LTE技術(shù)用于消防專網(wǎng)通信的測(cè)試研究

劉　濤方之龍楊歲永

LTE技術(shù)用于消防專網(wǎng)通信的測(cè)試研究

劉濤1方之龍2楊歲永3

利用LTE技術(shù)，選擇合理的通信頻率和頻譜帶寬，通過(guò)多種環(huán)境下的實(shí)地測(cè)試，檢驗(yàn)了LTE技術(shù)應(yīng)用于消防專網(wǎng)通信效果，證明LTE技術(shù)確實(shí)能夠在消防現(xiàn)場(chǎng)通信領(lǐng)域提供高可靠高帶寬的保障效果。

無(wú)線通信消防通信LTE技術(shù)

LTE（Long Term Evolution）作為一種高速率的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，最早于2004年在日本提出，2008年形成標(biāo)準(zhǔn)，2011年開始商用。作為由中國(guó)主導(dǎo)的新一代通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，LTE技術(shù)具備高速率傳輸、低功耗、大容量等特點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)包括FDD（Frequency Division Duplexing）和 TDD（Time Division Duplexing）兩種模式。在國(guó)內(nèi)，LTE一般是指TD-LTE制式。采用LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，在20Mbps頻譜帶寬下，可以達(dá)到100Mbps數(shù)據(jù)下載、50Mbps數(shù)據(jù)上傳的能力，由于該標(biāo)準(zhǔn)支持多種帶寬分配方式，因而頻譜分配更加靈活，全I(xiàn)P的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其配置和部署更加方便快捷，系統(tǒng)的延時(shí)更小，容量和覆蓋效果相對(duì)原有通信標(biāo)準(zhǔn)也有顯著提升。

消防無(wú)線通信，長(zhǎng)期以來(lái)主要依賴超短波無(wú)線通信方式，來(lái)保障語(yǔ)音通信聯(lián)絡(luò)。近幾年來(lái)，隨著3G和衛(wèi)星等通信技術(shù)裝備的發(fā)展應(yīng)用，消防單兵音視頻采集裝備、視頻會(huì)商系統(tǒng)作為消防無(wú)線通信聯(lián)絡(luò)的有效補(bǔ)充手段，為滅火救援現(xiàn)場(chǎng)與后方各級(jí)指揮中心通信聯(lián)絡(luò)和信息保障提供了可靠的渠道，在滅火救援科學(xué)調(diào)度和指揮決策方面發(fā)揮了非常重要的作用[1]。然而在滅火救援災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)指揮部與各個(gè)作戰(zhàn)單位、各攻堅(jiān)組之間的高效率音視頻無(wú)線通信聯(lián)絡(luò)始終是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的微波、數(shù)字集群、3G等通信手段都存在各種弊端，沒有相對(duì)完善的解決方案，因此利用LTE技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸高帶寬、高效率特性，實(shí)現(xiàn)滅火救援現(xiàn)場(chǎng)消防無(wú)線音視頻通信聯(lián)絡(luò)，成為破解消防現(xiàn)場(chǎng)多媒體無(wú)線通信難題的一種手段[2]。

1.LTE技術(shù)應(yīng)用于消防無(wú)線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)有的超短波、微波通信方式相比較，LTE具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。一是高帶寬。LTE技術(shù)最高可支持20Mbps頻譜帶寬，具備多路音視頻同步傳輸所需要的大容量特性，能夠滿足多角度、多方位的多路音視頻同時(shí)回傳到指揮部，與指揮部實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信聯(lián)絡(luò)的需要。二是高速率。LTE技術(shù)最高可實(shí)現(xiàn)下行100Mbps、上行50Mbps的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠確保多路音視頻通信的最小時(shí)延及流暢度，保障即時(shí)通信效能。三是高效率。下行鏈路5（bit/s）/Hz，上行鏈路2.5（bit/s）/Hz，頻譜應(yīng)用效率更高，承載容量更大。四是頻譜可調(diào)。支持1.25MHz-20MHz之間的多種頻譜帶寬，確保了部署時(shí)的靈活性，針對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境，消防現(xiàn)場(chǎng)通信中可以根據(jù)電磁干擾情況，及時(shí)調(diào)整通信頻率或頻譜帶寬，確保通信的高度穩(wěn)定可靠。五是便捷的操作性能。消防員需要攜帶的LTE終端設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集成化和小型化，便于攜帶和操作，控制平臺(tái)軟件操作便捷，能夠根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)音視頻通信聯(lián)絡(luò)及單呼、組呼等功能[3][4]。

2.LTE技術(shù)在消防無(wú)線通信應(yīng)用中的架構(gòu)

LTE技術(shù)應(yīng)用于消防無(wú)線通信領(lǐng)域，重點(diǎn)要解決的是現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋和多路音視頻傳輸?shù)膯栴}，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)搭建通信基站，消防員攜帶單兵裝備的方式實(shí)現(xiàn)。設(shè)備連接示意圖如圖1所示：

圖1　LTE設(shè)備連接示意圖

通過(guò)搭建LTE現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單兵裝備采集的音視頻信息實(shí)時(shí)回傳至現(xiàn)場(chǎng)指揮部功能，配合使用已有的衛(wèi)星通信或3G、4G裝備，最終達(dá)到將現(xiàn)場(chǎng)全方位視頻上傳至各級(jí)消防指揮中心的目的，實(shí)現(xiàn)前后方指揮部視頻會(huì)商及調(diào)度指揮等功能。

由于LTE技術(shù)應(yīng)用于消防專網(wǎng)通信，在視頻頻譜的選擇，設(shè)備的便攜式、小型化方面需要進(jìn)行適當(dāng)改造，通過(guò)多種測(cè)試，最終選擇應(yīng)用400 MHz頻段，設(shè)備采用分體設(shè)計(jì)、模塊化堆疊的方式，解決了現(xiàn)場(chǎng)覆蓋范圍較小和設(shè)備不便攜化的問題。整套系統(tǒng)分為射頻模塊、核心交換模塊和網(wǎng)關(guān)模塊，分裝在航空三防箱體內(nèi)，箱體堆疊后各模塊之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)專線連接；系統(tǒng)配有1臺(tái)調(diào)度筆記本電腦和8套終端設(shè)備，終端設(shè)備配備了頭盔式攝像機(jī)和空氣導(dǎo)管耳機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)便捷化操作。通過(guò)增設(shè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與350兆無(wú)線通信系統(tǒng)、POC無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)的互聯(lián)互通，如圖2所示。

3.LTE系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境及實(shí)測(cè)效果

3.1測(cè)試設(shè)備情況

測(cè)試的LTE設(shè)備主要放置在消防通信指揮車上，通過(guò)車載發(fā)電機(jī)或UPS供電，2根鞭狀天線放置于通信指揮車的車頂，距離地面高度約為3m；使用頻率為400MHz頻段，頻譜帶寬為20MHz，無(wú)線信息發(fā)射功率為40瓦；配備8部手持終端，終端發(fā)射功率為25dbm。

3.2測(cè)試環(huán)境選擇

測(cè)試選擇了滅火救援任務(wù)經(jīng)常遇到的一般城市環(huán)境、城市CBD、高層建筑、地下建筑、大跨度大空間建筑、隧道、山岳地區(qū)等7類環(huán)境，主要針對(duì)IP化網(wǎng)絡(luò)傳輸、多路音視頻通信、多媒體調(diào)度等功能開展實(shí)地測(cè)試。

3.3實(shí)地測(cè)試情況

3.3.1一般城市環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：在通信指揮車?？课恢帽眰?cè)，距離15米處為高6層、長(zhǎng)240米、寬100米的會(huì)展中心一期建筑，東北側(cè)為高6層、長(zhǎng)85米、寬140米的會(huì)展中心三期建筑，其余方向相對(duì)空曠。

測(cè)試工作開展情況：測(cè)試人員攜帶終端設(shè)備，乘坐車輛往東南方向行駛；至直線距離出發(fā)點(diǎn)2.8公里處，視頻傳輸中斷，調(diào)頭從西北方向返回后，終端傳回視頻恢復(fù)。如圖3所示，標(biāo)注紫色小旗為基站放置位置，紅線和藍(lán)線為車輛行駛路線，紅線標(biāo)注路段行駛期間視頻傳輸流暢，藍(lán)線為視頻傳輸無(wú)法保障路段。

圖2　LTE與無(wú)線通信設(shè)備互聯(lián)架構(gòu)圖

圖3　一般城市環(huán)境測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)　

圖4　城市CBD環(huán)境測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3.3.2城市CBD環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：在通信指揮車?？课恢梦鱾?cè)，距離40米左右為1幢地上72層（高度333米）超高層塔式建筑，天線設(shè)置點(diǎn)附近百米范圍內(nèi)高樓林立。

測(cè)試工作開展情況：測(cè)試人員攜帶終端設(shè)備，乘坐車輛往東向約0.8公里處，終端傳回視頻開始卡頓；車輛繞行一周，從西向返回時(shí)，行駛至距離天線0.1公里左右時(shí)，終端視頻傳輸流暢。如圖4所示，標(biāo)注紫色小旗為基站放置位置，車輛行駛路線，紅線部分視頻流暢，藍(lán)線部分視頻傳輸卡頓。

分析：基站天線高度只有3米，被多建筑物遮擋，信號(hào)繞射頻繁，能量損失較大，視頻中斷部分基本都在高樓的陰影處。

后期測(cè)試：將天線架設(shè)高度增至12米左右，東向有限覆蓋達(dá)到1.2公里左右，南、北方向的覆蓋也有較大改善，沿道路方向能達(dá)到1.3公里，有效覆蓋半徑約為0.8公里，西向由于樓宇對(duì)信號(hào)的遮擋，改善不明顯，約為0.2公里。

3.3.3高層建筑環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：通信指揮車?？吭诔咚浇ㄖ|側(cè)，距離建筑約40米，該建筑地上72層（高度333米）。

測(cè)試工作開展情況：從大樓正門進(jìn)入，1層視頻傳輸流暢，語(yǔ)音清晰；乘坐電梯上行至44層，在電梯、樓梯間內(nèi)無(wú)視頻傳輸；到達(dá)44層后，視頻傳輸恢復(fù)；攜帶終端到大樓西側(cè)及中部立柱遮擋處，視頻傳輸出現(xiàn)卡頓，其他全部區(qū)域視頻傳輸流暢，語(yǔ)音清晰；上行至68層，只有樓內(nèi)東側(cè)縱深約4米視頻傳輸正常；繼續(xù)上行至72層樓頂，大樓四周縱深約3米視頻傳輸正常。

原因分析：電梯間內(nèi)由于電梯鐵皮屏蔽導(dǎo)致無(wú)視頻傳輸；同時(shí)也與使用鞭狀天線有關(guān)，使用定向天線應(yīng)該會(huì)有所改觀。

后期測(cè)試：通信指揮車?？烤嚯x大樓80米處，總體覆蓋情況于之前類似，改善不明顯；天線增高至12米，高層區(qū)域信號(hào)覆蓋有所改善，44層信號(hào)覆蓋范圍明顯增大，在68層位置，覆蓋縱深約為6米，72層樓頂?shù)母采w縱深約4米。

3.3.4地下建筑環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：通信指揮車停靠在超高塔式建筑東側(cè)，距離建筑約30米，距離地下室室外安全出口3米，該建筑地下共4層、地上72層（高度333米）。

測(cè)試工作開展情況：地下室共7萬(wàn)余平米，地下一層14000余平米，設(shè)計(jì)為百貨商場(chǎng)，目前框架已完成，處于停工狀態(tài)。從大樓地面一層內(nèi)部進(jìn)入地下一層，視頻傳輸流暢，語(yǔ)音清晰；地下二層西側(cè)和北側(cè)，視頻出現(xiàn)輕微丟幀現(xiàn)象，南側(cè)位置圖像傳輸中斷；進(jìn)入地下三層，終端無(wú)信號(hào)，連接中斷；在地下三層西側(cè)和北側(cè)，視頻出現(xiàn)輕微丟幀現(xiàn)象，南側(cè)位置遮擋嚴(yán)重圖像傳輸比較困難，其他區(qū)域視頻傳輸效果良好；進(jìn)入地下四層，無(wú)法支撐視頻傳輸。

后期測(cè)試：通信指揮車停靠位置轉(zhuǎn)移至距離地下車庫(kù)入口10米處，地下一層視頻傳輸流暢，語(yǔ)音清晰；地下二層的信號(hào)覆蓋情況并沒有明顯改觀，信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，地下三、四層視頻無(wú)法傳輸。

3.3.5大跨度大空間建筑環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：溫州市國(guó)際會(huì)展中心為6層建筑，其中一期建筑長(zhǎng)240米，寬100米，高約20米；三期建筑長(zhǎng)85米，寬100米，高約20米；三期在一期東側(cè)約50米處，兩建筑內(nèi)部北側(cè)偏東位置設(shè)置電梯及樓梯。通信指揮車?？吭跁?huì)展中心一期建筑南面道路上，距離建筑外墻15米處。

測(cè)試工作開展情況：在會(huì)展中心一期建筑內(nèi)，包括地面部分、地下室一層、北側(cè)客梯及樓梯間，視頻傳輸流暢；三期建筑內(nèi)，地下室一層、北側(cè)貨梯及樓梯間無(wú)信號(hào)傳輸，其余位置視頻傳輸流暢。如圖5所示，紅色部分為三期建筑貨梯及樓梯間位置。

分析：三期建筑及樓梯間位置距基站較遠(yuǎn)，同時(shí)貨梯鐵皮、樓梯間墻壁和鐵門都比較厚，造成信號(hào)衰減較大，覆蓋信號(hào)相對(duì)較弱。

后期測(cè)試：將通信指揮車?？吭谂R近三期建筑入口位置處時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)地上及地下一層全覆蓋，音視頻傳輸流暢；一期建筑地下一層西側(cè)視頻傳輸卡頓。

3.3.6隧道環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：隧道測(cè)試在溫州市文成縣境內(nèi)，測(cè)試隧道分為三段，依次為王宅隧道、周岙底1號(hào)隧道、周岙底2號(hào)隧道，其中王宅隧道長(zhǎng)2240米，西面300米處有彎道，周岙底1號(hào)隧道長(zhǎng)180米，周岙底2號(hào)隧道長(zhǎng)2100米。各隧道之間為約100米露天道路。通信指揮車?？吭谥茚?號(hào)隧道與2號(hào)隧道之間露天道路位置。

圖5　大跨度大空間建筑環(huán)境測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖6　隧道環(huán)境測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試工作開展情況：兩組測(cè)試人員分別攜帶終端設(shè)備，一組在天線位置通過(guò)周岙底1號(hào)隧道向西，至1.7公里處視頻傳輸均比較流暢，語(yǔ)音清晰，之后開始出現(xiàn)視頻卡頓；另一組攜帶終端設(shè)備從王宅隧道東口向西，行至距離天線1.7公里左右，終端視頻傳輸穩(wěn)定，語(yǔ)音清晰。如圖6所示，紅線為視頻流暢，語(yǔ)音清晰路段，藍(lán)線視頻傳輸有卡頓。

3.3.7山岳地區(qū)環(huán)境測(cè)試情況

測(cè)試環(huán)境及基本情況：山岳測(cè)試在溫州市文成縣境內(nèi)的百丈漈，通信指揮車?？吭谏巾斘恢茫巾?shù)降孛媛洳罴s為300米，周圍為環(huán)山公路。

測(cè)試工作開展情況：兩組測(cè)試人員分別攜帶終端設(shè)備，一組乘坐車輛從東面環(huán)山公路上山，在部分地區(qū)可以進(jìn)行語(yǔ)音和視頻回傳，至0.3公里處終端傳回視頻穩(wěn)定流暢，語(yǔ)音清晰；另一組攜帶終端設(shè)備，從東南方向下山，行至距離天線0.7公里左右，行駛路線約2-3km，垂直落差200米左右，期間視頻均流暢傳輸，語(yǔ)音清晰，之后視頻出現(xiàn)卡頓。沿路山體遮擋位置，終端視頻傳輸相對(duì)比較困難，在開闊地區(qū)信號(hào)強(qiáng)度較高，視頻流暢。如圖7所示，標(biāo)注紫色小旗為基站放置位置，紅線部分視頻傳輸流暢，藍(lán)線為視頻傳輸困難路段。

4.LTE技術(shù)在測(cè)試中體現(xiàn)的特點(diǎn)及存在不足

圖7　山岳地區(qū)環(huán)境測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)實(shí)地測(cè)試，我們認(rèn)為該系統(tǒng)具備以下3方面特點(diǎn)：一是高效率的現(xiàn)場(chǎng)音視頻保障模式。當(dāng)前單一的火場(chǎng)通信方式，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展形勢(shì)下的滅火救援工作需要，嚴(yán)重制約了滅火救援指揮決策效能，無(wú)法為指揮人員提供全面可用的第一手信息，通過(guò)引入新的LTE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)戰(zhàn)斗段現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情和滅火救援行動(dòng)向現(xiàn)場(chǎng)指揮部實(shí)時(shí)視頻回傳的功能，能夠?yàn)橹笓]決策提供更加完備的信息支撐。二是機(jī)動(dòng)靈活的無(wú)線通信保障方式。該系統(tǒng)采用便攜式設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)實(shí)際工作需要靈活搭建，2個(gè)操作人員10分鐘內(nèi)即可以完成系統(tǒng)的架設(shè)工作，具備隨行、隨建、隨用的機(jī)動(dòng)效能，建立了攻堅(jiān)組、前沿指揮部、現(xiàn)場(chǎng)指揮部和后方指揮中心四維立體的滅火救援通信保障體系，實(shí)現(xiàn)了各級(jí)指揮員對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)狀況及救援行動(dòng)的全面掌控。三是面向?qū)崙?zhàn)的功能需求設(shè)計(jì)。通過(guò)與現(xiàn)有350MHz無(wú)線通信系統(tǒng)、POC對(duì)講系統(tǒng)的對(duì)接，以及配備頭盔式攝像機(jī)、空氣導(dǎo)管耳機(jī)，使得通信保障在不增加指戰(zhàn)員操作要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了音視頻實(shí)時(shí)通信保障，并能夠根據(jù)需要實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信聯(lián)絡(luò)。

同時(shí)也存在以下幾方面不足：一是整套系統(tǒng)的集成度還不夠高、體積還不夠小、便攜機(jī)動(dòng)性能偏弱；二是終端設(shè)備的配件器材有待強(qiáng)化，消防滅火救援人員在行動(dòng)中的回傳畫面晃動(dòng)明顯，特別在黑暗、濃煙等環(huán)境下的視頻采集效果有待提升；三是終端設(shè)備由無(wú)線信號(hào)覆蓋盲區(qū)到達(dá)覆蓋區(qū)后，系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)識(shí)別并回傳音視頻信息，需要操作人員進(jìn)行調(diào)度，自適應(yīng)功能偏弱。

5.綜合測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)地測(cè)試，采用400MHz頻率的LTE技術(shù)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋系統(tǒng)，具備音視頻傳輸帶寬高、傳輸視頻清晰度高、調(diào)度指揮功能齊全等特點(diǎn)，基本能夠滿足一般滅火救援現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋需要，具體體現(xiàn)在：設(shè)備天線架設(shè)在車頂，無(wú)需升高的情況下，一般城市環(huán)境中可靠覆蓋范圍能夠達(dá)到1.5公里以上；城市CBD區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)建筑周邊300米以上范圍的全覆蓋；高層建筑30層以下基本可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)全覆蓋，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需要增加天線架設(shè)高度，無(wú)線信號(hào)覆蓋效果會(huì)更加突出；地下建筑基本能夠?qū)崿F(xiàn)地下1層的全覆蓋，在配備軍用通信線纜的情況下，可以通過(guò)延伸天線至地下通信保障位置，實(shí)現(xiàn)地下范圍內(nèi)的大面積無(wú)線信號(hào)覆蓋；隧道內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)1.5公里以上無(wú)線信號(hào)覆蓋。

該系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與后端傳輸設(shè)備的對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)20MHz載波帶寬，同時(shí)支持8路視頻回傳，支持不少于500個(gè)終端用戶，支持不少于30個(gè)分組，每組支持不少于50個(gè)用戶，能夠滿足大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)通信保障工作的需要；通過(guò)終端設(shè)備集成的北斗通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防員的實(shí)時(shí)定位；調(diào)度平臺(tái)具備單呼、組播、廣播等語(yǔ)音通信操作功能，也可以進(jìn)行強(qiáng)插、強(qiáng)拆、監(jiān)聽、禁話、轉(zhuǎn)接、代答等調(diào)度操作，具備音視頻調(diào)閱、視頻下發(fā)、短信息發(fā)送等功能；實(shí)現(xiàn)了與350兆消防無(wú)線通信系統(tǒng)的對(duì)接，具備基本的模塊化操作功能；終端連續(xù)不間斷拍攝傳輸高清視頻可用時(shí)間約為1小時(shí)，待機(jī)時(shí)間約為72小時(shí)，能夠滿足消防滅火救援現(xiàn)場(chǎng)多媒體無(wú)線通信的基本需求。

作者單位：1.浙江省公安消防總隊(duì)信息通信處
2.浙江省消防總隊(duì)司令部作戰(zhàn)指揮中心
3.溫州市公安消防支隊(duì)信息通信科

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