警用寬帶公專融合通信的研究

（1.成都市公安局，成都 610031；2.海能達(dá)通信股份有限公司，深圳 518057）

1 引言

公安部“十三五”規(guī)劃提出啟動(dòng)以4G寬帶通信技術(shù)和現(xiàn)有窄帶通信技術(shù)融合的專網(wǎng)建設(shè)，明確了“公、專融合”和“寬、窄融合”的發(fā)展方向[1]。隨著公安大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的逐步完善、人工智能和新一代通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，同時(shí)公安日常與應(yīng)急下的移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)需求不斷增加，公安融合專網(wǎng)的建設(shè)顯得越來越重要，也越來越緊迫。

“寬、窄融合”指出了語音通信仍然主要由窄帶專網(wǎng)承載，視頻及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由寬帶網(wǎng)絡(luò)承載，寬帶網(wǎng)絡(luò)也包括4G公網(wǎng)，因此“寬、窄融合”也是“公、專融合”的一部分。“公、專融合”強(qiáng)調(diào)了目前公安寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)該由4G公網(wǎng)和警用專網(wǎng)共同承載，日常非關(guān)鍵性的警用業(yè)務(wù)主要依托4G公網(wǎng)，而對(duì)于漸趨常態(tài)化的應(yīng)急關(guān)鍵性任務(wù)以及一些安全級(jí)別較高的特殊任務(wù)，更多地還是要依靠警用寬帶和窄帶專網(wǎng)。

目前，以PDT集群網(wǎng)和1.4GHz政務(wù)網(wǎng)或者4G公網(wǎng)相結(jié)合的“寬、窄融合”解決方案及相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)得到了較多的實(shí)際應(yīng)用，寬窄融合智能終端既可以支持日常移動(dòng)警務(wù)，也可以支持傳統(tǒng)的語音集群業(yè)務(wù)，解決了一線民警需要攜帶多部終端的問題，顯著提升了一線民警的工作效率[2]。但是，隨著移動(dòng)多媒體警務(wù)的廣泛普及，特別是在日趨常態(tài)化的應(yīng)急關(guān)鍵任務(wù)中的廣泛應(yīng)用，寬窄融合終端只能依靠4G公網(wǎng)來支撐關(guān)鍵性的視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而4G公網(wǎng)在可靠性、靈活性和安全性上都很難真正滿足公安應(yīng)急關(guān)鍵任務(wù)復(fù)雜多變的需求。因此，警用寬帶融合通信的解決方案和相關(guān)產(chǎn)品，對(duì)于移動(dòng)多媒體警務(wù)應(yīng)用越發(fā)重要和緊迫。

目前，警用寬帶專網(wǎng)的建設(shè)方案并沒有完全確定。基于1.4G政務(wù)網(wǎng)和4G公網(wǎng)的融合解決方案已經(jīng)應(yīng)用了幾年，但是由于1.4G政務(wù)網(wǎng)的建設(shè)和維護(hù)成本高，連續(xù)覆蓋需要大量資金投入，投入產(chǎn)出比不高，而且政務(wù)網(wǎng)也不屬于公安專用網(wǎng)絡(luò)，安全性風(fēng)險(xiǎn)較高，該方案沒有能夠被廣泛應(yīng)用。最近，一些地方開始嘗試對(duì)警用340MHz頻譜進(jìn)行重耕和升級(jí)，構(gòu)建警用寬帶數(shù)據(jù)專網(wǎng)[3]。初步的實(shí)戰(zhàn)效果體現(xiàn)出了340MHz專網(wǎng)的覆蓋廣、回傳能力強(qiáng)等優(yōu)勢，但是如何與4G公網(wǎng)進(jìn)行深度融合還缺乏系統(tǒng)性的研究。

針對(duì)上述問題，本文將重點(diǎn)討論如何基于340MHz警用寬帶專網(wǎng)和4G公網(wǎng)構(gòu)建適合公安實(shí)戰(zhàn)要求的公、專融合通信網(wǎng)絡(luò)，深入研究340MHz寬帶專網(wǎng)的技術(shù)要求和特點(diǎn)，詳細(xì)分析公、專融合下的各種工作模式和應(yīng)用場景，針對(duì)融合智能終端的設(shè)計(jì)提出一些合理化的建議。

2 警用寬帶專網(wǎng)的技術(shù)要求

適用于所有應(yīng)用要求的通信系統(tǒng)是很難設(shè)計(jì)的，通過融合不同的通信系統(tǒng)，從而滿足不同的應(yīng)用要求是融合通信的基本策略。因此，融合通信要求被融合的通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的互補(bǔ)特性，而不是簡單重復(fù)。

1.4G政務(wù)網(wǎng)采用B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)，其主要功能和性能上與4G TD-LTE系統(tǒng)基本一致，在繼承了4G公網(wǎng)吞吐率高、時(shí)延低、連接容量大等優(yōu)勢的同時(shí)，針對(duì)移動(dòng)多媒體警務(wù)應(yīng)用的特殊要求，也不可避免地存在明顯不足，主要的局限性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）4G公網(wǎng)和B-TrunC的上行鏈路采用單載波調(diào)制方式，無線鏈路的性能較差，尤其是在移動(dòng)或者反射較多的強(qiáng)多徑環(huán)境下，傳輸性能下降非常明顯，因此回傳容量也會(huì)極大受限[4]。然而，對(duì)于公安移動(dòng)業(yè)務(wù)，主要為上行回傳業(yè)務(wù)，對(duì)上行的傳輸性能和容量要求較高。4G公網(wǎng)和B-TrunC上行傳輸能力較弱的問題很難匹配公安業(yè)務(wù)要求的特點(diǎn)。

（2）4G公網(wǎng)和B-TrunC采用典型的蜂窩組網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)單一，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性較高，缺乏靈活組網(wǎng)、快速部署的能力。然而，對(duì)于時(shí)間隨機(jī)、地點(diǎn)隨機(jī)的應(yīng)急保障任務(wù)，要求專網(wǎng)系統(tǒng)具有靈活組網(wǎng)和快速部署的能力，終端具備脫網(wǎng)直通、多跳橋接等功能。顯然，傳統(tǒng)的單一蜂窩組網(wǎng)模式也很難滿足公安實(shí)戰(zhàn)要求。

（3）4G公網(wǎng)和B-TrunC采用公網(wǎng)機(jī)制，安全性和健壯性都不足以滿足公安專網(wǎng)的特殊要求。在特殊情況下，公安專網(wǎng)需要具備抗干擾的能力，從而抵擋惡意攻擊；具備較強(qiáng)的安全特性，從而避免被非法接入，實(shí)施犯罪。

（4）4G和B-TrunC都采用小區(qū)制，即單小區(qū)的覆蓋范圍都不大，連續(xù)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本較高。對(duì)于公安部門，在沒有商用運(yùn)營、全靠財(cái)政支撐的情況下，很難支撐高昂的建網(wǎng)和維護(hù)成本。

針對(duì)4G公網(wǎng)上述的局限性，在設(shè)計(jì)340MHz警用寬帶專網(wǎng)的時(shí)候，需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化，從而在公、專融合的模式下能夠和4G公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更好的相互補(bǔ)充。

（1）警用寬帶專網(wǎng)的回傳鏈路需要進(jìn)行增強(qiáng)，建議增加多載波調(diào)制模式，能夠有效地抵抗多徑衰落，提升移動(dòng)環(huán)境或者反射較多密集城區(qū)的回傳能力，同時(shí)多載波調(diào)制模式也更適合于MIMO技術(shù)融合，從而在有限的頻譜資源上進(jìn)一步提升回傳的容量。

（2）警用寬帶專網(wǎng)仍然以蜂窩組網(wǎng)為主，但是建議終端能夠具備寬帶自組網(wǎng)的能力，在蜂窩網(wǎng)覆蓋不到的區(qū)域中，終端能夠自組成網(wǎng)，保證小組內(nèi)的通信，或者通過多跳橋接的方式，臨時(shí)拓展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（3）警用寬帶專網(wǎng)應(yīng)該具有一定的抗干擾能力，參考認(rèn)知無線電的技術(shù)，能夠?qū)嵤┍O(jiān)測現(xiàn)場的頻譜狀態(tài)，動(dòng)態(tài)選頻，對(duì)于帶內(nèi)干擾能夠通過頻選調(diào)度等抗干擾方式進(jìn)行規(guī)避，確保基本的通信能力。

（4）警用寬帶專網(wǎng)采用340MHz低頻段，覆蓋廣，非視距繞射能力強(qiáng)，建議配置高功率載終端，從而進(jìn)一步提升單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。

在340MHz頻譜資源上，基于3GPP主流規(guī)范，進(jìn)行上述的技術(shù)優(yōu)化，構(gòu)建警用寬帶專網(wǎng)，能夠較好地與4G公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上互補(bǔ)，在公安實(shí)戰(zhàn)中能夠更好地發(fā)揮出“公、專融合“的優(yōu)勢。

3 公、專融合工作模式

1.4GHz政務(wù)網(wǎng)和4G公網(wǎng)的功能重疊，主要的不同在于工作的頻率，因此，現(xiàn)有的公、專融合終端一般都選擇雙模單待模式，及根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱在公網(wǎng)和專網(wǎng)之間切換，如圖1所示。

圖1 雙模單待模式

這種單待工作模式并沒有真正實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的融合，只是一種簡單的重復(fù)，很難真正滿足公安實(shí)戰(zhàn)的要求。340MHz警用寬帶專網(wǎng)針對(duì)4G公網(wǎng)上述的不足做了針對(duì)性的技術(shù)優(yōu)化，在與4G公網(wǎng)進(jìn)行融合時(shí)候，能夠提供更多的融合工作模式，最大程度地發(fā)揮融合通信的優(yōu)勢。

（1）互為備份模式。當(dāng)4G公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，340MHz警用專網(wǎng)可以處于連接狀態(tài)，監(jiān)測公網(wǎng)的狀態(tài)，一旦公網(wǎng)不能正常工作，警用專網(wǎng)可以馬上頂替公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不間斷地業(yè)務(wù)續(xù)傳，如圖2所示。反之亦然，4G公網(wǎng)也可以給警用專網(wǎng)進(jìn)行“溫備”。公、專網(wǎng)相互“溫備”能夠最大程度保證無線鏈路的健壯性，對(duì)于應(yīng)急關(guān)鍵任務(wù)具有重要的意義。

圖2 互為備份模式

（2）綁定同傳模式。4G公網(wǎng)和警用專網(wǎng)也可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，從而提升無線鏈路的容量。在大型活動(dòng)現(xiàn)場，公網(wǎng)容易產(chǎn)生擁塞而導(dǎo)致傳輸容量下降，公、專綁定同傳在一定程度上可以彌補(bǔ)這方面的問題。考慮到4G公網(wǎng)的回傳能力較差，警用專網(wǎng)也可以將絕大部分資源分配給上行，作為公網(wǎng)回傳的補(bǔ)充鏈路，這樣既可以確保回傳的容量，也可以節(jié)省公網(wǎng)傳輸?shù)牧髁抠M(fèi)。在業(yè)務(wù)上，公網(wǎng)和專網(wǎng)劃分明確，專網(wǎng)負(fù)責(zé)態(tài)勢信息的回傳，而公網(wǎng)則負(fù)責(zé)指令的上傳下達(dá)以及結(jié)果查詢等。

圖3 綁定同傳模式

（3）多跳橋接模式。在公網(wǎng)覆蓋的盲區(qū)，專網(wǎng)可以提供自組網(wǎng)的能力，通過多跳和橋接的模式延伸公網(wǎng)的覆蓋范圍，確保盲區(qū)中的態(tài)勢信息能夠回傳出來，指令也能下達(dá)到盲區(qū)，這對(duì)于應(yīng)急處置、救援具有非常重要的實(shí)戰(zhàn)意義。傳統(tǒng)的對(duì)講機(jī)具有類似的DMO功能，但是通常只有一跳，而且只能支持語音業(yè)務(wù)，寬帶自組網(wǎng)組網(wǎng)能力更強(qiáng)，容量更大，工作帶寬能夠根據(jù)業(yè)務(wù)類型自適應(yīng)變化，兼顧語音、數(shù)據(jù)和視頻等多種業(yè)務(wù)。

圖4 多跳橋接模式

上述這些新的工作模式對(duì)于公安實(shí)戰(zhàn)具有非常重要的意義，是必須具備的功能。但是從終端設(shè)計(jì)的角度考慮，公、專網(wǎng)同時(shí)工作也會(huì)帶來發(fā)熱、耗電等問題，在終端設(shè)計(jì)中也需要重點(diǎn)考慮并解決這些問題。

4 智能終端設(shè)計(jì)建議

融合通信的關(guān)鍵在于終端，目前公、專融合寬帶智能終端多采用雙模單待工作模式，不需要公、專網(wǎng)同時(shí)工作，因此可以采用一片芯片的架構(gòu)。但是上述新的工作模式需要公、專同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，建議新的融合終端采用雙芯片方案。在傳統(tǒng)公網(wǎng)SoC芯片上外掛一個(gè)專門負(fù)責(zé)專網(wǎng)通信功能的芯片，可以和公網(wǎng)通信單元同時(shí)工作，如圖5所示。

圖5 智能終端架構(gòu)

在雙芯片架構(gòu)下，由于新增一片芯片，而且支持雙發(fā)，如果不做好功率控制，則整機(jī)的功耗會(huì)顯著增加，發(fā)熱和待機(jī)時(shí)間都會(huì)產(chǎn)生較大的問題，從而影響實(shí)戰(zhàn)效果。因此，應(yīng)用處理單元需要能夠智能地選擇工作模式，合理控制兩張網(wǎng)同時(shí)工作的時(shí)間，同時(shí)在專網(wǎng)的算法上增加休眠等功能，最大限度地控制整機(jī)功耗，確保實(shí)戰(zhàn)效果。

另外，在公、專網(wǎng)同時(shí)工作的時(shí)候，會(huì)存在兩條IP鏈路和地址，而對(duì)于應(yīng)用層只希望看到一個(gè)IP地址，因此需要操作系統(tǒng)來處理物理IP地址和應(yīng)用邏輯IP地址之間的轉(zhuǎn)換和映射問題。公、專網(wǎng)如何選擇，這是一個(gè)非常智能化的功能，也是新的融合終端以及服務(wù)器需要新考慮的問題。

5 結(jié)束語

隨著移動(dòng)多媒體警務(wù)的廣泛應(yīng)用，基于公網(wǎng)和警用寬帶專網(wǎng)的公、專融合通信越發(fā)重要。根據(jù)融合通信的目的，針對(duì)公安實(shí)戰(zhàn)需求的特點(diǎn)，警用寬帶專網(wǎng)在技術(shù)上要和4G公網(wǎng)形成互補(bǔ)，彌補(bǔ)4G公網(wǎng)回傳能力不足、組網(wǎng)單一、網(wǎng)絡(luò)健壯性和安全性不夠以及建網(wǎng)成本高等不足，從而最大限度地發(fā)揮公、專融合通信的優(yōu)勢。

在新的公、專融合通信中，公網(wǎng)和專網(wǎng)具有更多的融合工作模式，相比現(xiàn)有簡單的雙模單待模式，新的工作模式能夠更好地支撐公安實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的需求。

未來，隨著無線通信技術(shù)和芯片技術(shù)的不斷演進(jìn)，處理能力更強(qiáng)、使用更加靈活、功耗更低的各種融合終端也將不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)移動(dòng)智能警務(wù)健康、有序地發(fā)展。