公安340 MHz無線寬帶通信系統在復雜環境下的創新應用研究

袁躍文，劉 昱，吳 雙，魯志兵，劉 棣

（1.成都市公安局錦江區分局，四川 成都 610011；2.海能達通信股份有限公司，廣東 深圳 518057）

在公共安全的安保、巡防、執勤中，復雜環境一般指具有交通流動性大、突發事件多，電磁環境復雜、無線網絡干擾大，人流量密集、網絡負載大等特點的場景。PDT作為公安最重要的無線通信網絡，如今已經在全國大范圍應用，而在PDT的網絡建設過程中，復雜環境下的應用也一直是相當具有挑戰性，尤其是在車站、商圈等重點防治區域，其現場環境極為復雜、而且具有持續性，因此對于配套的無線通信網絡要求最高。為了確保這類場景的網絡效果，PDT一般在網絡規劃、頻率設置、信號優化上需要額外做出努力[1]。

對于寬帶無線通信而言，復雜環境帶來的挑戰會更大：寬帶無線通信因同時占用的載波資源較多，一般采用同頻組網方式，小區間組網更為復雜，也更容易受到外部電磁干擾影響。尤其是340 MHz頻段，其低頻段特質能夠給公安帶來大覆蓋、低成本的優勢，但是同時也帶來了越區覆蓋、同頻干擾、非標帶寬等新的挑戰。這些挑戰只通過網絡規劃、優化等基礎手段無法解決，必須從無線通信的關鍵、核心技術層面進行創新，以構建新型的340 MHz無線寬帶專網，才能真正解決復雜環境下公安寬帶無線通信對網絡覆蓋、容量、穩定性等多方面的需求。

1 公安340 MHz無線寬帶通信系統需求

1.1 復雜場景面臨的挑戰

成都市公安局錦江區分局所轄春熙路太古里商圈，是典型的公安復雜環境代表。針對該商圈的日常治安和應急處置工作，其面臨的主要挑戰是存在常態監控不足、圖像應用少，且應急狀態下圖像傳輸受外界因素影響較大等問題。一是天網監控不足，但卻無法任意破土增加監控點位的問題；二是固定點位監控傳輸以及公網視頻傳輸存在數據量大、流量費高等問題；三是采用公網4G/5G視頻監控手段也面臨商圈人流量過多，公共網絡擁塞問題；四是公網等方式無法完全隔離網絡入侵，在發生一些重大社會事件時，可能會給犯罪分子可乘之機。

針對這類熱點區域，建設公安寬帶無線通信專網顯得更為迫切和可行：一方面，專網無線寬帶能夠帶來更穩定易用、更安全可靠的無線網絡服務，網絡收益明確；另一方面，熱點區域性的網絡覆蓋區域相對較小，如果再采用340 MHz低頻段建網，投資成本將會更低，性價比較高，更容易落地實施。

1.2 340 MHz頻率應用現狀

340 MHz（336～344 MHz）頻段是公安可以優先使用的應急圖傳頻段（見GA 962-2011公安專用無線視音頻傳輸系統設備技術規范），部分地市基于該標準進行過應急圖傳網絡的建設。該技術規范基于C-OFDM技術體制，由于技術體制較早，頻譜效率較低，早期圖傳系統的視頻回傳容量非常有限，已經無法滿足當前公安、應急等領域日益豐富的實戰需求。加之到現在，建設時間普遍較長，維護難度較大，早期的340 MHz圖傳系統使用頻次越來越低，公安部于2017年底廢止了GA962-2011標準，相應的336～344 MHz無線圖傳頻譜資源基本處于閑置狀態。在廢除原有標準的同時，工業和信息化部同時也更新了這一段頻譜的使用規定，在336～344 MHz圖傳頻段上允許基站大功率發射，為采用新技術重耕這段頻段奠定了政策基礎。

340 MHz頻段的覆蓋性能非常好，比較適合公安以低成本投入來快速建設大覆蓋網絡。結合太古里商圈這類復雜環境的公安實戰業務需求，自主創新，重耕340 MHz頻譜資源，建設一張新型的340 MHz無線寬帶專網，以視頻傳輸為主，輔以部分關鍵數據業務，不僅能夠解決類似復雜環境的實戰需求，同時也為公安部門未來全國性寬帶化、智能化網絡建設奠定基礎。

1.3 新型340 MHz無線寬帶專網的需求分析

如上所述，新型的340 MHz公安無線寬帶專網需要解決復雜環境下公安業務面臨的各種需求和挑戰，同時也要作為當前以及未來公安部門日常和應急業務的發展基礎，必須結合公安實戰的要求和產業鏈的發展，統籌考慮以下一些具體的要求。

（1）技術體制。技術體制的選擇是重耕340 MHz頻譜的關鍵，至少要涵蓋三個方面的考慮：技術本身要具備一定的先進性和可持續演進的能力；配套該技術的產業鏈要相對成熟；作為給公安行業提供應用支撐的技術，必須考慮自主可控和安全可靠。

（2）功能需求。無線網絡的核心指標是連接和傳輸，新型340 MHz無線寬帶專網作為承載公共安全視頻業務的網絡，這兩個指標上和公網有較大的不同。一方面，公網業務以下載為主，而對公安業務來說，更多地需要將關鍵區域、現場的視頻信息回傳，因此在傳輸能力上要以上傳為主；另一方面，公網希望在網用戶越多越好，而公安專網的在網用戶是相對固定的，但是必須確保這些用戶有足夠的網絡資源可用，尤其是關鍵用戶在關鍵時刻的無線資源保障。所以，新型340 MHz無線寬帶專網要重點考慮增強上行回傳能力，以及無線資源調度的策略貼合實戰。

（3）組網模式。340 MHz本身頻率較低，無線組網越區覆蓋可能會比較嚴重。另外，低頻段本身也更容易被外部信號干擾，而公安業務對網絡穩定性要求非常高，因此新型340 MHz無線寬帶專網需要從空口組網技術方面進行更多考慮。

（4）安全挑戰。作為關鍵視頻的承載網絡，公安對于網絡上的數據傳輸有較高的安全保密要求，因此要考慮在入網的鑒權、業務傳輸的完整性和加密、信源加密等方面都要進行考慮。

2 新型340 MHz無線寬帶專網技術方案

2.1 總體考慮

基于新型340 MHz無線寬帶專網系統應用場景和演進需求分析，以下將從技術體制、組網模式、主要功能等幾個方面進行總體考慮。

2.1.1 技術體制建議

原有的340 MHz無線圖傳系統采用COFDM技術，相關的產業鏈相對較為薄弱，系統也相對封閉。這導致原有340 MHz無線圖傳系統的技術演進相對遲緩，很難滿足公安實戰的需求。新型340 MHz無線寬帶專網技術要綜合上述考慮，4G TD-LTE和5G NR都具備參考條件。

考慮到標準的TD-LTE技術規范主要還是針對公網應用場景設計的標準，在頻譜資源、業務需求、應用場景以及安全、可靠等方面與公安實戰應用需求存在一定的差距，如果直接套用TD-LTE技術規范，很難獲得較好的實戰效果。因此，新型340 MHz無線寬帶專網技術是在TD-LTE規范的基礎上，針對公安實戰需求，融合5G等新技術進行自主創新，從而兼顧產業資源、實戰性能以及投資等多方面的考慮。

2.1.2 組網模式建議

340 MHz頻段總計只有8 MHz頻譜，因此只能采用基于TD-LTE制式的蜂窩組網模式。原先的340 MHz無線圖傳系統由于受到頻譜使用方式的限制，只能采用點對點的組網方式，基站只能收，無法大功率發送，因此系統傳輸容量會受到較為明顯的限制。新的頻譜使用方式允許基站大功率發送，因此新型340 MHz無線寬帶專網技術采用蜂窩模式進行組網，通過切換、漫游技術能夠保證多小區的廣覆蓋能力，通過小區間干擾協調來降低小區間的干擾影響，同時每個小區的容量相對獨立，從而也可以保證整個系統的容量不會受到明顯的限制。

2.1.3 主要功能和性能

TD-LTE本身已經被大規模成熟應用，一些已經被實踐過的先進技術可在340 MHz網絡中是可以繼續沿用的，比如，OFDM的波形、多天線技術、AMC、HARQ等。

但是TD-LTE標準主要考慮的也是針對公網的應用模式，其上行傳輸能力明顯低于下行，在340 MHz無線寬帶專網中需要進行創新優化，比如，引入5G NR中的上行增強特性，重新定義終端功率等級，調整TD-LTE的上下行配比方式為更多上行等，以提升340 MHz無線寬帶專網的上行傳輸能力，讓其遠高于網絡下行傳輸能力。

同時，在組網方面，340 MHz的TDD網絡會比已經商用的TD-LTE網絡更加復雜，常規的SFR較難完全優化好組網性能，必須綜合考慮頻率、業務甚至小區間聯合的增強ICIC方式，才能打造好一張高性能340 MHz網絡。

2.2 關鍵技術創新

為滿足復雜環境下的應用需求，新型340 MHz無線寬帶專網系統在空口技術方面需要做出一些貼合實戰的技術創新，比如，在無線鏈路的上行增強，低頻段的同頻組網抗干擾，基于角色保障的高質量業務調度，基于感知的網絡自休眠，等等。通過技術創新更好發揮340 MHz頻率在公安實戰中的作用，整個網絡和技術才能夠持續發展演進。

2.2.1 調制技術

4G LT E下行采用OF DM A，上行則采用S CFDMA調制。上行采用單載波調制模式的主要目的是為了降低終端的功耗，延長終端待機時間，但同時也犧牲了無線鏈路的性能。相比SC-FDMA單載波調制模式，OFDMA是多載波調制模式，抗多徑衰落的能力更強。在一般的衰落信道下，OFDM A有3 dB的增益，在移動環境下，OFDMA有近5 dB的增益，在M I MO模式下，增益進一步擴大到6.5 dB，性能仿真如圖1所示。

圖1 OFDMA和SC-FDMA的性能對比

考慮到公安視頻業務主要以上行回傳為主，對上行鏈路增強的需求較為強烈，而且需要舉報抵抗窄帶干擾的能力，因此新型340 MHz無線寬帶專網技術空口上行鏈路可以采用OFDMA或者SC-FDMA兩種調制模式，根據具體情況可以靈活選擇不同的調制模式。一般模式下，新型340 MHz無線寬帶專網系統的上行應該優先選擇OFDMA調制模式，能夠顯著提升上行的平均吞吐率。

2.2.2 靈活幀結構技術

靈活的上、下行幀結構配比是TDD系統的一個顯著優勢，能夠根據應用場景的實際需求，靈活地對上、下行吞吐率進行配置，標準TD-LTE上行子幀最大的占比為60%。為了進一步增加上行子幀的占比，從而提升回傳容量，新型340 MHz無線寬帶專網技術參考5G NR增加了大上行配比方式，如圖2所示，上行子幀占用80%資源。除了靈活的幀結構，新型340 MHz無線寬帶專網技術在資源調度上還進行了針對性優化，確保在保障優先級的同時達到頻譜利用率最大化[2]。

圖2 配比0子幀結構

2.2.3 高功率終端技術

在LTE技術的蜂窩制式網絡中，下行基站的發射功率可達40 W，但上行發射功率受限于終端體積和功耗，往往不會太大，標準的終端最大上行發射功率僅23（dBm）。在滿足工業和信息化部發射功率規定的情況下，新型340 MHz無線寬帶專網系統可以借助增加終端的功率，特別是車載臺（可達10 W發射功率）、背負臺的功率，來提升回傳的容量以及小區的覆蓋范圍，對干擾也有一定的抵抗作用，與4G及5G公網技術相比，上行覆蓋具有明顯優勢，從而可以大幅度降低建網成本[3]。

2.2.4 網絡靜默技術

336～344 MHz頻段緊鄰航空信標（328.6～335.4 MHz）和衛星空地通信（344～351 MHz）頻段，為避免340 MHz頻段對鄰近頻段的干擾，在頻率使用上規定只允許低功率終端發射，大功率系統只收不發。雖然在實際使用中沒有強制執行該要求，但是從網絡安全的角度還是應該作為一個非常關鍵的要求進行考慮。一方面在系統設備研制時要有嚴格的帶外指標，另一方面在組網時要進行合理規劃、確保站點與航空信標、衛星地面站的空間距離，同時最關鍵的是網絡應該支持靜默，即在日常沒有業務時系統應該處于不發射狀態，只有在應急救援時刻有回傳業務請求時才啟動正常收發。

系統靜默狀態可以由網絡后臺強制配置開啟或關閉，也可以由系統自身基于業務情況監測來自動觸發，流程如圖3所示。

圖3 系統轉靜默流程

2.3 技術方案優勢總結

新型340 MHz無線寬帶專網系統延用了大部分TD-LTE的關鍵技術，繼承了TD-LTE系統成熟、先進的功能和優異的性能，在此基礎上，針對公安實戰的要求，利用5G的先進技術，自主創新，相比原有的340 MHz圖傳技術、公網4G圖傳技術，在如下方面具有明顯的優勢：

⊙上行回傳鏈路的性能和容量得到了顯著增強，能夠支持更大容量、更高質量的無線寬帶專網需求；

⊙單站覆蓋范圍顯著提升，極大限度地減少了廣覆蓋組網的成本；

⊙充分考慮了340 MHz頻率的特殊性，可以更安全、更有效地使用該頻率。

3 新型340 MHz無線寬帶專網應用效果及演進考慮

為驗證新型340 MHz無線寬帶專網在復雜環境中的應用效果，錦江分局初步建設了1套新型340 MHz無線寬帶專網基站，實現部分街區覆蓋。在該網絡中，根據日常巡防需要，部署了2路無線固定高清監控和2個機動高清監控火力點，從實戰效果看，固定無線監控點可實現與有線固定監控幾乎同等高清實時視頻回傳，機動火力點可按需移動監控點位，并同步提供高清實時視頻回傳，極大地提升了執勤效率，較好地保障了該區域日常治安、巡邏需求。

從初步驗證看，新型340 MHz無線寬帶專網能夠在復雜環境中提供較穩定、可靠的大容量上行回傳業務，接下來需要進一步驗證規模性組網性能。同時，基于新型340 MHz無線寬帶專網管道，計劃進一步考慮增強圖像業務的應用，包括：

（1）結合錦江分局已建的人臉識別平臺，將春熙路太古里商圈現場視頻通過340 MHz無線寬帶專網實時上傳到圖綜和人臉識別系統；人臉識別系統實時分析春熙路商圈部署的移動視頻，通過分析視頻流、抓拍人臉數據，幫助錦江區公安分局更好地維持春熙路商圈的治安工作。

（2）研究340 MHz業務融合技術，重點研究340 MHz網絡本身與指揮調度系統的融合，通過指揮調度系統能夠將340 MHz圖像統一、無差異地呈現在指揮調度大屏上，通過指揮調度系統能夠使340 MHz系統與公安現有窄帶系統業務的互通，從而實現多業務的統一管理和調度，提升公安應急指揮的實戰能力[4]。

在太古里商圈實現完整的340 MHz網絡覆蓋后，上述圖像業務應用的落地，能夠實現固移、公專有效融合，必將極大地提升警務人員治安巡防效率及應急處突能力。未來，該模式也可以為全國其他城市大型商圈或其他復雜環境下的寬帶專網建設提供參考，進行更多試點推廣。■