應(yīng)急領(lǐng)域中基于COFDM的無線傳輸系統(tǒng)研究和應(yīng)用

李德偉

(海軍參謀部 軍事訓(xùn)練中心，北京 100841)

0 引言

提升應(yīng)對(duì)各類突發(fā)公共事件、自然災(zāi)害等的綜合響應(yīng)處置能力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮調(diào)度智能高效快捷，需要構(gòu)建立體、高效和多手段的寬帶通信系統(tǒng)，為信息獲取、指揮決策、情況處置和事后總結(jié)等提供可靠支撐。由于各類事件發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境各異，移動(dòng)無線通信信號(hào)傳輸條件復(fù)雜，不同程度地存在多徑干擾、信號(hào)衰減嚴(yán)重和時(shí)延大等問題，傳統(tǒng)的通信傳輸手段可承載的數(shù)據(jù)速率較低且?guī)捿^窄，已難以滿足應(yīng)急事件處置中音視頻等各類信息高速、寬帶無線傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求[1]。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)正在由窄帶、低速向?qū)拵Ш透咚俜较蚣铀俎D(zhuǎn)變，新興技術(shù)的發(fā)展為無線視頻傳輸提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[2]。相比普通信號(hào)傳輸內(nèi)容，高清圖像傳輸具有如下特點(diǎn)：① 數(shù)據(jù)傳輸量大，高清視頻傳輸速率在2 Mbps左右，而文本/語音的速率需求在128 kbps左右；② 時(shí)延低，確保圖像畫面實(shí)時(shí)、無卡頓傳輸；③ 傳輸距離較遠(yuǎn)，特別是在諸如海防等應(yīng)急專網(wǎng)領(lǐng)域。

針對(duì)高質(zhì)量圖像無線傳輸需求的日益增長(zhǎng)，COFDM的出現(xiàn)真正解決了移動(dòng)高質(zhì)量圖像傳輸?shù)碾y題，該技術(shù)是目前世界最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)之一[2]。COFDM利用多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了“有阻擋、非通視和高速移動(dòng)條件下”的寬帶高速傳輸。

近年來,應(yīng)急指揮通信在防空防災(zāi)一體化中的建設(shè)不斷發(fā)展,其作用和地位有了顯著提高,為了更好地適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和社會(huì)的需要,更好地承擔(dān)起保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和服務(wù)社會(huì)發(fā)展的使命,全國(guó)人防系統(tǒng)相繼建設(shè)了固定指揮中心和機(jī)動(dòng)指揮系統(tǒng),COFDM無線圖傳在人防應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

為滿足應(yīng)急領(lǐng)域中實(shí)時(shí)高清圖傳大速率、廣覆蓋、高可靠和低時(shí)延的需求[4]，提出了基于軟件無線電平臺(tái)的COFDM無線圖傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過對(duì)COFDM技術(shù)基本原理的分析和技術(shù)特點(diǎn)歸納整理，深入研究COFDM技術(shù)在應(yīng)急專網(wǎng)通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 無線視頻傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，高質(zhì)量圖像傳輸基本以MPEG-2格式為主，通常會(huì)采用模擬微波、WiFi等傳統(tǒng)無線通信技術(shù)手段進(jìn)行信號(hào)傳輸，雖然傳統(tǒng)無線通信技術(shù)應(yīng)用廣泛，有諸多優(yōu)勢(shì)，但局限于直視視距或者定向信號(hào)傳輸，導(dǎo)致在應(yīng)急專網(wǎng)領(lǐng)域中的移動(dòng)場(chǎng)景應(yīng)用中很受限制，無法真正起到安防保障的作用，不能解決用戶的實(shí)際使用需求[5]。

隨著數(shù)字電視的廣泛普及使用，COFDM技術(shù)得到諸多通信領(lǐng)域?qū)＜业姆治?、使用和研究。相?duì)于其他傳統(tǒng)無線傳輸通信系統(tǒng)，COFDM技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。首先，其傳輸具有較強(qiáng)的穿透力[6]，不受限于視距或者定向傳輸，適用于密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村、山地、林地和海面等通用無線傳輸通信場(chǎng)景，實(shí)用性強(qiáng)；其次，COFDM的傳輸速率一般大于4 Mbps，能夠滿足高清視頻業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸，使用體驗(yàn)效果好；最后，具備移動(dòng)性，可以滿足用戶在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中正常視頻通信需求，穩(wěn)定可靠[7]。

2 COFDM技術(shù)分析

COFDM是信道編碼技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠在無線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速傳輸。其基本原理是將高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換調(diào)制成M路并行子載波，然后將M路相互正交的子載波調(diào)制相加得到最終發(fā)射信號(hào)[8-9]。通過串/并轉(zhuǎn)換操作使得每一路子載波的符號(hào)持續(xù)時(shí)間增大約M倍，使其明顯大于信道時(shí)延擴(kuò)展，這樣既可保證信號(hào)幾乎不會(huì)受到符號(hào)間干擾的情況下也能通過子載波間正交性提升信號(hào)的抗干擾能力。為了解決信道傳輸中的平坦衰落問題，COFDM通過信道編碼技術(shù)，采用在時(shí)頻域信息擴(kuò)展思想，即傳輸時(shí)每個(gè)單元碼信號(hào)的衰落可以被認(rèn)為是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，從而消除了平坦衰落和多普勒頻移的影響[10]。

COFDM通過如下技術(shù)手段可以完全消除符號(hào)間干擾、頻率干擾和降低噪聲干擾。① 在COFDM符號(hào)起始位置插入保護(hù)域，即可完全消除多徑時(shí)延擴(kuò)展帶來的符號(hào)間殘余影響；② 采用頻譜插槽方式消除頻率間干擾，實(shí)現(xiàn)頻率間分離調(diào)度；③ 利用信號(hào)編碼和信息交織技術(shù)共同處理噪聲干擾，降低信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率。

經(jīng)分析總結(jié)，COFDM系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率大、抗衰落能力強(qiáng)和頻譜利用率高、抗符號(hào)間干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低的技術(shù)特點(diǎn)，利用這些技術(shù)特點(diǎn)，COFDM技術(shù)已經(jīng)逐漸被廣泛應(yīng)用到安防、人防、消防和海防等重要領(lǐng)域應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的無線圖像傳輸中，為應(yīng)急救援提供更好的現(xiàn)場(chǎng)圖像依據(jù)。

3 COFDM無線圖傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要基于COFDM技術(shù)完成無線圖傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜無線信道環(huán)境下高清圖像的穩(wěn)定可靠實(shí)時(shí)傳輸，無線圖傳系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 無線圖傳系統(tǒng)框圖

COFDM無線圖傳系統(tǒng)由信息采集單元、發(fā)射處理單元和接收處理單元組成。信息采集單元通過高清攝像頭實(shí)時(shí)攝取圖像，發(fā)射處理單元通過A/D轉(zhuǎn)換器完成圖像信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過信源編碼器完成圖像視頻MPEG-2編碼[11]，通過COFDM調(diào)制板完成信號(hào)編碼及正交多載波調(diào)制，通過上變頻板、濾波器和功率放大器后，將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)為射頻信號(hào)在天線單元發(fā)射出去，接收機(jī)工作流程與發(fā)射機(jī)相反。

該系統(tǒng)核心是COFDM調(diào)制板，主要通過軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)[12]。在通用硬件平臺(tái)上以可快速編程的DSP或FPGA為中心，通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元組合及配套軟件開發(fā)而成。本平臺(tái)采用的是高性能FPGA平臺(tái)，可支持COFDM技術(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算量大的特點(diǎn)，完成基帶數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)和IFFT/FFT等相關(guān)復(fù)雜運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理[13-14]。

本文所設(shè)計(jì)的COFDM無線圖傳系統(tǒng)與傳統(tǒng)圖傳系統(tǒng)傳輸誤碼率對(duì)比如圖2所示。

圖2 COFDM無線圖傳系統(tǒng)與傳統(tǒng)圖傳系統(tǒng)的誤碼率對(duì)比

從圖2中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本文所設(shè)計(jì)的COFDM無線圖傳系統(tǒng)可以有效地改善無線通信系統(tǒng)的編解碼性能，BPSK，QPSK調(diào)制下均提高約3 dB以上。

4 應(yīng)急專網(wǎng)通信領(lǐng)域應(yīng)用研究

基于COFDM技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無線圖傳系統(tǒng)可以應(yīng)用在應(yīng)急專網(wǎng)通信領(lǐng)域[15-16]。根據(jù)系統(tǒng)工作方式，可以分為如下幾種應(yīng)用方式。

4.1 人車間應(yīng)用

無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)使用時(shí)，由工作人員攜帶前端設(shè)備，即專用背架背負(fù)發(fā)射機(jī)，將信號(hào)從各種現(xiàn)場(chǎng)(建筑物內(nèi)、街道、廣場(chǎng)和戰(zhàn)場(chǎng)等)傳到后方指揮車的接收系統(tǒng)上。該應(yīng)用方式主要受發(fā)射機(jī)功率、設(shè)備功耗和設(shè)備體積重量的限制，雖然傳輸距離較短，但仍能滿足應(yīng)急場(chǎng)景的使用。該應(yīng)用適用于消防、救援等部門。人車間應(yīng)用示意如圖3所示。

圖3 人車間應(yīng)用示意

4.2 車車間應(yīng)用

無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)使用時(shí)，發(fā)射前端安裝在機(jī)動(dòng)車上，可以保持正常的供電系統(tǒng)，即提高發(fā)射前端的發(fā)射功率，同時(shí)車載收發(fā)系統(tǒng)均可以采用升降桿高增益全向天線，提高天線高度和信號(hào)增益，提升圖像的傳輸距離。在城市環(huán)境中，存在建筑物等遮擋時(shí)，最小傳輸距離可達(dá)2 km，最大傳輸距離可達(dá)4 km；沒有建筑物等遮擋時(shí)，車車間最小傳輸距離可超過5 km，最大傳輸距離可達(dá)7 km。該應(yīng)用適用于軍隊(duì)、公安等部門。車車間應(yīng)用示意如圖4所示。

圖4 車車間應(yīng)用示意

4.3 車與指揮中心間應(yīng)用

無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)使用時(shí)，發(fā)射前端安裝在機(jī)動(dòng)車上，接收系統(tǒng)安裝在指揮中心，類似車車間應(yīng)用方式，但由于指揮中心有條件可將接收系統(tǒng)天線安裝在較高的位置，這樣可以大大提高圖像傳輸距離。接收天線安裝高度為100 m，有建筑物等遮擋時(shí)，無線數(shù)字圖像實(shí)時(shí)傳輸距離可達(dá)5～10 km，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)20 km；繼續(xù)提升接收天線高度到200 m，有建筑物遮擋時(shí)可傳輸20 km，若沒有建筑物遮擋時(shí)，一般有效距離為50 km(視距傳輸)，最遠(yuǎn)可達(dá)100 km(理想情況)。該應(yīng)用適用于公安、消防、人防和軍隊(duì)等部門。車與指揮中心間應(yīng)用示意如圖5所示。

圖5 車與指揮中心間應(yīng)用示意

4.4 人與指揮中心間應(yīng)用

無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)使用時(shí)，由工作人員攜帶發(fā)射前端，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)從各種現(xiàn)場(chǎng)傳到機(jī)動(dòng)車上，由機(jī)動(dòng)車充當(dāng)中繼系統(tǒng)，通過大功率發(fā)射機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到指揮中心，從而極大地改善人車應(yīng)用傳輸距離，便于在指揮大廳實(shí)時(shí)操控遠(yuǎn)距離的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急情況。該應(yīng)用適用于公安、人防和軍隊(duì)等部門。人與指揮中心間應(yīng)用示意如圖6所示。

圖6 人與指揮中心間應(yīng)用示意

4.5 船/飛機(jī)與指揮中心間應(yīng)用

無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)使用時(shí)，發(fā)射前端安裝在艦船或飛機(jī)上[17-18]，接收系統(tǒng)安裝在指揮中心，類似車與指揮中心間應(yīng)用方式，但艦船海面開闊，飛機(jī)飛行高度較高，不容易受建筑物等的遮擋，且艦船和飛機(jī)的移動(dòng)方向相對(duì)來說容易定位，結(jié)合指揮中心處天線的高位置和高增益可以顯著提升傳輸距離。該應(yīng)用適用于邊防、軍隊(duì)等部門。車與指揮中心間應(yīng)用示意如圖7所示。

圖7 車與指揮中心間應(yīng)用示意

5 結(jié)束語

COFDM技術(shù)傳輸速率大，抗干擾性能強(qiáng)，能夠在不斷移動(dòng)和非視距傳輸?shù)葟?fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高清圖像的可靠穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸?；贑OFDM的無線圖像傳輸技術(shù)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)無線通信技術(shù)的不足，為應(yīng)急通信中的固定指揮、移動(dòng)指揮提供支持，滿足通信穩(wěn)定性和快速反應(yīng)等方面的要求。通過對(duì)COFDM無線圖像傳輸技術(shù)在應(yīng)急通信中應(yīng)用的深入研究，為實(shí)際工程的部署應(yīng)用提供了參考，最大限度地發(fā)揮COFDM 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。