3GPP技術體制下無線自組網(wǎng)技術的探索

自組網(wǎng)技術能以其靈活機動的組網(wǎng)方式，較低成本地實現(xiàn)針對性的高密度覆蓋，相信在不久的將來有望繼PDT標準、B-TrunC標準之后，建立完整的自組網(wǎng)標準定義，進一步推進自組網(wǎng)技術在應急通信領域的全面應用。環(huán)球專網(wǎng)通信將邀請自組網(wǎng)行業(yè)內知名專家團隊及廠商代表，陸續(xù)推出關于自組網(wǎng)技術的系列報道，敬請大家密切關注并參與討論。今天刊發(fā)本系列第三期。

郜旭凱（左）、管鮑（中）、冷川川（右）

一 自組網(wǎng)技術發(fā)展歷程

無線自組網(wǎng)采用分布式架構，具有靈活、易用、易擴展等特點，能夠支持多種網(wǎng)絡拓撲，提供快速、靈活構建無線網(wǎng)絡的能力。

無線自組網(wǎng)可以用于物聯(lián)網(wǎng)和非物聯(lián)網(wǎng)領域。在物聯(lián)網(wǎng)領域，主流的Zigbee、藍牙等技術都集成了無線自組網(wǎng)功能，用于近場、海量終端之間的小數(shù)據(jù)量傳輸。在這個領域，無線自組網(wǎng)具有統(tǒng)一的標準，產業(yè)鏈成熟。

在非物聯(lián)網(wǎng)領域，無線自組網(wǎng)技術最早起源于軍事應用，即美軍的先進戰(zhàn)術通信系統(tǒng)，稱為Ad Hoc，目前已經(jīng)成為軍用電臺的必備功能。2000年左右，Ad hoc技術開始轉為民用，稱為Mesh技術。2003年，IEEE標準組織開始制定Mesh標準，2006年提出了802.11S，即Wi-Fi體制的Mesh標準。在這段時間，Wi-Fi Mesh發(fā)展較快，但是隨后由于Wi-Fi技術難以在室外移動環(huán)境下應用，覆蓋距離短，用戶容量受限，安全級別低等問題，Wi-FiMesh技術和產品直到目前也沒有再得到很好的發(fā)展。

在Wi-Fi Mesh之后，基于COFDM技術體制的Mesh產品逐漸成為主流。COFDM自組網(wǎng)產品的工作頻段、發(fā)射功率和無線傳輸技術都可以根據(jù)需求定制，擺脫了Wi-Fi Mesh對公共頻段和商用套片的依賴，室外移動環(huán)境下的覆蓋能力得到了顯著提升，應用場景也得到了較大的擴展，比較成功的應用如公安原有的無線圖傳系統(tǒng)等。但是，COFDM技術與主流3GPP技術體制有較大的差別，各廠家的標準也不統(tǒng)一，相應的產業(yè)鏈比較薄弱，應用比較零散，無法形成規(guī)?；氖袌?，未來的發(fā)展空間非常有限。

二 3GPP體制下的自組網(wǎng)技術

盡管自組網(wǎng)技術一直都是業(yè)界研究的熱點，但是該技術直到4G規(guī)模商用也沒有進入主流3GPP標準規(guī)范之中，主要原因還是運營商市場對自組網(wǎng)應用的需求并不是太多。

隨著全球對公共安全的重視，各國政府都在致力建設全國范圍內的公共安全無線專網(wǎng)，例如美國的FirstNet和韓國公安專網(wǎng)等?；诟鲊男枨?，公共安全業(yè)務也成為4.5G和5G標準重點研究的方向之一。相比運營商網(wǎng)絡，無線專網(wǎng)要求更廣的覆蓋范圍、更靈活的組網(wǎng)方式和更強的上傳容量，需要支持脫網(wǎng)直通、多跳橋接以及無中心節(jié)點自組網(wǎng)等功能，而寬帶自組網(wǎng)技術是滿足上述需求的關鍵，因此3GPP標準在R12及后續(xù)版本中都對自組網(wǎng)技術進行了重點研究，并形成了相關的標準。

3GPP標準在R12版本中增加了鄰近服務功能(Proximity Service, ProSe)，定義了相應的空口，即PC5接口，以及空口技術規(guī)范，即Sidelink規(guī)范。在LTE幀結構的基礎上，Sidelink規(guī)范增加了discovery信道，用于終端之間的相互發(fā)現(xiàn)，通過同步信號實現(xiàn)終端之間的同步，而對于控制信道和業(yè)務信道則延用了LTE標準。Sidelink空口規(guī)范支持蜂窩小區(qū)內和小區(qū)外的終端之間直接通信，終端之間可以自組成網(wǎng)，因此，Sidelink實際上就是3GPP體制下的寬帶自組網(wǎng)技術的空口規(guī)范，是未來各種3GPP體制自組網(wǎng)產品的技術基礎。

相比COFDM封閉技術體制的自組網(wǎng)技術，3GPP體制的自組網(wǎng)技術能夠充分利用4G以及5G的開放的先進技術，相關的產品也能夠充分利用3GPP成熟的產業(yè)資源，從而大幅提升產品的性能指標，擴展應用場景，增強實戰(zhàn)效果。其中，一些關鍵的技術和功能包括：

1、信道編解碼

業(yè)務信道采用Turbo碼，其編碼增益比COFDM自組網(wǎng)常用的卷積碼具有顯著的提升；

2、高階調制

最高可以支持256QAM，進一步提升頻譜效率。利用成熟的AMC機制，可以根據(jù)信道條件動態(tài)調整調制階數(shù)，保持空口流量的平穩(wěn)；

3、多天線技術

在R14版本中，Sidelink規(guī)范增加了發(fā)射分集功能,，為后續(xù)進一步引入空分復用奠定了基礎。利用LTE成熟的MIMO技術，3GPP自組網(wǎng)技術能夠顯著提升頻譜效率，在兩天線配置下，頻譜效率能夠達到6~8bps/Hz，比COFDM自組網(wǎng)的頻譜效率提升了4~5倍，這對于頻譜資源有限的專網(wǎng)用戶非常重要；

4、HARQ技術

融合重傳和前向糾錯功能，顯著提升空口傳輸性能，特別是空口的穩(wěn)健性，有助于傳輸時延的減??；軟合并功能能夠進一步提升糾錯能力；

5、QoS機制

非3GPP體制的自組網(wǎng)產品大都沒有完整的端到端QoS機制，只是一個IP管道而已。但是在ProSe功能中，定義了數(shù)據(jù)包優(yōu)先級（ProSe Per-Packet Priority：PPPP），針對語音、視頻、數(shù)據(jù)等不同的業(yè)務進行分級保障，也可以針對不同的用戶組進行分級保障。QoS分級保障是無線專網(wǎng)的必要需求；

6、新波形

利用F-OFDM、UFMC等5G中討論的新波形技術，3GPP自組網(wǎng)技術能夠更加靈活、高效地利用專網(wǎng)有限的頻譜資源；

上述這些功能對于傳統(tǒng)自組網(wǎng)大多還是新技術，而這些功能在規(guī)模部署的4G網(wǎng)絡中已經(jīng)證明能夠顯著提升無線性能，因此也將顯著提升無線自組網(wǎng)的無線性能。當然，隨著更多應用場景的引入，Sidelink規(guī)范自身也在不斷完善。在R12的基礎上，Sidelink規(guī)范在R13中增加了跨載波終端發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)包優(yōu)先級、UE-to-Network中繼等功能，在R14中增強了中繼的功能，能夠支持更多的跳數(shù)，結合橋接功能，單個蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍有了更為明顯的提升。Sidelink規(guī)范在R14中也被運用到V2X標準中，用于車與車、車與路邊單元之間的直接通信，基于車聯(lián)網(wǎng)的應用要求，在當前的R15版本討論中，載波聚合、64QAM、發(fā)射分集、更短子幀等關鍵技術和功能極有可能增加到規(guī)范之中，而在R16版本的早期討論中，包括 V2X切片、E2E QoS、多播、定位等新功能也列上了討論的議題。未來，Sidelink規(guī)范會隨著越來越多的應用而不斷完善，相應地，3GPP體制的寬帶自組網(wǎng)技術也會不斷向前演進，相關的產業(yè)鏈也會越來越壯大，這是其它體制自組網(wǎng)技術所無法企及的。

三 海能達iMesh自組網(wǎng)產品與應用

盡管Sidelink規(guī)范提出來已經(jīng)4年多了，但是目前基于該規(guī)范的自組網(wǎng)產品并不多見。隨著公共安全、應急等領域對多媒體通信需求的日益增多，業(yè)界對先進的自組網(wǎng)產品的需求也越來越強烈。在此背景下，海能達公司作為全球無線專網(wǎng)通信的領導者，基于在公安、應急等專網(wǎng)行業(yè)多年的經(jīng)驗，在寬、窄帶無線通信技術和產品研發(fā)上的技術積累，依托3GPP技術規(guī)范，創(chuàng)新地研發(fā)出了iMesh自組網(wǎng)系列產品，填補了業(yè)界3GPP體制自組網(wǎng)產品的空白，完善了多媒體應急通信解決方案，引領了未來自組網(wǎng)技術和產品研發(fā)的方向。

3-1 iMesh產品及特點

海能達iMesh自組網(wǎng)產品是基于4G、5G先進技術，面向專網(wǎng)集群綜合業(yè)務而設計的創(chuàng)新產品，部署便捷、組網(wǎng)靈活、吞吐率高、可靠性強，具備端到端的QoS機制和安全保護機制。產品形態(tài)多樣，包括車載臺、背負臺、手持臺，可搭配海能達自研的指揮調度臺共同組成自組網(wǎng)解決方案廣泛應用于公共安全、應急保障等行業(yè)。

平臺特點

采用軟件無線電架構，平臺集成度高、處理能力強，通過加載不同的軟件支持自組網(wǎng)、基站等多種工作模式，使用靈活，管理簡單，最大化復用硬件資源，節(jié)省成本。

鏈路特點

采用多天線、高階調制等技術提升鏈路的頻譜效率，頻譜效率高達6bps/Hz。采用先進的檢測算法提升鏈路接收性能，覆蓋遠；采用AMC、HARQ等技術提升鏈路的穩(wěn)健性，平均時延和抖動??；采用5G新波形提升頻譜利用的靈活性，降低異系統(tǒng)間的干擾。

業(yè)務特點

延用3GPP QoS機制，通過專用無線承載，對不同業(yè)務或者群組采用不同的優(yōu)先級，支持單播、組播、廣播等集群系統(tǒng)常用的傳輸模式。

組網(wǎng)特點

支持星型、鏈型、網(wǎng)型以及混合異構等多種拓撲結構，也支持與有線、蜂窩基站的融合組網(wǎng)，與4G蜂窩基站能夠實現(xiàn)業(yè)務層面的平滑融合。

安全特點

延用3GPP安全技術體制，也支持第三方定制的安全算法。

3-2 iMesh應用介紹

iMesh系列產品一經(jīng)發(fā)布，就受到各行業(yè)客戶的一致好評，特別在消防、公安應急等重點領域，基于iMesh產品的各種解決方案顯著提升了實戰(zhàn)性能。

消防應急通信應用

傳統(tǒng)自組網(wǎng)產品技術相對落后，而且過分注重便攜性，多以手持設備為主，導致無線覆蓋能力弱，穿透性差，傳輸容量低，需要多級中繼才能延伸覆蓋，組網(wǎng)復雜，時間長，系統(tǒng)穩(wěn)健性差，多跳后實際傳輸能力受限，因此，在復雜的救援環(huán)境下，實戰(zhàn)效果差。

iMesh產品采用先進的通信技術和高集成度的平臺，兼顧了覆蓋性能、吞吐量和便攜性，不需要太多的中繼節(jié)點就能夠在現(xiàn)場指揮中心和多個救援點之間建立大容量、高可靠的無線鏈路，開機即用、系統(tǒng)簡單、維護人員少，實戰(zhàn)效果好?；趇Mesh產品的e-Fusion消防融合應急通信解決方案從17年下半年開始，陸續(xù)在全國消防部門進行了50多次實戰(zhàn)演練，獲得了客戶的高度認可，并且已經(jīng)在多地商用。

圖1 e-Fusion融合應急通信解決方案

電力應急通信應用

2018年4月，海能達協(xié)助廣州供電局在北江大堤廣州段成功完成抗洪搶險電力應急保障演練。北江大堤現(xiàn)場指揮部通過海能達便攜式指揮調度中心（E-center）搭建現(xiàn)場應急指揮調度中心，與總指揮中心形成了互聯(lián)互通，實現(xiàn)聯(lián)動指揮。由無人機搭載的海能達自組網(wǎng)設備（iMesh），構建了立體指揮通信視頻傳輸通道，對現(xiàn)場進行立體式、全方位地偵查，解決了地面無線信號傳輸距離短的問題。演練過程中，iMesh傳輸距離達到了15公里以上，吞吐率穩(wěn)定，保證4路高清視頻流暢回傳，將整個演練過程推向了高潮。此次演練驗證了海能達電力應急通信指揮綜合解決方案的快速響應水平及應急管理能力，這是非常有代表性的情景模擬測試，對業(yè)界具有廣泛的示范意義。

圖2 廣州供電局江北大堤急保障演練現(xiàn)場

重大活動安保應用

2018年的廣州超級跨年演唱會在“廣州客廳”海心沙傾情上演，明星大咖與現(xiàn)場數(shù)十萬名市民共同跨年迎新，共同制造屬于廣州城市的群體記憶。由于觀眾多、人流大，運營商網(wǎng)絡非常擁堵，原有的4G圖傳設備無法正常工作，這對現(xiàn)場安保工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。

結合重大活動安保經(jīng)驗，海能達采用智慧融合專網(wǎng)應急保障方案實現(xiàn)現(xiàn)場安保。視頻傳輸利用iMesh設備，結合無人機監(jiān)控系統(tǒng)，對密集人流、重要路口進行可視化監(jiān)控，實現(xiàn)無人機視頻無線實時回傳、安保警員間視頻通信、路口無線監(jiān)控、多媒體信息上報等。同時，安保人員手機可以接入自組網(wǎng)設備節(jié)點，實現(xiàn)Internet應用，通過微信群實現(xiàn)相關溝通和匯報?，F(xiàn)場通過兩臺iMesh設備，實現(xiàn)4~5路高清視頻的回傳。關鍵語音采用PDT數(shù)字集群系統(tǒng)進行覆蓋，安保警力定位，實時調度指揮，強力保障應急情況下的關鍵語音通信。整體方案實現(xiàn)靈活組網(wǎng)、快速布控，大大提升了對安保過程的掌控能力與應變處突能力，保證了整個安保過程協(xié)同、順利。

圖3 廣州超級跨年演唱會保障現(xiàn)場

行業(yè)應用將是未來無線通信發(fā)展的重要方向之一，而自組網(wǎng)技術將是支撐專網(wǎng)行業(yè)通信的關鍵之一，未來的10年將是自組網(wǎng)技術和產業(yè)發(fā)展的大好時機。而目前傳統(tǒng)的自組網(wǎng)技術和產品與主流的技術體制相差太遠，產品功能、性能以及相關的產業(yè)資源都很難支撐未來行業(yè)應用的需求。自組網(wǎng)技術急需革新，從而跟上通信行業(yè)日新月異的發(fā)展步伐。

3GPP技術體制是移動通信行業(yè)的主航道，技術先進，應用廣泛、產業(yè)成熟，市場規(guī)模大。自組網(wǎng)技術必須向主流技術體制演進，充分利用成熟的技術和產業(yè)資源，提升產品的質量，跟上行業(yè)發(fā)展的節(jié)奏，才能有機會抓住千載難逢的發(fā)展機遇，壯大產業(yè)，做大市場。海能達公司作為專網(wǎng)通信行業(yè)的領導者，已經(jīng)率先向3GPP體制的自組網(wǎng)技術演進，并發(fā)布了主要的產品和解決方案，顯著提升了應用的實戰(zhàn)性能，獲得了客戶的一致好評，充分證明了自組網(wǎng)產品向主流技術體制轉變的可行性、必要性和緊迫性。未來，海能達公司將進一步加大投入，為自組網(wǎng)產業(yè)健康、有序、快速發(fā)展貢獻更多的力量。