4G移動通信技術在戰術通信中的應用研究*

張 雷，許 飛，隋天宇

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都 610041)

4G移動通信技術在戰術通信中的應用研究*

張 雷，許 飛，隋天宇

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都 610041)

當前4G移動通信技術發展突飛猛進，與之形成鮮明對比的是戰術通信系統發展緩慢。把先進民用技術引進到戰術通信中，不僅符合軍民融合的趨勢，而且還能迅速提升戰術通信系統的性能。LTE和WiMAX作為4G寬帶無線通信系統標準，采用了大量創新傳輸技術，例如OFDM和MIMO，使傳輸性能相對3G系統得到大幅提升。二者均采用了全IP體系結構和面向連接的傳輸特性，使業務QoS和傳輸時延性能得到了很好的保證。首先對4G移動通信的LTE和WiMAX標準進行概述，然后提煉出可以使用到戰術通信系統中的關鍵技術，并分析這些關鍵技術在戰術通信中面臨的挑戰和相應的改進技術,最后介紹了4G在戰術通信使用方向并就軍民融合進行展望。

軍民融合；LTE；WiMAX；戰術通信

0 引 言

戰術通信朝著高速化、寬帶化和網絡化方向發展，以窄帶、低速為特征的傳統戰術通信系統已經很難完成這種使命，且同時存在智能化水平低、互操作能力差、業務能力不足等問題，與用戶需求和信息戰要求相比還相差甚遠[1]。針對上述問題，需要采用新的技術，構建新的系統來滿足戰術通信對語音、視頻、數據等多媒體業務統一傳輸承載需求。

與軍事通信技術發展緩慢相比，民用移動通信發展迅猛。當前以4G為代表的民用寬帶無線通信技術高速發展，極大的提高了系統的傳輸速率，改善了業務服務質量，擴大了網絡覆蓋范圍。而深入推進軍民融合式發展，是加快轉變戰斗力生成模式的重要途徑[2]。所以把先進民用技術引入到戰術通信領域中，使之融為一體、共同發展，是今后的重要研究內容，也是不可阻擋的潮流，符合當前軍民融合的大趨勢。

然而民用技術不能直接照搬到戰術通信中，因為兩者的設計初衷和使用場景有極大的差別。例如民用移動通信中具備有線網絡基礎設施支撐，電磁環境相對良好，設計時對網絡攻擊和安全保密考慮相對欠缺，而這些正是戰術通信中需要面對和解決的問題。下面將對4G寬帶無線通信系統中的典型候選技術LTE和WiMAX進行分析對比，然后提煉出戰術通信可以借鑒的關鍵技術，指出戰術通信需要完善和吸收改進的地方，最后介紹軍民融合在寬帶無線通信技術領域的發展趨勢。

1 4G移動通信技術概況

下文對4G移動通信候選技術LTE和WiMAX進行慨括介紹，并進行簡要的對比分析。兩者采用了相似的關鍵技術，如物理層信號處理技術，組網方式和QoS保證機制等。這些關鍵技術代表了未來寬度無線通信技術發展方向。

1.1 物理層技術

LTE和WiMAX物理層傳輸體制基于OFDM和MIMO。調制解調(QPSK、16QAM、64QAM)和信道編碼(卷積碼、Turbo碼，LDPC作為可選項)均采用相同技術。由于資源劃分和幀結構定義以及上層協議的不同，LTE和WiMAX的物理層參數定義和物理層過程有較大的差別，比如正交碼的選擇，隨機接入(LTE中)和測距(WiMAX中)流程，廣播尋呼流程，切換流程，資源分配方式等設計有較大差異。

LTE上行由于考慮終端的功耗和功放線性度，設計了具有單載波特性的SC-FDMA，在低信噪比下其性能比單純的OFDMA有一定的損失(比OFDMA多了一個DFT的預編碼處理)，但換取的好處是更低的峰均比；在下行采用了OFDMA作為多址和傳輸技術。WiMAX上下行均采用OFDMA。多天線技術方面，LTE和WiMAX差別也不大，MIMO和波束賦形等多天線技術均作為LTE和WiMAX的關鍵技術被標準化。

表1從峰值速率方面對LTE和WiMAX進行了比較[3]。

表1 LTE和WiMAX峰值速率

LTE和WiMAX由于物理層上采用了類似的關鍵技術OFDM+MIMO，從而傳輸性能并沒有本質的差異。可見OFDM和MIMO作為寬帶無線通信系統的基本傳輸技術在4G中得到了充分應用，而其他寬帶無線通信系統也勢必要采用這些傳輸技術。

1.2 空口協議棧

WiMAX空口協議棧,如圖1所示,主要規范了物理層和MAC這兩個層次，在垂直方向來看分為控制面和數據面；LTE空口協議棧從水平方向來看分為3層，物理層、數據鏈路層和無線資源控制層，從垂直方向來看也同樣分為控制面和數據面,如圖2和圖3所示。經過對比不難看出LTE在水平方向劃分要多一個無線資源控制層，即RRC層。

圖1 WiMAX空口協議棧模型

圖2 LTE空中接口控制面協議棧結構

圖3 LTE空中接口用戶面協議棧結構

具體而言，LTE中的PDCP功能和WiMAX的MAC層匯聚子層CS相對應，就是對上屏蔽下層無線網絡特性，接收上層數據再根據一定規則映射到不同連接(WiMAX)或者承載(LTE)；對下層傳上來數據再做逆處理，于此同時還要執行加密、完整性保護(LTE)以及切換時數據前傳以支持無縫切換。LTE中RLC所支持的分段、串接、自動重傳等功能在WiMAX中MAC層CPS子層實現；LTE中MAC子層的調度功能和WiMAX中的MAC層調度功能一樣，在多用戶間分配上下行資源。LTE中的RRC無線資源控制、連接(或者呼叫)建立、釋放、移動性管理、尋呼廣播功能對應WiMAX的MAC層的鏈接管理功能。如WiMAX MAC層管理模塊支持連接動態建立、修改和釋放以及移動性管理。可見WiMAX的MAC層涵蓋了LTE的層2和部分層3的功能。LTE和WiMAX均為面向連接傳輸的系統，在空口協議棧上完成的功能差異不大，只是協議子層的劃分有所差異。在LTE中層次劃分更加細化。

1.3 QoS框架

WiMAX的QoS框架基于業務流。業務流(SF,Service Flow)是在移動終端和接入服務網網關(ASN-GW)之間的一個單向的具有特定QoS屬性(如分組時延，時延抖動和吞吐量等)的數據流。業務流由業務流標識SFID標記，和連接CID一一對應。通過MAC接口傳輸的分組都會根據分類準則和一個業務流相關聯，從而具有特定的QoS屬性。圖4描述了業務流的含義，不同粗細的管道對應了不同的業務流。

圖4 WiMAX業務流

WiMAX中把所有的業務數據分為5大類[4]，分別對應了5種QoS等級：主動授權業務UGS，擴展實時輪詢業務ertPS,實時輪詢業務rtPS,非實時輪詢業務nrtPS和盡力而為服務BE service。終端和網絡進行數據傳輸前，先根據QoS需求建立不同的連接，基站調度器根據不同連接(業務流)QoS需求進行優先級處理，從而實現對不同優先級業務傳輸的QoS保障。

LTE采用了和WiMAX類似的QoS保障機制，也采用了面向連接傳輸的思想。在LTE中QoS的粒度是SAE承載，SAE承載可以看作是網絡和終端間傳輸數據的一個邏輯通道，不同承載具有不同的QoS屬性[5]。如圖 5所示，LTE的端到端承載叫做EPS承載，鏈路在不同段具有不同的稱號，例如在空口中叫做無線承載Radio Bear。通常LTE系統中會給每個用戶提供一個默認承載，以保證用戶的永遠在線。默認承載的QoS要求是最低的，用于承載背景類數據業務傳輸。當有更高QoS需求業務進行時，終端需要請求網絡建立具有更高QoS屬性的專用承載。LTE中定義了9種不同QoS等級QCI來實現對不同業務傳輸的支撐。

對比LTE和WiMAX的QoS保證機制發現，兩者均為面向連接傳輸的系統，通過對業務數據進行分類傳輸和處理，使得優先級高的業務數據優先得到發送處理，來實現整個系統的QoS保障。

2 戰術通信可以借鑒的關鍵技術

2.1 基本傳輸技術OFDM+MIMO

OFDM技術通過子載波正交特性，極大的提高頻譜利用率。同時把高速串行數據流轉換成多路并行低速數據流，降低了單路子載波上符號速率，增大符號長度，并采用循環前綴，從而天然具有抗多徑特性。所以OFDM是一個優良的適用于寬帶系統的傳輸技術，在需求高速傳輸的戰術通信系統中可以借鑒使用，但需要對子載波間隔進行調整以克服動中通時多普勒效應造成的不利影響。同時還需要對OFDM高峰均比和相噪敏感特性進行評估和改進。

MIMO屬于多天線的范疇，經證明可以在不增加無線頻率資源的情況下成倍的提升系統容量。在系統收發兩端部署多天線，可以實現空間復用、空間分集和波束賦型等多種類型的傳輸模式。空分復用模式下，通過分層傳輸，系統容量能成線性增加；空間分集模式下，則能通過把相同數據分成多路并行傳輸，在接收端分集接收，獲得分集增益，提高系統的誤碼率性能；波束賦型模式下，能實現定向傳輸、波束跟蹤，減輕信道衰落，提升信號質量，降低用戶間干擾，進而提高系統容量和頻譜效率。在戰術條件下，還可以實現低截獲和低檢測特性。

OFDM和MIMO作為基本傳輸技術，在LTE和WiMAX中得到了廣泛應用，代表了未來寬帶無線傳輸技術發展趨勢。所以在戰術通信中，尤其是需要寬帶傳輸的場景下，可以借鑒和改進OFDM和MIMO技術，實現高速傳輸的同時能滿足戰術通信對抗干擾和安全保密的需求。例如通過捷變頻，甚至載波跳頻提升OFDM戰術通信場景中的抗干擾能力，實現寬帶傳輸和抗干擾需求的結合；通過波束賦型等技術實現戰術通信中的定向組網傳輸，進而使系統具備LDI和LPI特性。

2.2 載波聚合和中繼傳輸

在LTE中，最大頻帶寬帶為20 MHz，且頻譜利用率已經接近香農極限，無法進一步提高系統吞吐量。根據香農信道容量公式[6]，要提高系統吞吐量，就必須提高系統帶寬或者信噪比。所以要追求更高系統吞吐量，就必須提高頻帶寬度或者信噪比。通過提高信噪比帶來的頻譜利用率增益在高信噪比下越來越小，在此情況下只能通過擴展頻帶寬度來提升信道容量。載波聚合是LTE-Advanced和802.16 m系統中采用的把多個20 MHz頻譜捆綁起來使用的技術，分為連續捆綁和離散捆綁可以成倍擴展系統頻帶寬帶寬度，提升系統吞吐量。例如當系統頻帶擴展到100 MHz時，再利用MIMO技術，可以使系統吞吐量達到Gb/s的傳輸速率量級。在戰術通信系統中要實現超高速率傳輸，載波聚合技術是可行的技術方向。在連續頻譜被污染的情況下(如遭受電磁攻擊)，可通過離散頻帶的聚合來提供高帶寬傳輸性能保障。還可以和認知無線網絡結合，通過動態頻譜分配來提供數據傳輸服務，提升數據傳輸的有效性和可靠性。

中繼傳輸是另外一個擴展系統容量和覆蓋范圍的關鍵技術。用戶終端可以通過中間接入點中繼接入網絡來獲得服務。無線中繼技術包括Repeater和Relay兩種技術。Repeater是在接收到母基站的射頻信號時在射頻上中繼轉發信號，終端和基站均不知道Repeater的存在，其作用只是信號放大，僅能增加覆蓋，并不能提升容量。Relay技術則是在原有節點的基礎上，增加新的Relay站，加大站點和天線的分布密度。中繼站存在于終端和基站之間，可以工作在物理層和高層協議層。這樣不僅可以擴展網絡覆蓋范圍，還可以提升系統容量。在戰術通信中還可以加強動中通能力，在多遮擋條件下保證系統正常運行。例如山地作戰中，中繼技術在地形復雜情況下能很好的保證系統的覆蓋范圍及傳輸速率。

2.3 面向連接的傳輸

LTE和WiMAX都是面向連接的傳輸系統。通過區分不同業務QoS需求，把不同業務數據映射到不同的業務流(或承載)進行傳輸，在資源分配時根據不同業務流的QoS等級進行優先級調度處理，使得對QoS要求苛刻的業務優先得到發送處理，實現了對業務的QoS保證。

對于全IP系統來說，民用系統中面向連接傳輸的思想能很好的在一個網絡上承載多媒體業務，非常好的解決了業務QoS保證難題。所以戰術通信中可以借鑒這種思想，在通信協議設計時，把面向連接的思想融入其中。其本質就是對網絡和終端傳輸的數據根據QoS需求進行分類，然后在調度時根據QoS等級進行優先級處理，進而在最大化無線資源利用率的同時保證各業務的QoS得到滿足。

2.4 扁平化網絡結構和基站路由器

通過LTE和WiMAX對比可以發現，在民用寬帶通信系統中網絡不僅順應著全IP、寬帶化、移動化趨勢在演進，而且系統架構越來越趨于扁平化，協議層次劃分越來越簡潔[7]。這樣不僅使協議處理變得更加簡單，還可以大大縮短業務傳輸處理時延。這種思想可以引入到戰術通信中，使系統設計變得更加簡潔明了，數據傳輸時延也會極大減小，從而系統性能將得到提升。

鑒于戰場環境中缺少有線基礎設施支撐，戰術通信對設備體積要求十分苛刻，并且對一體化的要求較高。結合扁平化網絡設計趨勢，基站路由器可以很好的解決上述問題。基站路由器即把無線接入網的接入協議處理功能和網絡路由交換功能集成在單一的設備上，可以進一步減少協議處理時延，并同時減少網元數量和設備體積功耗，給系統帶來了很大靈活性，對隨遇接入、移動性管理，自組網，以及異系統互連都提供了很好的支持。

3 應用于戰術通信的挑戰

3.1 組網方式

圖6描述了LTE和WiMAX的網絡架構，可以發現LTE和WiMAX采用了點對多點PMP網絡架構，用戶數據交換需要通過中心節點來實現，而且接入網和核心網之間通信要通過有線基礎設施來承載。戰術通信中不僅需要PMP組網方式，還需要Mesh或者Ad Hoc自組網方式的無線網絡，且通常情況下骨干網絡互連沒有有線基礎設施支撐。雖然在WiMAX的802.16d中定義了Mesh組網方式，但標準化和實際產品比較缺乏。另外民用系統中由于前向兼容以及計費等功能需求，網元數量眾多，交互協議復雜，網絡設備的體積也比較大，這些特性和戰術通信對移動性、小型化等特點的需求是矛盾的。

所以民用寬帶通信系統要引入到戰術通信中，需要對組網方式進行改進：一方面要加強對Mesh組網和Ad Hoc組網方式的研究；另一方面要去掉骨干網互連時對有線基礎設施的依賴，實現全無線互連的組網體系；同時還需要減小協議復雜度和網元數量，降低設備體積和減小功耗。

圖6 LTE和WiMAX網絡架構

3.2 抗干擾性

LTE和WiMAX中涉及抗干擾的技術較少。系統中小區間干擾協調技術用于提升小區邊緣用戶的傳輸性能，而子載波跳頻技術是用于獲取頻率分集增益。這些技術均不是設計來抵抗諸如窄帶瞄準干擾、寬帶壓制干擾等戰場電磁對抗范疇的干擾形式。這是因為民用通信系統使用場景中，假定不存在惡意的無線電波攻擊，不需要很強的抗干擾措施，其目的主要是是減少相鄰小區的互干擾和用戶間的自干擾以及異構系統之間的電磁干擾，以提升用戶體驗。

但是在戰術通信中，電磁環境非常惡劣。人為干擾無處不在。輕則極大降低信干比，增大誤碼率，重則系統完全失效，無法進行正常通信。所以在戰術通信中抗干擾技術是必須的，是系統能正常工作的前提，需要深入研究。

3.3 安全保密

LTE和WiMAX系統均設計了各自的安全保密體系。LTE中在空口傳輸的數據必須在PDCP子層加密才發往低層做發送處理，并由對端PDCP進行解密，再送給高層做進一步處理。在WiMAX中，加解密功能部署在MAC層最下面的安全子層來實現。同時兩個系統均采用了雙向認證技術來對用戶和網絡進行互相認證，以減少非法用戶或者非法基站對系統的入侵。

但民用系統采用的密鑰體系和強度不能保證在戰術條件下的安全，需要使用軍用的專用密碼技術加以改造。另外加解密功能的部署位置和信令交互流程以及密鑰管理等需要結合具體的使用場景進行設計。為加強系統安全保密性，可以考慮物理層加密[8]，例如通過使用自定義的星座映射方式，信道編碼算法等信號處理手段進行加密，使得破解方無法從信號處理的角度進行解調，從底層消除信息被竊取或者篡改的可能。

3.4 戰術特殊需求

戰術通信系統的使用方式和使用習慣與民用系統有較大差異，這也是4G系統引進到戰術通信的一個巨大挑戰。

在戰術通信中首先要保證的是話音通信。在許多情況下，現場人員根本沒有時間打字或閱讀消息。相反，語音命令和信息必須通過按下PTT按鈕立即傳遞。這在民用的4G系統中還沒有明確的定義。這些功能需要在新系統設計時重點考慮。幸運的是4G標準組織在考慮設計集群調度的群組通信功能和面向緊急任務的按鍵通話功能PTT，以支持公共安全的通信需求，而這也可以應用到戰術通信中。為支持話音通信，可以采用類似電路回退的方案，讓4G系統作為高速數據傳輸的通道，讓傳統的超短波短波電臺作為話音通道。戰術通信系統中通常還有勤務話的需求，這在4G系統中沒有對應的功能支撐。可以對LTE中的多媒體廣播系統MBMS進行改造以支持勤務話。

在戰術作戰中，部隊通常是一個高度組織化的單位，而不是一群個體。比如營這樣的單位，被部署于指定的地理區域。部隊隨機地分散或開始機動是不太可能的，但對于民用系統，用戶獨立地移動和漫游是很常見的。這對戰術和民用通信系統設置了不同的要求。4G系統需要通過相應的功能調整和修改才能適應部隊作戰的使用場景。

4 4G在戰術通信中的應用方向

事實上4G移動通信已經在國內外軍事通信中得到了廣泛應用。據《西部防務》報道，LGS公司宣布在最近結束的網絡綜合評價中成功部署了尺寸、重量和功耗全部達到最小化的便攜式4G網絡設備[9],這種設備可部署在戰術環境中，并能安裝于車輛或者固定戰術作戰中心使用。美國海軍正在積極試驗海上激光通信與4G蜂窩通信技術，力圖推進各種水面與水下作戰平臺之間實現高速大容量數據通信[10]。美國陸軍是802.16工作組MMR研究組的成員之一，他們試圖對802.16系列標準的未來發展施加影響，使之更多地適應軍事通信需求，縮短裝備采購時間[11]。

4G移動通信技術具有高速數據傳輸，高移動性支持能力以及快速部署等優勢，在戰術通信中具有廣泛的應用場景。例如在指揮所局域網中可以作為寬帶無線接入網使用。通過空中無人機中繼平臺，可以互聯多個地面部隊子網通信。在部隊機動作戰中可以作為集群調度系統，提供高清視頻和話音通信服務。在城市作戰中，當士兵傳統通信設備被摧毀或者失效時，可以利用智能電話、平板電腦和其他設備連接4G網絡以進行數據收發。

4G移動通信技術不僅可以直接應用到戰術通信中，對其中一些關鍵技術進行改進和重新設計，還可以應用到更加廣泛的戰術通信應用中。

5 結 語

當前處于如火如荼建設階段的4G系統，極大的提高系統吞吐量，提升了用戶數據傳輸速率和用戶體驗。與此同時，5G技術也已經踏上了研發的征程，可見民用寬帶無線通信技術發展之迅猛。另一方面戰術通信對高帶寬、低時延、抗干擾性、安全保密的需求也越發急迫，而現役的戰術通信系統并不能很好滿足上述需求。因而把民用通信中的一些關鍵技術經借鑒、改造后引入到戰術通信系統中不失為一種快速滿足軍事需求的方式。由于設計初衷和使用場景的不同，在引進這些關鍵技術的同時需要加以改進，甚至創新。

民用通信提出的軟件無線電技術就在戰術通信中得到了廣泛使用。而認知無線網絡技術、端到端重配置技術等當前熱門的民用技術也勢必可以引入到戰術通信領域來，創造性的解決戰術通信對數據傳輸有效性和可靠性乃至可信性的強烈需求。可以預見，未來5G技術的研發方向必將深刻影響戰術通信的演進方向。不僅從物理層，甚至空口上層協議以及組網協議，乃至應用層都將吸收引進民用寬帶無線通信系統的關鍵技術。

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Application of 4G Mobile Communication Technologyin Tactical Communication System

ZHANG Lei，XU Fei，SUI Tian-yu

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

With the rapid development of 4G technology in recent years,the tactical communication,however,evolves slowly.The introduction of advanced civil technologies into military tactical communication could accord with the trend of civil and military fusion and enhance the capability of tactical communication. LTE and WiMAX, as 4G standard, benefit a lot from many advanced transmission technologies including OFDM and MIMO, thus resulting in a great improvement on throughput over 3G system. In addition, LTE and WiMAX,with IP-based architecture and connection-oriented features,could guarantee the QoS and transfer-latency performance. Firstly, the standard of LTE and WiMAX are briefed and the critical technologies are overviewed. Then the key technologies suitable for tactical wireless network are presented, the challenges and modifications discussed when these advanced technologies adopted in tactical communication system. Finally, the applications of 4G in tactical communication system are summaried and the trend of civil and military fusion forecasted.

civil and military fusion; LTE; WiMAX; tactical communication

date:2014-10-27；Revised date：2015-02-21

TN918

A

1002-0802(2015)04-0423-07

張 雷(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為寬帶無線通信；

許 飛(1979—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為寬帶無線通信；

隋天宇(1983—)，男，博士，工程師，主要研究方向為寬帶無線通信和信號處理。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.009

2014-10-27；

2015-02-21