警用無線寬帶專網建設的必要性及其發展方向淺析

鄭健智，魏茂林，郭子健

（吉林省公安廳，長春 130000）

1 警用無線寬帶專網

隨著無線通信技術的飛速發展，公共安全無線通信網絡正在加速從窄帶技術向寬帶技術、單一語音業務向多媒體業務的轉變。公安機關日常的警務工作可以借助公網實現通信，但是對于日趨常態化的重大活動安保以及隨機性很強的應急救援、反恐處突等任務，則更需要無線通信專網的支撐。目前，在公安機關警務工作中，按照工作任務性質及使用需求，可劃將公安無線通信劃分為4類：日常語音通信；應急語音通信；日常數據、視頻通信；應急數據、視頻通信。上述四類業務各有特點，日常語音、數據、視頻通信可以更多依托公網來承載。公網的覆蓋好、用戶容量大，終端產品成熟，依托公網承載日常警務工作是一種性價比較高的方案，但是在重大活動安保及突發應急情況下，公網容易產生擁塞，而且安全性不高。警用數字集群（PDT）無線窄帶專網能夠實現在重大活動安保及應急事件處置中的語音通信保障，但能夠為指揮決策提供重要依據的數據、視頻通信還不能得到充分保障。因此，公安機關在無線窄帶專網的基礎上，建設一張低成本、廣覆蓋、安全可靠的警用無線寬帶專網非常必要。

2 警用無線寬帶專網系統建設的目的及意義

為滿足公安工作中實際需求，在充分利用現有警用頻率資源的前提下，警用無線寬帶專網要在功能和性能上要有三大提升：一是提升空口吞吐率，增加數據的傳輸帶寬；二是提升數據傳輸處理能力，降低網絡時延；三是提升組網的靈活性，降低信號補盲的難度。同時還要綜合考慮建設資金、建設周期等方面，還有以下一些要求：

（1）低成本：公安專網不以運營為目的，因此，對于網絡建設和維護的成本要求盡可能的低。采用廣覆蓋、大區制能夠減少站點，降低建網和維護成本；采用小站設備、中繼技術，降低深度覆蓋的成本。

（2）廣覆蓋：公安專網要求采用地域覆蓋策略，除了對密集城區要重點覆蓋以外，對偏遠地區也要進行有效覆蓋，相應的覆蓋面積就要比公網大不少。因此，警用無線寬帶專網需要具備大區制覆蓋的能力。

（3）安全可靠：公安工作的特殊性決定了對網絡的穩健性、實時性、保密性要求非常高，因此，警用無線寬帶專網需要充分保證網絡的穩健性、實時性和保密性。

3 警用無線寬帶專網的構建

3.1 技術路線

警用無線寬帶專網的演進可以參考公網的演進步驟。目前，公網4G 技術已經非常成熟，并且在向5G 過渡。警用數字集群（PDT）無線窄帶專網可以對標公網的2G 網絡。針對公安無線寬帶專網的建設，可以跳過3G，直接利用4G、5G 現有的先進技術，結合公安領域的需求特點，定制發展和搭建符合公安業務需求的警用無線寬帶專網系統。

目前，不管是運營商的公網還是公安機關使用的警用數字集群（PDT）窄帶無線專網，均采用的是蜂窩組網方式，所以參照公網4G、5G 的組網模式，警用無線寬帶專網仍然需要以蜂窩網絡架構為主，這樣有利于大范圍覆蓋、移動切換和提升系統容量。但是，蜂窩組網方式要求基站架設在有基礎設施資源的地方，這樣會導致基站的位置及覆蓋范圍相對固定。然而，有些公安的應急任務，發生的時間和地點都具有很強的隨機性，并且很可能發生在信號盲區，因此，警用無線寬帶專網系統的組網方式需要同時考慮能夠快速將蜂窩網絡的信號覆蓋進行延伸的靈活組網能力，可考慮通過多制式的終端實現，即終端同時具備脫網直通、自組成網的能力，當部分終端無法接收到蜂窩基站信號的時候，通過終端的自組成網，將能接收到蜂窩基站信號的終端的信號延伸到信號覆蓋盲區，快速實現補盲，保證指揮調度的通暢。

3.2 頻段選擇

目前，公安機關依據政策可用的頻段有兩段，分別為1.4 GHz 中的警航頻段（1430 MHz-1438 MHz）中的8 MHz 和340 MHz（336 MHz-344 MHz）的8 MHz 圖傳頻段。另外，部分城市采用公安機關牽頭建設通信系統，與其他政府部門共用的方式使用了1.4 GHz 中（1447 MHz-1467 MHz）的20 MHz 頻段。該頻段是歸屬政務網頻段，實際上并沒有指定分配給公安機關使用。1.4 GHz 政務網頻段基站覆蓋距離有限，建設成本非常高，目前主要用于熱點覆蓋，無法大面積應用，對公安實際需求的支撐有限。340 MHz 頻段屬于公共安全部門共同使用，覆蓋性能非常好，但是原有的技術落后，系統容量受限，網絡的開放性和技術的演進性不好，現階段很難再具備實戰能力。該頻段在大部分地區都沒有被充分利用，長期閑置可能導致部分340 MHz 頻譜資源被其他部門占用，這對于公安部門是很大的損失。因此，依托340 MHz 頻段開展警用無線寬帶專網建設更為科學合理。

3.3 系統架構

警用無線寬帶專網可采用四層網絡架構，相比傳統蜂窩網絡三層架構，新的網絡在接入層下面又增加了一層，即臨近接入層（Proximity Service，ProSe）。ProSe 功 能 是 3GPP 在 R12 版 本 中特別針對公共安全部門工作特點新增的鄰近服務（ProSe）功能，該功能利用D2D 和自組網技術，能夠支持寬帶終端之間的脫網直通、多跳橋接以及終端自組網等功能，配合蜂窩網絡使用，能夠靈活、便捷地延伸蜂窩網絡的覆蓋范圍，即使在沒有基站覆蓋的情況下，也能夠支持終端自組成網，非常適合臨時應急場景。

3.3.1 網絡架構圖

圖1 網絡架構圖

3.3.2 系統網絡架構介紹

（1）應用層：多媒體融合通信應用平臺，將無線通信專網、公安信息網資源、視頻專網資源、公網資源等資源融合互通，集成語音、數據和視頻業務，實現跨制式、跨平臺的融合互通，提供跨區域、跨層級、跨警種通信指揮調度能力，構建上下聯動、橫向呼應、高效運行的一體化指揮體系，為實戰指揮調度提供技術支撐。

（2）非接入層：包括核心網和網管。與標準4G LTE 網絡一樣，核心網主要負責接入控制、數據路由和轉發、移動性和安全性管理以及無線資源管理等功能，網管主要負責系統配置管理、告警管理和性能管理，也可以增加一些智能網絡管理功能，如自優化、自愈功能等。

（3）蜂窩接入層：包括基站和各種終端。在蜂窩模式下，終端只與基站建立無線連接，進行雙向數據傳輸，終端之間并不能直接通信，支持跨小區的切換，保證通信的連續性。

（4）臨近接入層：只包括各種終端。在臨近模式下，終端并不與基站建立無線連接，而只與其他終端建立無線連接，自組網成網，進行雙向數據傳輸。終端自組網能力在應急環境下具有非常重要的作用，不依賴基礎設施，組網快速，拓撲靈活，適應應急處突的多種場景。另一方面，當一個處于臨近模式下的終端和一個處于蜂窩模式下的終端背靠背連接起來的時候，就可以形成了一個橋接點，便于蜂窩小區的覆蓋延伸或者蜂窩小區的臨時補盲，相比利用固定站進行延伸和補盲，臨近接入層的性價比更高、實戰性更強。

4 主要技術

警用無線寬帶專網的技術體制可以參照4G LTE 技術體制，除了繼承B-TrunC 集群業務功能以外，還針對公安上行數據流量大、支持脫網直通、多跳橋接以及實時性強等特點，還可以積極引入5G 新技術進行關鍵技術的優化，從而更好地滿足公安機關實戰需求，降低建網成本。針對建議引入的5G 技術，可以考慮如下：

（1）新空口技術：4G 空口幀結構是固定的，對于吞吐率、時延以及覆蓋距離等需求各不相同業務很難同時兼顧，因此5G采用新的波形代替OFDM 波形，構建更為靈活的幀結構，從而在空口實現寬、窄帶業務波形的統一部署。警用無線寬帶專網采用相應的新技術，為各種業務定制靈活的幀結構，提供最優的業務體驗，兼顧不同用戶對吞吐率和覆蓋距離的需求。

（2）多天線技術：針對上行提供單用戶MIMO （SU-MIMO），和多用戶虛擬MIMO （MU-MIMO）技術，提升上行頻譜效率，吞吐率翻倍增長，以適應視頻上拉等公安專網常用業務需求。

（3）Device-2-Device （D2D）技術：3GPP R13是針對公共安全應用提出了對等業務（ProSe），D2D 是ProSe 業務的關鍵支撐技術。D2D 技術能夠為公安機關提供更加靈活的組網能力，拓展基站的覆蓋范圍，在無基站或者基站不能正常工作的情況下，為終端設備提供脫網直通、脫網自組網工作的能力。警用無線寬帶專網可以繼承PDT 脫網直通能力，在D2D 技術的基礎上，提供寬帶D2D、自組網的功能，增強了組網的靈活性，降低了網絡覆蓋的成本。

（4）大功率終端（High Power User Equipment，HPUE）技術：突破3GPP 對終端功率的限制，通過提升終端功率以及系統功率控制機制，提升上行覆蓋距離和吞吐率。

（5）動態幀結構技術：根據實際需求，靈活配置上、下行幀配比，動態配置新的幀結構，提升系統容量，網絡更加智能化。

公網4G 技術體制更多地還是在適應公網應用需求，除了基礎的OFDM-MIMO 技術以外，很多功能并不太適用于警用無線寬帶專網的應用需求，或者說并不是最優的方案。另一方面，由于要兼容2G、3G 等系統，公網4G 標準和體制也非常復雜和臃腫，導致終端芯片門檻較高，不利于公安專網終端產業的發展。

警用無線寬帶專網技術充分繼承4G 現有的技術，但是根據公安工作的特點，對現有4G 技術體制進行簡化，同時引入5G 新技術和其他創新技術，為公安機關打造“量身定做”的無線寬帶專網。

5 結束語

面對日益復雜的公共安全形勢，公安機關需要建設自己的無線專網，保證在各種環境下提供保底的語音、數據和視頻業務的支撐。近年來，在公安部的統一組織與部署下，警用數字集群（PDT）無線窄帶專網已經建設成為全國乃至全世界最大的無線通信專網，實現了絕大部分省、市的全國聯網，并且這張窄帶專網還將在較長時間內持續服務于公安工作。同時，公安工作中對無線寬帶專網的需求日益迫切，面臨1.4 GHz 高頻段基站建網成本過高，簡單的套用公網技術和組網方式無法完全滿足公安業務需求等問題，警用寬帶通信專網建設需要立足于公安業務特點，充分利用4G、5G 的先進技術，加快重耕公安340 MHz 頻譜資源，結合現有的警用數字集群（PDT）無線窄帶專網實現寬、窄帶融合。同時，警用寬帶通信專網建設還應利用公網的覆蓋優勢，實現公網與專網融合，共同支撐公安的日常工作、大型活動安保和應急處突的通信保障。