空地一體多媒體集群通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究

鄭緒剛，魏宏祥

（1.中國人民解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066001；2.中國人民解放軍66028部隊(duì)，承德067000）

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的日趨增長，寬帶化和移動化已成為無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢[1]。利用應(yīng)急通信和專網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行指揮調(diào)度，不僅要“聽得到”，還要“看得見、看得清”。另外，高機(jī)動場景下的廣域覆蓋、高效控制、團(tuán)隊(duì)協(xié)同和視頻指揮也變得越發(fā)重要，以地面組網(wǎng)為主的傳統(tǒng)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)已不能很好地滿足上述需求。空天地一體化網(wǎng)絡(luò)[2]是未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，可應(yīng)對未來通信中各種復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)，其涵蓋了空中平臺、空基通信、地面組網(wǎng)等多領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)品，是通信研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。

將空地一體寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)與多媒體集群通信有機(jī)融合形成綜合系統(tǒng)，充分發(fā)揮空地一體組網(wǎng)的諸項(xiàng)優(yōu)勢，比如：遠(yuǎn)距離、廣覆蓋，寬帶無線通信高帶寬、機(jī)動性強(qiáng)，以及多媒體集群系統(tǒng)高效指揮調(diào)度、資源共享等，同時也滿足應(yīng)急通信和專網(wǎng)通信對廣域覆蓋、動中通信、綜合業(yè)務(wù)傳輸和視頻調(diào)度指揮等方面的應(yīng)用需求[3]。

空地一體多媒體集群通信涉及空地立體組網(wǎng)、寬帶無線通信、多媒體集群等領(lǐng)域技術(shù)的有機(jī)融合，對該系統(tǒng)的架構(gòu)方式進(jìn)行研究、分析梳理其關(guān)鍵技術(shù)，將有益于開展更深入的研究，同時也具有巨大的市場價值。

2 現(xiàn)狀分析

空天地一體化通信技術(shù)的迅速發(fā)展，空中通信平臺通信技術(shù)日益成熟[4]，為構(gòu)建空地一體新一代寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)提供了可能。

在空基通信平臺建設(shè)方面，美國一直處于世界領(lǐng)先水平[5]，其在無人平臺研究方面，研制了“影子200”、“獵人”等小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，以及“全球鷹”高空長航時無人機(jī)、STS飛艇系統(tǒng)、高空哨兵飛艇、自由氣球等多種通信系統(tǒng)和載體[6]。

現(xiàn)階段，我國在通信、導(dǎo)航、對地觀測和科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域也已基本構(gòu)成了衛(wèi)星體系[7]，同時無人機(jī)、飛艇等數(shù)據(jù)獲取手段也日趨成熟。目前成功研制的翔龍、翼龍、利劍、彩虹、長鷹等系列無人機(jī)及“圓夢號”臨近空間飛艇等已逐步投入使用[8]。

空基通信業(yè)務(wù)及帶寬需求也在日趨增加。其技術(shù)手段從超短波逐步向微波、激光等發(fā)展[9]，業(yè)務(wù)速率從支持僅用于指揮控制信息傳輸?shù)腢HF、S頻段窄帶視距鏈路，逐步發(fā)展到C波段寬帶視距數(shù)據(jù)鏈路，能夠傳輸指揮控制信息和傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)展到戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈路和Ku頻段衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈路，極大提升了空空鏈路的業(yè)務(wù)信息傳輸與支持能力。

集群通信作為應(yīng)急和專網(wǎng)通信的重要手段，經(jīng)歷了多次演進(jìn)?；贛PT-1327標(biāo)準(zhǔn)為代表的第一代集群系統(tǒng)，主要支持語音通信；基于窄帶數(shù)字集群的第二代集群系統(tǒng)，支持語音、低速數(shù)據(jù)。隨著社會進(jìn)步和科技發(fā)展，各行各業(yè)對多媒體業(yè)務(wù)如圖像、視頻等的傳輸需求日益強(qiáng)烈[10]。此外在緊急情況下，還要求集群通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)、跨機(jī)構(gòu)、跨區(qū)域的無縫對接。針對此需求，第三代集群系統(tǒng)開始向數(shù)據(jù)寬帶化、業(yè)務(wù)多樣化、終端多?；?、系統(tǒng)IP化的方向發(fā)展[11-12]。

國內(nèi)外主要專業(yè)通信設(shè)備研發(fā)廠商摩托羅拉、歐洲宇航、愛立信等紛紛與具有移動通信技術(shù)優(yōu)勢的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商合作，旨在將移動通信技術(shù)與集群通信技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展專業(yè)寬帶移動通信技術(shù)，并形成了McWill系統(tǒng)、普天的Eastone系統(tǒng)和基于TD-LTE的寬帶集群等典型應(yīng)用系統(tǒng)[13-14]。

雖然基于空地一體組網(wǎng)和寬帶多媒體集群通信等技術(shù)已日趨成熟，但如何將兩者綜合起來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，在發(fā)揮各自系統(tǒng)優(yōu)勢基礎(chǔ)上，為應(yīng)急、專網(wǎng)通信提供更好的服務(wù)，相關(guān)的研究還很匱乏，有必要對系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，為系統(tǒng)構(gòu)建提供有益參考。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

空地一體多媒體集群通信系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、組成復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁、信息類型豐富多樣等特點(diǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮架構(gòu)的可擴(kuò)展性和靈活性，還需根據(jù)多媒體集群業(yè)務(wù)特征加以設(shè)計(jì)，以更好滿足業(yè)務(wù)需要[15-16]。

面向指揮控制需求，應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如何滿足業(yè)務(wù)的低時延高可靠傳輸；面向多用戶接入、分群分組等需求，則應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)多用戶快速接入，以及業(yè)務(wù)的組播、廣播等。以4G、5G通信體制為借鑒，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 空地一體寬帶多媒體集群系統(tǒng)架構(gòu)

在此引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離的概念和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的思想，以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)統(tǒng)一、開放的控制及服務(wù)API接口，控制API將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、資源進(jìn)行抽象、虛擬化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源靈活的按需調(diào)配；服務(wù)API為指揮控制、視頻調(diào)度、群組通話等業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的服務(wù)支持，有利于業(yè)務(wù)的擴(kuò)展應(yīng)用[17]。面向業(yè)務(wù)組播、多播和單播并存的傳輸需求，設(shè)計(jì)了以最大化系統(tǒng)的邏輯服務(wù)提供數(shù)量（Logical Service Provision Number,LSPN）為優(yōu)化目標(biāo)的單播和多播融合帶寬分配機(jī)制，可通過分析獲得系統(tǒng)單播與多播業(yè)務(wù)的優(yōu)化的比例。

基于該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的空地一體寬帶多媒體集群通信系統(tǒng)將具有如下能力：

高效的指揮控制能力：提供完備的控制功能，通過多媒體方式進(jìn)行大規(guī)模指揮調(diào)度，信息上傳、下達(dá)迅速準(zhǔn)確，決策正確；

靈活的機(jī)動重組能力：支持以重新組態(tài)、重復(fù)利用和更新系統(tǒng)組態(tài)或子系統(tǒng)的方式，快速靈活調(diào)整系統(tǒng)工作流程；

架構(gòu)可擴(kuò)展能力：系統(tǒng)在當(dāng)前架構(gòu)基礎(chǔ)上通過相應(yīng)擴(kuò)展之后能夠達(dá)到更大的地域覆蓋，提供更強(qiáng)的多媒體集群能力，同時該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的互通互聯(lián)。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

為了實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋、無線寬帶、最低時延的多跳集群信息傳輸服務(wù)，對空地一體寬帶多媒體集群系統(tǒng)提出以下需求：

1)不受地形限制的全天候中繼通信和寬帶接入網(wǎng)；

2)保證空空中繼、空地接入網(wǎng)的遠(yuǎn)距離、高速率通信；

3)多媒體集群功能需要考慮網(wǎng)絡(luò)多跳所帶來的性能影響。

為滿足上述需求，還需突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 空基互聯(lián)寬帶中繼技術(shù)

空基互聯(lián)寬帶中繼是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多跳控制、大容量傳輸?shù)幕A(chǔ)[18]。與地面網(wǎng)絡(luò)骨干通信不同的是，空基互聯(lián)寬帶中繼通信設(shè)備布設(shè)于無人機(jī)、飛艇和低空飛行器等空基承載平臺之上，如何解決高空雨衰、高機(jī)動帶來的多普勒頻偏增強(qiáng)、天線對準(zhǔn)等實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)高空、機(jī)動環(huán)境下的點(diǎn)對點(diǎn)大容量業(yè)務(wù)傳輸，以及空基寬帶多跳中繼，是系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。

需要充分研究空基無線信道的特征，根據(jù)其特征，設(shè)計(jì)匹配的空基寬帶中繼傳輸波形；研究空基平臺間方向性天線組網(wǎng)及鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)空基高效互聯(lián)；研究提高接收性能的信號處理技術(shù)，結(jié)合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓β首赃m應(yīng)、速率自適應(yīng)、頻率自適應(yīng)技術(shù)，提升空基互聯(lián)寬帶中繼鏈路的傳輸、抗截獲、抗干擾能力和大容量遠(yuǎn)距離傳輸能力。

4.2 空地廣域覆蓋高效可靠傳輸技術(shù)

空地廣域接入網(wǎng)絡(luò)是一種大時空尺度通信模型，往往面臨電磁環(huán)境復(fù)雜、機(jī)動性強(qiáng)的惡劣通信環(huán)境，如何持續(xù)高效地為用戶提供高帶寬、高可靠數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問題之一[19]。

針對這一問題，有必要從高效率頻譜無線傳輸技術(shù)、高效無線資源調(diào)度技術(shù)和寬帶抗干擾技術(shù)體制等方面進(jìn)行研究。根據(jù)業(yè)務(wù)類型不同，設(shè)計(jì)寬窄帶融合的傳輸體制，同時適應(yīng)高帶寬和高可靠業(yè)務(wù)傳輸需求，提升頻譜傳輸效率。通過分布式協(xié)同資源調(diào)度和集中式多維聯(lián)合調(diào)度等核心算法展開研究設(shè)計(jì)，提高無線資源利用率，滿足多用戶快速隨機(jī)接入、QoS保障等需求。研究時頻空多維綜合抗干擾手段，突破自適應(yīng)波束陷零抗干擾及子載波干擾躲避等關(guān)鍵技術(shù)，減小無線信道質(zhì)量變化對用戶服務(wù)質(zhì)量的負(fù)面影響。

4.3 高速移動下天線對準(zhǔn)技術(shù)

空基平臺始終處于三維空間的相對運(yùn)動中，平臺與平臺之間存在不同的運(yùn)動方向、運(yùn)動速度以及運(yùn)動角度，因此，為了保證空基中繼設(shè)備的通信距離與速率，需要研究空地一體高速移動環(huán)境下的天線對準(zhǔn)技術(shù)以解決空中“動中通”天線對準(zhǔn)時間、跟蹤精度、跟蹤穩(wěn)定性等方面的問題[20]。

針對無人機(jī)空基平臺，需研究“三維定位”天線對準(zhǔn)算法，融合初始對轉(zhuǎn)、快速對準(zhǔn)和高精度伺服等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高速移動下的天線對準(zhǔn)。

國內(nèi)現(xiàn)有的旋翼式無人機(jī)和固定翼無人機(jī)，天線外掛空間有限，容易被機(jī)身遮擋，導(dǎo)致波束覆蓋范圍受限。因此需要解決飛機(jī)在移動過程中的波束覆蓋問題，通過研究天線形態(tài)與天線安裝位置，采用輔助手段來滿足天線波束覆蓋要求。

4.4 無線多跳網(wǎng)多媒體集群技術(shù)

集群通信最主要的特點(diǎn)是“一呼百應(yīng)”，即在群組呼叫中，一個用戶的呼叫可以到達(dá)群組中的其他用戶。目前，針對數(shù)字集群系統(tǒng)已經(jīng)有成熟的技術(shù)方案，系統(tǒng)具有高頻譜利用率、較強(qiáng)抗信道衰落能力及良好保密性，但空地一體寬帶多媒體系統(tǒng)處于空地一體無線多跳的環(huán)境下，需要對傳統(tǒng)數(shù)字集群的接入網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以支持此組網(wǎng)架構(gòu)下的廣播、組播和多播功能，實(shí)現(xiàn)幾個成員的群組及幾百個成員的群組占用相同的下行無線網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到節(jié)省無線資源和功率資源、擴(kuò)大通信容量的目的。

寬帶多媒體集群系統(tǒng)對接入時延有較高要求?？盏匾惑w寬帶多媒體集群系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)多，為保障業(yè)務(wù)時延，需根據(jù)空地一體寬帶多媒體集群系統(tǒng)的架構(gòu)特點(diǎn)，對系統(tǒng)信令流程進(jìn)行優(yōu)化，以滿足集群通信系統(tǒng)快速連接的需要。無線傳輸環(huán)境對長報文的支持性較差，因此還需研究SIP、XCAP信令壓縮機(jī)制，為信令可靠傳輸提供保障。

5 系統(tǒng)構(gòu)建方法

空地一體寬帶無線多媒體集群通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)建難度較大，基于對系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的研究梳理，在此提出系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)想，整體格局如圖2所示。其包括空基中繼骨干鏈路、空地寬帶接入鏈路、空地回傳鏈路和地面局域網(wǎng)。寬帶中繼設(shè)備可通過無人機(jī)、飛艇等空基平臺搭建，構(gòu)建鏈狀或環(huán)狀空基中繼，形成中繼骨干網(wǎng)絡(luò)，具有遠(yuǎn)距離、大容量的中繼傳輸能力；空基平臺上的寬帶中繼設(shè)備和地面站中的寬帶中繼設(shè)備組成點(diǎn)對點(diǎn)空地回傳鏈路，其中地面站可通過高速光纖與調(diào)度中心連接，三者形成空地回傳鏈路，并實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

圖2 空地一體寬帶多媒體集群系統(tǒng)構(gòu)建

無人機(jī)、飛艇等空基平臺搭載的空地寬帶接入設(shè)備，以PMP模式和地面用戶站包括車載臺、艦載臺、背負(fù)臺共同組成空地點(diǎn)對多點(diǎn)鏈路。

地面局域網(wǎng)可通過專網(wǎng)小基站、熱點(diǎn)接入等構(gòu)建，通過有線方式和用戶站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并實(shí)現(xiàn)各種終端包括車載終端、手持終端的快速入網(wǎng)，擴(kuò)展了空地寬帶接入鏈路的覆蓋范圍。

空地回傳鏈路中的調(diào)度中心包括集群服務(wù)器和集群調(diào)度臺，其中服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了多媒體集群業(yè)務(wù)的控制，調(diào)度臺實(shí)現(xiàn)了多媒體業(yè)務(wù)調(diào)度；集群調(diào)度中心通過空地回傳鏈路、空地寬帶接入鏈路和空基中繼鏈路構(gòu)建一體化寬帶多媒體集群系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

空地一體寬帶多媒體集群系統(tǒng)涉及到空地一體化組網(wǎng)架構(gòu)、空基寬帶互聯(lián)、空地廣域覆蓋、多用戶接入、快速移動下的天線對準(zhǔn)及無線多跳網(wǎng)下的多媒體集群通信等方面，雖然在驗(yàn)證環(huán)境搭建、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用方面存在一定困難，但該系統(tǒng)能夠解決應(yīng)急通信和專網(wǎng)通信中的諸多典型問題，例如通信距離存在局限、通信存在時效延遲和通信業(yè)務(wù)量小等，能夠提升反恐維穩(wěn)、抗震救災(zāi)、公安執(zhí)法等工作中的通信水平，具有深遠(yuǎn)的研究意義和巨大的市場價值。