警用无线宽带专网建设的必要性及其发展方向浅析

郑健智，魏茂林，郭子健

（吉林省公安厅，长春 130000）

1 警用无线宽带专网

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向宽带技术、单一语音业务向多媒体业务的转变。公安机关日常的警务工作可以借助公网实现通信，但是对于日趋常态化的重大活动安保以及随机性很强的应急救援、反恐处突等任务，则更需要无线通信专网的支撑。目前，在公安机关警务工作中，按照工作任务性质及使用需求，可划将公安无线通信划分为4类：日常语音通信；应急语音通信；日常数据、视频通信；应急数据、视频通信。上述四类业务各有特点，日常语音、数据、视频通信可以更多依托公网来承载。公网的覆盖好、用户容量大，终端产品成熟，依托公网承载日常警务工作是一种性价比较高的方案，但是在重大活动安保及突发应急情况下，公网容易产生拥塞，而且安全性不高。警用数字集群（PDT）无线窄带专网能够实现在重大活动安保及应急事件处置中的语音通信保障，但能够为指挥决策提供重要依据的数据、视频通信还不能得到充分保障。因此，公安机关在无线窄带专网的基础上，建设一张低成本、广覆盖、安全可靠的警用无线宽带专网非常必要。

2 警用无线宽带专网系统建设的目的及意义

为满足公安工作中实际需求，在充分利用现有警用频率资源的前提下，警用无线宽带专网要在功能和性能上要有三大提升：一是提升空口吞吐率，增加数据的传输带宽；二是提升数据传输处理能力，降低网络时延；三是提升组网的灵活性，降低信号补盲的难度。同时还要综合考虑建设资金、建设周期等方面，还有以下一些要求：

（1）低成本：公安专网不以运营为目的，因此，对于网络建设和维护的成本要求尽可能的低。采用广覆盖、大区制能够减少站点，降低建网和维护成本；采用小站设备、中继技术，降低深度覆盖的成本。

（2）广覆盖：公安专网要求采用地域覆盖策略，除了对密集城区要重点覆盖以外，对偏远地区也要进行有效覆盖，相应的覆盖面积就要比公网大不少。因此，警用无线宽带专网需要具备大区制覆盖的能力。

（3）安全可靠：公安工作的特殊性决定了对网络的稳健性、实时性、保密性要求非常高，因此，警用无线宽带专网需要充分保证网络的稳健性、实时性和保密性。

3 警用无线宽带专网的构建

3.1 技术路线

警用无线宽带专网的演进可以参考公网的演进步骤。目前，公网4G 技术已经非常成熟，并且在向5G 过渡。警用数字集群（PDT）无线窄带专网可以对标公网的2G 网络。针对公安无线宽带专网的建设，可以跳过3G，直接利用4G、5G 现有的先进技术，结合公安领域的需求特点，定制发展和搭建符合公安业务需求的警用无线宽带专网系统。

目前，不管是运营商的公网还是公安机关使用的警用数字集群（PDT）窄带无线专网，均采用的是蜂窝组网方式，所以参照公网4G、5G 的组网模式，警用无线宽带专网仍然需要以蜂窝网络架构为主，这样有利于大范围覆盖、移动切换和提升系统容量。但是，蜂窝组网方式要求基站架设在有基础设施资源的地方，这样会导致基站的位置及覆盖范围相对固定。然而，有些公安的应急任务，发生的时间和地点都具有很强的随机性，并且很可能发生在信号盲区，因此，警用无线宽带专网系统的组网方式需要同时考虑能够快速将蜂窝网络的信号覆盖进行延伸的灵活组网能力，可考虑通过多制式的终端实现，即终端同时具备脱网直通、自组成网的能力，当部分终端无法接收到蜂窝基站信号的时候，通过终端的自组成网，将能接收到蜂窝基站信号的终端的信号延伸到信号覆盖盲区，快速实现补盲，保证指挥调度的通畅。

3.2 频段选择

目前，公安机关依据政策可用的频段有两段，分别为1.4 GHz 中的警航频段（1430 MHz-1438 MHz）中的8 MHz 和340 MHz（336 MHz-344 MHz）的8 MHz 图传频段。另外，部分城市采用公安机关牵头建设通信系统，与其他政府部门共用的方式使用了1.4 GHz 中（1447 MHz-1467 MHz）的20 MHz 频段。该频段是归属政务网频段，实际上并没有指定分配给公安机关使用。1.4 GHz 政务网频段基站覆盖距离有限，建设成本非常高，目前主要用于热点覆盖，无法大面积应用，对公安实际需求的支撑有限。340 MHz 频段属于公共安全部门共同使用，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，长期闲置可能导致部分340 MHz 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，依托340 MHz 频段开展警用无线宽带专网建设更为科学合理。

3.3 系统架构

警用无线宽带专网可采用四层网络架构，相比传统蜂窝网络三层架构，新的网络在接入层下面又增加了一层，即临近接入层（Proximity Service，ProSe）。ProSe 功 能 是 3GPP 在 R12 版 本 中特别针对公共安全部门工作特点新增的邻近服务（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，配合蜂窝网络使用，能够灵活、便捷地延伸蜂窝网络的覆盖范围，即使在没有基站覆盖的情况下，也能够支持终端自组成网，非常适合临时应急场景。

3.3.1 网络架构图

图1 网络架构图

3.3.2 系统网络架构介绍

（1）应用层：多媒体融合通信应用平台，将无线通信专网、公安信息网资源、视频专网资源、公网资源等资源融合互通，集成语音、数据和视频业务，实现跨制式、跨平台的融合互通，提供跨区域、跨层级、跨警种通信指挥调度能力，构建上下联动、横向呼应、高效运行的一体化指挥体系，为实战指挥调度提供技术支撑。

（2）非接入层：包括核心网和网管。与标准4G LTE 网络一样，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，网管主要负责系统配置管理、告警管理和性能管理，也可以增加一些智能网络管理功能，如自优化、自愈功能等。

（3）蜂窝接入层：包括基站和各种终端。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，保证通信的连续性。

（4）临近接入层：只包括各种终端。在临近模式下，终端并不与基站建立无线连接，而只与其他终端建立无线连接，自组网成网，进行双向数据传输。终端自组网能力在应急环境下具有非常重要的作用，不依赖基础设施，组网快速，拓扑灵活，适应应急处突的多种场景。另一方面，当一个处于临近模式下的终端和一个处于蜂窝模式下的终端背靠背连接起来的时候，就可以形成了一个桥接点，便于蜂窝小区的覆盖延伸或者蜂窝小区的临时补盲，相比利用固定站进行延伸和补盲，临近接入层的性价比更高、实战性更强。

4 主要技术

警用无线宽带专网的技术体制可以参照4G LTE 技术体制，除了继承B-TrunC 集群业务功能以外，还针对公安上行数据流量大、支持脱网直通、多跳桥接以及实时性强等特点，还可以积极引入5G 新技术进行关键技术的优化，从而更好地满足公安机关实战需求，降低建网成本。针对建议引入的5G 技术，可以考虑如下：

（1）新空口技术：4G 空口帧结构是固定的，对于吞吐率、时延以及覆盖距离等需求各不相同业务很难同时兼顾，因此5G采用新的波形代替OFDM 波形，构建更为灵活的帧结构，从而在空口实现宽、窄带业务波形的统一部署。警用无线宽带专网采用相应的新技术，为各种业务定制灵活的帧结构，提供最优的业务体验，兼顾不同用户对吞吐率和覆盖距离的需求。

（2）多天线技术：针对上行提供单用户MIMO （SU-MIMO），和多用户虚拟MIMO （MU-MIMO）技术，提升上行频谱效率，吞吐率翻倍增长，以适应视频上拉等公安专网常用业务需求。

（3）Device-2-Device （D2D）技术：3GPP R13是针对公共安全应用提出了对等业务（ProSe），D2D 是ProSe 业务的关键支撑技术。D2D 技术能够为公安机关提供更加灵活的组网能力，拓展基站的覆盖范围，在无基站或者基站不能正常工作的情况下，为终端设备提供脱网直通、脱网自组网工作的能力。警用无线宽带专网可以继承PDT 脱网直通能力，在D2D 技术的基础上，提供宽带D2D、自组网的功能，增强了组网的灵活性，降低了网络覆盖的成本。

（4）大功率终端（High Power User Equipment，HPUE）技术：突破3GPP 对终端功率的限制，通过提升终端功率以及系统功率控制机制，提升上行覆盖距离和吞吐率。

（5）动态帧结构技术：根据实际需求，灵活配置上、下行帧配比，动态配置新的帧结构，提升系统容量，网络更加智能化。

公网4G 技术体制更多地还是在适应公网应用需求，除了基础的OFDM-MIMO 技术以外，很多功能并不太适用于警用无线宽带专网的应用需求，或者说并不是最优的方案。另一方面，由于要兼容2G、3G 等系统，公网4G 标准和体制也非常复杂和臃肿，导致终端芯片门槛较高，不利于公安专网终端产业的发展。

警用无线宽带专网技术充分继承4G 现有的技术，但是根据公安工作的特点，对现有4G 技术体制进行简化，同时引入5G 新技术和其他创新技术，为公安机关打造“量身定做”的无线宽带专网。

5 结束语

面对日益复杂的公共安全形势，公安机关需要建设自己的无线专网，保证在各种环境下提供保底的语音、数据和视频业务的支撑。近年来，在公安部的统一组织与部署下，警用数字集群（PDT）无线窄带专网已经建设成为全国乃至全世界最大的无线通信专网，实现了绝大部分省、市的全国联网，并且这张窄带专网还将在较长时间内持续服务于公安工作。同时，公安工作中对无线宽带专网的需求日益迫切，面临1.4 GHz 高频段基站建网成本过高，简单的套用公网技术和组网方式无法完全满足公安业务需求等问题，警用宽带通信专网建设需要立足于公安业务特点，充分利用4G、5G 的先进技术，加快重耕公安340 MHz 频谱资源，结合现有的警用数字集群（PDT）无线窄带专网实现宽、窄带融合。同时，警用宽带通信专网建设还应利用公网的覆盖优势，实现公网与专网融合，共同支撑公安的日常工作、大型活动安保和应急处突的通信保障。