基于COFDM自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　君

(中國人民解放軍第91404部隊(duì)94分隊(duì)，河北 秦皇島066000)

?

基于COFDM自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王君

(中國人民解放軍第91404部隊(duì)94分隊(duì)，河北 秦皇島066000)

針對海上復(fù)雜無線通信傳播環(huán)境場景下，數(shù)字無線視頻傳輸?shù)膽?yīng)用需求，在對編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，COFDM)技術(shù)的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于COFDM自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對基于COFDM自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)的覆蓋能力、傳輸性能、系統(tǒng)容量和系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了分析，研究表明，基于COFDM的自組網(wǎng)技術(shù)完全能夠滿足海上無線視頻傳輸要求。

COFDM；自組網(wǎng)；視頻傳輸；海上無線通信

0　引言

由于海上無線通信傳播環(huán)境復(fù)雜，多徑干擾、接收信號的幅度衰減和時延都很大，傳統(tǒng)的通信傳輸系統(tǒng)無法滿足艦艦之間、岸艦之間高速和寬帶無線通信的業(yè)務(wù)需求[1]。同時，海上戰(zhàn)場的電子對抗越來越激烈，目前海上常用的短波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)難以適應(yīng)未來戰(zhàn)場電子對抗的要求。

隨著信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的不斷深入，通信技術(shù)水平的不斷提高，海上C4I信息指揮系統(tǒng)的快速發(fā)展對于新的既能提高數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸可靠性又能增強(qiáng)抗干擾能力的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)提出了十分迫切的需求[2]。

根據(jù)海上無線通信傳播環(huán)境實(shí)際情況，主要研究了基于COFDM 自組網(wǎng)技術(shù)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在海上指揮系統(tǒng)的應(yīng)用，并給出基于COFDM自組網(wǎng)技術(shù)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)的無線覆蓋能力和系統(tǒng)容量計(jì)算方法。

1　無線視頻傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀

無線視頻傳輸所采用的技術(shù)體制可分為模擬傳輸與數(shù)字傳輸技術(shù)。其中模擬傳輸抗干擾能力弱，圖像效果差，在視頻傳輸領(lǐng)域處于將被淘汰的階段。隨著圖像編解碼技術(shù)和無線數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字無線視頻傳輸成為目前的主流技術(shù)[3]。

目前用于無線視頻傳輸?shù)闹饕獰o線通信方式包括了以下幾種：短波/超短波數(shù)傳電臺、擴(kuò)頻微波、無線局域網(wǎng)和衛(wèi)星通信傳輸?shù)萚4]。傳輸視頻的主要壓縮技術(shù)包括MPEG技術(shù)和H.26X技術(shù)。其中MPEG主要用于網(wǎng)絡(luò)視頻，視頻監(jiān)控等，H.26X系列主要用于實(shí)時視頻通信，比如視頻會議、可視電話等[5]。

基于COFDM的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與上述無線視頻傳播方式相比，針對海上復(fù)雜無線通信傳輸環(huán)境，在強(qiáng)抗干擾能力，高傳輸可靠性，高傳輸速率有自己獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢[6]，可以為海上無線視頻傳輸應(yīng)用提供一種有效的技術(shù)手段。

2　COFDM技術(shù)

COFDM即為編碼正交頻分復(fù)用，是信道編碼技術(shù)和正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

OFDM的基本思想就是把高速率的信源信息流變換成N路低速率的并行數(shù)據(jù)流，然后用N個相互正交的子載波進(jìn)行調(diào)制，將N路調(diào)制后的信號相加得到發(fā)射信號[7]。

假設(shè)系統(tǒng)總帶寬為B，子載波數(shù)量為N，則子載波頻率間隔Δf=B/N，OFDM符號寬度Ts=1/Δf。令Si(i=0，1，…，N-1)為分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，fc為載波頻率，則從t=ts開始的OFDM信號可以表示為：

ts≤t≤ts+Ts。

接收端第k路子載波信號 的解調(diào)過程為：將接收信號與第k路的解調(diào)載波exp[j2π(fc+kΔf)(t-ts)]相乘，然后將得到的結(jié)果在OFDM符號的持續(xù)時間Ts內(nèi)進(jìn)行積分即可恢復(fù)出子載波信號，如

由于在所傳輸?shù)念l帶內(nèi)，當(dāng)N個子載波并行傳輸時，每個子信道的符號周期相對于串行傳輸展寬了N倍，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響，提高了抗多徑衰落的性能。

OFDM良好地解決了多徑環(huán)境中的信道選擇性衰落，但對信道平坦性衰落，尚未得到較好的克服[8]。COFDM是結(jié)合了信道編碼的OFDM，使信息在頻域和時域擴(kuò)展，各單元碼信號受到的衰落近似于統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，從而消除平坦性衰落及多普勒頻移的影響，可有效對付信道的頻率選擇性衰落和各種干擾[9]。

相比于其他無線傳播技術(shù)，COFDM技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

① 系統(tǒng)頻譜效率高；

② 具有繞射能力，適合在城區(qū)、建筑物內(nèi)等非通視的環(huán)境中進(jìn)行圖像和語音傳輸；

③ 在非視距范圍內(nèi)可以提供穩(wěn)定可靠的圖像傳輸[10]；

④ 對高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使得各子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，大大減少無線信道時間擴(kuò)散所帶來的碼間干擾[11]；

⑤ 具有較好的抗多徑衰落的性能。

由于技術(shù)本身的限制，COFDM技術(shù)也存在以下不足：

① 對載波頻偏和相位噪聲比較敏感；

② 設(shè)計(jì)為復(fù)雜，COFDM采用了糾錯編碼技術(shù)、頻率時間交織技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等，使得其在調(diào)制和解調(diào)方面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度和復(fù)雜度都有所增加；

③ 系統(tǒng)的峰值平均功率比較高。

3　海上無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線自組網(wǎng)是由一組移動終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成多跳、無中心點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，各個終端具有路由功能，具有自創(chuàng)建，自組織和自管理的特點(diǎn)。無線自組網(wǎng)的無預(yù)先基礎(chǔ)設(shè)施支持，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活的特性非常適合海上艦船運(yùn)動應(yīng)用場景和有限頻譜資源條件下圖像、語音和數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠、高效地傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[12]?；谧越M網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)

海上無線視頻傳輸系統(tǒng)基于COFDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“抗阻擋”、“非視距”、“動中通”的高速數(shù)據(jù)傳輸。海上基于COFDM自組網(wǎng)的無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)備由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，組成框圖如圖2所示。設(shè)備集成了圖像壓縮編解碼、TS流復(fù)用/解復(fù)用、數(shù)字加密/解密以及信道解碼等技術(shù)。設(shè)備還有安裝快捷，可以采用全向收發(fā)天線，無需尋找通視路由，無需配置復(fù)雜昂貴的伺服穩(wěn)定系統(tǒng)即可裝配在車船等運(yùn)動載體上等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　海上無線傳輸系統(tǒng)設(shè)備組成

4　系統(tǒng)應(yīng)用分析

4.1系統(tǒng)覆蓋能力分析

目前岸海通信和編隊(duì)通信距離要求如下：

① 岸基站位間寬帶無線設(shè)備覆蓋海域以岸基站節(jié)點(diǎn)為中心半徑40km范圍(岸基中心站天線海拔高度不低于，艦載終端天線海拔高度不低于)；

② 艦載終端間傳輸距離20km(艦載終端天線海拔高度不低于)。

基于COFDM的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備一般形態(tài)下的最大功率為45dBm(30 W)；岸基站/艦載終端的全向天線增益6dBi；由于設(shè)備采用基帶處理和射頻單元分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，射頻單元可以靠近天線位置，因此饋線引入的損耗可以忽略不計(jì)；計(jì)算通信距離為50km時傳輸速率為16Mbps帶寬時的傳輸損耗為130dB；系統(tǒng)余量按照約15dB估算，接收端的信號強(qiáng)度為：

Rev=Pt+Gt+Gr-Lc-La=-88 dBm。

式中，Pt為發(fā)射功率；Gt、Gr分別為發(fā)射和接收天線功率；Lc、La分別為傳輸損耗和系統(tǒng)余量。

按上述接收靈敏度計(jì)算，再根據(jù)UHF(470～806MHz)視距傳播距離計(jì)算公式，岸基站到艦載終端傳輸距離為45.4km，艦載終端到艦載終端傳輸距離為23.7km。

基于以上計(jì)算和分析，可以認(rèn)為基于COFDM自組網(wǎng)的系統(tǒng)能夠滿足岸艦和艦艦?zāi)Ｊ綄拵o線視頻傳輸設(shè)備的覆蓋能力和傳輸性能要求.

4.2系統(tǒng)容量分析

實(shí)兵訓(xùn)練信息傳輸系統(tǒng)對于系統(tǒng)容量的需求如下：

① 接入能力的需求。岸基站位需要接入不小于12個艦載終端的各類音視頻業(yè)務(wù)，同時接入時每個艦載終端傳輸速率不低于4Mbps，分別接入時每個艦載終端傳輸速率不低于20Mbps；

② 自組網(wǎng)互聯(lián)互通能力需求。艦載終端之間允許不小于10個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)，全部在網(wǎng)時每個艦載終端傳輸速率不低于4Mbps，共計(jì)40Mbps帶寬。

基于COFDM無線自組網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)容量按工作模式，主要分為如下2種：

① 岸基站位可支持不小于12個艦載節(jié)點(diǎn)站同時接入；

② 艦艇編隊(duì)內(nèi)組網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于12個。

考慮到基于COFDM寬帶無線自組網(wǎng)設(shè)備可以支持不同的信號調(diào)制，包括QPSK、16QAM和64QAM等。當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)間通信鏈路較好時，系統(tǒng)可采用高階調(diào)制方式，最高吞吐量可達(dá)80Mbps；載鏈路質(zhì)量較差時，系統(tǒng)能夠啟用自動調(diào)制編碼根據(jù)鏈路質(zhì)量選擇最佳調(diào)制編碼方式來適應(yīng)鏈路，在極限通信距離下可保證2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。

基于上面的分析，可以分為基于COFDM寬帶無線自組網(wǎng)設(shè)備可滿足海上無線視頻傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)容量指標(biāo)要求。

4.3系統(tǒng)應(yīng)用對比

基于COFDM寬帶無線自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)無線視頻傳輸系統(tǒng)在應(yīng)用方面的對比如表1所示。

表1　與常用無線視頻傳輸方式對比

通過表1中的幾種常用數(shù)字傳輸方式的對比和綜合分析不難發(fā)現(xiàn)，COFDM技術(shù)在海上無線視頻傳輸應(yīng)用場景中的各個方面均具有較大的優(yōu)勢。

5　結(jié)束語

基于COFDM的自組網(wǎng)技術(shù)，充分利用了COFDM技術(shù)所具有的強(qiáng)大的糾錯功能，抗多徑衰落能力、抗碼間干擾能力、抗多普勒頻移能力，大大提高了海上無線視頻傳輸系統(tǒng)的傳輸可靠性和抗干擾能力，并保證了系統(tǒng)視頻傳輸帶寬。通過對于基于COFDM的自組網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋能力和系統(tǒng)容量的分析及與其他傳統(tǒng)無線視頻傳輸方式的對比，充分證明了基于COFDM的自組網(wǎng)系統(tǒng)在海上無線視頻傳輸應(yīng)用中是切實(shí)可行的。

[1]任欽,陳可欽,張藝.無線傳輸在海上平臺的應(yīng)用研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2008，27(11):63-64.

[2]饒建國,董金鑫.艦艇編隊(duì)通信對抗分析[J].電子信息對抗技術(shù),2003,18(6):41-43.

[3]曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京:清華大學(xué)出版社，1992:371-392.

[4]范云生.船舶視頻無線傳輸控制系統(tǒng)的研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2007:25-27.

[5]劉威.低帶寬條件下實(shí)時音視頻通信系統(tǒng)[J].無線電通信技術(shù)，2005，31(1):6-8.

[6]管仲.基于COFDM的車載型無線移動圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽大學(xué)，2010:43-46.

[7]高煥英,胡小洪.正交頻分復(fù)用技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2002，28(2):9-10.

[8]劉波粒，劉澤軍.OFDM系統(tǒng)的研究及軟件無線電實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2007，33(4):53-56.

[9]鄧輝，楊海清，孫云鵬.基于COFDM無線網(wǎng)橋的航空器遙測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2015(6):16-19.

[10]江滔.一種COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013:30-32.

[11]劉應(yīng)廷.基于COFDM的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[D].成都：電子科技大學(xué)，2006:17-19.

[12]韓鵬.無線自組網(wǎng)若干關(guān)鍵問題研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2007:9-13.

[13]毛晶晶,陳小溪,秦建存.散射通信中的信噪比估計(jì)算法研究[J].無線電通信技術(shù)，2011,37(5):1-3.

王君男，(1966—)，高級工程師。主要研究方向：軍事通信。

Marine WirelessVideo Transmission Based on COFDM Ad Hoc Network

WANG Jun

(Team94，Unit91404，PLA，QinhuangdaoHebei066000，China)

Considering the complicated wireless transmission environment scenario on the sea and the application requirements of the digital wireless video transmission，on the basis of fundamental and advantage/disadvantage analysis of Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing(COFDM) technology，a design of marine wireless video transmission system based on COFDM Ad Hoc network is put forward.At the same time，the coverage capability，transmission performance，system capacity and system application of the marine wireless video transmission system based on COFDM Ad Hoc network are analyzed.The study shows that the COFDM based Ad Hoc network technology can fully satisfy the requirements of wireless transmission requirements on the sea.

COFDM；Ad Hoc network；video transmission；marine wireless communications

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.08

2016-05-17

TN924.2

A

1003-3106(2016)08-0031-03

引用格式：王君.基于COFDM自組網(wǎng)的海上無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(8):31-33，55.