公安“动中通”通信车多网融合通信系统设计

程虎来， 赖海光， 唐英杰， 袁进洪

(1. 杭州市公安局, 浙江 杭州 311121; 2. 南京控维通信科技有限公司, 江苏 南京 211135)

0 引 言

随着我国社会经济的快速发展，人民对于公共安全的要求日益提高，公安机关需要及时应对重大活动、突发事件和自然灾害中的各种风险和危机，实时掌握任务现场态势。在公安通信保障领域继续构建高效的应急通信保障，以满足应急事件处置中指挥调度的实时性和精控性的需求。

短波通信[1]、超短波通信[2]、警用数字集群(Police Digital Trunking, PDT)通信[3]、4G/5G公网无线通信[4]和卫星通信[5]等方式是目前常用的公安应急通信手段[6]，每种通信手段特点各异，适用于特定的应用场景和对象。不同的现场环境、处置方式的差异对应急通信组网提出了不同的要求，特别是在复杂恶劣的自然环境、高大建筑物内部、基础设施大范围损毁等情况下，对于公安应急通信所采用的技术和装备要求更加苛刻。现有公安应急通信系统存在以下一些急需解决的问题。

1) 通信保障体系不够完善。当前公安部门的各种通信保障手段技术各异，建设单位和建设时间不同，使得现有的通信系统烟囱林立、各自为政，缺乏一个多通信手段融合、统筹规划、高度协调的通信保障体系，不利于部门联动和统一协调指挥。现有应急通信系统在体系上没有真正意义上的互为备份，难以处理突发事件在地点、时间和公网瘫痪上的不确定性。

2)各通信手段不能互联互通。各种通信系统采用不同的通信技术和数据格式，在接口和性能上未形成统一标准，难以实现有效的集成和互联互通，使得公安部门各个通信系统处于“单打独斗”的阶段，给业务应用的部署和指挥调度带来混乱。

在实际情况中，应急通信保障不能依赖单一的通信手段，也难以设计具备完美统一架构的通信系统，需要根据现有应急通信技术的特点，融合多种通信手段[7]，构建一个高可靠、强适应、满足各种场景需要的应急通信系统。“动中通”卫星通信车是公安应急通信系统的重要组成部分，是重大突发事件及突发灾害救援现场的通讯中心，对处置好突发事件及突发灾害救援具有重要的辅助作用。本文以“动中通”卫星通信车为载体，围绕“快速反应、快速机动、动中指挥、精确指挥”的目标，将短波通信、超短波通信、PDT通信、4G/5G公网通信、卫星通信和计算机网络进行优化组合配置，构建高效的多网融合通信系统，实现异构通信网络间业务安全互通与资源综合调度。

1 系统功能分析

“动中通”卫星通信车是以公安部卫星通信专网为基础，以卫星通信为主体的移动通信平台，依托公安指挥中心，提供语音、传真、数据、图像、视频等多种通信业务[8]。“动中通”卫星通信车多网融合通信系统将多种通信手段结合在一起，互相融合、互相补充，实现现场覆盖与大跨距传输的“远近衔接”，构成多手段、多路由、多业务的移动通信平台，为公安部门处置重大突发事件、自然灾害事故等各种应急现场提供视频、图像、话音、数据等多种通信业务保障服务，为远程指挥中心提供实时、准确的现场实况，为正确决策和指挥一线工作提供直观、可靠的第一手资料，提高公安机关快速反应、统一指挥、协同作战能力。融合通信后的“动中通”卫星通信车不仅是一个现场的指挥中心，还是一个计算机网络中心、通信中心、监控中心、信息发布中心及各类信息的综合应用点，可以提供无线专网信号临时增补覆盖范围的功能。

多网融合通信系统系统需要考虑以下具体的功能应用需求。

1.1 业务应用分析

1)基础通信平台：基础通信能力是“动中通”卫星通信车的核心，利用短波、超短波、警用数字集群、卫星通信和4G/5G等通信网络自身提供的业务通信功能，在“动中通”卫星通信车集成各个通信网的装备，与现场各任务小组、其他站点和远程指挥中心共同完成语言、传真、数据、图像、视频等基础通信能力。“动中通”卫星通信车可以实现特定通信系统互联互通和统一调度。基础通信平台是其他平台功能的基础支撑。

2) 态势汇聚平台：使用单兵图传设备、摄像机、无人机、执法记录仪、卡口等各类态势采集设备[8]，将任务现场态势信息(图像、语音、视频、数据等)汇聚到“动中通”通信车。此时“动中通”通信车成为了任务现场的态势汇聚平台，并能够将实时态势信息传输到现场指挥部和远程指挥中心，为指挥中心提供实时、连续、可靠的第一手现场资料。此时需要解决采用不同通信手段的感知源汇聚到“动中通”通信车的问题。

3) IP通信平台：利用“动中通”通信车配备的无线路由交换机等设备，可以在任务现场构建以交换机为骨架的计算机局域网，为笔记本电脑及平板电脑提供IP网络通信平台。通过卫星链路或4G/5G接入远程地面站，访问公安专网和互联网，支撑各种业务应用系统[9]的运行，将任务现场纳入到智慧警务指挥调度体系[10-11]中。

1.2 指挥调度分析

1) 现场指挥调度：将“动中通”通信车作为任务现场的指挥调度平台。以通信车为中心搭建现场无线通信指挥网，通过配置短波、超短波、PDT集群等通信系统，实现任务现场范围内各个任务小组的通信功能，为现场指挥人员提供语音指挥调度服务。此时需要解决任务现场各个小组和“动中通”通信车通信组网的问题。

图1 多网融合通信系统架构图

2) 远程指挥调度：装配与远程指挥中心兼容的通信组网管理平台，分别接入PDT集群通信系统、卫星通信系统、4G/5G公网通信系统，实现多网交换和统一调度功能。同时，现场和远程指挥中心可通过IP 网络互联，配置高清编解码器和4G/5G车载会议终端，通过卫星链路或4G/5G建立VPN 链路，实现与地面中心站进行图像、语音、视频、数据双向实时传输，支持远程指挥中心实时指挥调度。此时需要解决“动中通”通信车与远程指挥中心大跨距通信的问题。

3)联合作战通信：“动中通”卫星通信车的各种通信系统不仅能够独立工作，而且能够与其他通信站点一起协同工作，从而实现与友邻单位的态势共享与指挥协同，协调各种资源加以利用，实现警察、消防、医疗卫生、军队、武警部队各部门的联合作战能力。

2 系统结构设计

2.1 系统架构

通信系统由卫星通信分系统、网络传输分系统、音视频调度及展示分系统、专网通信分系统、辅助通信分系统、集中控制分系统和综合保障分系统组成。系统架构图如图1所示。系统以卫星通信分系统为核心通信网络，使用IP架构的网络传输分系统完成专网通信分系统PDT、短波、超短波和辅助通信分系统4G/5G通信网络的IP对接。所有汇聚到卫星通信车的话音、视频、数据都可以通过卫星通信分系统或者辅助通信分系统中的4G/5G通信网络回传到远程指挥中心，从而构建出基于“动中通”卫星通信车为中心载体的覆盖现场、组网灵活、机动便捷、传输高效的多网融合应急通信系统。

2.2 卫星通信分系统

卫星通信分系统是卫星通信车的关键系统和主要通信手段，可以完成远距离、全域覆盖的通信传输。卫星通信分系统能够在车辆运动时使其动中通卫星天线实时精确跟踪地球静止通信卫星，建立实时不间断的卫星通信链路，和指挥中心建立数据、话音、视频的实时传输，召开视频会议，实现应急网络的远程指挥调度。

卫星通信分系统主要由动中通卫星天线、卫星功放、高频头(Low Noise Block, LNB)、分路器、合路器、卫星业务调制解调器、卫星网管调制解调器、便携式频谱仪和相关线缆等组成。

动中通卫星天线将接收信号(如Ku波段信号)通过双工器接入LNB，经LNB放大及下变频后变为中频信号(如L波段信号)；中频信号通过射频线进入分路器，经分路器后分别接入信标机、卫星网管调制解调器、卫星业务调制解调器和便携式频谱仪。其中，便携式频谱仪可对卫星信号频谱、业务载波进行监测和分析。

“十三五”期间，公安卫星通信网采用IP技术体制取代现有专线技术体制[12]，因此卫星通信分系统传输的IP数据通过网络传输分系统在卫星通信车中落地。此时，业务调制解调器通过网络传输分系统的加密机与业务交换机连接，天线接收的射频信号经业务调制解调器解调为IP数据流，经加密机进入业务交换机；网管调制解调器连接到网管交换机，提供业务接入控制及路由转发等功能。

动中通通信车中视频、话音、数据等信号可通过音视频编解码器编码后接入业务交换机和业务调制解调器，经业务调制解调器调制后变为L波段信号，进入合路器后接入功放；功放进行放大和上变频后，变为Ku波段，进入天线完成发射。

2.3 网络传输分系统

网络传输分系统用于组建有线和无线的内部局域网，能在任务现场让其他的独立计算机加入到通信车的网络中，并将任务现场多网通信融合为统一的、安全的IP通信平台。

网络传输分系统包括业务交换机、密管交换机、网管交换机、加密机、双模定位数据传输单元、远端地球站网管单元、工控机(或便携式工控机)等。其中，双模定位数据传输单元支持GPS/北斗定位，可把动中通通信车的轨迹上传到指挥中心。便携式工控机可以通过卫星链路连接到指挥中心网络，与远程指挥中心进行数据交换。业务交换机是整个网络的核心单元，便携工控机、高清编解码器、硬盘录像机等多个设备与业务交换机相连，构成系统的局域网基本应用平台。

2.4 音视频调度及展示分系统

音视频调度及展示分系统能将车辆现场周围音频及视频图像进行采集、处理、监控和存储，可通过卫星或4G/5G链路传输到公安部、省公安厅和市局应急指挥中心，并能接入全国公安应急卫星通信网。

音视频调度及展示分系统由图像采集、图像处理与显示、信号传输三部分功能组成。图像采集包括车顶前摄像机、车内摄像机、车尾摄像机、单兵图传视频采集系统[13]，图像处理与显示系统包括高清编解码器、高清混合矩阵、监视器、硬盘录像机等。

音频调度部分包括音频处理器、有线话筒、无线话筒和音响等。音频处理器对有线话筒和无线话筒输入的音频信息进行处理并输入至音视频编解码器，同时，编解码器输出的音频信息通过音频处理器进行本地处理，接入音响系统，保证车内人员清晰地听到播放的音频信息和会议声音。音频处理器对输入输出的每路音频信号单独进行处理，具有输入增益控制，输入均衡调节和输出信号滤波等功能。

视频图像全部采用高清技术，为保证在移动过程中信号连接可靠，以及高清信号的长距离传输，通信车视频系统全部采用专用高清视频线缆。视频图像的采集、传输与转换设备(如外接视频输入、车内视频输出等)、显示设备等均采用高清设备，其他相关设备接口等都需要与之配套。

2.5 专网通信分系统

专网通信系统是适用于事件现场快速部署、移动中进行任务小组内部战术通信、任务小组与现场指挥中心双向战术通信的最佳解决方案。系统具有快速自组织，快速自愈，体积小重量轻等特点，为现场公安人员提供快速部署、高效可靠的战术无线通信系统解决方案。

专网通信分系统包括目前应用的多种战术无线通信手段，配备车载单兵图传接收机、单兵发射机、短波超短波电台和一体化PDT 350M基站等设备，它们不仅支持车载使用，也可以野外架设，甚至单兵背负使用。系统拓扑连接关系如图2所示。

图2 专网通信分系统拓扑连接图

单兵图传系统可将车辆无法到达的任务现场采集到的音视频信号通过微波链路传输到车载图传接收机，接收机输出至视频矩阵进行切换和显示，再通过4G/5G或卫星链路回传至远程指挥中心。

短波、超短波电台系统具有设备简单、使用方便灵活、通信距离远及抗干扰强的特点。在大规模灾害现场，公共通信网络设备往往遭到破坏而造成通信中断，此时电台能够发挥较大作用，这种应急通信系统能够在没有中继的情况下完成较远距离的点对点的通信。因此，当其他通信手段无法工作时，电台可以作为突发公共事件现场应急救援人员通信的备用手段。

PDT数字集群室外型基站是室外型、小型化、一体化数字集群基站(4载波基站)，不仅具有PDT集群功能，还多兼容数字常规或模拟常规等工作模式。在任务现场通过便携方式快速进入现场，建立集群通信网络，支持现场各处的手持台入网，为任务现场提供广覆盖的以语音通信(单呼、群呼、通播)为主，兼有短消息和定位信息等功能的应急组网系统。PDT手持台通过微波与PDT基站建立链接，除了可以完成应急现场组网，还能通过4G/5G或卫星链路与远程指挥中心建立双向语音互联互通。

2.6 辅助通信分系统

辅助通信分系统主要由两台视频会议终端、4G/5G无线路由器等组成，可实现动中通通信车在4G/5G信号覆盖的现场通过运营商公网、公安视频专网与远程指挥中心之间音频视频双向互联互通。系统拓扑连接关系如图3所示。

图3 辅助通信分系统拓扑连接图

一台视频会议终端部署在远程指挥中心，另一台视频会议终端安装在动中通通信车上，将音视频与高清混合矩阵、音频处理器相连接，可将车上任意音频和车载摄像机获取的相关视频信息通过运营商4G/5G网络和公安视频专网实时传输给远程指挥中心，并接收远程指挥中心的语音、视频实时调度。

2.7 集中控制分系统

集中控制分系统完成对车内设备的监控和管理，由硬件设备和控制软件组成。硬件设备包括集控主机、无线触摸屏、便携无线终端等。便携无线终端可在距离车20 m的范围内实现遥控操作，实现对视频切换矩阵、调音台、云台摄像机等设备的集中控制。控制软件需要操作简单、方便、易于掌握，实现对卫星车上通信设备统一的状态监控、参数管理和故障告警。在集中控制分系统的控制下，车上设备按一定的顺序及时间打开或关闭，可以有效防止大电流冲击。

为了便于监控各种设备，集中控制分系统以网络传输为主，以串口通信为辅。其中网络控制单元以交换机为控制信息汇聚节点，串口受控单元直接通过RS232/RS485协议接入集控主机，实现串口协议的汇聚，集控主机、计算机等都可通过网络系统对设备进行实时监控，既可通过便携控制器进行控制，也可手动操作。

2.8 综合保障分系统

综合保障分系统主要为通信车的电源系统，包括取力发电机、UPS系统和智能配电箱等设备。车内通信设备基本采用交流220 V供电，其中卫星通信系统及音视频采集传输系统等通信设备需要设置1套UPS系统供电，对于车顶摄像机等采用直流供电的设备使用配置的交直流适配器。

电源系统采用市电供电、车载取力发电机供电、UPS逆变供电三种供电方式，确保系统和设备在任何情况下都能正常使用，同时可以向外界提供交流电源输出和向直流电源提供电能补充。动中通通信车运动中采用取力发电机供电；动中通通信车静止工作时且当具备市电条件时，利用定制市电电缆盘接入市电为车内设备供电；动中通通信车处于无市电或者取力发电机未启动前，市电突然断电的情况下采用UPS电源系统为通信设备供电。

3 指挥通信网络架构设计

在多网融合通信系统的支持下，“动中通”卫星通信车可以构建各式各样的通信网络，如图4所示。根据“动中通”卫星通信车的结构设计和应用场景，可将任务事件处置的指挥体系分为三层：远程指挥中心、现场指挥中心、现场任务小组。基于“动中通”卫星通信车的指挥通信网络架构如图5所示。

图4 “动中通”卫星通信车网络拓扑图

图5 基于“动中通”卫星通信车的指挥通信网络架构

指挥通信网络根据指挥体系划分为以下三部分，形成一个完善的任务现场指挥调度通信网络体系。

1)广域通信网：由卫星通信分系统和辅助通信分系统(4G/5G公网通信)为主构成的广域传输网，支持大跨距通信组网，主要用于远程指挥中心与现场指挥中心之间的指挥调度和数据传输，而且能够支持与友邻单位的联合作战。

2)现场通信网：由专网通信分系统、网络传输分系统、音视频调度及展示分系统等构成的现场通信网络，主要用于现场指挥中心与现场任务小组之间的指挥调度和数据汇聚。

3)任务小组网：由PDT、短波、超短波、单兵图传、无线局域网络及无线自组织网络等构成的任务小组网络，用于现场任务小组人员执行任务的通信，为现场任务人员快速提供无线战术通信网络覆盖，实现终端间的互联互通。

4 应用测试

根据上文的设计，结合具体的装载车结构和应用需求，实现了一套“动中通”卫星通信车多网融合通信系统，如图6所示。系统可由1～2人操作，卫星通信车开设时间小于3 min，撤收时间小于2 min。对该系统执行了以下两轮测试。

图6 实现的“动中通”卫星通信车

1)功能测试：对该系统进行基本功能测试，对基础通信、态势汇聚和IP通信等基本的业务应用需求进行了全面的测试。

2)模拟演练：进行多次模拟演练，依据贴近实战的方针，构建了城市高大建筑物内部任务处置现场、复杂地形环境下任务处置现场和大型安保活动等模拟场景，针对任务现场所需的现场指挥、远程指挥和联合作战通信进行了试验。

测试和演练结果显示系统能够满足各项系统功能需求，满足多场景下的快速组网，表明系统设计方案具备很好的应用前景，能够在应用中发挥显著的成效。具体功能测试情况如表1所示。

续表1

5 结 语

应急通信是公共安全部门面对重大活动、突发事件和自然灾害进行指挥调度的基础支撑，在关键时刻发挥着极其重要的作用。现有的各种公安应急通信手段都有各自的优缺点和局限性，适用于特定的应用场景和对象。为了适应任务现场的复杂性和通信保障的灵活性需求，本文以“动中通”卫星通信车为载体研究多网融合技术，将公安部门现有的短波通信、超短波通信、PDT通信、4G/5G公网通信、卫星通信和计算机网络等通信手段进行优化组合配置，构建了公安“动中通”通信车多网融合通信系统。通过分析多网融合通信系统功能需求，设计系统架构及其分系统拓扑连接关系，研究包含远程指挥中心、现场指挥中心和现场任务小组三层指挥体系下的指挥通信网络架构，实现多网融合于一体、通信调度于一体[14]，能够为公安部门实施高效的应急通信保障、实现“精准、快速、高效”的指挥调度[15]提供技术支持。

任务现场经常是一个复杂的电磁环境，不同通信系统的频率存在干扰的可能性，因此通信系统的安全可靠性是一个重要的研究课题，本文暂时没有考虑这个问题。在未来的工作中，需要着力进行警用抗干扰技术及安全通信技术的研究，并需要在多网融合通信系统中完善统一的网络规划和有效的频率感知功能。