關(guān)于無線圖像傳輸系統(tǒng)多基站切換技術(shù)的研究與實現(xiàn)

魏茂林，鄭健智，任 聰，郭子健

（吉林省公安廳科技通信處，長春 130051）

關(guān)于無線圖像傳輸系統(tǒng)多基站切換技術(shù)的研究與實現(xiàn)

魏茂林，鄭健智，任 聰，郭子健

（吉林省公安廳科技通信處，長春 130051）

本文針對無線圖像傳輸系統(tǒng)多基站的切換技術(shù)展開研究，提出一種基于多基站組網(wǎng)條件下的漫游切換模式，并以吉林公安無線圖像傳輸系統(tǒng)建設(shè)為例，提供了無線圖像傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)多基站組網(wǎng)和終端無干擾自由切換的解決方案。

無線圖像傳輸；通信；公安；切換；漫游

1 引言

近年來，隨著我國“智慧城市”建設(shè)的全面興起，無線視頻圖像采集和傳輸手段廣泛應(yīng)用于“智慧城市”各建設(shè)領(lǐng)域，而目前無線圖像傳輸系統(tǒng)普遍采用的基站建設(shè)和組網(wǎng)模式，僅支持視頻圖像采集終端在對應(yīng)基站的信號覆蓋有效范圍內(nèi)使用，不能有效支持終端的跨基站、跨區(qū)域靈活遷移、全網(wǎng)漫游、即時暢通，一定程度上制約了無線圖像傳輸系統(tǒng)的作用發(fā)揮，研究探索新的基站建設(shè)和組網(wǎng)模式，解決視頻圖像采集終端全網(wǎng)漫游問題，已成為現(xiàn)階段深入推進(jìn)“智慧城市”建設(shè)的迫切需要。

2 研究對象

本文選擇吉林省公安機(jī)關(guān)的無線圖像傳輸系統(tǒng)作為研究對象。

2.1 研究對象概述

吉林省公安無線圖像傳輸系統(tǒng)主要依托公安信息網(wǎng)，由省、市、縣三級系統(tǒng)共同組成。視頻圖像采集終端包括單兵攝錄設(shè)備、車載終端設(shè)備等，采用3G與4G移動通信技術(shù)，通過高點基站實現(xiàn)現(xiàn)場與各級公安指揮中心之間的圖像、語音、數(shù)據(jù)等信息的實時傳輸。

2.2 研究對象具體應(yīng)用情況

（1）省級指揮調(diào)度系統(tǒng)：搭建省級指揮調(diào)度平臺，與市級、縣級指揮調(diào)度平臺聯(lián)網(wǎng)。對本級及下轄市級、縣級公安機(jī)關(guān)所有移動前端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和指揮調(diào)度。

（2）市級指揮調(diào)度系統(tǒng)：搭建市級指揮調(diào)度平臺，與省級、縣級指揮調(diào)度平臺聯(lián)網(wǎng)，對本級及下轄縣級公安機(jī)關(guān)所有移動前端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和指揮調(diào)度。

（3）縣級指揮調(diào)度系統(tǒng)：搭建縣級指揮調(diào)度平臺，能夠與省級、市級指揮調(diào)度平臺聯(lián)網(wǎng)。對本級公安機(jī)關(guān)所有移動前端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和指揮調(diào)度。

（4）市級固定基站：根據(jù)覆蓋要求建設(shè)1～4個固定站，個別重點城市如長春建設(shè)14個固定站，實現(xiàn)對市區(qū)和部分重點防控區(qū)域的良好覆蓋，覆蓋率達(dá)到90%以上。

（5）縣級固定基站：根據(jù)覆蓋需求建設(shè)1個固定基站，實現(xiàn)對縣區(qū)和部分重點防控區(qū)域的良好覆蓋，覆蓋率達(dá)到90%以上。

（6）移動前端：根據(jù)實際需求配置1個或多個移動多媒體車載臺，配置在巡邏車、無線圖傳車上，用于采集視頻的傳輸，所有移動前端可在各個基站間自動漫游切換。

（7）無線圖傳車：市級圖傳車主要采用簡易車改方式，車載附屬設(shè)備包括1套便攜圖傳通信系統(tǒng)（單兵發(fā)射機(jī)或便攜應(yīng)急通信指揮調(diào)度系統(tǒng)）、1套無線圖傳發(fā)射系統(tǒng)（便攜基站或移動前端）及1套供電系統(tǒng)，用于視音頻采集傳輸、無線信號傳輸中繼及供電等。

3 多基站組網(wǎng)設(shè)計

3.1 基站設(shè)計

公安無線圖傳系統(tǒng)，由全省統(tǒng)一建網(wǎng)，統(tǒng)一規(guī)劃，其基站數(shù)量、終端數(shù)量較多。需要根據(jù)容量和覆蓋需求，以及具體覆蓋區(qū)域的地形地貌和電磁環(huán)境等條件架設(shè)多個基站，實現(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的無縫覆蓋。[1]采用SC-FDE（單載波頻域均衡）、空間分集、TPC信道編碼等核心技術(shù)設(shè)計并建設(shè)基站，克服了前端設(shè)備高速移動中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，使基站具備非視距、高速移動條件下的無線通信能力，單基站覆蓋半徑達(dá)5～50km。在實際應(yīng)用中，在開闊地帶，最大實測傳輸距離為130km，前端設(shè)備裝載在時速達(dá)到350km/h的直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)上，系統(tǒng)仍能正常、穩(wěn)定工作。

3.2 單基站/多終端同頻組網(wǎng)設(shè)計

采用多基站同頻/異頻兩種組網(wǎng)模式，所有基站均配置GPS授時器，實現(xiàn)全網(wǎng)收發(fā)同步，保證基站與基站之間互不干擾。[2]采用TDMA（時分多址）制式，在同頻條件下，單基站可以與多個移動臺實現(xiàn)雙向通信。

⊙ 基站和所有移動臺均工作在同一個頻點，空中帶寬2/4MHz。

⊙ 所有移動臺共享上下行數(shù)據(jù)帶寬，上行帶寬最大4.3Mb/s，下行帶寬最大1.2Mb/s，上下行帶寬可根據(jù)實際需求實時調(diào)整。

⊙ 同時在線：單基站支持最多255個移動臺同時開機(jī)在線。開機(jī)在線的移動臺可上傳定位數(shù)據(jù)，接收下行廣播語音和數(shù)據(jù)。

⊙ 同時上傳：在2/4MHz空中帶寬條件下，單基

站可同時接收4/6路移動臺的上傳圖像。

4 多基站組網(wǎng)漫游模式設(shè)計

為保障每個基站實現(xiàn)全網(wǎng)收發(fā)同步，基站與基站之間、前端與前端之間，互不干擾，終端開機(jī)后要先完成鑒權(quán)和注冊過程，被授權(quán)的前端可以在多個基站之間漫游；終端關(guān)機(jī)時要執(zhí)行終端注銷過程。其多基站組網(wǎng)漫游切換策略分為：偽切換策略、同頻切換策略、異頻切換策略三種，不同的切換策略適合于不同的應(yīng)用場景。

4.1 偽切換策略

偽切換主要應(yīng)用于異頻組網(wǎng)模式，通過手動控制終端設(shè)備的選頻開關(guān)使之調(diào)諧到其它頻率，從而完成終端設(shè)備在多個異頻基站之間切換的過程。

4.2 同頻切換策略

[3]在同頻組網(wǎng)模式中，系統(tǒng)內(nèi)所有基站工作在同一個頻點。在頻率資源有限時，可以采用同頻組網(wǎng)切換策略，此時，所有基站和前端都工作在同一個頻點，適用與系統(tǒng)基站數(shù)量較少、前端數(shù)目較少、基站之間交叉覆蓋區(qū)域較小的情況。

4.3 異頻切換策略

異頻組網(wǎng)模式中，系統(tǒng)內(nèi)所有基站配置兩個及兩個以上的頻點。[4]相對于同頻組網(wǎng)模式，異頻組網(wǎng)模式可擴(kuò)大系統(tǒng)容量，尤其在小區(qū)交叉覆蓋邊緣地帶，交叉覆蓋區(qū)域也為異頻交叉覆蓋，而終端只能使用一個頻率進(jìn)行無線電傳輸，對于另外一個頻率沒有任何干擾作用。相反，同頻組網(wǎng)模式時，小區(qū)邊緣都為同一頻率，互相之間容易產(chǎn)生干擾，尤其是在小區(qū)邊緣這種能量較弱的區(qū)域。

根據(jù)四色原理，全異頻組網(wǎng)采用四個頻點即可完成組網(wǎng)覆蓋。但在實際應(yīng)用中，通過恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，采用三個或者兩個頻點即可完成異頻組網(wǎng)應(yīng)用。圖1為三個頻點異頻組網(wǎng)頻點劃分示意圖，理論上每個六邊形區(qū)域代表一個基站的覆蓋區(qū)域。通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，使基站分布較為均勻，三個頻點即可實現(xiàn)相鄰小區(qū)的頻點互不相同。因此在實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，根據(jù)覆蓋要求和基站具體分布情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是極為重要的環(huán)節(jié)。

圖1 異頻切換頻點劃分圖

采用異頻切換的無線圖傳系統(tǒng)，多終端在多個基站之間可以自動漫游切換，無需人工干預(yù)。自動漫游指終端在待機(jī)狀態(tài)下穿越不同的基站覆蓋區(qū)，自動切換指終端在有業(yè)務(wù)狀態(tài)下穿越不同的基站覆蓋區(qū)，且業(yè)務(wù)不中斷。

以一個終端為例，如圖2所示。區(qū)域范圍內(nèi)有三個基站采用三個頻點進(jìn)行區(qū)域覆蓋，頻點分為為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3?；痉謩e為A基站（F1頻點），B基站（F2頻點），C基站（F3頻點）。將覆蓋區(qū)域分為7個分區(qū)，分別為1，2，3，4，5，6，7區(qū)。終端為車載臺，從1區(qū)圖示所在位置穿越至2區(qū)。

圖2 一個終端的異頻切換

下面依次描述在各個區(qū)域內(nèi)終端所發(fā)生的狀態(tài)和測量情況。

（1）1區(qū)內(nèi)：終端同時測量頻率F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，但是只能檢測到A基站的F1頻率有信號。此時，終端駐留在A基站上面。

（2）5區(qū)內(nèi)：終端繼續(xù)向前，進(jìn)入5區(qū)。終端同時測量頻率F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，可以檢測到A基站的F1頻率有信號，同時C基站的F3頻率也有信號。此時，終端繼續(xù)往前，如果F3的能量始終小于F1的能量，終端仍駐留在A基站上面。如果在某時刻，F(xiàn)3的能量大于F1的能量，終端發(fā)生切換，駐留在C基站，注意：此時，一定時間內(nèi)，終端不能發(fā)生二次切換。過一定時間之后，終端會重新判斷F3和F1的能量，哪個大就駐留在哪個基站上面。

（3）7區(qū)內(nèi)：終端繼續(xù)向前，進(jìn)入7區(qū)。終端同時測量頻率F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，可以檢測到A基站的F1頻率有信號，同時B基站的F2頻率和C基站的F3頻率也有信號。終端選擇一個較大信號能量的基站進(jìn)行駐留，如果和原駐留基站不一樣，發(fā)生切換。

（4）6區(qū)內(nèi)：終端繼續(xù)向前，進(jìn)入6區(qū)。終端同時測量頻率F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，可以檢測到B基站的F2頻率有信號，同時C基站的F3頻率也有信號。此時，終端繼續(xù)往前，并判斷F3和F2的能量哪個大，哪個大就駐留在哪個基站上面。

（5）2區(qū)內(nèi)：終端繼續(xù)向前，進(jìn)入2區(qū)。終端同時測量頻率F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，只能檢測到B基站的F2頻率有信號。終端智能駐留在B基站上面。

4.4 研究對象采用的切換策略

結(jié)合實際，吉林省公安無線圖傳系統(tǒng)采用同頻＋異頻兩種切換策略：一是在規(guī)模不大且頻率資源受限的縣級城市采用同頻組網(wǎng)方式；二是在地級市等大規(guī)模區(qū)域采用異頻組網(wǎng)方式。

4.4.1 同頻切換算法

當(dāng)各縣控制中心采用同頻切換策略的時候，終端UE在注冊成功的條件下，采用連續(xù)判定算法，即連續(xù)接收到N次記錄不同MAC地址的小區(qū)配置廣播信息，將自動切換到該小區(qū)上，具體過程如圖3所示：

4.4.2 異頻切換算法

在異頻切換算法下，根據(jù)實際環(huán)境，可采用多種不同的切換算法，主要有以下5種：

4.4.2.1 信噪比切換算法

信噪比切換算法原理：當(dāng)（測量到鄰居小區(qū)的EBNO-當(dāng)前所處基站的EBNO）＞（3db＋切換閾值*0.5）時，進(jìn)行信噪比切換。

舉例說明：我們從A站點（頻點為332）向B站點（頻點為324）移動，如果此時終端設(shè)備收到的小區(qū)測量信息B站點的EBNO是10，而當(dāng)前基站的EBNO為5，系統(tǒng)通過計算滿足信噪比切換機(jī)制的要求，隨即切換到B站點，完成一次信噪比切換。

圖3 同頻切換過程

4.4.2.2 距離差切換算法

距離差切換算法原理：（當(dāng)前基站的距離-測量基站的距離）＞（切換距離差）且（測量基站的信噪比＞當(dāng)前基站信噪比）且（測量基站的功率＞當(dāng)前基站的功率）時，切換到測量基站，如果有多個基站可供選擇系統(tǒng)會切換到距離近的基站。

主要參數(shù)設(shè)置：切換距離差：15（經(jīng)驗值約等于0.5千米）

舉例說明：終端設(shè)備從A站點移動到B站點，當(dāng)測量到B（332頻點）的距離為171，EBNO=8，信號幅度=26。而當(dāng)前基站（A站點）的距離為191。EBNO=4信號幅度=23。系統(tǒng)通過計算，滿足上述距離差切換觸發(fā)條件，隨即終端設(shè)備切換到B（332頻點）上。完成一次距離差切換。

4.4.2.3 誤碼率切換算法

誤碼率切換算法原理：下行通過FACH下發(fā)業(yè)務(wù)時延調(diào)整的同時，下發(fā)正確數(shù)目統(tǒng)計，移動終端根據(jù)下發(fā)值，利用遺忘因子進(jìn)行統(tǒng)計。通過小區(qū)測量信息下發(fā)切換參數(shù)，參數(shù)包括正確率門限。切換條件為，（正確數(shù)統(tǒng)計值≤正確率門限）且（新基站信噪比＞本基站信噪比）。目前正確率門限定為80。

舉例說明：終端設(shè)備從A點移動到B點，通過測量消息我們看到當(dāng)前基站332的正確率為80，并且B點（頻點324）的EBNO=8＞A點（當(dāng)前站點332頻點）EBNO=6，滿足誤碼率切換算法觸發(fā)條件，終端設(shè)備切換到324頻點的基站，完成切換。

4.4.2.4 信噪比＋距離差切換算法

信噪比＋距離差切換算法原理：當(dāng)（當(dāng)前基站的距離-測量基站的距離）＞（切換距離差）且（測量基站的EBNO＞（切換信噪比＋切換信噪比偏移量）時候，切換到測量基站上，當(dāng)有多個測量基站滿足切換條件時，選擇距離最近的基站進(jìn)行切換。

切換參數(shù)設(shè)置：切換信噪比偏移量：2（測量基站信噪比高于當(dāng)前基站信噪比2dB）

舉例說明：終端設(shè)備從A點移動到B點，通過查看測量信息我們看到，B站點（測量基站頻點為336）的距離為162，EBNO=8。A站點（當(dāng)前基站頻點為324）的距離為191，EBNO=6。系統(tǒng)通過運(yùn)算滿足信噪比＋距離差切換條件，隨即切換到B站點基站上，完成一次信噪比＋距離差切換。

4.4.2.5 采用遺忘因子的信噪比統(tǒng)計算法

遺忘因子是誤差測度函數(shù)中的加權(quán)因子，引入它的目的是為了賦予原來數(shù)據(jù)與新數(shù)據(jù)以不同的權(quán)值，以使該算法具有對輸入過程特性變化的快速反應(yīng)能力。從小區(qū)配置信息中獲得切換門限和遺忘因子，來進(jìn)行切換算法，[5]該算法通過切換門限和后驗檢測能力降低了“乒乓效應(yīng)”。

遺忘因子對系統(tǒng)的性能有很關(guān)鍵的作用，遺忘因子算法收斂速度快，適當(dāng)?shù)倪z忘因子能夠使系統(tǒng)較快達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；跟蹤能力強(qiáng)，在隨機(jī)輸入函數(shù)中波動相對較小。

4.4.3 結(jié)論

在全省無線圖傳系統(tǒng)建設(shè)中，通過實測，采用遺忘因子的信噪比統(tǒng)計算法＋距離差算法可以很好滿足實戰(zhàn)需要，實現(xiàn)多基站組網(wǎng)和漫游的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

通過無線圖像傳輸系統(tǒng)多基站切換技術(shù)、優(yōu)化切換參數(shù)設(shè)置，保障了現(xiàn)場民警機(jī)動靈活的將采集的視頻信息及時、不間斷地回傳至各級公安指揮中心，為構(gòu)建扁平化指揮體系，服務(wù)各級領(lǐng)導(dǎo)指揮決策發(fā)揮了不可替代的作用。

[1] 彭木根．TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2010,30-67

[2] 毛京麗．?dāng)?shù)據(jù)通信原理[M]．北京郵電大學(xué)出版社，2000

[3] 畢光國．多載波調(diào)制技術(shù)．通訊學(xué)報，2001

[4] 張玉艷，方莉．第三代移動通信[M]．北京：人民郵電出版社，2009,55-101

[5] 李倩茹，王于丁，張曉芳．一種變遺忘因子RLS算法的分析與仿真[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2008,45-46

北京市科協(xié)領(lǐng)導(dǎo)蒞臨衛(wèi)星聯(lián)盟考察調(diào)研

2017年1月12日，北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會領(lǐng)導(dǎo)蒞臨中關(guān)村公信衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（以下簡稱：衛(wèi)星聯(lián)盟）考察調(diào)研。北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會副巡視員陳維成介紹了北京市科協(xié)此次到訪的目的，聯(lián)盟理事長劉九如介紹了衛(wèi)星聯(lián)盟的發(fā)展情況及總體思路框架，衛(wèi)星聯(lián)盟研究部主任邵曉紅具體介紹了衛(wèi)星聯(lián)盟的工作開展情況。在交流中，雙方圍繞如何為企業(yè)進(jìn)行科技創(chuàng)新服務(wù)工作進(jìn)行了探討，均表示希望能夠在這方面繼續(xù)進(jìn)行交流與合作并落到實處。聯(lián)盟常務(wù)副理事長王冀昆、副主任于春全、牛晉及秘書長來春麗出席會議并發(fā)言。

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.004

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）01-0014-05