宽带战术通信系统架构设计与实现*

2014-02-10金红军

通信技术 2014年9期

关键词：核心网载波战术

金红军

(中国电子科技集团公司第五十研究所,上海200063)

宽带战术通信系统架构设计与实现*

金红军

(中国电子科技集团公司第五十研究所,上海200063)

针对未来战术通信向高速、宽带、移动和网络化方向发展,提出了利用LTE技术构建宽带战术通信系统的网络架构和设计思想。通过高速传输技术、高效多天线技术和无线接入技术,以及频率下移、综合集成技术,建立了一套一体化车载式基站系统,描述了网络架构、实体和基本设计策略,给出了系统主要设计指标。通过实例验证：通信距离可达20 km,通信距离显著提高,此时数据吞吐量可达47 Mbit/s,比现役提升近百倍,证明了系统架构设计的有效性和可行性,真正实现了战术通信系统跨越式发展。

宽带战术通信系统架构 LTE技术

0 引言

目前战术通信都是窄带、以中低速率为主,最高传输速率几十kbit/s到几百kbit/s,且以话音、数据传输为主,图像、视频业务不支持或不足,限制了作战应用和作战效果,尤其是现代战争作战概念的变化,对地理图像信息、现场视频信息和态势感知信息的需求将会急剧增加,数据量将会呈指数增长,高的传输速率、高的网络性和高的移动性将会更加重要,这就对战术通信提出了新需求和新要求[1-4]。未来的数字化战场,作战方式已从以前常规的前沿预设部署进入兵力随机投送阶段,从以武器平台为主进入以网络中心为主,这一新的变化将要求将机动性、灵活性、模块化、高速化、宽带化和网络化紧密的结合在一起,对能够快速反应、快速接入能力更加渴望[5]。目前现役的战术通信系统和战术通信技术已经不能支持对数字化战场的需求,很难完成这种使命,必须寻求新的突破。近十年来,与战术通信发展相对落后,我国民用移动通信可谓突飞猛进,已经成为移动通信领域的引领者,具有自主知识产权的第四代移动通信(4G)TD-LTE技术就是典型代表,在前沿技术、关键技术、核心处理器和制造工艺等方面与西方国家已站在同一起跑线上,为战术通信提供了坚实的技术支撑和广阔的应用前景。LTE技术采用正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)相结合,可以提供100Mbit/s以上的峰值速率,提供高质量、低时延的语音、数据、图像和视屏等多媒体业务一体化服务,网络架构通用而简约,是构建宽带战术通信最理想的可靠应用技术。民用技术已成为当今世界各国发展军事技术的一大趋势,从美军战术通信发展的历程与趋势看,民用技术军用化扮演了重要角色,将LTE技术引人战术通信领域,打造全新的多媒体宽带战术通信系统体系架构,全面提升战术性能,适应未来作战模式的转变。

1 LTE技术的主要特点与改进

TD-LTE技术是我国在民用信息技术发展领域的一个历史性的突破,拥有完全自主知识产权,全面掌握技术体系和关键技术,成为技术的领导者和推动者,在网络架构、传输速率、频谱效率和传输时延等方面比3G移动通信技术有了巨大改变和提升,现在已进入大规模商用实施阶段。其主要技术特点与改进是:

(1)全IP扁平网络架构

采用全IP网络架构,只有基站一种逻辑节点,网络架构中节点数量与节点层次减少,接入网更加趋于扁平化,趋近于典型的IP宽带网络结构。核心网节点控制平面和用户平面管理完全分离,网络节点配置灵活,基站之间X2接口、基站与核心网之间S1接口都采用通用以太网接口,语音和数据业务高度融合,承载平台一样,提高了信息业务处理的通用性、可扩展性和灵活性,网络运作更高效。

(2)高速传输技术

采用OFDM高速传输技术和MIMO高效多天线技术相结合,在20 MHz的载波带宽下,频谱效率为5 bit/s/Hz,峰值速率可达100 Mbit/s。OFDM技术是在多载波调制(MCM)技术基础上发展而来的,由于其频谱利用率高、成本低的原因得到人们的极大关注。频分复用技术就是将高速的数据流分为若干个低速数据流,每个低速数据流再调制到对应的子载波上,从而构成多路低速数据并行发送高速数据的传输模式,子载波之间要求相互正交,且信道带宽很窄,近似平坦衰落信道。因此,OFDM技术大大提升了频谱效率,子载波越多,频谱利用率越高;同时能够有效对抗频率选择性衰落和载波间干扰,具有抗衰落和抗多径干扰的特性。

(3)高效多天线技术

根据香农定理可知:信道频谱效率与信道带宽、信号功率成正比,随着信道带宽、信号功率的增加,信道频谱效率的增加越来越慢,为了大幅提高信道频谱效率,MIMO技术应运而生,即通过在共享的无线信道上建立多条并行的信息传输通道,利用多经来抵抗衰落、提供更高的数据吞吐量、增加覆盖范围和可靠性。可采用2天线、4天线和8天线,在信道强相关条件下,一般采用波束赋形或空分多址技术,天线间距离通常相对较小;在信道弱相关条件下,一般采用分集或空分复用技术,天线间距离通常相对较大。因此,MIMO技术可以在多径衰落等不利因素情况下成倍提高信道容量、改善系统覆盖和增加峰值速率,从而提高频谱利用率。

(4)传输低时延

传输时延对传输速率、QoS、业务建立和切换以及容量有着重要影响,将控制平面时延降低到100 ms以内,其中驻留态与激活态之间的转换时间小于100 ms,激活态与睡眠态之间的转换时间小于50 ms;将用户平面时延降低到10 ms以下,在无负载的小数据IP包情况下,时延小于5 ms。

(5)高移动性

支持在多个小区的移动和切换,最高可实现350 km/h的移动性能。在0～15 km/h低速场景下进行优化设计;在15～120 km/h高速场景下能够实现较高的性能;同时,能够支持120～350 km/h甚至更高速场景下的移动性。

(6)支持多载波带宽

支持1.4～20 MHz多种带宽选择,每一种带宽支持15 kHz和7.5 kHz两种子载波间隔,每一个子载波支持QPSK、16QAM和64QAM调制模式,根据信道状态,自动自适应调制编码方式,以满足配置系统时窄带频谱分配时的灵活性。

2 宽带战术通信系统体系架构设计

2.1 体系架构

宽带战术通信系统体系架构遵循TD-LTE系统基本网络架构[6-9],采用全IP3层网络架构,如图1所示,由接入网、骨干网和中继网3层网络组成。

图1 宽带战术通信系统体系架构Fig.1 Wideband tactical communications architecture

骨干网层由一体化基站组成,采用扁平化的全IP、自组织网络架构,以无线方式,覆盖整个作战区域。一体化基站是由基站(eNode B)和分组核心网(EPC)集成设计而成,实现用户及会话管理控制、鉴权、数据转发和路由切换选择等功能,实现车载用户终端的随机接入控制。基站之间通过无线接口互相连接;基站与核心网之间通过S1逻辑接口互相连接,每个基站与一个核心网互相连接。

接入网层由众多的车载用户终端组成,通过OFDMA和SC-FDMA多址无线接入技术实现所属基站的链接,实现数据的发送、接收和漫游。

中继网层由卫星或空中平台(无人机、飞艇或系留气球)组成,提供基站间超视距连接能力,实现空中信息转发,与骨干网络组成完整的天空地一体化的立体通信网络,提供全新的无线组网模式,适用于山区、远距离传输和跨区联合通信要求。通过中继网层可以把各单元实体有机连接在一起,实现信号的中继和放大,延伸无线网络的覆盖范围,形成新的无线覆盖区域,从而实现对整个战场空间的全覆盖。

采用这种分层、分布式的体系架构,骨干网络可提供近百Mbit/s高速率传输带宽;接入网络用户也可提供几Mbit/s传输带宽,用户容量大,且可方便随机接入,更能实现跨区漫游、快速部署;中继网络解决了远距离通信和覆盖问题。网络通用性和智能化强,移动性和抗毁性能好,互联互通互操作能力好,适用于大数据传输,适合于联合作战应用,可以有效解决动中通、抗中通和山中通的问题。

2.2 一体化基站网络实体和主要功能

一体化基站网络实体是在原LTE系统网络实体的基础上,集成基站(eNode B)和核心网(EPC)为一体,替代各网络实体的功能,其各实体的主要功能如下:

基站(eNode B)由基带控制单元和射频拉远单元组成,基带控制单元完成编码与交织、调制和映射到OFDM符合的各子载波上,插入导频,对子载波的符号进行逆傅里叶变换后生成时域信号、并/串转换,形成高速串行数据流,送往射频拉远单元,以及反过程信号处理;射频拉远单元完成数/模转换、变频、滤波和放大,形成射频信号,以及反过程信号处理。同时负责无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制和上下行对用户动态资源分配等无线资源管理功能;IP头压缩和用户数据流加密;用户平面数据路由选择;寻呼信息和广播信息的组织和发送等功能。

移动管理实体(MME)是核心网(EPC)的核心组成部分,通过S1逻辑接口与基站(eNode B)相连,每一基站(eNode B)都配置有移动管理实体(MME),实现本基站所属用户管理。当用户终端在移动过程中依然驻留在MME上,减少接口信令交互以及MME处理负荷,主要作用是移动性控制,负责用户及会话管理的所有控制平面功能、位置管理和移动性管理,完成用户终端与任何IP节点之间的信息承载的建立,包括非接入层(NAS)信令和接入层(AS)及其安全,以及网关通道出口选择,实现数据转发、漫游和鉴权。

网关(GW)也是核心网(EPC)的核心组成部分,包括服务网关(S-GW)和分组数据网网关(PDN -GW)。服务网关(S-GW)是一个终止于eNode B接口的网关,通过S1逻辑接口与基站(eNode B)相连,是移动性管理的接入点,本地移动性锚点,一个用户面功能实体,负责为用户终端提供承载通道来完成数据的传送、转发以及路由切换等。分组数据网网关(PDN-GW)是外部以太网网络会话的锚点,连接外部数据网的网关出口,实现用户终端数据包过滤、合法监听和IP地址分配,提供数据传输通道。

2.3 系统主要设计指标

系统主要参数指标如表1所示,规定了工作频段、传输带宽、复用技术、调制方式、传输技术、发射功率、天线配置、传输速率和覆盖范围等主要系统参数的取值和性能指标要求。

表1 系统主要设计指标Table 1 System key parameters index

2.4 帧结构

帧结构是指空中传输的数据帧结构,每个无线帧结构由十个子帧组成,长度为10 ms,其中包括8个长度为30 720×TS=1 ms的子帧和子帧1、子帧6两个特殊子帧。每个特殊子帧包含下行链路导频时隙(DwPTS)、保护间隔(GP)和上行导频时隙(Up-PTS)3项参数;其它子帧则由两个时隙构成,子帧0和子帧5通常用于下行。上下行子帧可以灵活配置比例,灵活支持不同业务传输需求。

2.5 无线接口协议栈

无线接口是指用户终端与基站之间的接口,或称空中接口,无线接口协议是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的,无线接口协议栈由空中接口的用户平面协议栈和控制平面协议栈构成,包括物理层、数据链路层和网络层3个层面,由一体化基站统一进行管理和控制,包括完成基站之间的切换。用户平面通过空中接口传输通道为上层协议层提供用户数据传输服务,同时为控制平面和非接入子层(NAS)信令提供传输通道;控制平面负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务的QoS保证和最终的资源释放。控制平面的底层协议和用户平面相同,而上层的无线资源控制(RRC)层和NAS层是控制平面最主要的功能实体。

2.6 无线接入技术

无线接入是指用户终端接入骨干网的过程,包括用户终端主动或被动发起业务所需的随机接入过程、寻呼过程和广播过程。无线接入采用正交频分多址接入(OFDMA)和单载波频分多址接入(SCFDMA)技术,OFDMA技术易于与多天线技术结合,频谱效率更高,信号处理简单,实现复杂性低;SCFDMA技术采用单载波调制技术,降低了对放大器的要求,提高了功率效率,具有更低的峰均比(PAPR),保持了与下行OFDM技术的一致性。随机接入是用户终端进行初始连接、切换、连接重建立、从空闲模式转换到连接模式时的唯一策略,是与网络之间建立无线链路的必经过程。只有在随机接入过程完成后,一体化基站与用户终端才可能进行正常的数据传输和通信。用户终端在随机时刻随机选择前导序列接入,这样接入的结果也就有随机性,但不能保证100%成功。随机接入过程涉及物理层、MAC层、RRC层等多个协议层。物理层定义随机接入过程前导码(Preamble)、物理随机接入信道(PRACH)时域资源分配、各消息之间的时序关系; MAC层负责控制随机接入过程的触发与实施,以及对用户终端退避的控制。随机接入过程有竞争随机接入和非竞争随机接入两种模式,在正常情况下,一体化基站优先选择非竞争随机接入,只有在非竞争随机接入资源不够分配时,才指示用户终端发起竞争随机接入。

3 一体化基站系统设计与策略

3.1 工作频段下移

目前TD-LTE系统的工作频段为2.3～2.4 GHz、2.57～2.62 GHz,属于特高频频段,频率较高,视距传播,电波衰落比较大,传播距离比较近,一般在5 km左右。另外,民用频段用户多,频率拥挤,相互干扰大,一般不适合于战术通信。因此,尽量选择电波传播损耗小的微波低端频段,同时,要考虑保证系统的宽带特性,综合分析,选择0.3～1 GHz频段进行频率下移变换,是最佳的选择。

3.2 基站之间无线传输技术

在TD-LTE系统中,基站之间通过逻辑接口(X2)互联,只是传输一些信令或控制信息,基站之间通过核心网连接的有线线路传输和交换数据信息,传输线路都是同轴电缆或光纤电缆等有线媒介,需要建设大量基础设施和铺设大量有线线路,基站之间不能通过无线信道直接通信连接和服务。这样,对于战术通信的应用带来很大困难,失去了战术通信网络的机动性和灵活性。另外,在现行的LTE系统中,移动用户终端与基站之间的通信采用的是非对称的上下行通信体制,即基站发送信号时采用OFDMA调制技术,而基站接收时采用SC-FDMA解调技术,这又从根本上导致了基站之间不能直接进行无线通信。因此,可以在基站内嵌入用户终端模块,使基站具有双向OFDMA/SC-FDMA技术体制,用于骨干网节点多跳组网时接入需要中继的基站,从而建立一条无线链路,通过这个方法可以实现基站之间的无线直接互联。另外,可以采用无线中继(Relay)技术。即通过增加无线中继基站(Relay Station)将基站的信号重新处理后再发送出去,可以是L1层、L2层、L3层中继技术。L1层中继基站就是物理层中继;L2层中继基站需要对接收信号的MAC层进行解码处理;L3层中继基站需要对接收信号的MAC层以上进行处理,根据中继策略调度有效数据发送给用户终端。同时,也可以利用卫星接口,实现基站之间无线传输和链接。

3.3 一体化、小型化基站系统设计

在TD-LTE系统中,基站和核心网等设备都是固定式的,核心网是网络交换控制的核心,所有数据交互和控制的实现都由核心网来完成,以固定模式设计,设备种类多、体积庞大、重量太重、功耗太大。另外,很多功能,如与2G、3G网络的兼容接入接口、计费功能,以及过多的冗余设计等,都增加了系统的复杂性,对于战术通信来说并不一定需要,这种体系结构是无法满足战术通信车载系统和移动性要求的。因此,对于核心网要进行小型化设计,通过核心网设备和基站设备的一体化设计,实现在结构上大幅简化,重量上大幅减轻,功耗上大幅降低,便于战术通信使用。

4 实例测试与分析

根据表1描述的系统主要设计指标要求,我们设计了一套一体化车载式基站系统和车载用户终端,在平原地带进行了一体化基站与车载用户终端无线接入覆盖试验。选择工作频段600 MHz、功放40 W、天线高架12 m,上行/下行配置1,子帧配置: DSUUDDSUUD(其中D代表下行子帧,U代表上行子帧,S代表特殊子帧),特殊时隙配置为5(DwPTS: GP:UpPTS=3:9:2),CP选择常规长度。在5 km时,实测下行传输数据吞吐量67 Mbit/s,上行传输数据吞吐量23 Mbit/s;在20 km时,实测下行传输数据吞吐量30 Mbit/s,上行传输数据吞吐量17 Mbit/s。试验表明:通过工作频段下移,提高发射功率,通信距离可达20 km,通信距离显著提高,此时上下行数据吞吐量达到47 Mbit/s;在通信距离5 km时,上下行数据吞吐量可达到90 Mbit/s,比现役战术通信系统提升近百倍。

这对于战术通信来说,具有无与伦比的吸引力,可同时支持数据、话音、图像和视频等多媒体业务,与现有战术通信的体系架构相比最大的优势是可实现动中通和视频指挥,体系架构不再依赖建立在稳定、半固定的基础结构上,工作模式不再是静态、中低速,节点可随机接入,带宽可动态分配,作战单元的集成和信息支持可在运动中完成,真正实现机动指挥。因此,把LTE技术的优势和核心技术移植到战术通信中,可以带来几方面的好处,一是快速提升战术性能,转变作战模式;二是缩短研发周期,节约资金投入;三是实现互通互联互操作最佳手段,网络融合、扩展更加灵活、方便;四是操作更加简单、智能,质量更高、服务更优,是我军战术通信赶超世界先进水平、真正迈向全数字化和网络化时代的突破口。

5 结语

目前,LTE技术已经商业化,技术十分成熟,其高速化、宽带化和移动性能符合未来战术通信的发展方向,通过适应性改进,工作频率下移,增加发射功率,覆盖范围由原来最大5 km可达到20 km,数据吞吐量达到47 Mbit/s,虽然数据吞吐量比最高降低近一半,但比现役战术通信系统提高近百倍,完全满足对于图像、视频等大数据传输要求;通过采用OFDM+MIMO相结合技术,能够有效对抗频率选择性衰落和载波间干扰,具有抗衰落和抗多径干扰的能力;通过采用循环前缀(CP),可以保证每个子载波的完整性和正交性,从而避免子载波间干扰;通过采用小区间干扰协调(ICIC)技术可以有效解决小区间间干扰;通过采用干扰随机化技术,将相邻小区干扰信号通过加扰或交织的方法转化为随机的干扰信号,从而方便干扰消除或抑制;而其高速移动性、移动随机接入能力更让其展现优良的战术性能。通过开展LTE技术军用化研究,加快宽带战术通信体系构建,对于我国未来战术通信及装备发展具有十分重要意义。

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Design and Implementation of Wideband Tactical Communications System Architecture

JIN Hong-jun
(No.50 Institute of CETC,Shanghai 200063,China)

Aiming at the development of future tactical communication to high-speed,broadband,mobile and network direction,LTE network architecture and design idea for construction of wideband tactical communication system are proposed.With the technologies such as the high-speed transmission technology, multi-antenna technology,wireless access technology,frequency downshift and integrated technology,a set of integrated mobile basestation system is built up.Meanwhile,the network architecture,the entity and the basic design method are described,and the main design indexes of the system are given in this paper. The experiment shows that the communication distance is greatly improved,and could be up to 20km, while the data throughput is up to 47Mbit/s,nearly a hundred times of the existing one.The validity and feasibility of the system architecture design are verified,and the leapfrog development of tactical communication system is actually realized.

wideband;tactical communications;system architecture;LTE technology

TN929.53;TN915.851

1002-0802(2014)09-1021-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.009