LTE技术用于消防专网通信的测试研究

刘　涛方之龙杨岁永

LTE技术用于消防专网通信的测试研究

刘涛1方之龙2杨岁永3

利用LTE技术，选择合理的通信频率和频谱带宽，通过多种环境下的实地测试，检验了LTE技术应用于消防专网通信效果，证明LTE技术确实能够在消防现场通信领域提供高可靠高带宽的保障效果。

无线通信消防通信LTE技术

LTE（Long Term Evolution）作为一种高速率的无线通信标准，最早于2004年在日本提出，2008年形成标准，2011年开始商用。作为由中国主导的新一代通信技术标准，LTE技术具备高速率传输、低功耗、大容量等特点，其标准包括FDD（Frequency Division Duplexing）和 TDD（Time Division Duplexing）两种模式。在国内，LTE一般是指TD-LTE制式。采用LTE标准进行通信，在20Mbps频谱带宽下，可以达到100Mbps数据下载、50Mbps数据上传的能力，由于该标准支持多种带宽分配方式，因而频谱分配更加灵活，全IP的基础网络结构，使其配置和部署更加方便快捷，系统的延时更小，容量和覆盖效果相对原有通信标准也有显著提升。

消防无线通信，长期以来主要依赖超短波无线通信方式，来保障语音通信联络。近几年来，随着3G和卫星等通信技术装备的发展应用，消防单兵音视频采集装备、视频会商系统作为消防无线通信联络的有效补充手段，为灭火救援现场与后方各级指挥中心通信联络和信息保障提供了可靠的渠道，在灭火救援科学调度和指挥决策方面发挥了非常重要的作用[1]。然而在灭火救援灾害现场，现场指挥部与各个作战单位、各攻坚组之间的高效率音视频无线通信联络始终是个薄弱环节，现有的微波、数字集群、3G等通信手段都存在各种弊端，没有相对完善的解决方案，因此利用LTE技术的数据传输高带宽、高效率特性，实现灭火救援现场消防无线音视频通信联络，成为破解消防现场多媒体无线通信难题的一种手段[2]。

1.LTE技术应用于消防无线通信的技术优势

与现有的超短波、微波通信方式相比较，LTE具有较为明显的优势。一是高带宽。LTE技术最高可支持20Mbps频谱带宽，具备多路音视频同步传输所需要的大容量特性，能够满足多角度、多方位的多路音视频同时回传到指挥部，与指挥部实现实时通信联络的需要。二是高速率。LTE技术最高可实现下行100Mbps、上行50Mbps的数据传输能力，能够确保多路音视频通信的最小时延及流畅度，保障即时通信效能。三是高效率。下行链路5（bit/s）/Hz，上行链路2.5（bit/s）/Hz，频谱应用效率更高，承载容量更大。四是频谱可调。支持1.25MHz-20MHz之间的多种频谱带宽，确保了部署时的灵活性，针对复杂的电磁环境，消防现场通信中可以根据电磁干扰情况，及时调整通信频率或频谱带宽，确保通信的高度稳定可靠。五是便捷的操作性能。消防员需要携带的LTE终端设备已经实现了集成化和小型化，便于携带和操作，控制平台软件操作便捷，能够根据需求实现音视频通信联络及单呼、组呼等功能[3][4]。

2.LTE技术在消防无线通信应用中的架构

LTE技术应用于消防无线通信领域，重点要解决的是现场无线信号覆盖和多路音视频传输的问题，通过在现场搭建通信基站，消防员携带单兵装备的方式实现。设备连接示意图如图1所示：

图1　LTE设备连接示意图

通过搭建LTE现场无线信号覆盖网络，实现单兵装备采集的音视频信息实时回传至现场指挥部功能，配合使用已有的卫星通信或3G、4G装备，最终达到将现场全方位视频上传至各级消防指挥中心的目的，实现前后方指挥部视频会商及调度指挥等功能。

由于LTE技术应用于消防专网通信，在视频频谱的选择，设备的便携式、小型化方面需要进行适当改造，通过多种测试，最终选择应用400 MHz频段，设备采用分体设计、模块化堆叠的方式，解决了现场覆盖范围较小和设备不便携化的问题。整套系统分为射频模块、核心交换模块和网关模块，分装在航空三防箱体内，箱体堆叠后各模块之间通过网络专线连接；系统配有1台调度笔记本电脑和8套终端设备，终端设备配备了头盔式摄像机和空气导管耳机，能够实现便捷化操作。通过增设网关设备，该系统可以实现与350兆无线通信系统、POC无线对讲系统的互联互通，如图2所示。

3.LTE系统测试环境及实测效果

3.1测试设备情况

测试的LTE设备主要放置在消防通信指挥车上，通过车载发电机或UPS供电，2根鞭状天线放置于通信指挥车的车顶，距离地面高度约为3m；使用频率为400MHz频段，频谱带宽为20MHz，无线信息发射功率为40瓦；配备8部手持终端，终端发射功率为25dbm。

3.2测试环境选择

测试选择了灭火救援任务经常遇到的一般城市环境、城市CBD、高层建筑、地下建筑、大跨度大空间建筑、隧道、山岳地区等7类环境，主要针对IP化网络传输、多路音视频通信、多媒体调度等功能开展实地测试。

3.3实地测试情况

3.3.1一般城市环境测试情况

测试环境及基本情况：在通信指挥车停靠位置北侧，距离15米处为高6层、长240米、宽100米的会展中心一期建筑，东北侧为高6层、长85米、宽140米的会展中心三期建筑，其余方向相对空旷。

测试工作开展情况：测试人员携带终端设备，乘坐车辆往东南方向行驶；至直线距离出发点2.8公里处，视频传输中断，调头从西北方向返回后，终端传回视频恢复。如图3所示，标注紫色小旗为基站放置位置，红线和蓝线为车辆行驶路线，红线标注路段行驶期间视频传输流畅，蓝线为视频传输无法保障路段。

图2　LTE与无线通信设备互联架构图

图3　一般城市环境测试现场　

图4　城市CBD环境测试现场

3.3.2城市CBD环境测试情况

测试环境及基本情况：在通信指挥车停靠位置西侧，距离40米左右为1幢地上72层（高度333米）超高层塔式建筑，天线设置点附近百米范围内高楼林立。

测试工作开展情况：测试人员携带终端设备，乘坐车辆往东向约0.8公里处，终端传回视频开始卡顿；车辆绕行一周，从西向返回时，行驶至距离天线0.1公里左右时，终端视频传输流畅。如图4所示，标注紫色小旗为基站放置位置，车辆行驶路线，红线部分视频流畅，蓝线部分视频传输卡顿。

分析：基站天线高度只有3米，被多建筑物遮挡，信号绕射频繁，能量损失较大，视频中断部分基本都在高楼的阴影处。

后期测试：将天线架设高度增至12米左右，东向有限覆盖达到1.2公里左右，南、北方向的覆盖也有较大改善，沿道路方向能达到1.3公里，有效覆盖半径约为0.8公里，西向由于楼宇对信号的遮挡，改善不明显，约为0.2公里。

3.3.3高层建筑环境测试情况

测试环境及基本情况：通信指挥车停靠在超高塔式建筑东侧，距离建筑约40米，该建筑地上72层（高度333米）。

测试工作开展情况：从大楼正门进入，1层视频传输流畅，语音清晰；乘坐电梯上行至44层，在电梯、楼梯间内无视频传输；到达44层后，视频传输恢复；携带终端到大楼西侧及中部立柱遮挡处，视频传输出现卡顿，其他全部区域视频传输流畅，语音清晰；上行至68层，只有楼内东侧纵深约4米视频传输正常；继续上行至72层楼顶，大楼四周纵深约3米视频传输正常。

原因分析：电梯间内由于电梯铁皮屏蔽导致无视频传输；同时也与使用鞭状天线有关，使用定向天线应该会有所改观。

后期测试：通信指挥车停靠距离大楼80米处，总体覆盖情况于之前类似，改善不明显；天线增高至12米，高层区域信号覆盖有所改善，44层信号覆盖范围明显增大，在68层位置，覆盖纵深约为6米，72层楼顶的覆盖纵深约4米。

3.3.4地下建筑环境测试情况

测试环境及基本情况：通信指挥车停靠在超高塔式建筑东侧，距离建筑约30米，距离地下室室外安全出口3米，该建筑地下共4层、地上72层（高度333米）。

测试工作开展情况：地下室共7万余平米，地下一层14000余平米，设计为百货商场，目前框架已完成，处于停工状态。从大楼地面一层内部进入地下一层，视频传输流畅，语音清晰；地下二层西侧和北侧，视频出现轻微丢帧现象，南侧位置图像传输中断；进入地下三层，终端无信号，连接中断；在地下三层西侧和北侧，视频出现轻微丢帧现象，南侧位置遮挡严重图像传输比较困难，其他区域视频传输效果良好；进入地下四层，无法支撑视频传输。

后期测试：通信指挥车停靠位置转移至距离地下车库入口10米处，地下一层视频传输流畅，语音清晰；地下二层的信号覆盖情况并没有明显改观，信号传输不稳定，地下三、四层视频无法传输。

3.3.5大跨度大空间建筑环境测试情况

测试环境及基本情况：温州市国际会展中心为6层建筑，其中一期建筑长240米，宽100米，高约20米；三期建筑长85米，宽100米，高约20米；三期在一期东侧约50米处，两建筑内部北侧偏东位置设置电梯及楼梯。通信指挥车停靠在会展中心一期建筑南面道路上，距离建筑外墙15米处。

测试工作开展情况：在会展中心一期建筑内，包括地面部分、地下室一层、北侧客梯及楼梯间，视频传输流畅；三期建筑内，地下室一层、北侧货梯及楼梯间无信号传输，其余位置视频传输流畅。如图5所示，红色部分为三期建筑货梯及楼梯间位置。

分析：三期建筑及楼梯间位置距基站较远，同时货梯铁皮、楼梯间墙壁和铁门都比较厚，造成信号衰减较大，覆盖信号相对较弱。

后期测试：将通信指挥车停靠在临近三期建筑入口位置处时，能够实现地上及地下一层全覆盖，音视频传输流畅；一期建筑地下一层西侧视频传输卡顿。

3.3.6隧道环境测试情况

测试环境及基本情况：隧道测试在温州市文成县境内，测试隧道分为三段，依次为王宅隧道、周岙底1号隧道、周岙底2号隧道，其中王宅隧道长2240米，西面300米处有弯道，周岙底1号隧道长180米，周岙底2号隧道长2100米。各隧道之间为约100米露天道路。通信指挥车停靠在周岙底1号隧道与2号隧道之间露天道路位置。

图5　大跨度大空间建筑环境测试现场

图6　隧道环境测试现场

测试工作开展情况：两组测试人员分别携带终端设备，一组在天线位置通过周岙底1号隧道向西，至1.7公里处视频传输均比较流畅，语音清晰，之后开始出现视频卡顿；另一组携带终端设备从王宅隧道东口向西，行至距离天线1.7公里左右，终端视频传输稳定，语音清晰。如图6所示，红线为视频流畅，语音清晰路段，蓝线视频传输有卡顿。

3.3.7山岳地区环境测试情况

测试环境及基本情况：山岳测试在温州市文成县境内的百丈漈，通信指挥车停靠在山顶位置，山顶到地面落差约为300米，周围为环山公路。

测试工作开展情况：两组测试人员分别携带终端设备，一组乘坐车辆从东面环山公路上山，在部分地区可以进行语音和视频回传，至0.3公里处终端传回视频稳定流畅，语音清晰；另一组携带终端设备，从东南方向下山，行至距离天线0.7公里左右，行驶路线约2-3km，垂直落差200米左右，期间视频均流畅传输，语音清晰，之后视频出现卡顿。沿路山体遮挡位置，终端视频传输相对比较困难，在开阔地区信号强度较高，视频流畅。如图7所示，标注紫色小旗为基站放置位置，红线部分视频传输流畅，蓝线为视频传输困难路段。

4.LTE技术在测试中体现的特点及存在不足

图7　山岳地区环境测试现场

通过实地测试，我们认为该系统具备以下3方面特点：一是高效率的现场音视频保障模式。当前单一的火场通信方式，已经无法适应经济高速发展形势下的灭火救援工作需要，严重制约了灭火救援指挥决策效能，无法为指挥人员提供全面可用的第一手信息，通过引入新的LTE技术，实现了各个战斗段现场灾情和灭火救援行动向现场指挥部实时视频回传的功能，能够为指挥决策提供更加完备的信息支撑。二是机动灵活的无线通信保障方式。该系统采用便携式设计，能够根据实际工作需要灵活搭建，2个操作人员10分钟内即可以完成系统的架设工作，具备随行、随建、随用的机动效能，建立了攻坚组、前沿指挥部、现场指挥部和后方指挥中心四维立体的灭火救援通信保障体系，实现了各级指挥员对灾害现场状况及救援行动的全面掌控。三是面向实战的功能需求设计。通过与现有350MHz无线通信系统、POC对讲系统的对接，以及配备头盔式摄像机、空气导管耳机，使得通信保障在不增加指战员操作要求的基础上，实现了音视频实时通信保障，并能够根据需要实行点对点通信联络。

同时也存在以下几方面不足：一是整套系统的集成度还不够高、体积还不够小、便携机动性能偏弱；二是终端设备的配件器材有待强化，消防灭火救援人员在行动中的回传画面晃动明显，特别在黑暗、浓烟等环境下的视频采集效果有待提升；三是终端设备由无线信号覆盖盲区到达覆盖区后，系统无法自动识别并回传音视频信息，需要操作人员进行调度，自适应功能偏弱。

5.综合测试结论

经过一系列的实地测试，采用400MHz频率的LTE技术灾害现场无线信号覆盖系统，具备音视频传输带宽高、传输视频清晰度高、调度指挥功能齐全等特点，基本能够满足一般灭火救援现场无线信号覆盖需要，具体体现在：设备天线架设在车顶，无需升高的情况下，一般城市环境中可靠覆盖范围能够达到1.5公里以上；城市CBD区域能够实现目标建筑周边300米以上范围的全覆盖；高层建筑30层以下基本可以实现无线信号全覆盖，根据现场环境需要增加天线架设高度，无线信号覆盖效果会更加突出；地下建筑基本能够实现地下1层的全覆盖，在配备军用通信线缆的情况下，可以通过延伸天线至地下通信保障位置，实现地下范围内的大面积无线信号覆盖；隧道内能够实现1.5公里以上无线信号覆盖。

该系统基于IP网络实现与后端传输设备的对接，可实现20MHz载波带宽，同时支持8路视频回传，支持不少于500个终端用户，支持不少于30个分组，每组支持不少于50个用户，能够满足大型灾害现场通信保障工作的需要；通过终端设备集成的北斗通信模块，实现对消防员的实时定位；调度平台具备单呼、组播、广播等语音通信操作功能，也可以进行强插、强拆、监听、禁话、转接、代答等调度操作，具备音视频调阅、视频下发、短信息发送等功能；实现了与350兆消防无线通信系统的对接，具备基本的模块化操作功能；终端连续不间断拍摄传输高清视频可用时间约为1小时，待机时间约为72小时，能够满足消防灭火救援现场多媒体无线通信的基本需求。

作者单位：1.浙江省公安消防总队信息通信处
2.浙江省消防总队司令部作战指挥中心
3.温州市公安消防支队信息通信科

[1]公安部消防局.消防灭火救援[M].北京：中国人民公安大学出版社，2002

[2]杨岁永，浅谈灾害现场无线信号覆盖系统的建设和应用[J]，消防科技与经济发展——浙江省消防学术论文优秀奖, 2015

[3]高峰、高泽华、丰雷、焦卫平、张兵，TDLTE技术与标准[M]，北京：人民邮电出版社，2013

[4]金红军，基于LET技术的战术通信系统研究进展[J]，电讯技术，2012,52（8）：1387-1394