王藝燃，孫權(quán),，焦龍,，霍菁，李霖楓

　?。ㄖ袊?guó)電子進(jìn)出口總公司,，北京 100036）

       摘要：提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)，可為半徑為8 km范圍的戰(zhàn)術(shù)區(qū)域提供穩(wěn)定的無線寬帶通信信號(hào)覆蓋,，實(shí)現(xiàn)面向多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的寬帶數(shù)據(jù)傳輸和集群話音,、視頻通話功能。對(duì)系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,，試驗(yàn)結(jié)果顯示,，在MIMO天線采用空間分集設(shè)置條件下,，單基站可在半徑為8 km的區(qū)域內(nèi)同時(shí)提供上行寬帶約15 Mb/s、下行寬帶約28 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力以及多路RS422串口數(shù)據(jù)傳輸能力,，并可在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行多種模式的戰(zhàn)術(shù)集群通話,，滿足戰(zhàn)術(shù)通信業(yè)務(wù)需求。

　　關(guān)鍵詞：LTE,；無線通信,；VPN；軟交換

　　中圖分類號(hào)：TN924文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.017

　　引用格式：王藝燃,，孫權(quán),，焦龍，等. 一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2016,35（24）：57-60.

0引言

　　在反恐作戰(zhàn),、邊境巡邏、區(qū)域防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境下,，需通過無線通信手段實(shí)現(xiàn)陣地內(nèi)人員,、裝備之間的話音和數(shù)據(jù)傳輸。話音通信包括指揮機(jī)構(gòu)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話,、電話會(huì)議通話以及集群通話,。數(shù)據(jù)通信包括戰(zhàn)場(chǎng)寬帶多媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，以及傳感器,、作戰(zhàn)裝備,、指控裝備之間的參數(shù)和命令傳輸?shù)龋?2］。

　　現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,，通信系統(tǒng)需承載的戰(zhàn)術(shù)業(yè)務(wù)類型越來越豐富,，對(duì)通信系統(tǒng)的能力要求越來越高，傳統(tǒng)的通信裝備已難以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求,。傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)通信手段存在帶寬窄,、數(shù)據(jù)傳輸速率低、用戶容量小,、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定,、系統(tǒng)擴(kuò)容困難等應(yīng)用缺陷［3］。

　　應(yīng)用于民用寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域的LTE（Long Term Evolution)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有傳輸穩(wěn)定,、頻譜利用率高,、誤碼率低、組網(wǎng)靈活,、業(yè)務(wù)樣式豐富等優(yōu)點(diǎn)［48］,。基于這些優(yōu)勢(shì),，LTE技術(shù)在反恐,、軍事等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的重視,，但在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的LTE通信系統(tǒng)存在大區(qū)制工作方式下信號(hào)覆蓋范圍小,、單一通信終端無法接入多臺(tái)IP用戶設(shè)備,、話音調(diào)度業(yè)務(wù)功能難以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求等缺陷［9］。

　　本文提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng),，在充分利用LTE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí),，面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1LTE戰(zhàn)術(shù)寬帶無線通信

　　本文提出的基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng),，通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network,，VPN）技術(shù)解決在單臺(tái)通信終端下接入多路信息設(shè)備的問題，通過專用天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍的提升,，通過基于軟交換技術(shù)的調(diào)度服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻調(diào)度以及IP電話與采用PTT鍵通話的通信電臺(tái)之間的戰(zhàn)術(shù)集群話音調(diào)度功能,。

　　1.1系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由通信中心站和指揮型通信機(jī),、背負(fù)式電臺(tái)兩種通信終端構(gòu)成。

　　通信中心站一般搭載于專用的通信車上,，通過LTE通信基站提供無線通信信號(hào)的覆蓋,，完成數(shù)據(jù)和話音的雙向傳輸。通信中心站的通信管理設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),、VPN服務(wù)器,、調(diào)度服務(wù)器和調(diào)度終端?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入本地衛(wèi)星通信設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與上級(jí)通信站點(diǎn)的圖1基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng)理圖實(shí)時(shí)通信。

　　指揮型通信機(jī)適用于各類指揮所或指揮車,，可通過VPN客戶端同時(shí)接入多部IP電話和計(jì)算機(jī),，或通過接口轉(zhuǎn)換模塊將IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指定的通信接口（如RS422、RS485接口等）數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)與傳感器等裝備的數(shù)據(jù)傳輸,。

　　背負(fù)式電臺(tái)適用于對(duì)便攜性有較高要求、需采集戰(zhàn)場(chǎng)視頻,、采用PTT（Push To Talk）形式進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)通話,，或需要對(duì)高炮、便攜式防空導(dǎo)彈等作戰(zhàn)裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的作戰(zhàn)單位使用,。

　　1.2VPN系統(tǒng)

　　在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中,，位于指揮所、指揮車等節(jié)點(diǎn)的通信終端通常需要接入多路信息設(shè)備,，如IP電話,、筆記本電腦,、傳感器等，并與其他通信終端下的信息設(shè)備進(jìn)行交互,，而LTE協(xié)議本身的NAT功能并不支持這種訪問方式。

　　本系統(tǒng)采用VPN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)該功能,，以LTE寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái),，通過通信中心站的VPN服務(wù)器對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，為全網(wǎng)指揮型通信機(jī)的接入設(shè)備提供虛擬的專用傳輸通道,，并通過指揮型通信機(jī)的VPN客戶端實(shí)現(xiàn)本地多路設(shè)備的擴(kuò)展接入,。

　　1.3調(diào)度功能

　　通過設(shè)置于上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)和LTE通信中心站的調(diào)度服務(wù)器與調(diào)度終端進(jìn)行高清視頻業(yè)務(wù)的接入處理以及戰(zhàn)術(shù)話音的調(diào)度。話音傳輸基于SIP協(xié)議,，話音調(diào)度功能包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào),、電話會(huì)議、廣播,、通撥等［10］,。上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)與多個(gè)LTE通信中心站的調(diào)度服務(wù)器之間可聯(lián)網(wǎng)工作，繼而實(shí)現(xiàn)上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)和多個(gè)LTE寬帶子網(wǎng)之間的視頻,、話音互聯(lián),。戰(zhàn)術(shù)通話方式主要包括以下幾種。

　　(1) IP電話之間：上級(jí)通信站點(diǎn),、通信中心站以及連接在指揮型通信機(jī)的IP電話間通過撥固定號(hào)碼進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話或電話會(huì)議通話,。

　　(2) 背負(fù)式電臺(tái)之間：背負(fù)式電臺(tái)采用PTT手柄進(jìn)行通話，根據(jù)指揮層級(jí)關(guān)系,，電臺(tái)的人機(jī)界面預(yù)設(shè)有多個(gè)可定義的撥號(hào)快捷鍵,，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通撥通話。

　　(3) IP電話與背負(fù)式電臺(tái)之間：指揮機(jī)構(gòu)的IP電話可通過撥預(yù)設(shè)號(hào)碼對(duì)下屬背負(fù)式電臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話或廣播通話,。

　　上述通話過程中,，可通過所在網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度終端對(duì)正在進(jìn)行的通話進(jìn)行強(qiáng)插、強(qiáng)拆等操作,。

　　1.4天線

　　為了滿足戰(zhàn)術(shù)使用的信號(hào)覆蓋范圍要求,，系統(tǒng)采用了高增益的基站天線和終端天線，并基于軍用背景加大了基站與終端的發(fā)射功率,。系統(tǒng)所使用的基站與終端的天線基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,。其中，DXLTE1為終端天線,，DXLTE2為基站天線。表1天線參數(shù)天線型號(hào)DXLTE1DXLTE2頻率范圍/MHz1 447～1 4671 447～1 467增益/dBi510發(fā)射功率/W230接頭型號(hào)SMA陽N(F)尺寸Size/mmΦ75×285Φ20×1 200

2試驗(yàn)驗(yàn)證

　　2.1試驗(yàn)環(huán)境

　　2015年11月20日在合肥市郊進(jìn)行了本系統(tǒng)的實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證工作。通信中心站配置于合肥市濱湖新區(qū)南淝河大橋中段偏西處,，各通信終端分別配置于中心站西側(cè)距中心站3 km,、5 km、8 km處,。3 km~5 km之間設(shè)置用于測(cè)試背負(fù)式終端得動(dòng)中通性能的路段。

　　通信中心站采用車載方式,，天線通過升降桿升高至約6 m高度。通信節(jié)點(diǎn)的終端天線架設(shè)高度約1.8 m,。各通信節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。其中,，將5 km通信節(jié)點(diǎn)的指揮型通信機(jī)設(shè)置為全部背負(fù)式電臺(tái)的上級(jí)指揮站,，在全部背負(fù)式電臺(tái)中,，5 km通信節(jié)點(diǎn)處的182#為指揮機(jī)，即可對(duì)其他電臺(tái)進(jìn)行一鍵通播通話,。測(cè)試前通過通信中心站的調(diào)度終端對(duì)上述話音調(diào)度關(guān)系進(jìn)行配置。114#通信機(jī)和184#電臺(tái)各設(shè)置一個(gè)RS422串口,，用于測(cè)試接口轉(zhuǎn)換傳輸能力,。為了保證戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的信息傳輸可靠性，系統(tǒng)天線均采用空間分集模式,。

　　2.2寬帶傳輸試驗(yàn)

　　使用FTP軟件進(jìn)行多線程數(shù)據(jù)上傳和下載，記錄傳輸速率,。

　　(1)單站最遠(yuǎn)距離傳輸試驗(yàn)

　　首先測(cè)試在8 km的設(shè)計(jì)極限距離上單站同時(shí)上傳下載多個(gè)文件的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過114#通信機(jī)接入的計(jì)算機(jī)與中心站的計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)2次,，測(cè)試結(jié)果如表3所示,。

　　(2)多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)

　　首先進(jìn)行單站上行,、多站下行的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。通信機(jī)102#的計(jì)算機(jī)向基站計(jì)算機(jī)上傳文件,，119#,、114#的計(jì)算機(jī)從基站計(jì)算機(jī)同時(shí)下載文件，3次測(cè)試的通信速率如表4所示,。

　　由試驗(yàn)結(jié)果可見，在多站雙向通信條件下,，系統(tǒng)總的上傳、下載速率較單站傳輸略有下降,。

　　其次進(jìn)行多站同時(shí)上行的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試,。102#,、119#、114#三站的計(jì)算機(jī)同時(shí)上傳文件,，3次測(cè)試的通信速率如表5所示。第1次測(cè)試與第2,、3次測(cè)試數(shù)據(jù)相差較大，這是由于后兩次測(cè)試采用了更多的傳輸線程,?？傮w而言多次試驗(yàn)性能參數(shù)穩(wěn)定,。

　　由多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)可見，各個(gè)并行站所分得的傳輸資源與其信道狀況有關(guān),，在同樣的射頻性能條件下，隨著與通信中心站距離變遠(yuǎn),，終端的通信性能有一定的衰減,。

　　2.3接口轉(zhuǎn)換傳輸試驗(yàn)

　　在多站并發(fā)傳輸試驗(yàn)的同時(shí),，通過8 km節(jié)點(diǎn)的114#指通信機(jī)和184#電臺(tái)進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換傳輸能力測(cè)試。通過通信中心站的計(jì)算機(jī)向兩個(gè)終端各發(fā)送一路RS422串口數(shù)據(jù),，從各自的串口讀取接收到的數(shù)據(jù)并測(cè)試誤碼率，測(cè)試結(jié)果如表6所示

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，在滿負(fù)荷寬帶傳輸?shù)臈l件下,，通信終端RS422串口傳輸?shù)恼`碼率為0，具備良好的誤碼率性能,，可以滿足戰(zhàn)術(shù)裝備的數(shù)據(jù)傳輸要求。

　　2.4戰(zhàn)術(shù)話音與視頻傳輸試驗(yàn)

　　在多站并發(fā)傳輸?shù)那闆r下進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)話音和視頻傳輸試驗(yàn),，測(cè)試話音和視頻的調(diào)度能力以及數(shù)據(jù)-話音同傳的穩(wěn)定性,。

　　(1) 話音傳輸試驗(yàn)

　　IP電話點(diǎn)對(duì)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表7所示,。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在全系統(tǒng)滿負(fù)荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下,，通信機(jī)接入的IP話機(jī)之間可相互撥號(hào)通話，且話音效果良好,。

　　IP電話與背負(fù)式電臺(tái)之間,，以及電臺(tái)彼此間的撥號(hào)通話試驗(yàn)結(jié)果如表8所示,。當(dāng)IP電話對(duì)背負(fù)式電臺(tái)撥號(hào)時(shí)，系統(tǒng)在撥號(hào)后立即建立并接通通話,，但試驗(yàn)中存在0.5~1 s的通話建立延時(shí)時(shí)間，這是由于試驗(yàn)系統(tǒng)中背負(fù)式電臺(tái)采用的是基于Android系統(tǒng)的軟電話設(shè)計(jì),，存在一定的軟件內(nèi)部延時(shí)，該延時(shí)可在后續(xù)的軟件優(yōu)化中予以消除,。

　　兩種終端的通播功能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。試驗(yàn)中,，部分電臺(tái)在通話建立后通過自身人機(jī)界面的“掛斷”鍵進(jìn)行主動(dòng)掛斷，部分通過主叫方掛斷進(jìn)行被動(dòng)掛斷,。

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，在VPN系統(tǒng)和調(diào)度服務(wù)器的支持下,，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)IP電話與背負(fù)式電臺(tái)PTT話音之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通播通話。

　　(2)視頻傳輸試驗(yàn)

　　在多站并發(fā)傳輸?shù)那闆r下，采用118#電臺(tái)進(jìn)行“動(dòng)中通”視頻傳輸性能測(cè)試,，該電臺(tái)搭載于車輛上,，沿3 km節(jié)點(diǎn)東西向各2 km的路段往復(fù)行駛,。為保證信號(hào)不被車體阻斷，將電臺(tái)天線固定于車輛頂部,。該電臺(tái)與181#~184#電臺(tái)的視頻傳輸試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

3結(jié)論

　　本文提出了一種基于LTE的戰(zhàn)術(shù)無線寬帶通信系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)LTE通信系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍小,、單一通信終端無法接入多臺(tái)IP用戶設(shè)備、話音調(diào)度業(yè)務(wù)功能難以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求等缺陷,，可為戰(zhàn)術(shù)區(qū)域提供穩(wěn)定的無線寬帶通信信號(hào)覆蓋,，實(shí)現(xiàn)面向多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸和集群話音通話功能,。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)所采用的基站與終端天線可以滿足8 km的寬無線信號(hào)覆蓋,，VPN系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)傳輸和話音通話提供穩(wěn)定的NAT應(yīng)用支持,，調(diào)度服務(wù)器可在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下保障戰(zhàn)術(shù)話音和視頻業(yè)務(wù)的建立和傳輸,，且系統(tǒng)具備穩(wěn)定的動(dòng)中通能力，為反恐作戰(zhàn),、邊境巡邏、區(qū)域防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境提供了一種切實(shí)可行的綜合通信解決方案,。

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