公安340 MHz 频谱基于5G 技术的应用研究

胡 彬，徐 胜，余爱民，杨永坚，卢宗岭

（1.宜宾市公安局，四川 宜宾 644002；2.海能达通信股份有限公司，广东 深圳 518057）

1 公安340MHz 概述

1.1 公安340 MHz 频谱发展与现状

从2008 年开始，公安部门在日常和应急工作中对移动图像、视频业务的需求逐渐增多，各地公安部门根据 2011年公安部颁布的《公安专用无线视音频传输系统设备技术规范》（ GA962-2011）标准，进行了公安 340 MHz 无线图传视频系统的建设。随着社会经济的高速发展，国内外公共安全风险的不断加剧，公安部门对信息化的要求也越来越高，特别是对移动警务应用的需求越来越多，因此，在新的形势下，传统的 340 MHz 无线图传系统的设备陈旧，建设时间过长，维护成本越来越高，同时由于技术演进较慢，系统相对封闭，产业发展滞后，原有 340 MHz 无线图传系统已经无法满足公安机关日益增长的实战要求，各地公安机关使用频次越来越低。基于实际情况， 2017年底公安部废除了 2011年颁布的《公安专用无线视音频传输系统设备技术规范》（ GA962-2011）标准，为公安 340 MHz 频谱资源采用新技术进行公安无线通信研究探索提供了方便。

1.2 公340MHz 无线宽带通信需求

340 MHz 公安无线视频传输系统对于当前以及未来公安部门日常和应急通信保障业务都具有非常重要的意义。结合公安实战的要求和产业链的发展，基于新技术的 340 MHz 无线视频传输系统需要满足以下要求：

1.2.1 技术体制

新型340 MHz 无线宽带系统的技术体制，既要考虑技术本身的先进性、成熟型、开放性和可持续演进的能力，也需要考虑技术的可落地性，既要结合当前产业的现状，也要考虑下一步演进的兼容。在当前国际局势较为复杂的情况下，优先考虑国有自主知识产权的技术体制更有利于公安机关信息安全和可控要求。

1.2.2 覆盖要求

公安机关执行任务的地域比较广阔，因此， 340 MHz无线宽带专网需要进行广域覆盖，而公网主要是对话务量大的区域进行重点覆盖，两者覆盖要求具有明显的差异。因此，新一代 340 MHz 无线图传系统需要采用大区制，从而降低覆盖网络建设和维护的成本。

1.2.3 业务需求公安机关更多情况是将现场态势信息回传到指挥部，因此，无线图传系统主要以上行业务为主，这一点和公网的业务模型正好相反。针对这个特点，需要对新一代 340 MHz 无线宽带专网的上行链路进行优化和增强，提升各种场景下，尤其是移动环境、多建筑物环境下的回传容量。

1.2.4 场景需求

公安应急任务具有很强的时间突发性、地点随机性，很多场景下都没有很好的基础设施支撑，因此，要求新一代 340 MHz 无线宽带专网能够具备灵活的组网能力和快速部署能力，比如自组网功能，当终端离开蜂窝网覆盖区域，可以快速、灵活地自主成网，实现小范围的通信。

1.2.5 抗干扰需求

相比公网，公安无线专网要求具有更高的可靠性与很强的抗干扰能力，在干扰下仍然能够保持基本的通信能力。

1.2.6 安全需求

相比公网，公安无线专网要求具有更高的安全性，空口传输需要专业的安全加密，信源也需要采用满足公安安全标准的加密和认证算法。

除了上述需求以外，新一代 340 MHz 无线宽带专网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时，系统应该能够灵活配置使用。

2 5G 新技术特点与优势

新型340 MHz 无线宽带系统采用4G/5G 技术，继承了4G 成熟产业链和5G 先进技术，在此基础上，针对公安实战的要求自主创新，相比原有的 340 MHz 图传技术、公网4G 图传技术，具有以下优势：

⊙上行回传链路的性能和容量得到了显著增强，能够支持更大容量、更高质量的无线视频传输需求。

⊙单站覆盖范围显著提升，极大程度地减少了广覆盖组网的成本。

⊙终端支持蜂窝模式和自组网模式，更加贴近公安实战应用场景。

⊙网络架构更加灵活、开放，能够更好地与其他无线视频传输系统融合。从理论上分析，尽管新型 340 MHz 无线宽带系统只使用了8 MHz 频谱带宽，但是采用上述关键技术，其视频回传容量远超公网4G 图传系统，甚至也明显强于使用 20 MHz 频谱带宽的政务网系统。综合考虑覆盖能力和回传容量，新型 340 MHz 无线视频传输系统的性价比要远超公网和政务专网。

3 5G 新技术公安340MHz 宽带专网介绍

3.1 系统架构

3.1.1 技术体制新型340 MHz 宽带专网采用国际主流的4G/5G 技术体制，保证技术的成熟性、先进性和可持续演进性，同时能够获得更加成熟的产业资源支撑。在当前国际形势下，技术选择也需要考虑国有自主可控的要求，而4G/5G 技术规范兼顾主流技术体制和国产自主可控两方面的要求，是新型 340 MHz 宽带专网的首选。

3.1.2 组网模式

新型340 MHz 宽带专网采用蜂窝组网模式，但是考虑到 340 MHz 频段只有 8 MHz 频谱带宽，因此只能采用同频组网模式。新型 340 MHz 宽带专网要求各种终端具备蜂窝网通信和自组网通信能力，在蜂窝网覆盖范围内，使用蜂窝网模式进行通信，当处于蜂窝网覆盖范围之外，使用自组网模式，保证局部通信的能力，而且网络终端和自组网终端可以通过背靠背的方式，将处于蜂窝网覆盖范围之外的终端桥接进入网络，从而实现蜂窝网的覆盖延伸。

3.1.3 主要功能和性能

新型340 MHz 宽带专网延用了4G/5G 规范中大部分成熟的功能，包括空口传输的主要功能，如链路自适应功能、 HARQ 功能、 IRC/MRC 接收功能、上/下行子帧灵活配比功能等，在此基础上也会针对公安实战的需求，引入一些新功能，如大功率终端、上行增强等。因此，新型 340 MHz 无线视频传输技术具备比 TD-LTE 更强的无线视频传输性能，特别是视频回传的性能，表 1对比了 TD-LTE 系统和新型无线视频传输系统的上行回传性能，新型无线视频传输系统的上行频谱效率、吞吐率都有了显著的提升，特别在城区密集建筑、高速移动环境下，平均频谱效率有了近 3倍的提升。

表1 TD-LTE和新340 MHz无线宽带专网技术上行回传能力的对比

在组网功能方面，新型无线视频传输技术会延用ICIC 功能来解决低频段、同频组网之间的干扰问题，实现相邻基站之间的干扰协调。

在业务服务质量保障机制方面，新型无线视频传输技术也会延用 3GPP 最新定义的关键型任务质量服务等级，延用 TD-LTE 技术中成熟的基于 QoS 的调度算法和一系列优先级保障机制，通过差异化调度方式保障不同业务的优先级。

在端到端安全机制方面，延用 TD-LTE 空口鉴权、加密和完整性保护功能，确保空口接入、传输的安全性。

3.1.4 网络架构

如上所述，新型 340 MHz 宽带专网以成熟的蜂窝网络架构为主，一方面可以增加覆盖范围，同时也可以通过多小区来保证整个系统的容量，终端在多小区之间平滑切换，不同地区的终端可以实现异地漫游，充分借用4G 成熟的技术和成功的经验。

但是，考虑到现场应急通信的需求， 340 MHz 宽带专网系统的终端也能够支持宽带直通或者自组网的功能，在脱网的情况下能够自组成网。脱网直通和自组网是公安实战应用中比较常见和十分重要的功能，这一点在窄带专网中已经被充分证明，而在3GPP 4.5G 标准中，为了公共安全领域的需求，专门新增了宽带 D2D 的功能。因此，在传统蜂窝接入层的下面，建议新增自组网接入层，当终端不在蜂窝网覆盖范围内的时候，可以自组成网，或者通过多跳桥接的方式扩展蜂窝网的覆盖范围，临时补盲。

基于上述考虑，新型 340 MHz 宽带专网分为三层架构：

（1）非接入层，包括核心网和网络管理系统。核心网主要负责接入控制、数据路由和转发、移动性和安全性管理以及无线资源管理等功能；网络管理系统主要负责系统配置管理、终端管理、告警管理和性能管理等。

（2）蜂窝接入层，包括基站和各种终端，终端处于蜂窝网工作模式。在蜂窝模式下，终端只与基站建立无线连接，进行双向数据传输，终端之间并不能直接通信，支持跨小区的切换，保证业务的连续性。

（3）自组网接入层，包括各种终端，终端处于自组网工作模式。在自组网模式下，终端并不与固定网基站建立无线连接，而只与其他终端建立无线连接，自组成网，进行双向数据传输。

另一方面，新型340 MHz 宽带专网的架构也需要考虑和现有4G 图传系统以及警航空中图传系统之间的融合，从而形成公、专融合、天地一体化的公安无线图传体系。如图 1所示，将现场的态势信息多角度、全方位地及时、准确回传到各级指挥中心，更好地支撑各级指挥部门迅速地做出准确的判断和决策。

图1 专网融合图传与空、地一体化图传的网络架构

根据公安业务数据板块和安全级别的不同，应用层分为公安数据内网和视频专网两个子网，视频图像数直接进入视频专网，既可在视频专网内进行视频调度指挥、图像比对等应用，同时又可通过安全边界将获得的数据推送到公安内网，在公安内网中进行其他基于视频、图像的深度应用。

总之，新型 340 MHz 无线宽带专网能有效弥补了公网4G 图传在安全性、可靠性、可控性以及信道拥塞、信号易丢失、图像质量不高等方面的不足，同时又能够对警航空中图传系统提供地面支撑。通过新型340 MHz宽带专网，指挥中心将空中视频分发到地面作战人员，反过来地面无人机控制人员也可以通过新型 340 MHz 宽带专网接入到警航空中图传专网，通过安全、可靠、可控的 340 MHz 无线宽带专网实现对无人机的控制。因此，新型340 MHz 宽带专网是实现空、地一体化无线专网图传、协作和指挥调度目标的关键一环。

3.2 关键技术

延用TD-LTE 成熟的技术，同时针对公安实战的要求，借鉴5G 中的新技术，新型 340 MHz 宽带专网在无线链路、规模组网、业务质量保障以及安全可控等方面采用了如下一些关键技术，在满足公安实战需求的同时，也能够更好地和其他系统进行融合，充分利用主流的产业资源，有利于长期、健康、持续的发展。

3.2.1 无线链路关键技术

在无线链路方面采用了上行OFDMA 的编码调制方式相比于标准 LTE 上行采用的SC-FDMA 的调整方式，增加了3 dB 增益提升上行覆盖半径，同时通过上行MIMO 多天线技术，增加了上行增益，并可提供上行MIMO 工作模式，上行传输速率翻倍。此外还支持帧结构灵活配比，根据业务需求动态调整空口资源，进一步提升频率资源利用率。

图2 FDMA和SC-FDMA的性能对比

图3 IRC/MRC增益表

3.2.2 规模组网关键技术系统组网方面采用了跨区切换和无缝漫游技术，保障终端用户在各基站内可进行平滑切换，切换过程中业务不中断，提升通信效果。并针对 340 MHz 频谱同频组网模式受同频干扰影响采用了 ICIC 干扰协调技术和 IRC干扰抑制合并技术，降低相互的干扰影响，提升切换带的传输速率和业务质量。

3.2.3 安全可控关键技术

系统支持控制信道和业务信道双重加密模式，保障系统控制信令和传输数据双重安全保障，系统同时支持基站与终端双向鉴权，保障系统和终端均为合法用户，禁止非法用户的接入，防止数据泄密。

图4 鉴权流程

图5 空口加密流程

4 典型应用案例

随着经济的高速发展，社会治安形势日趋复杂，各类刑事案件、治安案件和灾害事故时有发生，大型集会和重要保卫任务十分频繁，公共安全重大突发性事件也时有发生，在这些重大事件的处置中，要保障公安机关领导者准确及时有效地进行指挥决策，现场实时图像信息的快速获取显得尤为重要。基于上述的需求，在宜宾市建设一套基于5G 技术公安 340 MHz 频谱无线宽带通信系统，通过实际应用表明基于5G 技术的 340 MHz 频谱宽带应用具有可行性、先进性和实用性，典型研究应用如下。

4.1 重大活动安保临时指挥部的搭建

我单位基于5G 新技术的 340 MHz 公安无线宽带通信系统建成验收后即投入到 2019年宜宾国际名酒节安保任务中， 340 MHz 无线宽带为大会安保的现场指挥部搭建提供接入支撑，任务现场指挥部部署一台 340 MHz 数据终端，将现场指挥部与视频专网打通后，不仅实现了对周边环境监控的调用，同时通过视频专网内部署的两台视频指挥调度终端直呼连接后，通过背靠背的方式与公安网局联合指挥部终端互联，实现现场指挥部视频调度系统、多媒体调度应用与市局指挥中心互通，实现前方与后方联动指挥（见图 6）。

图6 重大安保典型应用

4.2 应急现场通信

基于5G 技术的 340 MHz 无线宽带通信系统终端具有自组网功能，当终端处于系统基站覆盖范围之外时，可以启动自组网的功能，终端进入自组网模式在没有基站的情况下实现现场组网，为应急现场提供通信保障，结合现场多媒体调度指挥系统，为现场调度指挥提供语音、视频、定位、图像等通信功能，并可通过大功率终端实现应急现场的大范围应急通信覆盖需求。在 2019年宜宾长宁地震应急救援现场，在具有光纤回传的通信铁塔上部署一台室外型大功率终端，实现了地震中心长宁县双河镇城区及周边半径 10千米左右的覆盖范围，将灾害现场的视频回传至宜宾市公安局及省公安厅，并提供现场指挥调度保障（见图7）。

图7 长宁地震现场视频回传图

4.3 日常警务应用

基于我国成熟的公网4G 网络资源，在公共治安秩序维持、移动警务办公、日常治安巡逻、交通巡查、侦查抓捕等警务活动中，4G 公网成为语音、数据、视频、位置定位的通信需求的主要传输方式和手段，承载了大量的日常警务通信的应用需求，提升了公安警务活动的效率，在公安警务活动中发挥了重大的作用。但是由于公网4G 本身上行带宽小，与外网无法进行物理隔离、无高优先级保障等缺点，在进行高清上行视频回传、高保密性数据、高优先级指挥调度业务的通信需求无法完全得到保障时，采用 340 MHz 公安宽带专网进行补充。我局为特警巡防快反车配置 340 MHz 移动终端，配合布控球机，并接入天网平台，使之成为移动的天网终端，并可通过安全边界推送至公安内网视频平台。为指挥中心及巡防单位的日常应用提供安全、稳定、可靠的支撑（见图 8）。

图8 日常巡逻视频监控

4.4 可为固定或移动场景的数据采集提供通道

现阶段，我局为特警巡防快反车配置 340 MHz 移动终端，配合布控球机，并接入天网平台，使之成为移动的天网终端，并可通过安全边界推送至公安内网视频平台，实现“公专融合”，解决了特警巡防快反车移动人脸识别只能在本车上比对的现状。可以将车上传回的视频在视频专网或公安网内进行结构化处理，作为移动的干燥原数据，也可作为下一步视觉计算应用的移动点位，同时也为移动场景感知源或其他数据的实时采集提供了可能。

4.5 特殊环境通信

在停车场、隧道、地下室、在建工地等公网4G 覆盖较差甚至无覆盖的特殊区域，基于公网4G 的通信保障无法提供可靠通信保障时，采用 340 MHz 公安宽带专网“蜂窝 +自组”的组网应用模式，前端警务人员将公专融合手持终端切换至自组网模式，通过自组网多跳中继组网模式对地面 340 MHz 宽带专网信号进行覆盖延伸，实现屏蔽空间与后方指挥中心的互联互通，解决地下空间等特殊场景下通信“老大难”的问题。如图9所示。

图9 特殊环境覆盖延伸应用

5 结束语

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对现有的340 MHz 频谱，结合公网4G，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勤务。实验结果表明，采用5G 新技术的 340 MHz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，能够有效地弥补公网4G 系统的不足，从而形成互补。未来， 340 MHz 系统的智能终端设备，如 Pad、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移动警务应用工作。