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技术与标准丨LTE宽带通信在无线专网的应用

信息通信技术与政策

2020-09-27

导读：王勇，骆玉奇，杨立伟

作者简介

王勇

三维通信股份有限公司无线安全通信国内销售部部长，主要从事无线通信安全、公共网络信息安全、政务专网的设计与搭建、无线网络安全监测等行业场景的通信应用研究工作。

骆玉奇

中国农业大学信息与电气工程学院硕士研究生，计算机技术专业，主要进行无线通信方面的研究。

杨立伟

中国农业大学信息与电气工程学院副教授，硕导，引进人才，主要从事光/无线网络研究，包括接入网、光/无线融合网络、可见光通信等。

论文引用格式：

王勇，骆玉奇，杨立伟. LTE宽带通信在无线专网的应用[J]. 信息通信技术与政策, 2020(8): 93-96.

∗ 基金项目：国家自然科学基金项目（No.61705260）资助

LTE宽带通信在无线专网的应用*

王勇¹ 骆玉奇² 杨立伟²

（1. 三维通信股份有限公司，杭州 310053；

2. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

摘要：研究了LTE宽带通信在无线专网中的实现，阐述了LTE 宽带通信在应急通信、智慧工地、森林防火等专网中的应用，指出LTE宽带通信技术将促进行业专网的发展；同时，提出在重点区域采用4G-LTE宽带集群进行信号覆盖，利用LTE系统的高带宽实现视频和高速数据交互等业务。

关键词：LTE；宽带通信；专网

1 引言

专网通信是在特定的区域进行信号覆盖的专业网络，有效弥补公网通信所无法涉及的应用领域，成为我国政企行业信息化建设的重要一环。专网承载的业务，一般都涉及通信安全，建设专用网络并不仅是以降低成本为主要目的，保证业务安全保密和网络稳定可靠，是专网的主要目标。

专网通信的应用越来越广泛，在政府应急通信管理、智能电网、智能交通等重大工程建设的支持下，给专网通信行业带来了新增长。随着“两化融合”的深入进行，专网通信行业将保持较快的增长。专网通信需要多种不同的通信设备组合搭建，目前国内专网通信行业领先企业产业链已经得到大幅提升。行业用户根据企业的业务发展需要从基础的语音调度、短数据传输，发展到图像传输、数据库访问、视频监控、远程实时监测，窄带数字通信已经无法满足当前数据及视频的传输需求，用户业务对高速数据的需求升级驱动着窄带通信向带宽通信升级。

LTE技术具有诸多优势，与传统2G、3G移动网络通信传输技术相比，数据传输速率更快、信道频谱更宽、频率资源复用率更高、网络通信传输接口更为开放，同时还能够与2G、3G网络融合通信、平滑升级，降低移动通信工程4G-LTE技术实施成本。4G-LTE技术自普及推广以来，使越来越多的商用网络得到发展，在提高通信工程质量的同时，也保障了通信网络稳定运行，从而降低了通信网络的运维成本^[1]。

2 LTE关键技术

LTE包含LTE FDD和 LTE TDD（简称TD-LTE）两种模式。4G网络具有更高的数据速率、传输质量以及频谱利用率，可以容纳更多的用户，支持多种业务以及全球范围内的多个移动网络间的无缝漫游。这一切从技术层面上也源于无线接入网的空中接口技术和核心网的网络结构的重大变化^[2]。

2.1 智能天线技术

智能天线技术以自适应天线为发展基础，构成了自适应天线阵列，可在加权条件下达到合成多个天线接收信号的效果。智能天线技术适宜于TDD方法的码分多址（CDMA）系统，能够在较大程度上抑制多用户干扰，提高系统容量。由于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高，天线阵列是智能天线技术的主要特点^[3]。

2.2 软件无线电技术

软件无线电技术属于传统的“纯硬件无线电技术”的改进技术，主要通过现代高科技软件实现“纯硬件电路”的控制。软件无线电技术的使用，打破了原有的技术模式，其技术体系核心为软件，主要运作平台为硬件，发展要点为数字信号处理技术，可以在天线极短距离条件下让模拟信号数字化目标得以实现。从其发展的实际效应看，软件无线电技术的开发覆盖了硬件无线电技术的传统地位，同时为系统升级提供了便利，大幅节省了传输网络搭建的费用。

2.3 正交频分复用技术

随着4G-LTE的普及，正交频分复用（OFDM）技术的实际应用领域不断拓宽，其主要应用在无线局域网WLAN、高清晰度电视HDTV以及数字音频广播DAB中。OFDM具有在无线网络条件下达到高速传输数据目的的优势，使信道分成若干个子信道，如此原信道的带宽被分化，成为包含多个子信道的带宽；在此基础上，高速数据信号被转为许多并行的低速子数据流，使其在子信道上传播，从而实现信道均衡。

3 4G专网组网架构

4G专网解决方案包括4G基站、4G核心网、终端和业务平台^[4]。4G基站和核心网用于建立4G专网覆盖，给各种业务和应用提供专用的无线宽带数据传输通道。可以根据实际需求进行部署多种不同频段、不同形态、不同容量的4G专网基站。终端用于实现各种业务的接入。业务平台用于实现业务的统一管理和调度。4G专网解决方案组网架构如图1所示。

图1 4G专网解决方案整体组网架构图

3.1 行业应用层

行业应用层是针对不同行业的多样化行业应用，提供针对不同行业的个性化应用平台。例如，应急救灾需要提供救灾人员定位、救灾现场的视频回传指挥调度中心、现场救灾人员之间的音视频通话，需要提供针对应急救灾的多媒体调度平台来满足应急救灾的行业应用需求。而电力行业需要提供电力线路巡检、电力设备自动化控制、电力设备运行数据实时监控等，需要提供针对上述电力应用需求的电力行业应用层来满足电力行业的需求。

3.2 平台层

平台层是针对各种不同业务的控制平台，一般部署在客户的中心机房。平台层和各种制式的终端配合实现各种不同的通信业务。典型的平台有多媒体调度平台、电力设备自动化控制平台、视频监控平台、煤矿安全生产实时监测调度平台等。

3.3 网络层

网络层是4G专网解决方案的数据承载层，主要设备包括4G专网基站和4G核心网设备，提供终端和平台之间以及终端和终端之间的高速数据传输通道。4G基站提供4G无线信号覆盖、无线信道控制和终端接入，4G核心网进行接入鉴权和数据传输控制。

3.4 终端层

终端层设备包括专网手机、CPE、摄像头和各种传感器，甚至包括无人机，是各种不同业务的终端承载和接入设备。在配置多媒体调度平台时，4G专网手机支持语音、视频通话和对讲功能，并支持单兵语音、图片、短视频上传多媒体调度平台功能。CPE用于提供其他非4G专网设备接入4G专网的能力，非4G专网设备可以通过Wi-Fi或网线连接CPE来接入4G专网。传感器多用于在大型工矿企业、筑桥筑路筑洞水利等建筑工地的数据接入上；无人机多用于应急抢险救援、电力线巡检场景下人员或车辆不好到达区域的数据采集。

4 LTE宽带通信在无线专网的实现

4.1 应急通信

4G专网解决方案在应急通信中主要用于现场抢险救灾人员之间的语音视频通话、对讲，后端指挥中心与现场抢险救灾人员之间的语音、视频通话和指挥调度，现场救灾视频实时回传指挥中心，现场救灾人员的定位等。

上述方案通过便携式基站或背负式基站进行救灾现场的4G无线信号覆盖，通过便携式或车载式卫星小站实现指挥中心和救灾现场之间的连接。4G专网解决方案在应急通信中主要有如下优势。

（1）覆盖范围广：单基站3 km ~ 5 km覆盖半径，一台基站就能解决大部分救灾现场的4G无线信号覆盖。

（2）设备轻便、集成度高：一体化4G基站内集成了4G基站（包括BBU和RRU）、核心网和多媒体调度系统，便携式基站总重量小于15 kg，背负式基站重量小于5 kg。

（3）部署快速、使用方便：设备无需配置，一键开机3 min之后即可以使用。

（4）易扩展：通过背负式MESH自组网设备可以快速进行多基站组网，扩大4G无线信号的覆盖范围。对于地形复杂、不具备有线连接的地域特别适合。

（5）灵活的商业模式：提供设备，也提供服务，实现轻资产、无专业人员运行维护。

4.2 智慧工地

4G专网解决方案在智慧工地主要用于车辆指挥调度，车辆、人员的定位，施工现场重点区域视频监控，现场施工人员之间的语音视频通话、对讲，企业总部与施工现场人员之间的语音、视频通话和调度管理等。4G专网解决方案在智慧工地主要有如下优势。

（1）覆盖范围广：单基站3 km~ 5 km覆盖半径，部署一台或少量几台基站即可覆盖整个施工区域。

（2）部署灵活：采用室外型一体化基站进行室外广覆盖，采用小基站进行室内盲区覆盖，做到室内室外覆盖无死角、无盲区。

（3）终端种类丰富：终端种类包括4G专网手机、带4G专网模块的无线摄像头、各种室内室外型CPE，能很好地满足工地现场的各种终端配置需求。

（4）与异构网络互联互通：通过语音网关，能够实现与公网互通；通过集群网络实现与企业现有其他集群网络的互通，打通信息孤岛。

4.2 森林防火

4G专网解决方案在森林防火中主要用于重点防火区域的无线视频监控，巡检人员在日常巡检过程中的语音视频通话，后端指挥中心与巡检人员之间的语音、视频通话和指挥调度，重点区域的监控传感器数据回传指挥，火灾发生时的应急通信、视频回传、指挥调度等。4G专网解决方案在森林防火主要有如下优势。

（1）覆盖范围广：单基站10 km~12 km覆盖半径，部署少量基站即可覆盖重点防火区域。

（2）部署方便：采用室外型一体化基站以及采用太阳能、风力、电池组的综合供电方案，部署简单快捷，解决了森林里电力线路铺设困难的问题。

（3）易扩展：通过微波进行多基站组网，扩大4G无线信号的覆盖范围。

当前行业专网主要采用两种主流的技术方案，一种是以PDT、TETRA、P25、MPT1327为代表的窄带数字/模拟集群通信技术，另一种是LTE无线宽带集群通信技术。窄带数字集群在公安、消防、电力、石油石化、森林等行业已经大量部署和使用，在存量市场和使用习惯的影响下，还有大量的扩容和少量新建项目，但由于其带宽限制，无法承载视频和高速数据业务，在各行业专网对视频业务和高速数据业务需求日趋强烈的情况下，新建的行业专网项目逐渐转向LTE宽带集群。各行业专网也在向宽、窄带融合的方向发展，即用窄带集群系统进行广覆盖，实现广大区域内语音通信，在重点区域采用4G-LTE宽带集群进行覆盖，利用LTE系统的高带宽实现视频和高速数据业务。

5 结束语

4G-LTE技术推动着通信工程的发展，在无线专网中充分使用4G-LTE技术有助于进一步优化调度传输数据，保证通信安全、信号传递质量，降低企业运营成本，具有良好的应用价值。就我国目前实际情况来看，4G-LTE通信技术依然具有巨大的市场需求，有待进一步研究应用。

参考文献

[1] 王嘉. 4G-LTE关键技术及应用研究[J]. 中国新通信, 2018,20(10):93.

[2] 卢晶琦, 孟庆元. 移动通信理论与实战[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2017.

[3] 杨眉. LTE 230MHz电力无线专网的频谱空洞感知技术[J]. 北京信息科技大学学报, 2020,35(2):73-78.

[4] 何二朝, 耿朋进, 张慧丽. 基于边缘计算的电力无线专网组网方案[J]. 电信科学, 2019(Z2):248-255.

Application of LTE broadband communication in wireless private network

WANG Yong¹, LUO Yuqi², YANG Liwei²

（1. Sunwave communications Co., Ltd., Hangzhou 310053, China；

2. School of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China）

Abstract: This paper introduces the concept and characteristics of LTE broadband technology, expounds the application of LTE broadband communication in emergency communication, intelligent site, forest fire prevention and other special networks, and points out that LTE broadband communication technology will promote the development of special networks. 4G LTE is proposed to be used in key areas to realize video and high-speed data services.

Key words: LTE; broadband communication; private network

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第8期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。