基于移動(dòng)WiMAX的災(zāi)害應(yīng)急寬帶可視化通信系統(tǒng)研究

張 帆

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

近幾年來，我國(guó)突發(fā)性的災(zāi)害發(fā)生頻率高，規(guī)模大，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響越來越大，受到社會(huì)和各級(jí)政府部門的高度關(guān)注。災(zāi)害發(fā)生后，在極其復(fù)雜的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，能否及時(shí)、快速地建立一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)，將災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的大量數(shù)據(jù)、圖片、語音和視頻傳送給后方，并能高效地指揮現(xiàn)場(chǎng)救援人員進(jìn)行救援，就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的應(yīng)急通信在歷年的重大事件中發(fā)揮了重大的作用，但也凸顯了其不足，如速度緩慢，沒有大范圍無線高速寬帶組網(wǎng)功能，通信容量小，帶寬較窄，視頻圖像移動(dòng)采集和實(shí)時(shí)傳輸能力較弱，開通耗時(shí)長(zhǎng)，可靠性低，不能滿足輕便、靈活、開通迅速、維修簡(jiǎn)單等應(yīng)急搶險(xiǎn)通信的基本要求，并且各通信運(yùn)營(yíng)商各自為陣、沒有開放互通的統(tǒng)一平臺(tái)等。隨著IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移動(dòng)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的確定，WiMAX技術(shù)由于其高接入速率，可提供基于IP的語音、電視電話、多媒體等多種服務(wù)，特別是可以實(shí)現(xiàn)視頻共享、搶險(xiǎn)救災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，再加上移動(dòng)WiMAX技術(shù)與其他3G、4G及衛(wèi)星通信系統(tǒng)和超寬帶通信系統(tǒng)的互通互補(bǔ)性，移動(dòng)WiMAX技術(shù)作為新的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援通信系統(tǒng)平臺(tái)的前景是非常廣闊的。

1 移動(dòng)WiMAX技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 IEEE 802.16 系列標(biāo)準(zhǔn)

作為寬帶無線通信的推動(dòng)者，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)于1999年設(shè)立802.16工作組。2001年12月，IEEE工作組推出初始版本的標(biāo)準(zhǔn)802.16。2002年4月正式發(fā)布了 IEEE 802.16-2001標(biāo)準(zhǔn)。2003年4月頒布 IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)。2004年繼續(xù)修正推出了IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟和實(shí)用，稱為固定WiMAX技術(shù)，即IEEE 802.16d。2005年 12月，IEEE工作組批準(zhǔn) IEEE 802.16-2005標(biāo)準(zhǔn)，新增了對(duì)終端移動(dòng)性的支持，屬于移動(dòng)無線接入標(biāo)準(zhǔn)，即 IEEE 802.16e。2007年10月，移動(dòng) WiMAX(802.16e)加入 IMT-2000，成為 3G家族中的一員。2011年，IEEE批準(zhǔn)了802.16m標(biāo)準(zhǔn)，作為ITU IMT-Advanced(即4G)技術(shù)候選標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 移動(dòng)WiMAX技術(shù)特點(diǎn)

IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)可同時(shí)支持固定和移動(dòng)寬帶無線接入，工作頻段為2～6GHz，雙工方式為 FDD(頻分雙工)和TDD(時(shí)分雙工)。載波帶寬可選擇在1.25～20MHz之間。復(fù)用方式采用的技術(shù)是OFDM和OFDMA。調(diào)制解調(diào)方式為QPSK、16QAM、64QAM(UL可選)，覆蓋范圍一般小于10km。移動(dòng)性上，最高可支持120 km/h，一般為低速(10～15 km/h)。在低速環(huán)境下可以使用更大帶寬(20MHz)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)75Mbit/s的峰值速率。IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)支持全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，同時(shí)也可以通過ATM匯聚子層將ATM信元映射到MAC層，支持和3G系統(tǒng)的互通和融合。

IEEE 802.16m 以 IEEE 802.16e 為基礎(chǔ)，支持更大帶寬、更高階天線配置，提供兩倍于IEEE 802.16e的頻譜效率、每赫茲15bit/s的下行頻率效率、更低的傳輸時(shí)延。802.16m可在“漫游”模式或高效率/強(qiáng)信號(hào)模式下提供1Gbps的下行速率。該標(biāo)準(zhǔn)還支持“高移動(dòng)”模式，提供300Mbps速率。同時(shí)IEEE 802.16m兼容ITU IMT-Advanced(即4G)技術(shù)。

對(duì)比于3G技術(shù)，移動(dòng)WiMAX的運(yùn)行速率是3G的30倍或者更高，其覆蓋范圍用低階調(diào)制時(shí)可與3G匹敵。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)范制定過程中，WiMAX充分考慮到與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的共存，充分重用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)(如3G)設(shè)備，在原有核心網(wǎng)設(shè)備上，增加簡(jiǎn)化的WiMAX核心網(wǎng)功能，作為接入網(wǎng)接入。移動(dòng)WiMAX可作為現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)及未來4G網(wǎng)絡(luò)的有益補(bǔ)充，WiMAX在高速接入以及多媒體通信等方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)代的應(yīng)急通信系統(tǒng)當(dāng)中，大的帶寬能夠高效地傳輸語音、視頻等多媒體信息，并且要求具有一定的移動(dòng)性，因此基于移動(dòng)WiMAX的無線應(yīng)急通信系統(tǒng)可以很好地滿足要求。

2 移動(dòng)WiMAX救援通信系統(tǒng)應(yīng)用方案

作為單一的系統(tǒng)，移動(dòng)WiMAX不僅能提供國(guó)家級(jí)或者全球級(jí)的規(guī)模服務(wù)，由于其快速、便宜、真正的移動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，移動(dòng)WiMAX與其他通信網(wǎng)絡(luò)的綜合應(yīng)用能夠真正高效滿足災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援通信的需求。

在城市小規(guī)模突發(fā)事件(火災(zāi)、集會(huì)等)中，移動(dòng)WiMAX可作為移動(dòng)應(yīng)急通信車載設(shè)備，迅速趕赴現(xiàn)場(chǎng)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)綜合組網(wǎng)，作為陸基網(wǎng)絡(luò)的有益補(bǔ)充，可以提供寬帶接入、視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控等服務(wù)，作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控指揮中心。

在沒有或者很少陸基通信設(shè)施，或者大規(guī)模突發(fā)事件(地震、風(fēng)暴、恐怖襲擊等)導(dǎo)致陸基基礎(chǔ)設(shè)施損毀的情況下，可以根據(jù)具體情況選用移動(dòng)WiMAX一體化小型設(shè)備或車載設(shè)備迅速趕到現(xiàn)場(chǎng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)，構(gòu)成能提供高速多樣化服務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)。

2.1 移動(dòng)WiMAX與現(xiàn)有核心網(wǎng)綜合應(yīng)用

在陸基基礎(chǔ)設(shè)施完好或者極少數(shù)受損的情況下，原有通信條件不能滿足災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)通信指揮要求，可使用基于移動(dòng)WiMAX的應(yīng)急通信車迅速趕到現(xiàn)場(chǎng)與原有通信核心網(wǎng)互通，支持大范圍、高速移動(dòng)下的無中斷無線寬帶接入應(yīng)用，滿足對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)度、移動(dòng)視頻監(jiān)控、車輛/人員定位、移動(dòng)指揮車應(yīng)急通信等業(yè)務(wù)需求。這樣的方式具有組網(wǎng)速度快、可靠性高、傳輸速率高、傳輸費(fèi)用低等特點(diǎn)，不僅僅滿足了現(xiàn)場(chǎng)工作救援人員之間的數(shù)據(jù)交流需要，還能夠與后方指揮中心保持高帶寬的通暢通信。

移動(dòng)WiMAX基站最大的優(yōu)勢(shì)就是實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和傳輸業(yè)務(wù)，指揮救援人員可以實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，迅速做出指揮決策，同時(shí)也可以將現(xiàn)場(chǎng)信息回傳到后方指揮中心。本方案采用監(jiān)控行業(yè)比較主流的4CIF(704×576)的格式，使用MPEG4或者H.264的算法，在全幀率的前提下，帶寬一般在1.5～2M之間。移動(dòng)WiMAX基站采用奧維通BreezeMAX Extreme 5000。該基站設(shè)備使用WiMAX IEEE 802.16d/e標(biāo)準(zhǔn);4.9G/5.8G 工作頻段;支持 SISO/MIMO A/B，提高覆蓋范圍和容量;先進(jìn)誤碼校正功能，并借助SOFDMA、AFS和 DFS等技術(shù)，支持最佳的非視距(NLOS)通信;戶外一體解決方案將基站、天線、ASN網(wǎng)關(guān)和GPS接收器集于一身。其提供的54Mbps的帶寬足以充分滿足災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控傳輸以及視頻電話等各種應(yīng)急通信指揮需求。這種應(yīng)用方案主要適用于現(xiàn)代化城市的公共安全和緊急救助，成本低、工作靈活、覆蓋范圍較大、通信能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2.2 移動(dòng)WiMAX與衛(wèi)星系統(tǒng)綜合應(yīng)用

假設(shè)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用方案中，當(dāng)?shù)仃懙鼗A(chǔ)通信設(shè)施大都損毀失效，救援設(shè)備應(yīng)該在幾小時(shí)到達(dá)操作區(qū)域。衛(wèi)星連接是這時(shí)唯一能夠提供的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)踐證明衛(wèi)星系統(tǒng)是應(yīng)急通信不可或缺的手段。但是衛(wèi)星通信的成本很高，而且只能夠提供很有限的速率，僅限于語音和短消息一類的窄帶業(yè)務(wù)，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)急通信的需要。還必須考慮到每個(gè)救援人員設(shè)備都連接衛(wèi)星是極其昂貴的，而且在某些情況下不可用。要在第一時(shí)間全面深入地了解災(zāi)情，高效組織救災(zāi)活動(dòng)，穩(wěn)定受災(zāi)群眾情緒，溝通全國(guó)人民與災(zāi)區(qū)的聯(lián)系等需要大量的寬帶可視化業(yè)務(wù)。而設(shè)備(包括直升機(jī)、通信系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、地震活動(dòng)檢測(cè)傳感網(wǎng)等)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，一體化小型移動(dòng)WiMAX基站可在幾十分鐘內(nèi)快速架設(shè)，為使用移動(dòng)WiMAX終端的救援人員和設(shè)備提供語音、數(shù)據(jù)、視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)鹊统杀究煽康膶拵Э梢暬?wù)。這時(shí)將移動(dòng)WiMAX基站和衛(wèi)星系統(tǒng)組合起來，形成一個(gè)綜合通信系統(tǒng)，是一個(gè)高效可行的方案，可實(shí)現(xiàn)指揮中心與應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)時(shí)視頻會(huì)議，配合VoIP、集群通信和圖像采集，可滿足現(xiàn)場(chǎng)的各種通信需求。

移動(dòng)WiMAX基站和衛(wèi)星系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)很多，本文采用基于地球靜止衛(wèi)星的單WiMAX-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。移動(dòng)WiMAX基站與衛(wèi)星直接連接，基站小區(qū)內(nèi)的終端用戶與基站進(jìn)行通信。WiMAX頻段采用3.5GHz，下行采用64QAM、1/2編碼率，上行采用16QAM、1/2編碼率，其衰減不像某些寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻段(Ku及其以上波段)那樣嚴(yán)重。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)在可以提供高達(dá)45Mbps的帶寬，在應(yīng)急系統(tǒng)中使用穩(wěn)定的下行2Mbps、上行512 kbps的寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)。這時(shí)適當(dāng)降低視頻分辨率，采用CIF(352×288)格式穩(wěn)定在25幀/s的情況下占用帶寬約為512k。綜上表明在非視距條件下，基于WiMAX的無線接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠滿足主流視頻分辨率的帶寬要求。

WiMAX-衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)由于其極強(qiáng)的適應(yīng)性和可靠性，應(yīng)用前景最為廣闊，比如在海上救援中，只需將上述方案的設(shè)備改為船載，就可以組建由一個(gè)連接衛(wèi)星的基站指揮船只和多個(gè)裝備移動(dòng)WiMAX終端的搜索救援船只組成的應(yīng)急通信救援系統(tǒng)。由于船載設(shè)備可以做得很大，天線高度相對(duì)可以較高，采用2.5GHz的頻段，可以覆蓋一個(gè)很大的區(qū)域(大約20km的半徑)。由于海上的無障礙性和衛(wèi)星系統(tǒng)的高覆蓋，可以證實(shí)WiMAX連接能夠在大部分全覆蓋區(qū)域傳輸用戶文件數(shù)據(jù)達(dá)到最大速度，可以提供流暢的視頻服務(wù)。海上的信號(hào)干擾，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為干擾信號(hào)主要是連續(xù)脈沖和矩形脈沖。連續(xù)波能夠造成服務(wù)中斷，但是方波不那么有害，因此，雖然降低了性能，但是WiMAX網(wǎng)絡(luò)能夠與海上其他通信系統(tǒng)共存，移動(dòng)WiMAX設(shè)備可以成為和雷達(dá)一樣的在海上很常用的設(shè)備，滿足海上應(yīng)急救援通信的需求。

3 結(jié)束語

隨著對(duì)公共安全問題的重視，對(duì)應(yīng)急通信技術(shù)的要求也越來越高。建立快速可靠的寬帶可視化應(yīng)急通信系統(tǒng)是非常必要的。本文提出幾個(gè)基于移動(dòng)WiMAX的災(zāi)害救援寬帶可視化通信系統(tǒng)的應(yīng)用方案，并討論可視化系統(tǒng)是可行的，WiMAX-衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)是最有潛力和應(yīng)用前景的。

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