， PDT技术和LTE技术两者共存；

（2）PDT技术主要保证语音通话；

（3）350M频段的1.4MHz×2 FDD-LTE主要作为宽带系统锚点，同时支持部分语音通话和有限宽带下行业务；

（4）340M频段的4M或8M 采用SUL 技术主要实现数据单上行应用。

（二）系统架构和组成

与PDT等集群系统类似，LTE宽带专网系统的基本架构如图2所示，可分为“云、管、端”三大部分。

（1）云：主要指集群系统调度平台以及各类应用平台、数据平台；

（2）管：主要包括核心网和基站两部分；

（3）端：各类无线终端，包括手持式终端、车载式终端、数据终端。

在350M频段，LTE系统和PDT系统共存融合，可以在以下几个层面开展：

（1）业务平台：通过综合业务调度平台实现语音、定位、短消息等业务的宽窄带融合。

（2）核心网：宽带集群系统的核心网由演进的移动管理单元（eMME）、演进的核心网网关（eXGW）、演进的归属用户服务器（eHSS）、集群控制功能模块（TCM）和集群媒体功能模块（TMM）组成，具备支持与其他集群系统（1.4G政务网）、PDT系统等实现统一核心网的能力。

（3）基站：宽带集群专网基站（T-eBN）采用BBU+RRU架构。BBU（基带处理单元）和RRU（射频拉远单元）通过光纤连接。华为针对公安现有频段研制了350M、340M一体化基站。在一套基站设备中同时支持LTE技术、SUL技术和PDT技术，同时支持350M、340M两个频段，实现在基站侧的宽窄带融合应用。同时，BBU还可以接入1.4G频段的RRU。宽带专网基站采用SDR平台，即软件定义无线电（Software Defined Radio）平台，通过软件来实现无线通信中的功能模块（如滤波、信号放大、调制解调等），摆脱了硬件的限制，功能的增加和修改通过软件升级完成，开发、调试和维护的成本都大大降低。

（4）终端：根据承载业务目标不同，宽带专网终端基本可以分为手持台、车载台、CPE、数据终端等。针对350M、340M频段，华为公司研制了专业手持台，同时支持350M/340M/1430M/1447M等专网频段，以及公网运营商全频段，具备宽带专网集群功能和各类宽带移动业务。由于在终端侧宽窄带业务的具体使用方式还有待细化，具体的应用方式影响宽窄带多模终端设计开发，所以宽窄带多模终端的研制还需要进一步探索。

三、业务容量分析

（一）语音容量分析

对于LTE宽带系统考虑采用国产NVOC声码器，便于与PDT系统实现互通和端到端加密。为了保证边缘用户的性能，达到连续覆盖，MCS（Modulation Coding Set）需要设置为合适的范围。根据仿真与实测结果，为了保证LTE集群的连续覆盖，MCS取值为3（调制方式QPSK，码率0.4左右）。考虑上述的MCS设置，LTE语音采用半静态配置，半静态周期为20ms，则NVOC语音每20ms需要占用3个RB（频率上连续12个子载波，时域上1个slot，为1个RB，1个子载波带宽为15KHz，1个RB带宽为180KHz）。考虑系统下行业务信道同时需要承载同步信道、PBCH、SIB、寻呼信道等公共信令及为动态调度预留，将20ms中的12个子帧用于语音承载，则可以分析出在LTE系统占用不同频率资源条件下，宽带系统的单小区或三扇区基站在考虑组网条件下的语音承载能力，见表1。从下表中分析可见，宽带系统随着其所用频率资源的提升，其单基站或单小区所能提供的语音业务能力较窄带系统有较大提升。

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考虑到宽带占用350M频段上下行1.4MHz×2、3MHz×2带宽时，宽窄带共存情况下，宽窄带共存单基站语音业务容量如表2所示。此时，PDT系统频率分配按无三阶互调分配，符合相关文件要求。PDT单基站最大载波数位16载波，一般实际可用语音信道数为30个。从表2中可以分析出，虽然宽带占用了部分频率资源，造成了PDT系统语音信道数减少（平均可能减少2到3个语音信道），但由于宽带系统的补充，实际上宽窄带共存基站的语音业务容量大于窄带系统。

（二）视频业务容量分析

在分析系统视频业务容量前，首先对其吞吐量进行评估，需要峰值吞吐量与平均吞吐量。峰值吞吐量考虑在理想信道（最佳）条件下可达到的容量水平，分析LTE系统采用三扇区定向站组网时的业务承载能力，平均吞吐量（即规划容量）基于系统仿真得出。分析350M频段宽带系统，组网条件下吞吐量时，参见表3。

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如果在340M频段，系统支持SUL技术，那么上行吞吐量会有明显的提升，具体估算见表4。

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在上述分析的基础上，进一步分析宽带系统视频业务容量。以1Mbps带宽视频为例，考虑视频回传终端在覆盖区内均匀分布，宽带集群通信解决方案可以支持视频容量见表5。

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（三）定位业务容量

宽带集群定位（GIS）业务忙时每用户业务量仅占不到0.2kbps，单基站GIS业务的并发能力可达每秒1万次至10万次GIS定位信息上报。GIS定位能力不受限于空口资源，受限于单基站的GIS上报处理能力。当前，350M宽窄带单基站每秒至少可处理6千次GIS上报，每分钟处理36万次GIS上报。相比于常见的PDT单基站一个专用信道的GIS上报能力为单信道1000次，LTE系统的GIS业务能力有大幅提升。

四、覆盖能力分析

（一）传播模型

以Okumura-Hata（奥村-哈特）模型为基础，采用PDT网络建设时所得的实际路测数据、结合不同的典型网络覆盖场景，校正后得到350M/340M宽带专网传播模型。

1. Okumura-Hata（奥村-哈特）传播模型

说明：

（ 1）PL为城市市区的基本传播损耗中值；

（ 2）d的单位为km，f的单位为MHz；

（ 3）hb、hm——基站、移动台天线有效高度，单位为米；

（4）移动台天线高度修正因子：

2. 三种典型网络覆盖环境下的传播模型

通过总结PDT网络规划工作所获得的数据以及PDT现网基站建设数据，分别列出三种典型网络覆盖环境及关键参数：

（1）密集城区（大型城市，PDT基站覆盖半径大多数为2.5km）基站下行覆盖边缘信号强度：-85dBm；天线高度：100米；

（2）一般城区（大型城市，PDT基站覆盖半径大多数为4.2 km）基站下行覆盖边缘信号强度：-90dBm；天线高度：80米；

（3）郊区（PDT基站覆盖半径大多数为6.8 km）基站下行覆盖边缘信号强度：-95dBm；天线高度：50米；

（二）覆盖半径预测

链路预算参数是系统覆盖半径预测的主要依据，选取宽带集群常用参数，小区边缘速率为1Mbps，具体见表6。

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LTE宽带专网使用350M/340M频率时，通过链路预算仿真后，在不同传播环境下，LTE宽带专网基站覆盖半径和覆盖面积与PDT基站相比见表7。

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在上述条件下，覆盖同样面积，350M LTE基站数量大约为PDT基站数量的2倍。

同时，借助覆盖仿真，将350M宽带技术与其他频段宽带专网进行覆盖比较，见表8。

三种频率的覆盖能力，覆盖同样面积，350M/700M/ 1.4GHz的基站数量比例大约为1:2:6。

五、共存干扰分析

（一）同一地区宽窄带共存干扰分析

在同一地区，特别是已建设PDT系统的地区，基于PDT系统建设实际情况分析，宽带系统（主要是基站）可能出现以下三种与PDT系统（主要是基站）共同工作的情况：

（1）PDT基站与LTE基站共站、共天馈部署；

（2）PDT基站与LTE基站共站、独立天馈部署；

（3）PDT基站与LTE基站共存部署。

在上述的三种情况下，有针对性的分析PDT基站、LTE基站、PDT终端和LTE终端四类设备之间存在的八种干扰，如表9所示。

利用华为设备在上述场景下进行干扰分析，初步得到如表10所示结论。

进一步分析结果，LTE设备与PDT设备间基本无干扰，或相互间产生的干扰不大于PDT设备间产生的干扰，基本不影响PDT和LTE设备使用。在研究的过程中，也发现PDT大功率车台与宽带设备共同使用时，虽然与PDT设备之间使用一样会产生干扰，但还需要进一步在多种实际使用环境下进行定量的测试，明确避免出现近场干扰时两种设备间的最小距离。