公安340MHz频谱重耕的研究

邹宗贵，管 鲍，张文健，冷川川

（1.四川省公安厅，成都 610041；2.海能达通信股份有限公司，深圳 518057）

1 引言

随着无线通信技术的飞速发展，公共安全无线通信网络正在加速从窄带技术转向宽带技术，业务从单一的语音业务向多媒体业务转变。全球对于公共安全无线宽带网络的建设都高度重视。

国内公安无线宽带网络建设工作主要围绕“宽、窄带融合”与“公、专网融合”两个方向展开。“宽、窄带融合”指出了语音通信仍然由窄带网络承载，而视频、图像以及数据业务由宽带网络承载。“公、专网融合”强调了目前公安宽带业务应该由公网和专网共同承载。公安日常的、非关键性的任务，如警务通、执法记录等业务可以借助公网，但是对于日趋常态化的重大安保以及随机性很强的应急救援、反恐处突等任务，则更需要专网，因此建设一张广覆盖、灵活部署的无线宽带专网对于公安部门非常重要。

目前，公安无线宽带专网的发展远不如预期，主要困难体现在投资大、频谱资源不够以及规范标准不完善等几个方面，其中频谱资源是首当其冲需要解决的问题。公安部门目前可用于无线宽带网络建设的频段只有1.4GHz政务网频段和340MHz图传频段。前者实际上并没有单独分配给公安部门，部分城市是由公安部门牵头建设，与其他政府部门共用。1.4GHz政务网采用宽带集群（B-TrunC）标准，覆盖有限，导致建设成本非常高，目前主要用于热点覆盖，对公安实际业务的支撑有限。340MHz频段属于公安专用，覆盖性能非常好，但是原有的技术落后，系统容量受限，网络的开放性和技术的演进性不好，现阶段很难再具备实战能力。该频段在大部分地区都没有被充分利用，公安部门去年底已经废除了原有340MHz图传标准。长期闲置可能导致部分340MHz频谱资源被其他部门占用，这对于公安部门是很大的损失。

因此，在申请到新的频谱资源之前，公安部门需要重点考虑对现有频谱资源进行重耕和融合使用，在公安无线宽带专网建设过程中积极采用新思路和新技术，从而满足公安实战需求。

2 340M频谱重耕的方向

目前，340MHz频段的利用率不高，且原有技术标准也被废除，比较适合现阶段进行重耕，用于公安无线宽带专网的建设。

340MHz频谱具有较好的覆盖性能，在重耕过程中需要重点考虑如何匹配公安部门的实际需求，做到真正的专网专用。和公网不同，公安无线专网有以下一些特点：

（1）覆盖特点：公网主要关注业务覆盖，公安无线网络则关注地域覆盖，覆盖面积更广。

（2）业务特点：公网主要以下行业务为主，公安业务以上行居多，要求上行传输容量较大。

（3）场景特点：公网可以提前进行网络规划，固定安装组网，公安应急场景较多，很难提前规划，实战地形也较为不规则。

为了适应以上特殊的要求，重耕系统需要在主流的3GPP技术体制上统，借助新技术，有针对性地进行优化和增强，特别是以下几个方面需要重点考虑：

（1）覆盖能力：公安无线网络需要进行地域覆盖，考虑到建网成本，需采用新技术提升单小区的覆盖范围，匹配公安专网的覆盖特点。

（2）上行容量：公安视频、图像等业务以上传为主，需要考虑在有限频谱的资源上提升上行回传容量，匹配公安专网的业务特点。

（3）组网灵活性：公安无线网络以蜂窝组网为主，但是也需要兼顾应急场景的应用需求，灵活组网，匹配公安专网的场景特点。

除了上述需要关注的问题，重耕系统也需要具备良好的扩展性，当未来有新的频谱资源或者应急情况下可以临时使用一些频谱的时候，系统应该能够灵活的配置使用。

重耕系统不应该是一个封闭的系统，因此在重耕的过程中，需要考虑如何与其他无线通信系统的融合使用。

未来，无线网络架构会沿着分层、多频和异构方向演进，面对各种不同的应用需求，需要采用不同的频谱资源进行分层覆盖。1GHz以下的低频段资源将被重耕，用作广覆盖，这个趋势无论在公网还是专网都是一样的。因此，340MHz频谱的重耕对公安部门无线网络建设具有非常重要的战略意义。在重耕的过程中，要充分利用主流的技术体制，遵循主流的网络演进方向，紧密结合公安的应用特点，兼顾覆盖、业务和成本等多个方面的因素。

3 系统架构和关键技术建议

基于上述的重耕方向，本章对重耕系统的架构和关键技术给出一些具体的建议。

3.1 系统架构

重耕系统构仍然以蜂窝网络架构为主，有利于大规模覆盖和系统容量的提升。但是，针对公共安全业务，3GPP规范在R12版本中增加了邻近服务（ProSe）功能，该功能利用D2D和自组网技术，能够支持宽带终端之间的脱网直通、多跳桥接以及终端自组网等功能。脱网直通和自组网络是公安应用的必要功能，而多跳桥接能够显著提升小区覆盖的范围，因此在传统的蜂窝架构下，需要增加ProSe功能，提升系统应用的灵活性。

重耕系统的架构如图1所示，系统分为三层：核心网层、蜂窝接入层和邻近接入层，其中邻近接入层对应ProSe功能，能够与蜂窝基站配合使用，也可以独立组网使用。该架构符合3GPP网络演进的方向，也非常适用于公安应用的特点。

图1 重耕系统的建议架构

3.2 关键技术

在上述系统架构下，基于实际应用需求，重耕系统应该重点研究以下一些关键技术，提升无线管道的覆盖性能和传输容量。

（1）自组网技术。ProSe功能的核心技术是以sidel ink空口规范为基础的宽带自组网技术。Sidelink规范提供了终端在多种场景下直接通信的能力，极大促进了3GPP体制下宽带自组网技术和产品的发展。Sidelink规范本身也在随着更多的应用需求不断完善，在3GPP规范R13版本中增加了跨载波终端发现、数据包优先级、UE-to-Network中继等功能；在R14版本中增强了中继的功能，能够支持更多跳数和更多节点组网，结合桥接功能，单个蜂窝小区的覆盖范围有了更为明显的提升；在当前的R15版本讨论中，载波聚合、64QAM、发射分集、更短子帧等关键技术和功能极有可能新增到规范之中；而在R16版本的早期讨论中，包括V2X切片、E2E QoS、多播、定位等新功能也列入了讨论的议题。因此，在重耕过程中，重点研究以sidelink规范为基础的宽带自组网技术，结合公安应用特点，增强网络的覆盖能力和组网的灵活性。

（2）灵活空口技术。宽、窄带融合是无线专网演进的主方向，但是目前宽、窄带融合仅停留在应用和核心网层面，未来需要进一步将融合延伸到接入层面。遵循5G软件定义空口的思想，需要进一步增强帧结构的灵活性，在统一的空口资源框架下兼容宽、窄带各种波形，适配不同的业务需求。和TD-LTE不同，灵活空口技术不仅仅是要求上、下行子帧配比的灵活性，也应该包含子载波间隔、传输带宽等空口波形的灵活性，从而适应不同业务和不同覆盖场景的需求，兼顾传输能力和覆盖距离。

（3）上行链路增强技术。增加终端发送功率是提升上行覆盖和容量最直接、有效的方法，为此3GPP增加了高功率终端相关的规范。在重耕过程中，建议增加车载台、背负台以及CPE等大功率终端设备。在大功率终端设备上，可以通过SUMIMO功能进一步提升上行的频谱效率，通过OFDMA调制方式提升上行链路抗多径衰落的性能，通过削峰技术降低OFDMA波形的峰均比，降低设备功耗和体积。

4 典型应用案例

本章重点介绍重耕系统典型的应用案例，通过实际应用结果证明重耕方案的可行性、先进性和实用性。

4.1 远程可视化指挥调度

四川省是应急救援、重大安保任务较多的地区，在四川省泸定县建设重耕后的340MHz无线宽带专网系统，用于该县重大安保、抢险救援等复杂的应急保障工作。

在泸定县城架设一套340MHz中心基站，覆盖县城5千米范围内的主城区。城区5千米外高速卡口和主城区之间有高山阻隔，基站无法直接覆盖到卡口。在城区和卡口之间临时增加一个中继节点，通过多跳方式将县城基站覆盖延伸到高速卡口。泸定县城的无线网络通过有线网络接入甘孜州和省厅天网系统，从而打通省、州、县各级公安部门到事发地的通信管道，实现远程可视化指挥通信保障。中心基站工作带宽为8MHz，上、下行时隙配比3∶2。在县城按两条路线进行路测：第一条路线从白日坝出发，沿延安路、开湘路、成武路到遵义路，第二条路线从白日坝，沿勇士路、丰碑街、成武路到红军路。两条路线的吞吐率如图2和图3所示，大部分地区的上行吞吐率都稳定在10Mb/s以上，满足3～5路高清视频上传需求，上、下行合计吞吐率在15Mb/s以上，满足双向视频会议需求，少数道路被山体遮挡，流量出现一定的下降。通过中继站，高速卡口到县城基站之间的吞吐率也能够达到12Mb/s左右，满足3～4路高清视频回传。

图2 第一条路线路测吞吐率

图3 第二条路线路测吞吐率

在实际保障过程中，公安部门在高速卡口部署一辆巡逻车，利用车载基站、自组网等传统单兵设备对卡口现场进行通信保障，另外部署两辆巡逻车在城区内进行移动监控。和传统单兵设备相融合，三辆巡逻车通过340MHz无线网络回传多路高清视频到泸定县公安局指挥中心，解决了现场多媒体保障任务要求。通过有线网络，泸定现场的音、视频信息能够实时回传到甘孜州和省公安厅指挥中心，视频清晰、流畅，如图4所示，解决了远程可视化指挥通信保障任务。同时，这些信息按照安全等级可以分享给其他参加保障的部门，实现多部门协作。

图4 远程应急保障视频回传效果

4.2 重大活动安保

马拉松赛事是一项参与人数多、赛道地形多样的重大活动，由于其重点监控区域多，信息安全性高，对多媒体应急通信保障工作提出了非常高的要求。为保障2018年成都国际马拉松的顺利进行，成都市建设了重耕后的340MHz无线宽带专网系统，分别在金沙遗址、文化公园、省公安厅、香格里拉酒店和环球东广场等赛事重点区域架设了340MHz中心基站。每个中心基站采用定向天线，对多个重点区域进行了专网覆盖。如图5所示的上行吞吐量实测结果，单流传输条件下峰值速率可达到30Mb/s。图6给出了RSRP和覆盖距离的实测结果，市区环境下单站覆盖约7.5km。

图5 实测上行吞吐量

图6 实测RSRP及覆盖距离

相比公网在大型赛事活动中容易产生拥塞的问题，重耕后的340MHz无线宽带专网系统能够始终保证视频图像的清晰和流畅，不受现场人流量的影响，充分体现出专网在大型活动保障中的优势。

5 总结与展望

无线宽带专网建设是公安部门当前重要工作之一，面对频谱、标准和成本多方面的困难，公安部门需要采用新的思路和新的技术，结合公安业务的特点重耕现有的340MHz频谱，并与已经建设的1.4GHz B-TrunC系统进行融合，相互补充，构建多层次、广覆盖、高容量的无线宽带专网用于支撑当前的应急和日常业务。

图7 赛事现场视频回传效果

实验结果表明，重耕后的340MHz无线宽带系统具备超强的覆盖能力，组网方式灵活，部署便捷，上行回传容量相比标准LTE系统有了较大提升，能够有效地弥补B-TrunC系统的不足，从而形成互补。

未来，340MHz重耕系统的智能终端设备，如MiFi、Pad或者智能手机将进一步丰富该系统的应用范围，与公网一起支撑公安部门日常警务工作。