空地一体多媒体集群通信系统总体设计研究

郑绪刚，魏宏祥

（1.中国人民解放军91404部队，秦皇岛066001；2.中国人民解放军66028部队，承德067000）

1 引言

随着通信技术的发展和高速数据业务需求的日趋增长，宽带化和移动化已成为无线通信网络发展的必然趋势[1]。利用应急通信和专网通信系统进行指挥调度，不仅要“听得到”，还要“看得见、看得清”。另外，高机动场景下的广域覆盖、高效控制、团队协同和视频指挥也变得越发重要，以地面组网为主的传统应急网络已不能很好地满足上述需求。空天地一体化网络[2]是未来互联网的发展趋势，可应对未来通信中各种复杂环境和任务，其涵盖了空中平台、空基通信、地面组网等多领域的技术和产品，是通信研究的重点和热点之一。

将空地一体宽带无线通信网络与多媒体集群通信有机融合形成综合系统，充分发挥空地一体组网的诸项优势，比如：远距离、广覆盖，宽带无线通信高带宽、机动性强，以及多媒体集群系统高效指挥调度、资源共享等，同时也满足应急通信和专网通信对广域覆盖、动中通信、综合业务传输和视频调度指挥等方面的应用需求[3]。

空地一体多媒体集群通信涉及空地立体组网、宽带无线通信、多媒体集群等领域技术的有机融合，对该系统的架构方式进行研究、分析梳理其关键技术，将有益于开展更深入的研究，同时也具有巨大的市场价值。

2 现状分析

空天地一体化通信技术的迅速发展，空中通信平台通信技术日益成熟[4]，为构建空地一体新一代宽带无线多媒体集群系统提供了可能。

在空基通信平台建设方面，美国一直处于世界领先水平[5]，其在无人平台研究方面，研制了“影子200”、“猎人”等小型战术无人机，以及“全球鹰”高空长航时无人机、STS飞艇系统、高空哨兵飞艇、自由气球等多种通信系统和载体[6]。

现阶段，我国在通信、导航、对地观测和科学技术试验等领域也已基本构成了卫星体系[7]，同时无人机、飞艇等数据获取手段也日趋成熟。目前成功研制的翔龙、翼龙、利剑、彩虹、长鹰等系列无人机及“圆梦号”临近空间飞艇等已逐步投入使用[8]。

空基通信业务及带宽需求也在日趋增加。其技术手段从超短波逐步向微波、激光等发展[9]，业务速率从支持仅用于指挥控制信息传输的UHF、S频段窄带视距链路，逐步发展到C波段宽带视距数据链路，能够传输指挥控制信息和传感器数据，进而发展到战术通用数据链路和Ku频段卫通数据链路，极大提升了空空链路的业务信息传输与支持能力。

集群通信作为应急和专网通信的重要手段，经历了多次演进。基于MPT-1327标准为代表的第一代集群系统，主要支持语音通信；基于窄带数字集群的第二代集群系统，支持语音、低速数据。随着社会进步和科技发展，各行各业对多媒体业务如图像、视频等的传输需求日益强烈[10]。此外在紧急情况下，还要求集群通信系统能够实现跨系统、跨机构、跨区域的无缝对接。针对此需求，第三代集群系统开始向数据宽带化、业务多样化、终端多模化、系统IP化的方向发展[11-12]。

国内外主要专业通信设备研发厂商摩托罗拉、欧洲宇航、爱立信等纷纷与具有移动通信技术优势的商业网络设备厂商合作，旨在将移动通信技术与集群通信技术结合起来，发展专业宽带移动通信技术，并形成了McWill系统、普天的Eastone系统和基于TD-LTE的宽带集群等典型应用系统[13-14]。

虽然基于空地一体组网和宽带多媒体集群通信等技术已日趋成熟，但如何将两者综合起来实现统一设计，在发挥各自系统优势基础上，为应急、专网通信提供更好的服务，相关的研究还很匮乏，有必要对系统的架构设计及关键技术进行梳理，为系统构建提供有益参考。

3 系统架构设计

空地一体多媒体集群通信系统具有网络规模庞大、组成复杂、网络拓扑变化频繁、信息类型丰富多样等特点。系统架构设计不仅要考虑架构的可扩展性和灵活性，还需根据多媒体集群业务特征加以设计，以更好满足业务需要[15-16]。

面向指挥控制需求，应考虑网络架构如何满足业务的低时延高可靠传输；面向多用户接入、分群分组等需求，则应考虑网络架构如何实现多用户快速接入，以及业务的组播、广播等。以4G、5G通信体制为借鉴，设计出系统总体架构，如图1所示。

图1 空地一体宽带多媒体集群系统架构

在此引入软件定义网络（SDN）控制、转发分离的概念和网络虚拟化的思想，以简化网络结构。设计统一、开放的控制及服务API接口，控制API将网络设备、资源进行抽象、虚拟化表达，实现对网络资源灵活的按需调配；服务API为指挥控制、视频调度、群组通话等业务提供统一的服务支持，有利于业务的扩展应用[17]。面向业务组播、多播和单播并存的传输需求，设计了以最大化系统的逻辑服务提供数量（Logical Service Provision Number,LSPN）为优化目标的单播和多播融合带宽分配机制，可通过分析获得系统单播与多播业务的优化的比例。

基于该架构实现的空地一体宽带多媒体集群通信系统将具有如下能力：

高效的指挥控制能力：提供完备的控制功能，通过多媒体方式进行大规模指挥调度，信息上传、下达迅速准确，决策正确；

灵活的机动重组能力：支持以重新组态、重复利用和更新系统组态或子系统的方式，快速灵活调整系统工作流程；

架构可扩展能力：系统在当前架构基础上通过相应扩展之后能够达到更大的地域覆盖，提供更强的多媒体集群能力，同时该网络架构也能实现各种设备之间的互通互联。

4 关键技术分析

为了实现广域覆盖、无线宽带、最低时延的多跳集群信息传输服务，对空地一体宽带多媒体集群系统提出以下需求：

1)不受地形限制的全天候中继通信和宽带接入网；

2)保证空空中继、空地接入网的远距离、高速率通信；

3)多媒体集群功能需要考虑网络多跳所带来的性能影响。

为满足上述需求，还需突破多项关键技术。

4.1 空基互联宽带中继技术

空基互联宽带中继是扩展网络覆盖范围，实现远距离多跳控制、大容量传输的基础[18]。与地面网络骨干通信不同的是，空基互联宽带中继通信设备布设于无人机、飞艇和低空飞行器等空基承载平台之上，如何解决高空雨衰、高机动带来的多普勒频偏增强、天线对准等实际问题，实现高空、机动环境下的点对点大容量业务传输，以及空基宽带多跳中继，是系统应用的关键。

需要充分研究空基无线信道的特征，根据其特征，设计匹配的空基宽带中继传输波形；研究空基平台间方向性天线组网及邻居发现机制，实现空基高效互联；研究提高接收性能的信号处理技术，结合远距离传输的功率自适应、速率自适应、频率自适应技术，提升空基互联宽带中继链路的传输、抗截获、抗干扰能力和大容量远距离传输能力。

4.2 空地广域覆盖高效可靠传输技术

空地广域接入网络是一种大时空尺度通信模型，往往面临电磁环境复杂、机动性强的恶劣通信环境，如何持续高效地为用户提供高带宽、高可靠数据传输是系统应用需要解决的关键问题之一[19]。

针对这一问题，有必要从高效率频谱无线传输技术、高效无线资源调度技术和宽带抗干扰技术体制等方面进行研究。根据业务类型不同，设计宽窄带融合的传输体制，同时适应高带宽和高可靠业务传输需求，提升频谱传输效率。通过分布式协同资源调度和集中式多维联合调度等核心算法展开研究设计，提高无线资源利用率，满足多用户快速随机接入、QoS保障等需求。研究时频空多维综合抗干扰手段，突破自适应波束陷零抗干扰及子载波干扰躲避等关键技术，减小无线信道质量变化对用户服务质量的负面影响。

4.3 高速移动下天线对准技术

空基平台始终处于三维空间的相对运动中，平台与平台之间存在不同的运动方向、运动速度以及运动角度，因此，为了保证空基中继设备的通信距离与速率，需要研究空地一体高速移动环境下的天线对准技术以解决空中“动中通”天线对准时间、跟踪精度、跟踪稳定性等方面的问题[20]。

针对无人机空基平台，需研究“三维定位”天线对准算法，融合初始对转、快速对准和高精度伺服等技术，实现无人机高速移动下的天线对准。

国内现有的旋翼式无人机和固定翼无人机，天线外挂空间有限，容易被机身遮挡，导致波束覆盖范围受限。因此需要解决飞机在移动过程中的波束覆盖问题，通过研究天线形态与天线安装位置，采用辅助手段来满足天线波束覆盖要求。

4.4 无线多跳网多媒体集群技术

集群通信最主要的特点是“一呼百应”，即在群组呼叫中，一个用户的呼叫可以到达群组中的其他用户。目前，针对数字集群系统已经有成熟的技术方案，系统具有高频谱利用率、较强抗信道衰落能力及良好保密性，但空地一体宽带多媒体系统处于空地一体无线多跳的环境下，需要对传统数字集群的接入网协议进行优化和改进，以支持此组网架构下的广播、组播和多播功能，实现几个成员的群组及几百个成员的群组占用相同的下行无线网络资源，达到节省无线资源和功率资源、扩大通信容量的目的。

宽带多媒体集群系统对接入时延有较高要求。空地一体宽带多媒体集群系统网络规模大、节点多，为保障业务时延，需根据空地一体宽带多媒体集群系统的架构特点，对系统信令流程进行优化，以满足集群通信系统快速连接的需要。无线传输环境对长报文的支持性较差，因此还需研究SIP、XCAP信令压缩机制，为信令可靠传输提供保障。

5 系统构建方法

空地一体宽带无线多媒体集群通信系统组成结构复杂，构建难度较大，基于对系统架构及关键技术的研究梳理，在此提出系统构建设想，整体格局如图2所示。其包括空基中继骨干链路、空地宽带接入链路、空地回传链路和地面局域网。宽带中继设备可通过无人机、飞艇等空基平台搭建，构建链状或环状空基中继，形成中继骨干网络，具有远距离、大容量的中继传输能力；空基平台上的宽带中继设备和地面站中的宽带中继设备组成点对点空地回传链路，其中地面站可通过高速光纤与调度中心连接，三者形成空地回传链路，并实现与外部网络的互联互通。

图2 空地一体宽带多媒体集群系统构建

无人机、飞艇等空基平台搭载的空地宽带接入设备，以PMP模式和地面用户站包括车载台、舰载台、背负台共同组成空地点对多点链路。

地面局域网可通过专网小基站、热点接入等构建，通过有线方式和用户站进行数据交换，并实现各种终端包括车载终端、手持终端的快速入网，扩展了空地宽带接入链路的覆盖范围。

空地回传链路中的调度中心包括集群服务器和集群调度台，其中服务器实现了多媒体集群业务的控制，调度台实现了多媒体业务调度；集群调度中心通过空地回传链路、空地宽带接入链路和空基中继链路构建一体化宽带多媒体集群系统。

6 结束语

空地一体宽带多媒体集群系统涉及到空地一体化组网架构、空基宽带互联、空地广域覆盖、多用户接入、快速移动下的天线对准及无线多跳网下的多媒体集群通信等方面，虽然在验证环境搭建、关键技术实现和实际应用方面存在一定困难，但该系统能够解决应急通信和专网通信中的诸多典型问题，例如通信距离存在局限、通信存在时效延迟和通信业务量小等，能够提升反恐维稳、抗震救灾、公安执法等工作中的通信水平，具有深远的研究意义和巨大的市场价值。