单兵图传同频组网技术在应急通信中的应用

李 堃 戴星航 宇世俊 彭 果

（1.北京航天控制仪器研究所，北京 100854；2.北京航天万达高科技有限公司，北京 100143）

0 引言

应急通信多用于应对重大自然灾害以及社会安全事故领域，这类应急任务具有突发性强、复杂度高等特点。该情况下的应急保障通常采用机动性好的通信方式，包括卫星通信、无线通信等[1]。为了更好地应对重大突发事件，加强应急通信保障能力的建设，提高有关部门快速反应、统一指挥以及协同作战能力就显得尤为重要。

单兵图传凭借其实时监控、部署简单以及机动性强等优势被广泛应用于应急通信领域。在道路受阻的条件下，应急通信人员通过无线通信方式将任务现场的视频、数据等信息实时传输至指挥车或指挥中心，供现场决策[2]。当前单兵图传存在一定的局限性，例如多个单兵同时工作时，占用频率资源多、传输距离有限且通信范围小。针对现阶段的应用情况，如何提升单兵图传的通信能力，更好地应对各类突发事件就成为应急保障方面需要关注的重点。

该文对现有单兵图传在应急通信中的应用进行分析，以提供高质量的应急通信为目标，将同频组网技术应用其中，设计了一种单兵图传同频组网系统。该方案可以减少频率占用、增加传输距离以及提高系统系统可靠性，从而完善应急通信体系，提高通信保障能力。

1 同频组网技术

同频组网采用第四代移动通信中的VSF-OFCDM（Variable Spreading Factor and Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing，可变扩频因子－正交频率码分复用）调制技术，是一种全IP链路的网络架构。在这种特殊的无线移动网络中，所有站点相互平等[3]。与WLAN、WiMAX以及Wi-Fi等无线产品对比，具有以下3个特点。

1.1 同频传输

同频组网的无线接入方式在时域和频域2个维度上灵活改变扩频因子的大小，实现频域分集增益和多址干扰之间的平衡，具有高数据吞吐量、高频谱利用率等优势。

1.2 自组织

同频组网系统的架设和开展无须依赖任何预设的网络设施，每个组网的节点都具有路由和信息转发功能。接入网络后，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，能够快速、自动地组建成一个独立的网络，具有极高的组网自由度。

1.3 动态拓扑

同频组网系统没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，网络拓扑结构会随节点的加入和离开发生动态变化。如果一个节点由于硬件故障或外界干扰而停止工作，那么网状网会自动改变信息包的路由，选择另一替代路径，不会影响整个系统的运行，具有很强的抗毁性。

2 系统方案设计

2.1 同频组网方案分析

同频组网是指LTE系统网覆盖的所有小区都使用相同的频点，根据场景的不同，边缘小区的速率所受的影响不同，可以根据实际情况，对边缘小区使用不同的频率复用方式来达到组网要求。在频谱资源稀缺的今天，同频组网对TDLTE未来的规模商用具有至关重要的作用，是提升频谱效率的关键[4]。因此，首先需要检验同频组网的可行性，然后再根据实际情况建设不同方式的同频组网以满足用户的需求。

因为TD-LTE采用OFDM技术，这就意味各子载波相互正交，所以TD-LTE的小区内干扰不是TD-LTE系统中出现干扰的主要因素，TD-LTE系统中干扰的主要源于小区间的干扰[5]。TD-LTE系统内部干扰可从链路级、网络级2个层面来讨论。链路级干扰主要是因物理资源的正交性损失而导致的干扰，可采用专门的干扰消除手段予以消除，各种干扰消除技术的应用以及性能会对物理层的解调性能造成影响。网络级干扰是组网应用在不同网络场景下引起的系统干扰，需要采用调度、功控以及ICIC等策略来对小区间的干扰进行控制和协调。业务信道同频组网技术有功控技术、调度以及ICIC技术等。通过功率控制可减少干扰RB的发射功率，从而减少小区间的干扰；采用调度技术时，可以尽量优先采用干扰低的RB资源，避免采用干扰高的RB资源，从而尽量避免小区间的干扰；ICIC则以小区间协调的方式对各小区中无线资源的使用进行限制，从而限制小区间的干扰。对于控制信道同频组网方案，首先分析控制信道的干扰情况，然后对控制信道同频组网进行仿真；从分析结果来看，上下控制信道在同频组网时，覆盖概率可达90%以上，因此，可以满足同频组网的需求。

2.2 单兵图传系统

单兵图传系统是应急通信中一种常见的手段，在通信车受限的条件下，相关人员手持摄像机，背负单兵终端，徒步到任务地点进行现场信息采集，为侦查、取证等工作提供有

利保障。该系统主要由单兵图传高清摄像机、单兵设备、车载单兵图传接收机、车载发射机以及图传基站等组成[6]。单兵图传高清摄像机可以用于信息采集，获取事件现场的音视频图像。便携式单兵设备可进行数字无线图像传输，具有较强的穿透能力和绕射能力，能在多径效应严重的恶劣环境中传输高质量的视频图像，不需要定向天线就可以实现局部范围的覆盖[7]。车载单兵图传接收机部署在应急通信指挥车中，接收单兵设备传输来的图像信息。车载发射机能将接收到的图像发射至图传基站或4G基站，再由基站通过网络传输至指挥中心或相关部门[8]。

2.3 应用方案一：一单兵场景下系统方案设计

当前，大多数单兵设备在应急通信中的应用主要有以下4种模式：1或N台单兵设备、1或N台车载单兵图传接收机、1台车载发射机以及M台基站设备。其中，单兵设备与车载单兵图传接收机配对使用，用不同频率的信道进行区分，互不干扰。某项目采用普通系统组成方案，指挥车配备1台单兵设备和1台车载单兵图传接收机，该项目的系统方案如图1所示。

图1 应用方案一系统图

使用者通过便携高清摄像机及话筒等设备采集事件现场的语音、图像等实时信息，单兵图传发射机对现场音视频进行编码后，以预先设定的频率（例如408 MHz）发射无线信号，指挥车上的车载单兵图传接收机接收该无线信号，经过解码后转成音视频信号，即可显示在本地指挥车上，供现场决策使用。另外，车载发射机（例如340 MHz）将接收到的图像发射到图传基站。各个图传基站之间通过340 MHz的频率传输数据，将采集到的信息传送至指挥中心，指挥中心的340 M接收机接收后就能够显示任务现场的实时图像。

2.4 应用方案二：多单兵场景下系统方案设计

某项目中无线图传部分一辆指挥车需要配备多个单兵。为满足该需求，通常需要N个单兵和N台车载单兵图传接收机，各个单兵同时工作时使用不同的频率即可。该方式虽然部署简单，但是会占用较多的频率资源，并且每个单兵图传的通信范围有限。为解决上述方式的局限性，将同频组网技术应用到单兵图传中，能够减少频率占用、增加传输距离以及提高系统的可靠性。在设备配置方面，各个指挥车上需要配置相同频率的车载高清发射机。根据该项目的具体情况，设计方案如图2所示。

图2 应用方案二系统图

多个单兵通过一段设定的频率（例如430 MHz）将采集到的图像、声音等信息传输到应急通信指挥车上，车上的单兵接收机接收该图像和语音数据。在多个单兵构成的同频组网中，带宽资源被划分成一系列正交的子载波，并分配给不同的单兵实现正交频分多址的通信方式，各个单兵可以使用相同的传输频率直接通信，并不存在干扰。这样可以大大减少系统的频率占用，更加适用于频谱资源紧张的条件。此外，每个同频组网中的单兵节点都具有路由和信息转发功能，信息包会从一个节点传递到另一个节点，直到到达目的地。单兵节点具备中继功能后能够增加传输距离，扩大应急通信的范围。与此同时，还有另外一组频率（例如340 MHz）用来传输指挥车和单兵间的语音数据，实现指挥车对单兵的统一调度和管理。

该项目中，任务现场的图像可以根据当地的实际情况通过图传基站、4G公网和卫星通信3种方式由应急通信指挥车传输到远端指挥中心，具体如下：1）图传基站。各个指挥车上的车载发射机可将接收到的单兵信号以340 MHz的频率发射至固定基站设备，基站通过网络将现场信息回传至指挥中心。2）4G通信。如果任务区域处于运营商4G基站覆盖范围内，且无网络拥塞风险时，可利用车上的4G设备将接收到的信息发送至基站，再接入核心网，由4G公网传输现场信息。3）卫星通信。对于云层状况良好、无雨雪天气的情况，可采用卫星通信的方式。车载图传接收机将接收到的现场信号输入编解码器进行编码，然后经过调制解调器的调制处理后变成射频信号，再由功放将信号放大，并通过静中通天线发送至通信卫星。指挥中心的地面站天线接收通信卫星转发回来的射频信号后，通过一系列信号，将实时图像显示到指挥中心，为领导的相关决策提供依据。

除了传输图像数据等业务信息外，单兵设备还支持定位功能，可通过北斗卫星将位置信息上传至指挥中心的GIS服务器。指挥中心的地图上能够实时显示每个单兵的地理位置。

在上述单兵图传方案设计中，所有的单兵、车载接收机采用同频组网，实现了单兵和指挥中心以及各个单兵之间的相互通信。可以看出，在应急通信领域应用同频组网的优势包括：1）减少频率占用。单兵图传同频组网技术中，网络内的所有载波间相互正交，使用同一频率进行数据传输，可以有效提高频率的利用率，更加适用于频谱资源紧张的环境。2）增加传输距离。系统内的各个单兵节点不依赖任何预设的网络设施，能够自动地组建成一个独立的网络，任何一个接入网络中的单兵设备都可以将数据传输至指挥车，并且各单兵之间能够直接通信，大大提升了应急通信的范围和能力。3）提高系统可靠性。同频组网是一种无中心且具有动态拓扑的网络结构，网络内的各个节点地位对等，所有单兵均可任意移动，并且能随时加入和离开。实时变化的拓扑结构使网络中任何的节点故障不会影响到整个系统的运行，有助于提高整个单兵系统的可靠性，进一步提升应急通信的保障能力。

3 结论

该文的主要内容是在应急通信领域应用同频组网技术解决单兵图传占用频率资源多、通信范围有限以及系统可靠性低等问题，设计了一种单兵图传同频组网系统，并结合2个项目的应用情况详细阐述了系统方案的设计。该设计可以减少频率占用、增加传输距离以及提高系统的可靠性，为应急通信工作提供更有力的通信保障。自项目应用以来，系统运行稳定，用户反映良好，具有较高的市场价值和广泛的应用前景。