基于LTE 技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)研究進展

金紅軍

(中國電子科技集團公司第五十研究所,上海200063)

1 引 言

隨著新軍事變革理論與實踐的不斷發(fā)展,特別是在現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭中呈現(xiàn)出來的高技術(shù)、信息化、數(shù)字化的特點使未來的軍事斗爭形式發(fā)生了巨大變化,與信息化作戰(zhàn)相適應(yīng)的C4ISR 系統(tǒng)在戰(zhàn)爭中的地位和作用越來越重要,以武器平臺為中心的戰(zhàn)爭逐漸轉(zhuǎn)化為以網(wǎng)絡(luò)為中心的戰(zhàn)爭[1],逐步向著高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,以窄帶、低速為特征的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)已經(jīng)很難完成這種使命,同時,智能化水平低、互操作能力差、業(yè)務(wù)能力不足等問題,都存在很大差距,與信息戰(zhàn)的要求相比還相差甚遠。這些問題也就給未來戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)提出了新的、更高的要求,即要構(gòu)建適合于多媒體業(yè)務(wù)的、充分考慮機動性和網(wǎng)絡(luò)化需求的無線寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

與軍事通信落后發(fā)達國家相比,這些年我國民用移動通信可謂突飛猛進,在短短10 多年就已發(fā)展成為移動通信大國,不僅是世界最大的移動通信市場,而且擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA 3G移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)和TD-LTE 準(zhǔn)4G 移動通信國際標(biāo)準(zhǔn),在民用移動通信事業(yè)蓬勃發(fā)展中,國內(nèi)市場儲備了巨大的技術(shù)資源,一些關(guān)鍵技術(shù)水平與發(fā)達國家已站在同一起跑線上,一些尖端技術(shù)為軍事通信提供了廣闊的應(yīng)用前景,如采用OFDM、MIMO 為關(guān)鍵技術(shù)的LTE 技術(shù),采用全IP 體系架構(gòu),可以提供100 Mbit/s 的峰值速率,實現(xiàn)了語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一體化發(fā)展,是未來戰(zhàn)術(shù)通信最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一。隨著民用移動通信技術(shù),特別是LTE 技術(shù)的迅猛發(fā)展,民用技術(shù)將成為當(dāng)今世界各國發(fā)展軍事技術(shù)的一大趨勢,將先進的LTE 技術(shù)引入戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域,使之融合為一體、共同發(fā)展,將是我們今后重要的研究內(nèi)容。

2 美國戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展[ 2-3]

美國戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展很快,其現(xiàn)役的戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng)是美軍進行信息技術(shù)革命,提高作戰(zhàn)效率,并最終實現(xiàn)軍隊數(shù)字化的重要基礎(chǔ)。其中最有代表性的有“辛嘎斯(SINCGARS)”無線電系統(tǒng)、增強定位報告系統(tǒng)(EPLRS)、21 世紀(jì)部隊旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)(FBCB2)、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)、全球移動信息系統(tǒng)(GloMo)、指戰(zhàn)員信息網(wǎng)-戰(zhàn)術(shù)部分(WIN-T)和戰(zhàn)術(shù)個人通信系統(tǒng)等。

JTRS 是為陸、海、空各軍兵種指戰(zhàn)員提供橫向和縱向跨頻段的網(wǎng)絡(luò)連接,是數(shù)字化戰(zhàn)場中作戰(zhàn)人員通信聯(lián)絡(luò)的主要手段,支持美軍未來的“2010 聯(lián)合構(gòu)想”。

GloMo 項目是美國國防高級研究計劃局(DARPA)于1994 年提出的,目的是充分利用商用技術(shù)來提高C4I 系統(tǒng)的效能,以滿足未來國防移動信息系統(tǒng)的靈活性、通用性和互通性需求。其研究范圍涉及移動組網(wǎng)、自適應(yīng)無線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面。該項目開發(fā)的無線自適應(yīng)移動信息系統(tǒng)(WAM IS)是一種在多跳、移動環(huán)境下支持多媒體業(yè)務(wù)的分組無線網(wǎng)。美軍希望通過該項目能夠為戰(zhàn)斗單元提供增強的網(wǎng)絡(luò)連接和多媒體信息服務(wù),支持網(wǎng)絡(luò)的快速部署和自恢復(fù),支持動中通,利用各種陸地和空間通信設(shè)施,使各種戰(zhàn)斗無線電臺能夠接入大容量干線網(wǎng)并與全球陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)相連,從而構(gòu)成全球柵格狀戰(zhàn)區(qū)通信網(wǎng)。該項目強調(diào)“軍民協(xié)同”發(fā)展軍事移動信息系統(tǒng)的重要性,強調(diào)系統(tǒng)對信息流量、用戶數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)帶寬的適應(yīng)性以及具有較強的抗干擾能力。

W IN-T 項目是美陸軍一次大規(guī)模的戰(zhàn)術(shù)通信計劃,是充分采用商用技術(shù)用于傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻的21 世紀(jì)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng),它將構(gòu)成下一代高級戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng),為陸軍部隊提供一個集成的、靈活、安全、生存能力強、無縫連接的多媒體信息支撐系統(tǒng)。

戰(zhàn)術(shù)個人通信系統(tǒng)希望提供用于演示的3G、4G個人通信系統(tǒng)(PCS)的樣機。該項研究要解決戰(zhàn)術(shù)移動通信應(yīng)用中的技術(shù)難點,并滿足陸軍戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的需求, 在該計劃中, 大量應(yīng)用符合CDMA2000、UMTS 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備, 提供個人通信設(shè)備(PCD)。預(yù)期到2012 年把3G 戰(zhàn)術(shù)個人通信系統(tǒng)發(fā)展成WIN-T 結(jié)構(gòu),到2015 年實現(xiàn)4G 水平。

在20 世紀(jì)60 年代,美國軍事研發(fā)經(jīng)費占美國總經(jīng)費支出的一半,到70 年代下降到1/3,而現(xiàn)在還不到15%。但是,美國的軍事技術(shù)不但沒有停滯不前,反而獲得了突飛猛進的發(fā)展,僅用了30 多年時間,便打造成了基本信息化的軍隊。目前,美軍所有的主戰(zhàn)武器發(fā)射平臺,全部應(yīng)用了信息化技術(shù);地面部隊的每一個戰(zhàn)斗班,均配有衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收裝置。五角大樓聲稱,伊拉克戰(zhàn)爭,美空軍、海軍的信息程度達到70%,地面部隊也達50%以上。有專家估計,再用10 年左右時間,美軍將會率先成為世界上完全信息化的軍隊。美軍信息化建設(shè)取得如此迅速的發(fā)展,民用技術(shù)的軍用化扮演了重要角色,是其成功的關(guān)鍵。

3 我國民用移動通信技術(shù)的發(fā)展[ 4-8]

3.1 我國移動通信技術(shù)的演進

我國移動通信的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的過程,包括:基于FDMA 技術(shù)的TACS、AMPS 等第一代(1G)模擬移動通信系統(tǒng),僅限于語音通信,實現(xiàn)了具有頻率可重復(fù)使用的蜂窩結(jié)構(gòu)、不間斷通話的越區(qū)切換、全區(qū)漫游的自由接入等功能,這是對移動通信發(fā)展的最大貢獻;基于FDD、TDMA 技術(shù)的GSM、GPRS 等第二代(2G)數(shù)字移動通信系統(tǒng),其重要的標(biāo)志就是數(shù)字技術(shù),具有頻譜利用率高、系統(tǒng)容量大、提供業(yè)務(wù)種類多、兼容性好等優(yōu)點,可進行語音和數(shù)據(jù)通信;基于WCDMA、TD-SCDMA 技術(shù)的第三代(3G)移動通信系統(tǒng),以及未來基于OFDM 技術(shù)的LTE 第四代(準(zhǔn)4G)移動通信系統(tǒng),可進行當(dāng)前通信業(yè)務(wù)和一些新業(yè)務(wù),用于無縫全球漫游,是向未來個人通信演進的一個重要發(fā)展階段,具有里程碑意義。其中3G、4G 移動通信系統(tǒng)追求的主要目標(biāo)是高速率、大容量和廣覆蓋。

第二代GPRS 移動通信系統(tǒng)提供中速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?從54 kbit/s到114 kbit/s;第三代3G 移動通信系統(tǒng)提供的最高數(shù)據(jù)傳輸速率只有2 Mbit/s,在數(shù)據(jù)需求高速增長的今天顯然是不具有吸引力的,用戶對移動通信網(wǎng)絡(luò)的速率要求越來越高,尤其WiFi和WiMAX 等無線寬帶接入方案的迅猛發(fā)展,給傳統(tǒng)移動運營商帶來了前所未有的挑戰(zhàn),促使移動運營商加快現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)演進,提供新的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。為此,3GPP 在2004 年底經(jīng)過認(rèn)真的討論,決定采用B3G 或4G 的技術(shù)來使用3G 頻段,制定了LTE(Long Term Evolution)長期演進計劃,作為下一個移動寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。LTE 采用OFDM 及MIMO 技術(shù),極大地提高了系統(tǒng)帶寬,在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率,改善了小區(qū)邊緣用戶的性能,同時提高了小區(qū)的容量,降低了系統(tǒng)延遲,可以實現(xiàn)移動高清電視和互動游戲等視頻業(yè)務(wù),更高的帶寬預(yù)示著移動多媒體時代的到來。從民用移動通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程來看,第一代移動通信系統(tǒng)的任務(wù)已經(jīng)完成,現(xiàn)在是第二代移動通信系統(tǒng)的時代,今后10 年將是3G 移動通信系統(tǒng)發(fā)展的時期,10 年以后將是第四代移動通信的天下。

3.2 聚焦LTE:LTE 的技術(shù)特色和優(yōu)勢

隨著人們對移動通信系統(tǒng)各種需求的與日俱增,目前2G、2.5G、3G 等移動通信系統(tǒng)還是不能滿足現(xiàn)代移動通信日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,全世界通信業(yè)的專家們將目光更遠地投向了第四代移動通信,以期最終實現(xiàn)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、藍牙、廣播、衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)無縫銜接和兼容,真正實現(xiàn)“任何人,在任何地點,以任何形式接入網(wǎng)絡(luò)”的夢想。在移動通信中,TD-SCDMA 是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的3G 標(biāo)準(zhǔn)之一,TD-LTE 作為TD-SCDMA 的演進技術(shù),是對TD-SCDMA 原有關(guān)鍵技術(shù)的繼承和進一步創(chuàng)新,在我國未來移動通信演進中將會盡可能地采用TD-LTE 技術(shù),TD-LTE 是第一個4G 無線移動寬帶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),由中國最大的電信運營商——中國移動修訂與發(fā)布。目前我國LTE 技術(shù)處于業(yè)界領(lǐng)先水平,2008 年4 月華為在2008 美國無線通信展上全球首次演示了基于第四代基站的WCDMA/LTE 和CDMA/LTE 雙模業(yè)務(wù),同年10 月華為成為全球首個順利完成LTE 多用戶移動性測試的設(shè)備供應(yīng)商,2009 年1 月與愛立信一起同瑞典電信運營商TS 簽署了世界首個4G/LTE 商用網(wǎng)絡(luò)合同;2009 年華為在亞洲、歐洲和北美等地幫助運營商建設(shè)了LTE 實驗局,并進行大規(guī)模的外場測試,取得了上佳表現(xiàn);2010 年世界移動通信大會主題為“美夢成真”,在這次大會上,4G 時代的核心技術(shù)LTE 成為關(guān)注的焦點;2010 年上海世博會也成功展示了TD-LTE 技術(shù),中國移動在世博園建成的全球首個TD-LTE 演示網(wǎng),是上海世博會上的最大科技亮點;2010 年底啟動的6+1 城市規(guī)模技術(shù)試驗,基本順利完成。2012 年1 月18 日,作為全球最新寬帶無線通信技術(shù)體系中我國唯一擁有核心知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 由我國主要提交的TD-LTE 正式被國際電信聯(lián)盟(ITU)確定為第四代移動通信(4G)國際標(biāo)準(zhǔn)之一。科技部部長萬鋼如此評價:“作為TD-SCDMA 的后續(xù)演進型技術(shù),TD-LTE 是我國新時期科技創(chuàng)新的又一重大成果,確立了中國在新一輪信息產(chǎn)業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)競爭中的重要地位,標(biāo)志著中國在信息通信領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力得到了又一次飛躍。”這一切都充分表明了LTE 的發(fā)展優(yōu)勢、魅力和地位,具備了大規(guī)模商用的技術(shù)基礎(chǔ)和能力。

LTE 的技術(shù)特色是采用了OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)體制。與CDMA 技術(shù)相比,OFDM 技術(shù)具有頻譜效率高、帶寬擴展性強、頻域資源分配方便、抗多徑衰落、易與MIMO 技術(shù)結(jié)合的優(yōu)點;由于調(diào)制技術(shù)和誤碼處理的靈活性,LTE 可以在較寬的SNR 范圍內(nèi)有效工作;采用MIMO 技術(shù)可進一步增強數(shù)據(jù)傳輸能力。LTE 在技術(shù)上的重大創(chuàng)新, 使得在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率,給人無限的震撼、憧憬和吸引。其主要優(yōu)勢有如下幾點。

(1)采用OFDM 技術(shù),抗多徑干擾能力強

無線電波遇到各種反射物體會產(chǎn)生反射波和折射波,這些反射波與折射波會使原信號產(chǎn)生波形展寬、波形重疊和畸變,這被稱為多徑干擾。在無線通信中,抗多徑干擾問題一直是難以有效解決的問題。OFDM 是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù),其基本原理是將高速數(shù)據(jù)信號分成并行的低速數(shù)據(jù),然后在一組正交的子載波上傳輸,在頻域內(nèi)將信道劃分成若干個互相正交的子信道,每個子信道均擁有自己的載波,分別對其進行調(diào)制,信號通過各個子信道獨立地進行傳輸,如果各個子信道的帶寬被劃分得足夠窄,每個子信道的頻率特性就可近似地看作是平坦的,即每個子信道都可看作無符號間干擾的理想信道,這樣,在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對接收信號可靠地進行解調(diào),從而達到有效的抗多徑干擾。

LTE 上下行鏈路分別選擇OFDMA 和SC-FDMA無線接入方式。OFDMA 這種多載波通信技術(shù)具有對抗信道頻率選擇性衰落的強大優(yōu)勢;SC-FDMA 是在發(fā)射端采用單載波調(diào)制技術(shù),而在接收端采用頻域均衡的接收技術(shù),這樣具有更低的峰均比(PAPR)。

(2)采用MIMO 技術(shù),傳輸速率大幅提升

MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)是一種典型的多天線技術(shù),在不需要占用額外的無線電頻率的條件下,利用多經(jīng)來提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量,并同時增加覆蓋范圍和可靠性,分為空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等類型。通過空間復(fù)用,可以大大提高系統(tǒng)容量和峰值速率;通過空間分集,則可以提高信道的可靠性和覆蓋面增加,降低信道誤碼率;通過波束賦形,可以有效改善信道衰落,提升信號質(zhì)量,降低用戶間干擾,提高網(wǎng)絡(luò)容量及頻譜效率。MIMO 技術(shù)解決了當(dāng)今任何無線電技術(shù)都面臨的兩個最困難的問題,即速率和覆蓋問題,其信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大,也就是說,可以利用MIMO 信道成倍地提高無線信道容量,在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下,頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO技術(shù)是提高系統(tǒng)傳輸速率的最主要手段,同時也是提高小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)性能的主要手段。MIMO 天線的基本配置是下行2×2、4×4,上行1×2。因此,M IMO 技術(shù)的魅力在對于存在的多徑衰落等不利因素變成對通信性能有利的增強因素,利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。

(3)采用智能天線技術(shù),提高了信噪比

智能天線(SA)技術(shù)是由多根天線陣元組成的天線陣列,具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能,采用數(shù)字信號處理技術(shù),產(chǎn)生空間定向波束,使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號的到達方向,旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號的到達方向,以達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的,從而提高信噪比和通信質(zhì)量。智能天線最普通的用途為波束賦形。

(4)采用軟件無線電技術(shù),系統(tǒng)融合性更好

軟件無線電(SDR)技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺,利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。采用軟件無線電實現(xiàn)的基站可同時為多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù),有助于不同標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的融合。

(5)采用全IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通用性更好

采用全IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),真正實現(xiàn)了語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的融合,將無線語音和無線數(shù)據(jù)綜合到一個技術(shù)平臺上,都由IP 包來承載傳輸,語音和數(shù)據(jù)再沒有區(qū)分或區(qū)別;IP 的引入,也將改變移動通信的業(yè)務(wù)模式和服務(wù)模式;節(jié)約成本,提高了通用性、可擴展性和靈活性,使網(wǎng)絡(luò)運作更有效率。

(6)優(yōu)化的QoS 機制,實現(xiàn)永遠在線

LTE 系統(tǒng)具有高速、突發(fā)的特征,為有效提高用戶體驗,減小業(yè)務(wù)建立的時延,真正實現(xiàn)用戶永遠在線,引入了默認(rèn)承載的概念,即在用戶進行網(wǎng)絡(luò)附著的同時,為該用戶建立一個固定數(shù)據(jù)速率的默認(rèn)承載,保證其基本的業(yè)務(wù)需求;簡化了QoS 參數(shù)定義,減少了網(wǎng)元之間QoS 參數(shù)傳遞的數(shù)量;同時,對QoS 協(xié)商機制也進行了優(yōu)化,取消了專用信道的概念,采用共享信道的機制,以及更靈活的動態(tài)調(diào)度機制,不允許進行多次QoS 的協(xié)商,從而提高信令交互的效率。

(7)支持多種無線接入技術(shù),互聯(lián)互通能力強

LTE 系統(tǒng)將是一個集無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、藍牙、廣播電視網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)和固定的有線網(wǎng)絡(luò)為一體的結(jié)構(gòu),各種類型的接入網(wǎng)通過媒體接入系統(tǒng)都能夠無縫地接入基于IP 的核心網(wǎng),形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺;除了支持3GPP定義的無線接入技術(shù)外,還支持非3GPP 定義的無線接入技術(shù),如WiFi、WiMAX、WLAN 等,為多種不同制式的技術(shù)互通創(chuàng)造了條件。

3.3 LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[9-13]

LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示,采用扁平化的全IP 架構(gòu),由演進UTRAN(E-UTRAN)和演進分組核心網(wǎng)(EPC)組成。E-UTRAN 完全由多個基站(eNode B)的一層結(jié)構(gòu)組成,實現(xiàn)移動用戶(UE)的無線接入承載控制、無線資源管理和移動性管理等功能,取消了現(xiàn)有UTRAN(UMTS 陸地?zé)o線接入網(wǎng))傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC),這樣,就不用對接入節(jié)點進行匯集,網(wǎng)元數(shù)目減少,網(wǎng)絡(luò)更加扁平化,部署簡單容易維護。基站(eNode B)之間通過X2 邏輯接口互相連接,組成Mesh 網(wǎng)絡(luò),增強網(wǎng)絡(luò)的可靠性和移動性;基站(eNode B)與核心網(wǎng)之間通過S1 邏輯接口互相連接,每個基站(eNode B)同時可以與多個核心網(wǎng)互相連接。演進分組核心網(wǎng)(EPC)主要由移動管理實體(MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PDN-GW)和歸屬用戶服務(wù)器(HSS)等構(gòu)成,實現(xiàn)用戶及會話管理控制、鑒權(quán)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由切換選擇等功能。

圖1 LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 LTE network architecture

LTE 系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)完全基于分組交換的,摒棄了在2G、3G 網(wǎng)絡(luò)中存在的雙核心網(wǎng)結(jié)構(gòu),即語音核心網(wǎng)和數(shù)據(jù)分組核心網(wǎng),分組核心網(wǎng)成為管理UE 移動性和處理信令的唯一的核心網(wǎng),各種業(yè)務(wù)可以通過IP 多媒體系統(tǒng)(IMS)提供給移動用戶,因此,寬帶IP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)計思想的基石。

3.4 LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實體和主要功能

演進UTRAN(E -UTRAN)和演進分組核心網(wǎng)(EPC)的功能劃分如圖2 所示,LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實體由基站(eNode B)、移動管理實體(MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PDN-GW)、歸屬用戶服務(wù)器(HSS)和移動用戶(UE)等幾部分組成,其中,圖2 各實體中的實線方框圖描繪無線協(xié)議層,虛線方框圖描繪控制平面的功能實體。

圖2 演進UTRAN(E-UTRAN)與演進分組核心網(wǎng)(EPC)的功能劃分Fig.2 Function sp lit E-UTRANA and EPC

基站(eNode B)由基帶控制單元和射頻拉遠單元組成,最大支持3 600個連接用戶,主要負責(zé):

(1)實現(xiàn)無線資源管理、無線承載控制、無線準(zhǔn)入控制、連接移動性控制、上下行對用戶動態(tài)資源分配(調(diào)度);

(2)IP 頭壓縮和用戶數(shù)據(jù)流加密;

(3)當(dāng)無法根據(jù)UE 提供的路由信息到一個MME 時,選擇UE 附著的MME;

(4)提供用戶平面的數(shù)據(jù)到服務(wù)網(wǎng)關(guān)的路由;調(diào)度、發(fā)送尋呼和廣播信息;

(5)在上行鏈路中,進行傳送等級包標(biāo)記等功能。

移動管理實體(MME)主要負責(zé)用戶及會話管理的所有控制平面功能,UE 的位置管理和移動性管理,以及完成UE 與任何IP 節(jié)點之間的信息承載的建立,包括NAS(非接入層)信令及其安全、AS(接入層)安全控制、跟蹤區(qū)域列表的管理、S-GW 和PDN-GW 的選擇、空閑模式下移動用戶(UE)可達性、漫游和鑒權(quán)、承載管理(包括專用承載的建立)。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)是一個終止于E-UTRAN 接口的網(wǎng)關(guān),是一個用戶面功能實體,負責(zé)為UE 提供承載通道來完成數(shù)據(jù)的傳送、轉(zhuǎn)發(fā)以及路由切換等,包括數(shù)據(jù)包路由和轉(zhuǎn)發(fā)、對于基站間處理的本地移動性錨點、對于3GPP 間移動性的移動性錨點、上下行傳輸層數(shù)據(jù)包標(biāo)記、合法監(jiān)聽。

分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PDN-GW)作為外部PDN 網(wǎng)絡(luò)會話的錨點,是連接外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān),UE 可以通過連接到不同的PDN GW 訪問不同的外部數(shù)據(jù)網(wǎng),主要負責(zé):基于每個用戶的數(shù)據(jù)包過濾、合法監(jiān)聽、移動用戶(UE)的IP 地址分配、上下行傳輸層數(shù)據(jù)包標(biāo)記。

4 LTE 系統(tǒng)存在的問題和對策

4.1 基站(eNode B)之間不能進行無線通信

如圖1 所示,基站(eNode B)和核心網(wǎng)等設(shè)備都是固定式的,基站(eNode B)與基站(eNode B)之間通過X2 邏輯接口只是傳輸一些信令或控制信息,基站(eNode B)通過核心網(wǎng)傳輸和交換數(shù)據(jù)信息。傳輸線路都是同軸電纜或光纖電纜等有線媒介連接,需要建設(shè)大量基礎(chǔ)設(shè)施和鋪設(shè)大量有線線路,基站之間不能通過無線信道直接通信連接和服務(wù)。這樣,對于戰(zhàn)術(shù)通信的應(yīng)用帶來很大困難,失去了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的機動性和靈活性。另外,在現(xiàn)行的LTE系統(tǒng)中,移動用戶(UE)與基站之間的通信采用的是非對稱的上下行通信體制,即基站發(fā)送信號時采用OFDMA 調(diào)制技術(shù),而基站接收時采用SC-FDMA 解調(diào)技術(shù),這又從根本上導(dǎo)致了基站之間不能直接進行無線通信。

因此,必須采取措施,構(gòu)建基站(eNode B)之間的無線鏈路,一種方法是采用對稱上下行通信體制,這種方法改動較大,難度比較高;另一種方法是在基站內(nèi)增加相關(guān)模塊,實現(xiàn)基站雙向OFDMA/SC-FDMA 技術(shù)體制。通過這些方法可以實現(xiàn)基站之間的無線直接互聯(lián)。

4.2 民用頻段,電波衰落大,要頻率下移

我國無線電管理委員會分配給LTE 系統(tǒng)的工作頻段為1.9/2.0 GHz、2.3/2.5 GHz, 屬于特高頻(UHF)頻段(300 MHz ～3 GHz),頻率較高,電波以直線波方式傳播,波長較短,基本沒有繞射能力,但電波不受電離層等天體變化的影響,穩(wěn)定性比較好,具有較寬的帶寬,傳輸速率比較高,可達每秒百兆比特級。在傳播途中易受到障礙物的阻擋(地球表面曲面也是阻擋視線的障礙)影響,電波衰落比較大,使得傳播距離一般被限制在視線距離范圍之內(nèi),傳播距離一般在幾千米,尤其在山區(qū)通信時,這種影響可能更大,電波衰落更明顯,通信距離就更近,因此,一般必須保證通信節(jié)點間無阻擋。另外,民用頻段用戶比較多,頻率擁擠,相互干擾比較大,一般不適合于軍事通信。

因此,對于戰(zhàn)術(shù)通信一般要避免民用通信頻段,避免相互干擾,盡量選擇電波傳播損耗小和具有一定繞射能力的頻段,同時,要考慮LTE 系統(tǒng)的寬帶特點。綜合考慮,選擇UHF 頻段的低端(300 MHz ～1 GHz)進行頻率下移變換是最佳的選擇。

4.3 核心網(wǎng)體積龐大,移動性差,要小型化設(shè)計

基于民用電信技術(shù)架構(gòu)的核心網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)交換控制的核心,所有數(shù)據(jù)交互和控制的實現(xiàn)都由核心網(wǎng)來完成,以固定模式設(shè)計,設(shè)備種類多,體積龐大,重量太重,功耗太大。其中典型設(shè)備有:移動管理實體(MME)最大功耗1 700 W,重量95 kg,體積14 U(1U=44.45 mm);服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S -GW)/分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(PDN -GW)最大功耗2 100 W, 重量128 kg, 體積20 U;歸屬用戶服務(wù)器(HSS)最大功耗1 700 W,重量95 kg,體積14 U。另外,很多功能,如與2G、3G 網(wǎng)絡(luò)的兼容接入接口、計費功能,以及過多的冗余設(shè)計等,都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,對于戰(zhàn)術(shù)通信來說并不一定需要,這種體系結(jié)構(gòu)是無法滿足戰(zhàn)術(shù)通信移動性和車載系統(tǒng)的要求。

因此,對于核心網(wǎng)要進行小型化設(shè)計,通過核心網(wǎng)(MME、S -GW、P-GW、HSS、PCRF 等)設(shè)備和基站(eNode B)設(shè)備的一體化設(shè)計,構(gòu)建一套小型化移動基站,實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上大幅簡化,重量上大幅減輕,功耗上大幅降低,便于戰(zhàn)術(shù)通信使用。

4.4 建立安全中心,提升安全防護水平

LTE 系統(tǒng)相對第一、二、三代移動通信在安全方面有所加強,但由于商業(yè)成本原因,還存在一些安全漏洞,同時,應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信要求就更高,必須重新設(shè)計專用密碼體系,增加安全防護等級,建立一個安全中心,獨立地完成雙向鑒權(quán)、端到端、數(shù)據(jù)加密等功能。

5 LTE 技術(shù)推動戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展

5.1 戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展的趨勢和需求

為了適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭的新變化和新需求,滿足作戰(zhàn)指揮對實時傳輸戰(zhàn)場態(tài)勢的需求,戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)逐步向著高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[14]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從最初的點對點結(jié)構(gòu)發(fā)展為樹狀、星狀、環(huán)形狀等多種形態(tài),目前正朝著扁平化、網(wǎng)狀網(wǎng)方向發(fā)展;無線技術(shù)從窄帶、低速不斷向?qū)拵А⒋笕萘俊⒏呖煽啃苑较虬l(fā)展,OFDM、MIMO 等高速傳輸技術(shù)在未來戰(zhàn)術(shù)通信中將占據(jù)主要地位;交換技術(shù)經(jīng)歷了從模擬空分交換、電路交換到分組交換的演變,業(yè)務(wù)承載方式由業(yè)務(wù)獨立承載發(fā)展為業(yè)務(wù)綜合承載,IP 交換、動態(tài)路由將是現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。戰(zhàn)術(shù)通信從初期的以話音通信為主,到目前以數(shù)據(jù)通信為主,數(shù)據(jù)與話音并重,再到現(xiàn)在要實現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等綜合業(yè)務(wù)的支持,尤其是未來對視頻業(yè)務(wù)的需求和增加,信息量將會急劇膨脹,這對戰(zhàn)術(shù)通信就提出了更新更高的要求。另外,從美軍移動通信系統(tǒng)發(fā)展的歷程與趨勢看,民用技術(shù)軍用化也是新軍事變革的內(nèi)在要求和必然趨勢。

5.2 戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展的主要問題

目前,戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展存在的主要問題:一是山中通能力差,遇到高山阻擋,通信性能大幅下降;二是動中通能力差,在移動過程中,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,系統(tǒng)自組織能力差;三是抗干擾能力差,干擾源主要是敵方空投、工業(yè)環(huán)境或自身干擾,系統(tǒng)適應(yīng)能力差;四是大數(shù)據(jù)傳輸能力差,傳輸速率都太低,作戰(zhàn)反應(yīng)時間長,不適應(yīng)圖像指揮需求。這些問題經(jīng)過幾年的努力,狀況正在逐步得到改善,但大容量信息要求矛盾更加突出,需要采用一些新技術(shù)、新體制、新方法來化解這些問題。

5.3 LTE 技術(shù)成就戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展新高度

LTE 技術(shù)并沒有脫離以前的通信技術(shù),而是以傳統(tǒng)通信技術(shù)為基礎(chǔ),并利用了一些新的通信技術(shù),來不斷提高無線通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比,LTE 技術(shù)最明顯的優(yōu)勢在于通話質(zhì)量及數(shù)據(jù)通信速度, 其最大數(shù)據(jù)傳輸速率達到100 Mbit/s,這將為人們提供一種超高速無線網(wǎng)絡(luò),一種不需要電纜的信息超級高速公路——“空中信息公路”,這種新網(wǎng)絡(luò)可使移動用戶以無線及三維空間實境連線。

LTE 的關(guān)鍵技術(shù)包括高速信道傳輸技術(shù);抗干擾性強的高速接入技術(shù)、調(diào)制和信息傳輸技術(shù);高性能、小型化和自適應(yīng)陣列智能天線;軟件無線電、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)議等,這些技術(shù)都具有無與倫比的技術(shù)優(yōu)勢,這些核心技術(shù)應(yīng)用到戰(zhàn)術(shù)通信,將極大推動戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)發(fā)展到新高度,同樣會產(chǎn)生無與倫比的技術(shù)優(yōu)勢,使戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴展,具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力,可以提供無線數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高、速率更高、時延更小的服務(wù)和更好的性能價格比,使戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)真正邁向數(shù)字化、高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化的新時代。

5.4 基于LTE 技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于LTE 技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)采用分層分布式柵格狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3 所示,網(wǎng)絡(luò)分成3 層:接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)和中繼。接入網(wǎng)絡(luò)層由移動用戶(UE)組成,以無線方式、隨機接入所屬移動基站,實現(xiàn)點到點通信連接或漫游功能;骨干網(wǎng)絡(luò)層由小型化移動基站組成,移動基站之間采用Mesh 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建骨干網(wǎng)絡(luò),以有線、無線和衛(wèi)星方式覆蓋整個作戰(zhàn)區(qū)域,實現(xiàn)移動用戶(UE)的隨機接入控制;中繼網(wǎng)絡(luò)層由衛(wèi)星通信組成,當(dāng)受地形等因素的影響而使通信受到限制時,利用衛(wèi)星信道可實現(xiàn)移動基站間的互連,這樣可在整個區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)橫向和縱向傳輸無縫連接,實現(xiàn)移動基站對整個通信保障區(qū)域的全覆蓋。通過這三層網(wǎng)絡(luò)的綜合運用,可以構(gòu)建分層、分布式、一體化的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的移動性和抗毀能力好,快速部署能力強,解決了平面分布式網(wǎng)絡(luò)的用戶容量有限問題,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍得到了極大擴展;提供了高速率、高帶寬的能力,可以適用于傳輸話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等多媒體業(yè)務(wù)信息;移動用戶的接入和使用是便捷的、無縫的、持續(xù)的、安全的和可靠的,并可提供有等級的傳輸、計算和信息服務(wù),實現(xiàn)了移動用戶的高效實時性要求。這樣的網(wǎng)絡(luò)可靠性高、組織運用靈活、操作簡單,同時其自組織特性也可以減少網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃負擔(dān),可以支持在沒有操作員情況下的任務(wù)重構(gòu)。

圖3 基于LTE 技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Tactical communications network architecture based on LTE technology

6 結(jié)束語

高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化是未來戰(zhàn)術(shù)通信發(fā)展的方向和趨勢,LTE 技術(shù)使這種理想成為現(xiàn)實,通過LTE 頻率下移變換和小型化設(shè)計技術(shù)構(gòu)建的新型戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng),工作在軍用頻段,電波傳輸特性更加穩(wěn)定和可靠,在體積、重量、功耗上都大幅降低,可滿足戰(zhàn)術(shù)通信機動性和車載性要求,可自動適應(yīng)無線電干擾、移動隨機接入、網(wǎng)絡(luò)拓撲變化,以及其他環(huán)境要素的變化,使網(wǎng)絡(luò)生存性大大提高,覆蓋范圍得到極大延伸,傳輸速率百倍增長,真正具備了高速率、高寬帶和網(wǎng)絡(luò)化的能力,實現(xiàn)了話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等多媒體業(yè)務(wù)的傳輸需求。可以預(yù)見,先進的LTE 技術(shù)正在帶來信息產(chǎn)業(yè)新的革命,并成為國際競爭的制高點,LTE 技術(shù)軍用化同樣帶來戰(zhàn)術(shù)通信產(chǎn)業(yè)新的革命,可以極大推動戰(zhàn)術(shù)通信高速發(fā)展,使戰(zhàn)術(shù)通信發(fā)生根本性變革、跨越式發(fā)展。下一步研究的內(nèi)容主要是MIMO 技術(shù)容量分析、山區(qū)傳輸性能分析及驗證。

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