王藝燃，孫權(quán)，焦龍，霍菁，李霖楓

　?。ㄖ袊?guó)電子進(jìn)出口總公司，北京 100036）

       摘要：提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)，可為半徑為8 km范圍的戰(zhàn)術(shù)區(qū)域提供穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)寬帶通信信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)面向多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的寬帶數(shù)據(jù)傳輸和集群話(huà)音、視頻通話(huà)功能。對(duì)系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在MIMO天線(xiàn)采用空間分集設(shè)置條件下，單基站可在半徑為8 km的區(qū)域內(nèi)同時(shí)提供上行寬帶約15 Mb/s、下行寬帶約28 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力以及多路RS422串口數(shù)據(jù)傳輸能力，并可在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行多種模式的戰(zhàn)術(shù)集群通話(huà)，滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)通信業(yè)務(wù)需求。

　　關(guān)鍵詞：LTE；無(wú)線(xiàn)通信；VPN；軟交換

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN924文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.017

　　引用格式：王藝燃，孫權(quán)，焦龍，等. 一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（24）：57-60.

0引言

　　在反恐作戰(zhàn)、邊境巡邏、區(qū)域防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境下，需通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信手段實(shí)現(xiàn)陣地內(nèi)人員、裝備之間的話(huà)音和數(shù)據(jù)傳輸。話(huà)音通信包括指揮機(jī)構(gòu)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話(huà)、電話(huà)會(huì)議通話(huà)以及集群通話(huà)。數(shù)據(jù)通信包括戰(zhàn)場(chǎng)寬帶多媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，以及傳感器、作戰(zhàn)裝備、指控裝備之間的參數(shù)和命令傳輸?shù)龋?2］。

　　現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，通信系統(tǒng)需承載的戰(zhàn)術(shù)業(yè)務(wù)類(lèi)型越來(lái)越豐富，對(duì)通信系統(tǒng)的能力要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的通信裝備已難以滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)通信手段存在帶寬窄、數(shù)據(jù)傳輸速率低、用戶(hù)容量小、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定、系統(tǒng)擴(kuò)容困難等應(yīng)用缺陷［3］。

　　應(yīng)用于民用寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域的LTE（Long Term Evolution)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有傳輸穩(wěn)定、頻譜利用率高、誤碼率低、組網(wǎng)靈活、業(yè)務(wù)樣式豐富等優(yōu)點(diǎn)［48］?；谶@些優(yōu)勢(shì)，LTE技術(shù)在反恐、軍事等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越多的重視，但在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的LTE通信系統(tǒng)存在大區(qū)制工作方式下信號(hào)覆蓋范圍小、單一通信終端無(wú)法接入多臺(tái)IP用戶(hù)設(shè)備、話(huà)音調(diào)度業(yè)務(wù)功能難以滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求等缺陷［9］。

　　本文提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)，在充分利用LTE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1LTE戰(zhàn)術(shù)寬帶無(wú)線(xiàn)通信

　　本文提出的基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)，通過(guò)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）技術(shù)解決在單臺(tái)通信終端下接入多路信息設(shè)備的問(wèn)題，通過(guò)專(zhuān)用天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍的提升，通過(guò)基于軟交換技術(shù)的調(diào)度服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻調(diào)度以及IP電話(huà)與采用PTT鍵通話(huà)的通信電臺(tái)之間的戰(zhàn)術(shù)集群話(huà)音調(diào)度功能。

　　1.1系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由通信中心站和指揮型通信機(jī)、背負(fù)式電臺(tái)兩種通信終端構(gòu)成。

　　通信中心站一般搭載于專(zhuān)用的通信車(chē)上，通過(guò)LTE通信基站提供無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的覆蓋，完成數(shù)據(jù)和話(huà)音的雙向傳輸。通信中心站的通信管理設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、VPN服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器和調(diào)度終端?？赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入本地衛(wèi)星通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與上級(jí)通信站點(diǎn)的圖1基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)理圖實(shí)時(shí)通信。

　　指揮型通信機(jī)適用于各類(lèi)指揮所或指揮車(chē)，可通過(guò)VPN客戶(hù)端同時(shí)接入多部IP電話(huà)和計(jì)算機(jī)，或通過(guò)接口轉(zhuǎn)換模塊將IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指定的通信接口（如RS422、RS485接口等）數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與傳感器等裝備的數(shù)據(jù)傳輸。

　　背負(fù)式電臺(tái)適用于對(duì)便攜性有較高要求、需采集戰(zhàn)場(chǎng)視頻、采用PTT（Push To Talk）形式進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)通話(huà)，或需要對(duì)高炮、便攜式防空導(dǎo)彈等作戰(zhàn)裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的作戰(zhàn)單位使用。

　　1.2VPN系統(tǒng)

　　在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中，位于指揮所、指揮車(chē)等節(jié)點(diǎn)的通信終端通常需要接入多路信息設(shè)備，如IP電話(huà)、筆記本電腦、傳感器等，并與其他通信終端下的信息設(shè)備進(jìn)行交互，而LTE協(xié)議本身的NAT功能并不支持這種訪(fǎng)問(wèn)方式。

　　本系統(tǒng)采用VPN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)該功能，以L(fǎng)TE寬帶無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，通過(guò)通信中心站的VPN服務(wù)器對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，為全網(wǎng)指揮型通信機(jī)的接入設(shè)備提供虛擬的專(zhuān)用傳輸通道，并通過(guò)指揮型通信機(jī)的VPN客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)本地多路設(shè)備的擴(kuò)展接入。

　　1.3調(diào)度功能

　　通過(guò)設(shè)置于上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)和LTE通信中心站的調(diào)度服務(wù)器與調(diào)度終端進(jìn)行高清視頻業(yè)務(wù)的接入處理以及戰(zhàn)術(shù)話(huà)音的調(diào)度。話(huà)音傳輸基于SIP協(xié)議，話(huà)音調(diào)度功能包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)、電話(huà)會(huì)議、廣播、通撥等［10］。上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)與多個(gè)LTE通信中心站的調(diào)度服務(wù)器之間可聯(lián)網(wǎng)工作，繼而實(shí)現(xiàn)上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)和多個(gè)LTE寬帶子網(wǎng)之間的視頻、話(huà)音互聯(lián)。戰(zhàn)術(shù)通話(huà)方式主要包括以下幾種。

　　(1) IP電話(huà)之間：上級(jí)通信站點(diǎn)、通信中心站以及連接在指揮型通信機(jī)的IP電話(huà)間通過(guò)撥固定號(hào)碼進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話(huà)或電話(huà)會(huì)議通話(huà)。

　　(2) 背負(fù)式電臺(tái)之間：背負(fù)式電臺(tái)采用PTT手柄進(jìn)行通話(huà)，根據(jù)指揮層級(jí)關(guān)系，電臺(tái)的人機(jī)界面預(yù)設(shè)有多個(gè)可定義的撥號(hào)快捷鍵，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話(huà)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通撥通話(huà)。

　　(3) IP電話(huà)與背負(fù)式電臺(tái)之間：指揮機(jī)構(gòu)的IP電話(huà)可通過(guò)撥預(yù)設(shè)號(hào)碼對(duì)下屬背負(fù)式電臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話(huà)或廣播通話(huà)。

　　上述通話(huà)過(guò)程中，可通過(guò)所在網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度終端對(duì)正在進(jìn)行的通話(huà)進(jìn)行強(qiáng)插、強(qiáng)拆等操作。

　　1.4天線(xiàn)

　　為了滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)使用的信號(hào)覆蓋范圍要求，系統(tǒng)采用了高增益的基站天線(xiàn)和終端天線(xiàn)，并基于軍用背景加大了基站與終端的發(fā)射功率。系統(tǒng)所使用的基站與終端的天線(xiàn)基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。其中，DXLTE1為終端天線(xiàn)，DXLTE2為基站天線(xiàn)。表1天線(xiàn)參數(shù)天線(xiàn)型號(hào)DXLTE1DXLTE2頻率范圍/MHz1 447～1 4671 447～1 467增益/dBi510發(fā)射功率/W230接頭型號(hào)SMA陽(yáng)N(F)尺寸Size/mmΦ75×285Φ20×1 200

2試驗(yàn)驗(yàn)證

　　2.1試驗(yàn)環(huán)境

　　2015年11月20日在合肥市郊進(jìn)行了本系統(tǒng)的實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證工作。通信中心站配置于合肥市濱湖新區(qū)南淝河大橋中段偏西處，各通信終端分別配置于中心站西側(cè)距中心站3 km、5 km、8 km處。3 km~5 km之間設(shè)置用于測(cè)試背負(fù)式終端得動(dòng)中通性能的路段。

　　通信中心站采用車(chē)載方式，天線(xiàn)通過(guò)升降桿升高至約6 m高度。通信節(jié)點(diǎn)的終端天線(xiàn)架設(shè)高度約1.8 m。各通信節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。其中，將5 km通信節(jié)點(diǎn)的指揮型通信機(jī)設(shè)置為全部背負(fù)式電臺(tái)的上級(jí)指揮站，在全部背負(fù)式電臺(tái)中，5 km通信節(jié)點(diǎn)處的182#為指揮機(jī)，即可對(duì)其他電臺(tái)進(jìn)行一鍵通播通話(huà)。測(cè)試前通過(guò)通信中心站的調(diào)度終端對(duì)上述話(huà)音調(diào)度關(guān)系進(jìn)行配置。114#通信機(jī)和184#電臺(tái)各設(shè)置一個(gè)RS422串口，用于測(cè)試接口轉(zhuǎn)換傳輸能力。為了保證戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的信息傳輸可靠性，系統(tǒng)天線(xiàn)均采用空間分集模式。

　　2.2寬帶傳輸試驗(yàn)

　　使用FTP軟件進(jìn)行多線(xiàn)程數(shù)據(jù)上傳和下載，記錄傳輸速率。

　　(1)單站最遠(yuǎn)距離傳輸試驗(yàn)

　　首先測(cè)試在8 km的設(shè)計(jì)極限距離上單站同時(shí)上傳下載多個(gè)文件的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過(guò)114#通信機(jī)接入的計(jì)算機(jī)與中心站的計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)2次，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

　　(2)多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)

　　首先進(jìn)行單站上行、多站下行的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。通信機(jī)102#的計(jì)算機(jī)向基站計(jì)算機(jī)上傳文件，119#、114#的計(jì)算機(jī)從基站計(jì)算機(jī)同時(shí)下載文件，3次測(cè)試的通信速率如表4所示。

　　由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在多站雙向通信條件下，系統(tǒng)總的上傳、下載速率較單站傳輸略有下降。

　　其次進(jìn)行多站同時(shí)上行的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。102#、119#、114#三站的計(jì)算機(jī)同時(shí)上傳文件，3次測(cè)試的通信速率如表5所示。第1次測(cè)試與第2、3次測(cè)試數(shù)據(jù)相差較大，這是由于后兩次測(cè)試采用了更多的傳輸線(xiàn)程?？傮w而言多次試驗(yàn)性能參數(shù)穩(wěn)定。

　　由多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)可見(jiàn)，各個(gè)并行站所分得的傳輸資源與其信道狀況有關(guān)，在同樣的射頻性能條件下，隨著與通信中心站距離變遠(yuǎn)，終端的通信性能有一定的衰減。

　　2.3接口轉(zhuǎn)換傳輸試驗(yàn)

　　在多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)的同時(shí)，通過(guò)8 km節(jié)點(diǎn)的114#指通信機(jī)和184#電臺(tái)進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換傳輸能力測(cè)試。通過(guò)通信中心站的計(jì)算機(jī)向兩個(gè)終端各發(fā)送一路RS422串口數(shù)據(jù)，從各自的串口讀取接收到的數(shù)據(jù)并測(cè)試誤碼率，測(cè)試結(jié)果如表6所示

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，在滿(mǎn)負(fù)荷寬帶傳輸?shù)臈l件下，通信終端RS422串口傳輸?shù)恼`碼率為0，具備良好的誤碼率性能，可以滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)裝備的數(shù)據(jù)傳輸要求。

　　2.4戰(zhàn)術(shù)話(huà)音與視頻傳輸試驗(yàn)

　　在多站并發(fā)傳輸?shù)那闆r下進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)話(huà)音和視頻傳輸試驗(yàn)，測(cè)試話(huà)音和視頻的調(diào)度能力以及數(shù)據(jù)-話(huà)音同傳的穩(wěn)定性。

　　(1) 話(huà)音傳輸試驗(yàn)

　　IP電話(huà)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在全系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，通信機(jī)接入的IP話(huà)機(jī)之間可相互撥號(hào)通話(huà)，且話(huà)音效果良好。

　　IP電話(huà)與背負(fù)式電臺(tái)之間，以及電臺(tái)彼此間的撥號(hào)通話(huà)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。當(dāng)IP電話(huà)對(duì)背負(fù)式電臺(tái)撥號(hào)時(shí)，系統(tǒng)在撥號(hào)后立即建立并接通通話(huà)，但試驗(yàn)中存在0.5~1 s的通話(huà)建立延時(shí)時(shí)間，這是由于試驗(yàn)系統(tǒng)中背負(fù)式電臺(tái)采用的是基于Android系統(tǒng)的軟電話(huà)設(shè)計(jì)，存在一定的軟件內(nèi)部延時(shí)，該延時(shí)可在后續(xù)的軟件優(yōu)化中予以消除。

　　兩種終端的通播功能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。試驗(yàn)中，部分電臺(tái)在通話(huà)建立后通過(guò)自身人機(jī)界面的“掛斷”鍵進(jìn)行主動(dòng)掛斷，部分通過(guò)主叫方掛斷進(jìn)行被動(dòng)掛斷。

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，在VPN系統(tǒng)和調(diào)度服務(wù)器的支持下，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)IP電話(huà)與背負(fù)式電臺(tái)PTT話(huà)音之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話(huà)與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通播通話(huà)。

　　(2)視頻傳輸試驗(yàn)

　　在多站并發(fā)傳輸?shù)那闆r下，采用118#電臺(tái)進(jìn)行“動(dòng)中通”視頻傳輸性能測(cè)試，該電臺(tái)搭載于車(chē)輛上，沿3 km節(jié)點(diǎn)東西向各2 km的路段往復(fù)行駛。為保證信號(hào)不被車(chē)體阻斷，將電臺(tái)天線(xiàn)固定于車(chē)輛頂部。該電臺(tái)與181#~184#電臺(tái)的視頻傳輸試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

3結(jié)論

　　本文提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)LTE通信系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍小、單一通信終端無(wú)法接入多臺(tái)IP用戶(hù)設(shè)備、話(huà)音調(diào)度業(yè)務(wù)功能難以滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求等缺陷，可為戰(zhàn)術(shù)區(qū)域提供穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)寬帶通信信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)面向多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸和集群話(huà)音通話(huà)功能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)所采用的基站與終端天線(xiàn)可以滿(mǎn)足8 km的寬無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋，VPN系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)傳輸和話(huà)音通話(huà)提供穩(wěn)定的NAT應(yīng)用支持，調(diào)度服務(wù)器可在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下保障戰(zhàn)術(shù)話(huà)音和視頻業(yè)務(wù)的建立和傳輸，且系統(tǒng)具備穩(wěn)定的動(dòng)中通能力，為反恐作戰(zhàn)、邊境巡邏、區(qū)域防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境提供了一種切實(shí)可行的綜合通信解決方案。

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