3GPP技术体制下无线自组网技术的探索

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自组网技术能以其灵活机动的组网方式，较低成本地实现针对性的高密度覆盖，相信在不久的将来有望继PDT标准、B-TrunC标准之后，建立完整的自组网标准定义，进一步推进自组网技术在应急通信领域的全面应用。环球专网通信将邀请自组网行业内知名专家团队及厂商代表，陆续推出关于自组网技术的系列报道，敬请大家密切关注并参与讨论。今天刊发本系列第三期。

郜旭凯（左）、管鲍（中）、冷川川（右）

一 自组网技术发展历程

无线自组网采用分布式架构，具有灵活、易用、易扩展等特点，能够支持多种网络拓扑，提供快速、灵活构建无线网络的能力。

无线自组网可以用于物联网和非物联网领域。在物联网领域，主流的Zigbee、蓝牙等技术都集成了无线自组网功能，用于近场、海量终端之间的小数据量传输。在这个领域，无线自组网具有统一的标准，产业链成熟。

在非物联网领域，无线自组网技术最早起源于军事应用，即美军的先进战术通信系统，称为Ad Hoc，目前已经成为军用电台的必备功能。2000年左右，Ad hoc技术开始转为民用，称为Mesh技术。2003年，IEEE标准组织开始制定Mesh标准，2006年提出了802.11S，即Wi-Fi体制的Mesh标准。在这段时间，Wi-Fi Mesh发展较快，但是随后由于Wi-Fi技术难以在室外移动环境下应用，覆盖距离短，用户容量受限，安全级别低等问题，Wi-FiMesh技术和产品直到目前也没有再得到很好的发展。

在Wi-Fi Mesh之后，基于COFDM技术体制的Mesh产品逐渐成为主流。COFDM自组网产品的工作频段、发射功率和无线传输技术都可以根据需求定制，摆脱了Wi-Fi Mesh对公共频段和商用套片的依赖，室外移动环境下的覆盖能力得到了显著提升，应用场景也得到了较大的扩展，比较成功的应用如公安原有的无线图传系统等。但是，COFDM技术与主流3GPP技术体制有较大的差别，各厂家的标准也不统一，相应的产业链比较薄弱，应用比较零散，无法形成规模化的市场，未来的发展空间非常有限。

二 3GPP体制下的自组网技术

尽管自组网技术一直都是业界研究的热点，但是该技术直到4G规模商用也没有进入主流3GPP标准规范之中，主要原因还是运营商市场对自组网应用的需求并不是太多。

随着全球对公共安全的重视，各国政府都在致力建设全国范围内的公共安全无线专网，例如美国的FirstNet和韩国公安专网等。基于各国政府的需求，公共安全业务也成为4.5G和5G标准重点研究的方向之一。相比运营商网络，无线专网要求更广的覆盖范围、更灵活的组网方式和更强的上传容量，需要支持脱网直通、多跳桥接以及无中心节点自组网等功能，而宽带自组网技术是满足上述需求的关键，因此3GPP标准在R12及后续版本中都对自组网技术进行了重点研究，并形成了相关的标准。

3GPP标准在R12版本中增加了邻近服务功能(Proximity Service, ProSe)，定义了相应的空口，即PC5接口，以及空口技术规范，即Sidelink规范。在LTE帧结构的基础上，Sidelink规范增加了discovery信道，用于终端之间的相互发现，通过同步信号实现终端之间的同步，而对于控制信道和业务信道则延用了LTE标准。Sidelink空口规范支持蜂窝小区内和小区外的终端之间直接通信，终端之间可以自组成网，因此，Sidelink实际上就是3GPP体制下的宽带自组网技术的空口规范，是未来各种3GPP体制自组网产品的技术基础。

相比COFDM封闭技术体制的自组网技术，3GPP体制的自组网技术能够充分利用4G以及5G的开放的先进技术，相关的产品也能够充分利用3GPP成熟的产业资源，从而大幅提升产品的性能指标，扩展应用场景，增强实战效果。其中，一些关键的技术和功能包括：

1、信道编解码 

业务信道采用Turbo码，其编码增益比COFDM自组网常用的卷积码具有显著的提升；

2、高阶调制 

最高可以支持256QAM，进一步提升频谱效率。利用成熟的AMC机制，可以根据信道条件动态调整调制阶数，保持空口流量的平稳；

3、多天线技术 

在R14版本中，Sidelink规范增加了发射分集功能,，为后续进一步引入空分复用奠定了基础。利用LTE成熟的MIMO技术，3GPP自组网技术能够显著提升频谱效率，在两天线配置下，频谱效率能够达到6~8bps/Hz，比COFDM自组网的频谱效率提升了4~5倍，这对于频谱资源有限的专网用户非常重要；

4、HARQ技术 

融合重传和前向纠错功能，显著提升空口传输性能，特别是空口的稳健性，有助于传输时延的减小；软合并功能能够进一步提升纠错能力；

5、QoS机制 

非3GPP体制的自组网产品大都没有完整的端到端QoS机制，只是一个IP管道而已。但是在ProSe功能中，定义了数据包优先级（ProSe Per-Packet Priority：PPPP），针对语音、视频、数据等不同的业务进行分级保障，也可以针对不同的用户组进行分级保障。QoS分级保障是无线专网的必要需求；

6、新波形 

利用F-OFDM、UFMC等5G中讨论的新波形技术，3GPP自组网技术能够更加灵活、高效地利用专网有限的频谱资源；

上述这些功能对于传统自组网大多还是新技术，而这些功能在规模部署的4G网络中已经证明能够显著提升无线性能，因此也将显著提升无线自组网的无线性能。当然，随着更多应用场景的引入，Sidelink规范自身也在不断完善。在R12的基础上，Sidelink规范在R13中增加了跨载波终端发现、数据包优先级、UE-to-Network中继等功能，在R14中增强了中继的功能，能够支持更多的跳数，结合桥接功能，单个蜂窝小区的覆盖范围有了更为明显的提升。Sidelink规范在R14中也被运用到V2X标准中，用于车与车、车与路边单元之间的直接通信，基于车联网的应用要求，在当前的R15版本讨论中，载波聚合、64QAM、发射分集、更短子帧等关键技术和功能极有可能增加到规范之中，而在R16版本的早期讨论中，包括 V2X切片、E2E QoS、多播、定位等新功能也列上了讨论的议题。未来，Sidelink规范会随着越来越多的应用而不断完善，相应地，3GPP体制的宽带自组网技术也会不断向前演进，相关的产业链也会越来越壮大，这是其它体制自组网技术所无法企及的。

三 海能达iMesh自组网产品与应用

尽管Sidelink规范提出来已经4年多了，但是目前基于该规范的自组网产品并不多见。随着公共安全、应急等领域对多媒体通信需求的日益增多，业界对先进的自组网产品的需求也越来越强烈。在此背景下，海能达公司作为全球无线专网通信的领导者，基于在公安、应急等专网行业多年的经验，在宽、窄带无线通信技术和产品研发上的技术积累，依托3GPP技术规范，创新地研发出了iMesh自组网系列产品，填补了业界3GPP体制自组网产品的空白，完善了多媒体应急通信解决方案，引领了未来自组网技术和产品研发的方向。

3-1 iMesh产品及特点

海能达iMesh自组网产品是基于4G、5G先进技术，面向专网集群综合业务而设计的创新产品，部署便捷、组网灵活、吞吐率高、可靠性强，具备端到端的QoS机制和安全保护机制。产品形态多样，包括车载台、背负台、手持台，可搭配海能达自研的指挥调度台共同组成自组网解决方案广泛应用于公共安全、应急保障等行业。

平台特点

采用软件无线电架构，平台集成度高、处理能力强，通过加载不同的软件支持自组网、基站等多种工作模式，使用灵活，管理简单，最大化复用硬件资源，节省成本。

链路特点

采用多天线、高阶调制等技术提升链路的频谱效率，频谱效率高达6bps/Hz。采用先进的检测算法提升链路接收性能，覆盖远；采用AMC、HARQ等技术提升链路的稳健性，平均时延和抖动小；采用5G新波形提升频谱利用的灵活性，降低异系统间的干扰。

业务特点

延用3GPP QoS机制，通过专用无线承载，对不同业务或者群组采用不同的优先级，支持单播、组播、广播等集群系统常用的传输模式。

组网特点

支持星型、链型、网型以及混合异构等多种拓扑结构，也支持与有线、蜂窝基站的融合组网，与4G蜂窝基站能够实现业务层面的平滑融合。

安全特点

延用3GPP安全技术体制，也支持第三方定制的安全算法。

3-2 iMesh应用介绍

iMesh系列产品一经发布，就受到各行业客户的一致好评，特别在消防、公安应急等重点领域，基于iMesh产品的各种解决方案显著提升了实战性能。

消防应急通信应用

传统自组网产品技术相对落后，而且过分注重便携性，多以手持设备为主，导致无线覆盖能力弱，穿透性差，传输容量低，需要多级中继才能延伸覆盖，组网复杂，时间长，系统稳健性差，多跳后实际传输能力受限，因此，在复杂的救援环境下，实战效果差。

iMesh产品采用先进的通信技术和高集成度的平台，兼顾了覆盖性能、吞吐量和便携性，不需要太多的中继节点就能够在现场指挥中心和多个救援点之间建立大容量、高可靠的无线链路，开机即用、系统简单、维护人员少，实战效果好。基于iMesh产品的e-Fusion消防融合应急通信解决方案从17年下半年开始，陆续在全国消防部门进行了50多次实战演练，获得了客户的高度认可，并且已经在多地商用。

图1 e-Fusion融合应急通信解决方案

电力应急通信应用

2018年4月，海能达协助广州供电局在北江大堤广州段成功完成抗洪抢险电力应急保障演练。北江大堤现场指挥部通过海能达便携式指挥调度中心（E-center）搭建现场应急指挥调度中心，与总指挥中心形成了互联互通，实现联动指挥。由无人机搭载的海能达自组网设备（iMesh），构建了立体指挥通信视频传输通道，对现场进行立体式、全方位地侦查，解决了地面无线信号传输距离短的问题。演练过程中，iMesh传输距离达到了15公里以上，吞吐率稳定，保证4路高清视频流畅回传，将整个演练过程推向了高潮。此次演练验证了海能达电力应急通信指挥综合解决方案的快速响应水平及应急管理能力，这是非常有代表性的情景模拟测试，对业界具有广泛的示范意义。

图2 广州供电局江北大堤急保障演练现场

重大活动安保应用

2018年的广州超级跨年演唱会在“广州客厅”海心沙倾情上演，明星大咖与现场数十万名市民共同跨年迎新，共同制造属于广州城市的群体记忆。由于观众多、人流大，运营商网络非常拥堵，原有的4G图传设备无法正常工作，这对现场安保工作提出了巨大的挑战。

结合重大活动安保经验，海能达采用智慧融合专网应急保障方案实现现场安保。视频传输利用iMesh设备，结合无人机监控系统，对密集人流、重要路口进行可视化监控，实现无人机视频无线实时回传、安保警员间视频通信、路口无线监控、多媒体信息上报等。同时，安保人员手机可以接入自组网设备节点，实现Internet应用，通过微信群实现相关沟通和汇报。现场通过两台iMesh设备，实现4~5路高清视频的回传。关键语音采用PDT数字集群系统进行覆盖，安保警力定位，实时调度指挥，强力保障应急情况下的关键语音通信。整体方案实现灵活组网、快速布控，大大提升了对安保过程的掌控能力与应变处突能力，保证了整个安保过程协同、顺利。

图3 广州超级跨年演唱会保障现场

行业应用将是未来无线通信发展的重要方向之一，而自组网技术将是支撑专网行业通信的关键之一，未来的10年将是自组网技术和产业发展的大好时机。而目前传统的自组网技术和产品与主流的技术体制相差太远，产品功能、性能以及相关的产业资源都很难支撑未来行业应用的需求。自组网技术急需革新，从而跟上通信行业日新月异的发展步伐。

3GPP技术体制是移动通信行业的主航道，技术先进，应用广泛、产业成熟，市场规模大。自组网技术必须向主流技术体制演进，充分利用成熟的技术和产业资源，提升产品的质量，跟上行业发展的节奏，才能有机会抓住千载难逢的发展机遇，壮大产业，做大市场。海能达公司作为专网通信行业的领导者，已经率先向3GPP体制的自组网技术演进，并发布了主要的产品和解决方案，显著提升了应用的实战性能，获得了客户的一致好评，充分证明了自组网产品向主流技术体制转变的可行性、必要性和紧迫性。未来，海能达公司将进一步加大投入，为自组网产业健康、有序、快速发展贡献更多的力量。