基于4G的公安消防跨區(qū)域多媒體指揮調(diào)度系統(tǒng)

【摘要】隨著公安消防部隊(duì)信息化建設(shè)的快速發(fā)展，以往的通信手段已經(jīng)不能滿足公安消防部隊(duì)的作業(yè)要求。面對(duì)日益復(fù)雜的消防作業(yè)環(huán)境，迫切需要更新技術(shù)手段的通信系統(tǒng)來(lái)提升消防部隊(duì)的作業(yè)水平。該通信系統(tǒng)必須擁有跨區(qū)域、高效率、大融合等特點(diǎn)，能夠助力消防部隊(duì)綜合運(yùn)用多種通信設(shè)備，在同一時(shí)間不同地域及時(shí)建立起語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)、位置等信息的實(shí)時(shí)傳輸通道。只有切實(shí)保障消防指揮通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性才能進(jìn)一步提高消防作業(yè)的效率?；谶@個(gè)目的，來(lái)闡述消防行業(yè)多元化一體作戰(zhàn)的技術(shù)可能。

【關(guān)鍵詞】集群調(diào)度；語(yǔ)音集群；定位業(yè)務(wù)；視頻傳輸

1.引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)化技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)消防部隊(duì)信息化建設(shè)是消防工作適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要，也是加快消防現(xiàn)代化建設(shè)的重要措施。以往消防部隊(duì)主要利用無(wú)線常規(guī)網(wǎng)、無(wú)線集群網(wǎng)、無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行城市消防管區(qū)覆蓋網(wǎng)、火場(chǎng)指揮網(wǎng)、滅火戰(zhàn)斗網(wǎng)三級(jí)消防無(wú)線語(yǔ)音協(xié)同作戰(zhàn)。

目前其建設(shè)網(wǎng)絡(luò)范圍和手持終端的數(shù)量無(wú)法滿足部隊(duì)在執(zhí)行多項(xiàng)緊急任務(wù)時(shí)圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等信息的實(shí)時(shí)傳輸要求。充分利用當(dāng)前最先進(jìn)4G公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)無(wú)線寬帶多媒體通信系統(tǒng)，完成圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等多媒體綜合調(diào)度，有效解決以往350M、短波通信、衛(wèi)星通信等帶來(lái)的通信信號(hào)覆蓋范圍有限、數(shù)據(jù)傳輸量小、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)同調(diào)度。

2.消防部隊(duì)通信裝備現(xiàn)狀

2.1 350M無(wú)線通信

350M無(wú)線通信采用的是警用通信的專用頻段，也是消防部隊(duì)最常用的一種通信方式。它采用分米級(jí)的電磁波進(jìn)行通信。但由于它采用的是直射波傳播，傳播距離不僅受視距的限制，還要受高山和高大建筑物的影響。目前，消防部隊(duì)不得不通過(guò)建設(shè)中轉(zhuǎn)基站、消防站基地臺(tái)，配備350M車載電臺(tái)和手持電臺(tái)，才能建成覆蓋城市管區(qū)的350M無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 短波通信

100-10m（1.6-30MHZ）的無(wú)線電波被稱為短波。短波通信利用大氣層中電離層的反射實(shí)現(xiàn)幾公里的遠(yuǎn)程通信。短波通信的顯著特點(diǎn)是抗毀能力強(qiáng)，不受災(zāi)情影響，具備較強(qiáng)的抗毀能力。而且，短波通信具有設(shè)備簡(jiǎn)單、建站速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)車載臺(tái)、單兵背負(fù)臺(tái)幾小時(shí)就能搭建好一套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)之間和后方指揮部之間的通信聯(lián)絡(luò)。

但是短波通信也存在自身的不足：一是可供使用的頻段窄，通信容量?。欢切诺啦?；三是大氣和工業(yè)無(wú)線電噪聲干擾嚴(yán)重，無(wú)線電噪聲干擾在短波頻段的平均強(qiáng)度很高，影響通信質(zhì)量。因此，這些特性決定了短波通信只能作為一種輔助通信手段，比如在重特大災(zāi)害事故，特別是跨區(qū)域、長(zhǎng)距離、大范圍特大災(zāi)害造成基礎(chǔ)通信、電力等設(shè)施損毀、中斷的情況下，在現(xiàn)場(chǎng)快速建立臨時(shí)指揮調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種微波通信，它以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)地面之間的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)可分為固定衛(wèi)星系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)。目前，消防部隊(duì)常用的應(yīng)急衛(wèi)星通信手段有兩種，一是商用衛(wèi)星系統(tǒng)提供的通信終端，銥星衛(wèi)星電話、海事衛(wèi)星電話等；二是消防部隊(duì)利用通信衛(wèi)星資源組建的衛(wèi)星通信網(wǎng)。

衛(wèi)星通信覆蓋廣但成本高，且使用復(fù)雜。

以往的消防部隊(duì)指揮作戰(zhàn)手段普遍功能單一、設(shè)備復(fù)雜。在完成基本語(yǔ)音調(diào)度的任務(wù)上沒(méi)有大礙，但是涉及到大數(shù)據(jù)、寬帶傳輸?shù)葎t捉襟見(jiàn)肘。隨著移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)入到4G時(shí)代，高帶寬、高清晰視頻、高質(zhì)量語(yǔ)音等多媒體指揮調(diào)度系統(tǒng)的出現(xiàn)成為可能。

3.基于4G網(wǎng)絡(luò)的跨區(qū)域多媒體指揮調(diào)度系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

4G寬帶多媒體集群系統(tǒng)的出現(xiàn)這標(biāo)志著專業(yè)通信技術(shù)已經(jīng)演進(jìn)到了“寬帶多媒體”時(shí)代。4G寬帶多媒體集群系統(tǒng)將提供基于寬帶的“視頻、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)”通信業(yè)務(wù)，通過(guò)該平臺(tái)的多種接入技術(shù)融合多種通信網(wǎng)絡(luò)，將解決消防部隊(duì)作業(yè)通信中設(shè)備種類眾多、通信制式復(fù)雜的難題，并能滿足新形勢(shì)下消防跨區(qū)域指揮調(diào)度的要求。

以“某品牌4G寬帶多媒體集群系統(tǒng)”為例，該系統(tǒng)由基于NGN的調(diào)度服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、視頻服務(wù)器、GPS信息服務(wù)器、調(diào)度臺(tái)等功能模塊構(gòu)成；該系統(tǒng)基本業(yè)務(wù)功能為視頻調(diào)度、語(yǔ)音調(diào)度、終端位置管理（GPS）和信息推送。

3.2 系統(tǒng)的組網(wǎng)方案

3.3.2 視頻業(yè)務(wù)

系統(tǒng)支持視頻功能。系統(tǒng)可將手持終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻通過(guò)經(jīng)由4G網(wǎng)絡(luò)傳輸回指揮調(diào)度中心。在調(diào)度臺(tái)上，可對(duì)遠(yuǎn)程視頻進(jìn)行監(jiān)控。

（1）視頻編碼：支持MPEG4、H263、H263+、H264編碼技術(shù)。

（2）視頻輪循：支持多路視頻同步輪循和本地輪循，并可設(shè)置輪循視頻路數(shù)以及間隔時(shí)間。

（3）分屏顯示：支持視頻和數(shù)據(jù)分屏顯示，提供多種窗口布局，可手動(dòng)調(diào)整或窗口自適應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)焦點(diǎn)突出、全屏放大、多路分屏等生動(dòng)的布局效果。

3.3.3 非實(shí)時(shí)視頻

手持終端、車載臺(tái)都可以進(jìn)行本地存儲(chǔ)視頻，手持終端支持拍照錄像功能，視頻也可以實(shí)時(shí)上傳或本地存儲(chǔ)。

3.3.4 實(shí)時(shí)視頻

3.3.5 視頻會(huì)議

此業(yè)務(wù)包含即時(shí)會(huì)議、邀請(qǐng)會(huì)議、預(yù)約會(huì)議等多種形式，與會(huì)者可以通過(guò)臨時(shí)組建會(huì)議組的方式進(jìn)入會(huì)議平臺(tái)，支持應(yīng)用程序共享、文檔共享、影音播放、文件傳輸、協(xié)同瀏覽等，為行業(yè)內(nèi)部、行業(yè)與伙伴之間溝通提供多種通信手段。利用3G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展視頻會(huì)議業(yè)務(wù)，使得與會(huì)者不受地域限制。

3.3.6 終端位置管理業(yè)務(wù)

當(dāng)發(fā)起該業(yè)務(wù)時(shí)，終端接收衛(wèi)星定位信號(hào)，實(shí)時(shí)上傳至GPS服務(wù)器保存，調(diào)度臺(tái)通過(guò)查詢服務(wù)器上GPS數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)終端的實(shí)時(shí)定位、移動(dòng)速度測(cè)定、電子圍欄等業(yè)務(wù)功能。

3.3.7 信息推送業(yè)務(wù)

指揮中心可以通過(guò)調(diào)度臺(tái)給被調(diào)度用戶發(fā)送文字消息，使用該功能調(diào)度員可以快速發(fā)布作業(yè)計(jì)劃，且終端用戶可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)閱。在強(qiáng)噪音干擾環(huán)境等不方便語(yǔ)音通信場(chǎng)合，文字指令調(diào)度可以作為語(yǔ)音的很好替代調(diào)度手段指揮中心可以通過(guò)調(diào)度臺(tái)給被調(diào)度用戶發(fā)送文字消息，使用該功能調(diào)度員可以快速發(fā)布作業(yè)計(jì)劃，且終端用戶可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)閱。在強(qiáng)噪音干擾環(huán)境等不方便語(yǔ)音通信場(chǎng)合，文字指令調(diào)度可以作為語(yǔ)音的很好替代調(diào)度手段。

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4.相關(guān)技術(shù)論證

4.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸QoS的概念

移動(dòng)通信是目前發(fā)展最快的通信系統(tǒng)之一，因其具有獨(dú)有的靈活性和隨意性而能滿足人們的實(shí)際需要。IP分組網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)將是未來(lái)的主流，傳送有一定的QoS（服務(wù)質(zhì)量）保證的實(shí)時(shí)視頻流是多媒體應(yīng)用的主要內(nèi)容。移動(dòng)通信系統(tǒng)的共同點(diǎn)是誤碼率較高，因此在無(wú)線通信系統(tǒng)開(kāi)展視頻業(yè)務(wù)要求視頻編解碼和傳輸系統(tǒng)能夠克服信道的較高誤碼比、包丟失以提供QoS保證。

傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的建立是先有業(yè)務(wù)后有網(wǎng)絡(luò)，因此有QoS保證。4G網(wǎng)絡(luò)的建立具有不同的思路：先構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)再開(kāi)展多種業(yè)務(wù)。但是每增加一種業(yè)務(wù)，都要占用一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，因此網(wǎng)絡(luò)必然出現(xiàn)擁塞。一方面，排隊(duì)時(shí)延對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)造成質(zhì)量下降；另一方面，因?yàn)榕抨?duì)超時(shí)的丟包導(dǎo)致質(zhì)量下降。為了提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，必須對(duì)帶寬進(jìn)行有效管理，QoS就是針對(duì)這種管理實(shí)施的策略。QoS本身并不增加帶寬，只是對(duì)帶寬進(jìn)行有效的管理。

4.2 網(wǎng)絡(luò)（平臺(tái)）側(cè)的QoS管理

（1）資源預(yù)留管理（集成業(yè)務(wù)）

根據(jù)申請(qǐng)QoS請(qǐng)求進(jìn)行資源分配，根據(jù)帶寬資源進(jìn)行管理。RSVP提供了這一種管理機(jī)制。

（2）優(yōu)先級(jí)管理（區(qū)分業(yè)務(wù)）

對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分類，根據(jù)帶寬資源管理策略的準(zhǔn)則進(jìn)行資源分配。為了保證QoS，對(duì)于要求高的業(yè)務(wù)給與更高的優(yōu)先級(jí)。QoS的協(xié)議和算法不是相互排斥和競(jìng)爭(zhēng)的，它們是相互補(bǔ)充的，它們的制定就是為了用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

4.3 針對(duì)終端的QoS解決策略

基于網(wǎng)絡(luò)的解決方法雖然在技術(shù)上簡(jiǎn)單有效，但是在實(shí)際工作時(shí)有相當(dāng)?shù)睦щy：因?yàn)橐曨l業(yè)務(wù)是端到端的服務(wù)，要求網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都支持QoS通常是不可能的；所以基于終端的QoS策略是一個(gè)可行的方法。IP分組網(wǎng)中的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，由于在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中都要進(jìn)行路由選擇，而且傳輸包要進(jìn)行排隊(duì)導(dǎo)致包傳輸?shù)臅r(shí)延，延時(shí)超過(guò)一定時(shí)間后會(huì)采取丟包處理。這些都對(duì)處理的質(zhì)量造成影響。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中降級(jí)的原理，基于終端的解決策略主要有擁塞控制和差錯(cuò)控制。

（1）擁塞控制

因?yàn)門CP重傳造成的時(shí)延對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)質(zhì)量的影響是不能承受的，通常采用UDP包來(lái)傳輸實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。但UDP包沒(méi)有提供擁塞控制和質(zhì)量保證的機(jī)制，所以需要在UDP的上層加上擁塞控制的機(jī)制。這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)調(diào)整視頻編碼的速度使其適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的帶寬是時(shí)變而非固定的，而且是一個(gè)未知量，所以不能直接設(shè)定一個(gè)編碼速率來(lái)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通常采用兩個(gè)方法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)：一是窗口法：通過(guò)逐漸增大傳送的碼率，當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)包的碰撞（檢測(cè)到了丟包）時(shí)，再減小發(fā)送的碼率；另一是基于速率的方法：先估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，再調(diào)整編碼的目標(biāo)速率來(lái)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。基于窗口的解決方案會(huì)引入類似TCP的重傳，這是不能忍受的。我們采用基于速率的三類解決方案：基于收端、基于發(fā)端和混合控制。

（2）差錯(cuò)控制

對(duì)于實(shí)時(shí)的視頻業(yè)務(wù)而言，視頻質(zhì)量可以降級(jí)，但是時(shí)延必須保證，對(duì)于視頻通信的這種特征引入了很多新機(jī)制。這些機(jī)制可以分為四類：FEC，重傳，糾錯(cuò)，掩錯(cuò)。其中掩錯(cuò)只在收端完成。其它都需要收端和發(fā)端共同完成。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，筆者在本文中基于4G移動(dòng)通信技術(shù)，以“某品牌4G寬帶多媒體集群系統(tǒng)”為例，在消防部隊(duì)通信方面的應(yīng)用做了一些研究探討，在討論中堅(jiān)持以需求為先導(dǎo)、以應(yīng)用為核心，以期實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)對(duì)消防部隊(duì)業(yè)務(wù)的全面覆蓋，提升消防部隊(duì)的信息化工作水平，提高消防部隊(duì)的專業(yè)預(yù)防能力和搶險(xiǎn)能力。我們相信，在全體消防官兵的共同努力下，創(chuàng)新思維，科學(xué)發(fā)展，消防部隊(duì)將插上亮麗的翅膀，為和諧社會(huì)、幸福家園建設(shè)添磚加瓦。

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