4G移动通信技术在战术通信中的应用研究*

张 雷，许 飞，隋天宇

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川 成都 610041)

4G移动通信技术在战术通信中的应用研究*

张 雷，许 飞，隋天宇

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川 成都 610041)

当前4G移动通信技术发展突飞猛进，与之形成鲜明对比的是战术通信系统发展缓慢。把先进民用技术引进到战术通信中，不仅符合军民融合的趋势，而且还能迅速提升战术通信系统的性能。LTE和WiMAX作为4G宽带无线通信系统标准，采用了大量创新传输技术，例如OFDM和MIMO，使传输性能相对3G系统得到大幅提升。二者均采用了全IP体系结构和面向连接的传输特性，使业务QoS和传输时延性能得到了很好的保证。首先对4G移动通信的LTE和WiMAX标准进行概述，然后提炼出可以使用到战术通信系统中的关键技术，并分析这些关键技术在战术通信中面临的挑战和相应的改进技术,最后介绍了4G在战术通信使用方向并就军民融合进行展望。

军民融合；LTE；WiMAX；战术通信

0 引 言

战术通信朝着高速化、宽带化和网络化方向发展，以窄带、低速为特征的传统战术通信系统已经很难完成这种使命，且同时存在智能化水平低、互操作能力差、业务能力不足等问题，与用户需求和信息战要求相比还相差甚远[1]。针对上述问题，需要采用新的技术，构建新的系统来满足战术通信对语音、视频、数据等多媒体业务统一传输承载需求。

与军事通信技术发展缓慢相比，民用移动通信发展迅猛。当前以4G为代表的民用宽带无线通信技术高速发展，极大的提高了系统的传输速率，改善了业务服务质量，扩大了网络覆盖范围。而深入推进军民融合式发展，是加快转变战斗力生成模式的重要途径[2]。所以把先进民用技术引入到战术通信领域中，使之融为一体、共同发展，是今后的重要研究内容，也是不可阻挡的潮流，符合当前军民融合的大趋势。

然而民用技术不能直接照搬到战术通信中，因为两者的设计初衷和使用场景有极大的差别。例如民用移动通信中具备有线网络基础设施支撑，电磁环境相对良好，设计时对网络攻击和安全保密考虑相对欠缺，而这些正是战术通信中需要面对和解决的问题。下面将对4G宽带无线通信系统中的典型候选技术LTE和WiMAX进行分析对比，然后提炼出战术通信可以借鉴的关键技术，指出战术通信需要完善和吸收改进的地方，最后介绍军民融合在宽带无线通信技术领域的发展趋势。

1 4G移动通信技术概况

下文对4G移动通信候选技术LTE和WiMAX进行慨括介绍，并进行简要的对比分析。两者采用了相似的关键技术，如物理层信号处理技术，组网方式和QoS保证机制等。这些关键技术代表了未来宽度无线通信技术发展方向。

1.1 物理层技术

LTE和WiMAX物理层传输体制基于OFDM和MIMO。调制解调(QPSK、16QAM、64QAM)和信道编码(卷积码、Turbo码，LDPC作为可选项)均采用相同技术。由于资源划分和帧结构定义以及上层协议的不同，LTE和WiMAX的物理层参数定义和物理层过程有较大的差别，比如正交码的选择，随机接入(LTE中)和测距(WiMAX中)流程，广播寻呼流程，切换流程，资源分配方式等设计有较大差异。

LTE上行由于考虑终端的功耗和功放线性度，设计了具有单载波特性的SC-FDMA，在低信噪比下其性能比单纯的OFDMA有一定的损失(比OFDMA多了一个DFT的预编码处理)，但换取的好处是更低的峰均比；在下行采用了OFDMA作为多址和传输技术。WiMAX上下行均采用OFDMA。多天线技术方面，LTE和WiMAX差别也不大，MIMO和波束赋形等多天线技术均作为LTE和WiMAX的关键技术被标准化。

表1从峰值速率方面对LTE和WiMAX进行了比较[3]。

表1 LTE和WiMAX峰值速率

LTE和WiMAX由于物理层上采用了类似的关键技术OFDM+MIMO，从而传输性能并没有本质的差异。可见OFDM和MIMO作为宽带无线通信系统的基本传输技术在4G中得到了充分应用，而其他宽带无线通信系统也势必要采用这些传输技术。

1.2 空口协议栈

WiMAX空口协议栈,如图1所示,主要规范了物理层和MAC这两个层次，在垂直方向来看分为控制面和数据面；LTE空口协议栈从水平方向来看分为3层，物理层、数据链路层和无线资源控制层，从垂直方向来看也同样分为控制面和数据面,如图2和图3所示。经过对比不难看出LTE在水平方向划分要多一个无线资源控制层，即RRC层。

图1 WiMAX空口协议栈模型

图2 LTE空中接口控制面协议栈结构

图3 LTE空中接口用户面协议栈结构

具体而言，LTE中的PDCP功能和WiMAX的MAC层汇聚子层CS相对应，就是对上屏蔽下层无线网络特性，接收上层数据再根据一定规则映射到不同连接(WiMAX)或者承载(LTE)；对下层传上来数据再做逆处理，于此同时还要执行加密、完整性保护(LTE)以及切换时数据前传以支持无缝切换。LTE中RLC所支持的分段、串接、自动重传等功能在WiMAX中MAC层CPS子层实现；LTE中MAC子层的调度功能和WiMAX中的MAC层调度功能一样，在多用户间分配上下行资源。LTE中的RRC无线资源控制、连接(或者呼叫)建立、释放、移动性管理、寻呼广播功能对应WiMAX的MAC层的链接管理功能。如WiMAX MAC层管理模块支持连接动态建立、修改和释放以及移动性管理。可见WiMAX的MAC层涵盖了LTE的层2和部分层3的功能。LTE和WiMAX均为面向连接传输的系统，在空口协议栈上完成的功能差异不大，只是协议子层的划分有所差异。在LTE中层次划分更加细化。

1.3 QoS框架

WiMAX的QoS框架基于业务流。业务流(SF,Service Flow)是在移动终端和接入服务网网关(ASN-GW)之间的一个单向的具有特定QoS属性(如分组时延，时延抖动和吞吐量等)的数据流。业务流由业务流标识SFID标记，和连接CID一一对应。通过MAC接口传输的分组都会根据分类准则和一个业务流相关联，从而具有特定的QoS属性。图4描述了业务流的含义，不同粗细的管道对应了不同的业务流。

图4 WiMAX业务流

WiMAX中把所有的业务数据分为5大类[4]，分别对应了5种QoS等级：主动授权业务UGS，扩展实时轮询业务ertPS,实时轮询业务rtPS,非实时轮询业务nrtPS和尽力而为服务BE service。终端和网络进行数据传输前，先根据QoS需求建立不同的连接，基站调度器根据不同连接(业务流)QoS需求进行优先级处理，从而实现对不同优先级业务传输的QoS保障。

LTE采用了和WiMAX类似的QoS保障机制，也采用了面向连接传输的思想。在LTE中QoS的粒度是SAE承载，SAE承载可以看作是网络和终端间传输数据的一个逻辑通道，不同承载具有不同的QoS属性[5]。如图 5所示，LTE的端到端承载叫做EPS承载，链路在不同段具有不同的称号，例如在空口中叫做无线承载Radio Bear。通常LTE系统中会给每个用户提供一个默认承载，以保证用户的永远在线。默认承载的QoS要求是最低的，用于承载背景类数据业务传输。当有更高QoS需求业务进行时，终端需要请求网络建立具有更高QoS属性的专用承载。LTE中定义了9种不同QoS等级QCI来实现对不同业务传输的支撑。

对比LTE和WiMAX的QoS保证机制发现，两者均为面向连接传输的系统，通过对业务数据进行分类传输和处理，使得优先级高的业务数据优先得到发送处理，来实现整个系统的QoS保障。

2 战术通信可以借鉴的关键技术

2.1 基本传输技术OFDM+MIMO

OFDM技术通过子载波正交特性，极大的提高频谱利用率。同时把高速串行数据流转换成多路并行低速数据流，降低了单路子载波上符号速率，增大符号长度，并采用循环前缀，从而天然具有抗多径特性。所以OFDM是一个优良的适用于宽带系统的传输技术，在需求高速传输的战术通信系统中可以借鉴使用，但需要对子载波间隔进行调整以克服动中通时多普勒效应造成的不利影响。同时还需要对OFDM高峰均比和相噪敏感特性进行评估和改进。

MIMO属于多天线的范畴，经证明可以在不增加无线频率资源的情况下成倍的提升系统容量。在系统收发两端部署多天线，可以实现空间复用、空间分集和波束赋型等多种类型的传输模式。空分复用模式下，通过分层传输，系统容量能成线性增加；空间分集模式下，则能通过把相同数据分成多路并行传输，在接收端分集接收，获得分集增益，提高系统的误码率性能；波束赋型模式下，能实现定向传输、波束跟踪，减轻信道衰落，提升信号质量，降低用户间干扰，进而提高系统容量和频谱效率。在战术条件下，还可以实现低截获和低检测特性。

OFDM和MIMO作为基本传输技术，在LTE和WiMAX中得到了广泛应用，代表了未来宽带无线传输技术发展趋势。所以在战术通信中，尤其是需要宽带传输的场景下，可以借鉴和改进OFDM和MIMO技术，实现高速传输的同时能满足战术通信对抗干扰和安全保密的需求。例如通过捷变频，甚至载波跳频提升OFDM战术通信场景中的抗干扰能力，实现宽带传输和抗干扰需求的结合；通过波束赋型等技术实现战术通信中的定向组网传输，进而使系统具备LDI和LPI特性。

2.2 载波聚合和中继传输

在LTE中，最大频带宽带为20 MHz，且频谱利用率已经接近香农极限，无法进一步提高系统吞吐量。根据香农信道容量公式[6]，要提高系统吞吐量，就必须提高系统带宽或者信噪比。所以要追求更高系统吞吐量，就必须提高频带宽度或者信噪比。通过提高信噪比带来的频谱利用率增益在高信噪比下越来越小，在此情况下只能通过扩展频带宽度来提升信道容量。载波聚合是LTE-Advanced和802.16 m系统中采用的把多个20 MHz频谱捆绑起来使用的技术，分为连续捆绑和离散捆绑可以成倍扩展系统频带宽带宽度，提升系统吞吐量。例如当系统频带扩展到100 MHz时，再利用MIMO技术，可以使系统吞吐量达到Gb/s的传输速率量级。在战术通信系统中要实现超高速率传输，载波聚合技术是可行的技术方向。在连续频谱被污染的情况下(如遭受电磁攻击)，可通过离散频带的聚合来提供高带宽传输性能保障。还可以和认知无线网络结合，通过动态频谱分配来提供数据传输服务，提升数据传输的有效性和可靠性。

中继传输是另外一个扩展系统容量和覆盖范围的关键技术。用户终端可以通过中间接入点中继接入网络来获得服务。无线中继技术包括Repeater和Relay两种技术。Repeater是在接收到母基站的射频信号时在射频上中继转发信号，终端和基站均不知道Repeater的存在，其作用只是信号放大，仅能增加覆盖，并不能提升容量。Relay技术则是在原有节点的基础上，增加新的Relay站，加大站点和天线的分布密度。中继站存在于终端和基站之间，可以工作在物理层和高层协议层。这样不仅可以扩展网络覆盖范围，还可以提升系统容量。在战术通信中还可以加强动中通能力，在多遮挡条件下保证系统正常运行。例如山地作战中，中继技术在地形复杂情况下能很好的保证系统的覆盖范围及传输速率。

2.3 面向连接的传输

LTE和WiMAX都是面向连接的传输系统。通过区分不同业务QoS需求，把不同业务数据映射到不同的业务流(或承载)进行传输，在资源分配时根据不同业务流的QoS等级进行优先级调度处理，使得对QoS要求苛刻的业务优先得到发送处理，实现了对业务的QoS保证。

对于全IP系统来说，民用系统中面向连接传输的思想能很好的在一个网络上承载多媒体业务，非常好的解决了业务QoS保证难题。所以战术通信中可以借鉴这种思想，在通信协议设计时，把面向连接的思想融入其中。其本质就是对网络和终端传输的数据根据QoS需求进行分类，然后在调度时根据QoS等级进行优先级处理，进而在最大化无线资源利用率的同时保证各业务的QoS得到满足。

2.4 扁平化网络结构和基站路由器

通过LTE和WiMAX对比可以发现，在民用宽带通信系统中网络不仅顺应着全IP、宽带化、移动化趋势在演进，而且系统架构越来越趋于扁平化，协议层次划分越来越简洁[7]。这样不仅使协议处理变得更加简单，还可以大大缩短业务传输处理时延。这种思想可以引入到战术通信中，使系统设计变得更加简洁明了，数据传输时延也会极大减小，从而系统性能将得到提升。

鉴于战场环境中缺少有线基础设施支撑，战术通信对设备体积要求十分苛刻，并且对一体化的要求较高。结合扁平化网络设计趋势，基站路由器可以很好的解决上述问题。基站路由器即把无线接入网的接入协议处理功能和网络路由交换功能集成在单一的设备上，可以进一步减少协议处理时延，并同时减少网元数量和设备体积功耗，给系统带来了很大灵活性，对随遇接入、移动性管理，自组网，以及异系统互连都提供了很好的支持。

3 应用于战术通信的挑战

3.1 组网方式

图6描述了LTE和WiMAX的网络架构，可以发现LTE和WiMAX采用了点对多点PMP网络架构，用户数据交换需要通过中心节点来实现，而且接入网和核心网之间通信要通过有线基础设施来承载。战术通信中不仅需要PMP组网方式，还需要Mesh或者Ad Hoc自组网方式的无线网络，且通常情况下骨干网络互连没有有线基础设施支撑。虽然在WiMAX的802.16d中定义了Mesh组网方式，但标准化和实际产品比较缺乏。另外民用系统中由于前向兼容以及计费等功能需求，网元数量众多，交互协议复杂，网络设备的体积也比较大，这些特性和战术通信对移动性、小型化等特点的需求是矛盾的。

所以民用宽带通信系统要引入到战术通信中，需要对组网方式进行改进：一方面要加强对Mesh组网和Ad Hoc组网方式的研究；另一方面要去掉骨干网互连时对有线基础设施的依赖，实现全无线互连的组网体系；同时还需要减小协议复杂度和网元数量，降低设备体积和减小功耗。

图6 LTE和WiMAX网络架构

3.2 抗干扰性

LTE和WiMAX中涉及抗干扰的技术较少。系统中小区间干扰协调技术用于提升小区边缘用户的传输性能，而子载波跳频技术是用于获取频率分集增益。这些技术均不是设计来抵抗诸如窄带瞄准干扰、宽带压制干扰等战场电磁对抗范畴的干扰形式。这是因为民用通信系统使用场景中，假定不存在恶意的无线电波攻击，不需要很强的抗干扰措施，其目的主要是是减少相邻小区的互干扰和用户间的自干扰以及异构系统之间的电磁干扰，以提升用户体验。

但是在战术通信中，电磁环境非常恶劣。人为干扰无处不在。轻则极大降低信干比，增大误码率，重则系统完全失效，无法进行正常通信。所以在战术通信中抗干扰技术是必须的，是系统能正常工作的前提，需要深入研究。

3.3 安全保密

LTE和WiMAX系统均设计了各自的安全保密体系。LTE中在空口传输的数据必须在PDCP子层加密才发往低层做发送处理，并由对端PDCP进行解密，再送给高层做进一步处理。在WiMAX中，加解密功能部署在MAC层最下面的安全子层来实现。同时两个系统均采用了双向认证技术来对用户和网络进行互相认证，以减少非法用户或者非法基站对系统的入侵。

但民用系统采用的密钥体系和强度不能保证在战术条件下的安全，需要使用军用的专用密码技术加以改造。另外加解密功能的部署位置和信令交互流程以及密钥管理等需要结合具体的使用场景进行设计。为加强系统安全保密性，可以考虑物理层加密[8]，例如通过使用自定义的星座映射方式，信道编码算法等信号处理手段进行加密，使得破解方无法从信号处理的角度进行解调，从底层消除信息被窃取或者篡改的可能。

3.4 战术特殊需求

战术通信系统的使用方式和使用习惯与民用系统有较大差异，这也是4G系统引进到战术通信的一个巨大挑战。

在战术通信中首先要保证的是话音通信。在许多情况下，现场人员根本没有时间打字或阅读消息。相反，语音命令和信息必须通过按下PTT按钮立即传递。这在民用的4G系统中还没有明确的定义。这些功能需要在新系统设计时重点考虑。幸运的是4G标准组织在考虑设计集群调度的群组通信功能和面向紧急任务的按键通话功能PTT，以支持公共安全的通信需求，而这也可以应用到战术通信中。为支持话音通信，可以采用类似电路回退的方案，让4G系统作为高速数据传输的通道，让传统的超短波短波电台作为话音通道。战术通信系统中通常还有勤务话的需求，这在4G系统中没有对应的功能支撑。可以对LTE中的多媒体广播系统MBMS进行改造以支持勤务话。

在战术作战中，部队通常是一个高度组织化的单位，而不是一群个体。比如营这样的单位，被部署于指定的地理区域。部队随机地分散或开始机动是不太可能的，但对于民用系统，用户独立地移动和漫游是很常见的。这对战术和民用通信系统设置了不同的要求。4G系统需要通过相应的功能调整和修改才能适应部队作战的使用场景。

4 4G在战术通信中的应用方向

事实上4G移动通信已经在国内外军事通信中得到了广泛应用。据《西部防务》报道，LGS公司宣布在最近结束的网络综合评价中成功部署了尺寸、重量和功耗全部达到最小化的便携式4G网络设备[9],这种设备可部署在战术环境中，并能安装于车辆或者固定战术作战中心使用。美国海军正在积极试验海上激光通信与4G蜂窝通信技术，力图推进各种水面与水下作战平台之间实现高速大容量数据通信[10]。美国陆军是802.16工作组MMR研究组的成员之一，他们试图对802.16系列标准的未来发展施加影响，使之更多地适应军事通信需求，缩短装备采购时间[11]。

4G移动通信技术具有高速数据传输，高移动性支持能力以及快速部署等优势，在战术通信中具有广泛的应用场景。例如在指挥所局域网中可以作为宽带无线接入网使用。通过空中无人机中继平台，可以互联多个地面部队子网通信。在部队机动作战中可以作为集群调度系统，提供高清视频和话音通信服务。在城市作战中，当士兵传统通信设备被摧毁或者失效时，可以利用智能电话、平板电脑和其他设备连接4G网络以进行数据收发。

4G移动通信技术不仅可以直接应用到战术通信中，对其中一些关键技术进行改进和重新设计，还可以应用到更加广泛的战术通信应用中。

5 结 语

当前处于如火如荼建设阶段的4G系统，极大的提高系统吞吐量，提升了用户数据传输速率和用户体验。与此同时，5G技术也已经踏上了研发的征程，可见民用宽带无线通信技术发展之迅猛。另一方面战术通信对高带宽、低时延、抗干扰性、安全保密的需求也越发急迫，而现役的战术通信系统并不能很好满足上述需求。因而把民用通信中的一些关键技术经借鉴、改造后引入到战术通信系统中不失为一种快速满足军事需求的方式。由于设计初衷和使用场景的不同，在引进这些关键技术的同时需要加以改进，甚至创新。

民用通信提出的软件无线电技术就在战术通信中得到了广泛使用。而认知无线网络技术、端到端重配置技术等当前热门的民用技术也势必可以引入到战术通信领域来，创造性的解决战术通信对数据传输有效性和可靠性乃至可信性的强烈需求。可以预见，未来5G技术的研发方向必将深刻影响战术通信的演进方向。不仅从物理层，甚至空口上层协议以及组网协议，乃至应用层都将吸收引进民用宽带无线通信系统的关键技术。

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Application of 4G Mobile Communication Technologyin Tactical Communication System

ZHANG Lei，XU Fei，SUI Tian-yu

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

With the rapid development of 4G technology in recent years,the tactical communication,however,evolves slowly.The introduction of advanced civil technologies into military tactical communication could accord with the trend of civil and military fusion and enhance the capability of tactical communication. LTE and WiMAX, as 4G standard, benefit a lot from many advanced transmission technologies including OFDM and MIMO, thus resulting in a great improvement on throughput over 3G system. In addition, LTE and WiMAX,with IP-based architecture and connection-oriented features,could guarantee the QoS and transfer-latency performance. Firstly, the standard of LTE and WiMAX are briefed and the critical technologies are overviewed. Then the key technologies suitable for tactical wireless network are presented, the challenges and modifications discussed when these advanced technologies adopted in tactical communication system. Finally, the applications of 4G in tactical communication system are summaried and the trend of civil and military fusion forecasted.

civil and military fusion; LTE; WiMAX; tactical communication

date:2014-10-27；Revised date：2015-02-21

TN918

A

1002-0802(2015)04-0423-07

张 雷(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为宽带无线通信；

许 飞(1979—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为宽带无线通信；

隋天宇(1983—)，男，博士，工程师，主要研究方向为宽带无线通信和信号处理。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.009

2014-10-27；

2015-02-21