警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)建設(shè)的必要性及其發(fā)展方向淺析

鄭健智，魏茂林，郭子健

（吉林省公安廳，長(zhǎng)春 130000）

1 警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，公共安全無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)正在加速?gòu)恼瓗Ъ夹g(shù)向?qū)拵Ъ夹g(shù)、單一語(yǔ)音業(yè)務(wù)向多媒體業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變。公安機(jī)關(guān)日常的警務(wù)工作可以借助公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，但是對(duì)于日趨常態(tài)化的重大活動(dòng)安保以及隨機(jī)性很強(qiáng)的應(yīng)急救援、反恐處突等任務(wù)，則更需要無(wú)線通信專網(wǎng)的支撐。目前，在公安機(jī)關(guān)警務(wù)工作中，按照工作任務(wù)性質(zhì)及使用需求，可劃將公安無(wú)線通信劃分為4類：日常語(yǔ)音通信；應(yīng)急語(yǔ)音通信；日常數(shù)據(jù)、視頻通信；應(yīng)急數(shù)據(jù)、視頻通信。上述四類業(yè)務(wù)各有特點(diǎn)，日常語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻通信可以更多依托公網(wǎng)來(lái)承載。公網(wǎng)的覆蓋好、用戶容量大，終端產(chǎn)品成熟，依托公網(wǎng)承載日常警務(wù)工作是一種性價(jià)比較高的方案，但是在重大活動(dòng)安保及突發(fā)應(yīng)急情況下，公網(wǎng)容易產(chǎn)生擁塞，而且安全性不高。警用數(shù)字集群（PDT）無(wú)線窄帶專網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)在重大活動(dòng)安保及應(yīng)急事件處置中的語(yǔ)音通信保障，但能夠?yàn)橹笓]決策提供重要依據(jù)的數(shù)據(jù)、視頻通信還不能得到充分保障。因此，公安機(jī)關(guān)在無(wú)線窄帶專網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)一張低成本、廣覆蓋、安全可靠的警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)非常必要。

2 警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的目的及意義

為滿足公安工作中實(shí)際需求，在充分利用現(xiàn)有警用頻率資源的前提下，警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)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(shù)據(jù)的傳輸帶寬；二是提升數(shù)據(jù)傳輸處理能力，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；三是提升組網(wǎng)的靈活性，降低信號(hào)補(bǔ)盲的難度。同時(shí)還要綜合考慮建設(shè)資金、建設(shè)周期等方面，還有以下一些要求：

（1）低成本：公安專網(wǎng)不以運(yùn)營(yíng)為目的，因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的成本要求盡可能的低。采用廣覆蓋、大區(qū)制能夠減少站點(diǎn)，降低建網(wǎng)和維護(hù)成本；采用小站設(shè)備、中繼技術(shù)，降低深度覆蓋的成本。

（2）廣覆蓋：公安專網(wǎng)要求采用地域覆蓋策略，除了對(duì)密集城區(qū)要重點(diǎn)覆蓋以外，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)也要進(jìn)行有效覆蓋，相應(yīng)的覆蓋面積就要比公網(wǎng)大不少。因此，警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)需要具備大區(qū)制覆蓋的能力。

（3）安全可靠：公安工作的特殊性決定了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性、實(shí)時(shí)性、保密性要求非常高，因此，警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)需要充分保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性、實(shí)時(shí)性和保密性。

3 警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)的構(gòu)建

3.1 技術(shù)路線

警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)的演進(jìn)可以參考公網(wǎng)的演進(jìn)步驟。目前，公網(wǎng)4G 技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且在向5G 過(guò)渡。警用數(shù)字集群（PDT）無(wú)線窄帶專網(wǎng)可以對(duì)標(biāo)公網(wǎng)的2G 網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)公安無(wú)線寬帶專網(wǎng)的建設(shè)，可以跳過(guò)3G，直接利用4G、5G 現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合公安領(lǐng)域的需求特點(diǎn)，定制發(fā)展和搭建符合公安業(yè)務(wù)需求的警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)系統(tǒng)。

目前，不管是運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)還是公安機(jī)關(guān)使用的警用數(shù)字集群（PDT）窄帶無(wú)線專網(wǎng)，均采用的是蜂窩組網(wǎng)方式，所以參照公網(wǎng)4G、5G 的組網(wǎng)模式，警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)仍然需要以蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為主，這樣有利于大范圍覆蓋、移動(dòng)切換和提升系統(tǒng)容量。但是，蜂窩組網(wǎng)方式要求基站架設(shè)在有基礎(chǔ)設(shè)施資源的地方，這樣會(huì)導(dǎo)致基站的位置及覆蓋范圍相對(duì)固定。然而，有些公安的應(yīng)急任務(wù)，發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，并且很可能發(fā)生在信號(hào)盲區(qū)，因此，警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式需要同時(shí)考慮能夠快速將蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋進(jìn)行延伸的靈活組網(wǎng)能力，可考慮通過(guò)多制式的終端實(shí)現(xiàn)，即終端同時(shí)具備脫網(wǎng)直通、自組成網(wǎng)的能力，當(dāng)部分終端無(wú)法接收到蜂窩基站信號(hào)的時(shí)候，通過(guò)終端的自組成網(wǎng)，將能接收到蜂窩基站信號(hào)的終端的信號(hào)延伸到信號(hào)覆蓋盲區(qū)，快速實(shí)現(xiàn)補(bǔ)盲，保證指揮調(diào)度的通暢。

3.2 頻段選擇

目前，公安機(jī)關(guān)依據(jù)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(jī)關(guān)牽頭建設(shè)通信系統(tǒng)，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(wù)網(wǎng)頻段，實(shí)際上并沒有指定分配給公安機(jī)關(guān)使用。1.4 GHz 政務(wù)網(wǎng)頻段基站覆蓋距離有限，建設(shè)成本非常高，目前主要用于熱點(diǎn)覆蓋，無(wú)法大面積應(yīng)用，對(duì)公安實(shí)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(shù)落后，系統(tǒng)容量受限，網(wǎng)絡(luò)的開放性和技術(shù)的演進(jìn)性不好，現(xiàn)階段很難再具備實(shí)戰(zhàn)能力。該頻段在大部分地區(qū)都沒有被充分利用，長(zhǎng)期閑置可能導(dǎo)致部分340 MHz 頻譜資源被其他部門占用，這對(duì)于公安部門是很大的損失。因此，依托340 MHz 頻段開展警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)建設(shè)更為科學(xué)合理。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)可采用四層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)三層架構(gòu)，新的網(wǎng)絡(luò)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(duì)公共安全部門工作特點(diǎn)新增的鄰近服務(wù)（ProSe）功能，該功能利用D2D 和自組網(wǎng)技術(shù)，能夠支持寬帶終端之間的脫網(wǎng)直通、多跳橋接以及終端自組網(wǎng)等功能，配合蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用，能夠靈活、便捷地延伸蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)，非常適合臨時(shí)應(yīng)急場(chǎng)景。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

（1）應(yīng)用層：多媒體融合通信應(yīng)用平臺(tái)，將無(wú)線通信專網(wǎng)、公安信息網(wǎng)資源、視頻專網(wǎng)資源、公網(wǎng)資源等資源融合互通，集成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨制式、跨平臺(tái)的融合互通，提供跨區(qū)域、跨層級(jí)、跨警種通信指揮調(diào)度能力，構(gòu)建上下聯(lián)動(dòng)、橫向呼應(yīng)、高效運(yùn)行的一體化指揮體系，為實(shí)戰(zhàn)指揮調(diào)度提供技術(shù)支撐。

（2）非接入層：包括核心網(wǎng)和網(wǎng)管。與標(biāo)準(zhǔn)4G LTE 網(wǎng)絡(luò)一樣，核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)接入控制、數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性和安全性管理以及無(wú)線資源管理等功能，網(wǎng)管主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置管理、告警管理和性能管理，也可以增加一些智能網(wǎng)絡(luò)管理功能，如自優(yōu)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(wú)線連接，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，終端之間并不能直接通信，支持跨小區(qū)的切換，保證通信的連續(xù)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(wú)線連接，而只與其他終端建立無(wú)線連接，自組網(wǎng)成網(wǎng)，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。終端自組網(wǎng)能力在應(yīng)急環(huán)境下具有非常重要的作用，不依賴基礎(chǔ)設(shè)施，組網(wǎng)快速，拓?fù)潇`活，適應(yīng)應(yīng)急處突的多種場(chǎng)景。另一方面，當(dāng)一個(gè)處于臨近模式下的終端和一個(gè)處于蜂窩模式下的終端背靠背連接起來(lái)的時(shí)候，就可以形成了一個(gè)橋接點(diǎn)，便于蜂窩小區(qū)的覆蓋延伸或者蜂窩小區(qū)的臨時(shí)補(bǔ)盲，相比利用固定站進(jìn)行延伸和補(bǔ)盲，臨近接入層的性價(jià)比更高、實(shí)戰(zhàn)性更強(qiáng)。

4 主要技術(shù)

警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)的技術(shù)體制可以參照4G LTE 技術(shù)體制，除了繼承B-TrunC 集群業(yè)務(wù)功能以外，還針對(duì)公安上行數(shù)據(jù)流量大、支持脫網(wǎng)直通、多跳橋接以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，還可以積極引入5G 新技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化，從而更好地滿足公安機(jī)關(guān)實(shí)戰(zhàn)需求，降低建網(wǎng)成本。針對(duì)建議引入的5G 技術(shù)，可以考慮如下：

（1）新空口技術(shù)：4G 空口幀結(jié)構(gòu)是固定的，對(duì)于吞吐率、時(shí)延以及覆蓋距離等需求各不相同業(yè)務(wù)很難同時(shí)兼顧，因此5G采用新的波形代替OFDM 波形，構(gòu)建更為靈活的幀結(jié)構(gòu)，從而在空口實(shí)現(xiàn)寬、窄帶業(yè)務(wù)波形的統(tǒng)一部署。警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)采用相應(yīng)的新技術(shù)，為各種業(yè)務(wù)定制靈活的幀結(jié)構(gòu)，提供最優(yōu)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，兼顧不同用戶對(duì)吞吐率和覆蓋距離的需求。

（2）多天線技術(shù)：針對(duì)上行提供單用戶MIMO （SU-MIMO），和多用戶虛擬MIMO （MU-MIMO）技術(shù)，提升上行頻譜效率，吞吐率翻倍增長(zhǎng)，以適應(yīng)視頻上拉等公安專網(wǎng)常用業(yè)務(wù)需求。

（3）Device-2-Device （D2D）技術(shù)：3GPP R13是針對(duì)公共安全應(yīng)用提出了對(duì)等業(yè)務(wù)（ProSe），D2D 是ProSe 業(yè)務(wù)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。D2D 技術(shù)能夠?yàn)楣矙C(jī)關(guān)提供更加靈活的組網(wǎng)能力，拓展基站的覆蓋范圍，在無(wú)基站或者基站不能正常工作的情況下，為終端設(shè)備提供脫網(wǎng)直通、脫網(wǎng)自組網(wǎng)工作的能力。警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)可以繼承PDT 脫網(wǎng)直通能力，在D2D 技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供寬帶D2D、自組網(wǎng)的功能，增強(qiáng)了組網(wǎng)的靈活性，降低了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的成本。

（4）大功率終端（High Power User Equipment，HPUE）技術(shù)：突破3GPP 對(duì)終端功率的限制，通過(guò)提升終端功率以及系統(tǒng)功率控制機(jī)制，提升上行覆蓋距離和吞吐率。

（5）動(dòng)態(tài)幀結(jié)構(gòu)技術(shù)：根據(jù)實(shí)際需求，靈活配置上、下行幀配比，動(dòng)態(tài)配置新的幀結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡(luò)更加智能化。

公網(wǎng)4G 技術(shù)體制更多地還是在適應(yīng)公網(wǎng)應(yīng)用需求，除了基礎(chǔ)的OFDM-MIMO 技術(shù)以外，很多功能并不太適用于警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)的應(yīng)用需求，或者說(shuō)并不是最優(yōu)的方案。另一方面，由于要兼容2G、3G 等系統(tǒng)，公網(wǎng)4G 標(biāo)準(zhǔn)和體制也非常復(fù)雜和臃腫，導(dǎo)致終端芯片門檻較高，不利于公安專網(wǎng)終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

警用無(wú)線寬帶專網(wǎng)技術(shù)充分繼承4G 現(xiàn)有的技術(shù)，但是根據(jù)公安工作的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有4G 技術(shù)體制進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)引入5G 新技術(shù)和其他創(chuàng)新技術(shù)，為公安機(jī)關(guān)打造“量身定做”的無(wú)線寬帶專網(wǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)日益復(fù)雜的公共安全形勢(shì)，公安機(jī)關(guān)需要建設(shè)自己的無(wú)線專網(wǎng)，保證在各種環(huán)境下提供保底的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的支撐。近年來(lái)，在公安部的統(tǒng)一組織與部署下，警用數(shù)字集群（PDT）無(wú)線窄帶專網(wǎng)已經(jīng)建設(shè)成為全國(guó)乃至全世界最大的無(wú)線通信專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了絕大部分省、市的全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，并且這張窄帶專網(wǎng)還將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)服務(wù)于公安工作。同時(shí)，公安工作中對(duì)無(wú)線寬帶專網(wǎng)的需求日益迫切，面臨1.4 GHz 高頻段基站建網(wǎng)成本過(guò)高，簡(jiǎn)單的套用公網(wǎng)技術(shù)和組網(wǎng)方式無(wú)法完全滿足公安業(yè)務(wù)需求等問(wèn)題，警用寬帶通信專網(wǎng)建設(shè)需要立足于公安業(yè)務(wù)特點(diǎn)，充分利用4G、5G 的先進(jìn)技術(shù)，加快重耕公安340 MHz 頻譜資源，結(jié)合現(xiàn)有的警用數(shù)字集群（PDT）無(wú)線窄帶專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)寬、窄帶融合。同時(shí)，警用寬帶通信專網(wǎng)建設(shè)還應(yīng)利用公網(wǎng)的覆蓋優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)與專網(wǎng)融合，共同支撐公安的日常工作、大型活動(dòng)安保和應(yīng)急處突的通信保障。