黄河防汛工程中的无线图像传输系统研究

　　0引言

　　充分运用现代计算机网络技术、现代通信技术，加快防汛信息现代化建设，建立科学的、高效的防汛指挥系统，提高信息采集、传输、处理和防汛调度决策的实效性和准确性，全面推进水利信息化和国家防汛抗旱指挥系统工程建设，实现防洪决策科学化、信息化，是新世纪对山东黄河防汛工作提出的新的任务， 是水利可持续发展的基础和前提。无线图像传输系统建设，能在更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接，结合山东黄河应急平台建设方案要求，其建设将成为黄河防汛应急管理的一项重要基础性工作。

　　1无线图像传输系统

　　1．1 无线图像传输的分类

　　无线图像传输系统从应用层面来说分为两大类，一是固定点的图像监控传输系统，二是移动视频图像传输系统。

　　固定点的无线图像监控传输系统。主要应用在有线闭路监控不便实现的场合，比如港口码头的监控系统、河流水利的视频和数据监控、森林防火监控系统、城市安全监控等。

　　移动视频图像传输系统。 除了对固定点的图像监控的需求外，移动图像传输的需求也相当旺盛。 移动视频图像传输，广泛用于公安指挥车、交通事故勘探车、消防武警现场指挥车和海关、油田、矿山、水利、电力、金融、海事，以及其它的紧急、应急指挥系统，主要作用是将现场的实时图像传输回指挥中心，使指挥中心的指挥决策人员如身临其境，提高决策的准确性和及时性，提高工作效率。

　　1．2 用于应急突发事件的专用图像传输技术

　　应急指挥中心的图像传输系统，往往要求将突发事件现场的图像传输回指挥中心。 例如遇到重大自然灾害，水灾、火灾现场，群众的大型集会和重要安全保卫任务现场等。这类应急图像传输系统不宜使用公众网络传输，最好采用专业的移动图像传输设备。 但目前我国对此尚未专门规划频率。无线图像传输设备即视频实时传输主要有两个概念，一是移动中传输，即移动通信，二是宽带传输，即宽带通信，因此，研制能够在高速移动过程中将频带很宽的高清晰度视频进行稳定传输的无线图像传输系统，就要解决二个主要问题：一是由多径传播引起的回波干扰；二是频率资源的使用率和渐趋饱和的问题。

　　在过去的无线图像传输， 主要是以单向的模拟信号广播业务为主，一路信号采用一个单独的频点，单频网可以提高频率资源的利用率，但是在不同地点用相同频率同频发射播出信号时，它们之间会有相互干扰，另外，由于接收或发射的一方处于移动状态，无论是发射或接收都会遇到强烈的多径干扰即回波干扰，因此，对回波干扰的处理方式可能从根本上影响一个无线高清晰度视频实时传输系统的性能，而无线数字高清视频实时传输系统中的 COFDM 传输技术正是可以有效地利用回波而不是消极地排除回波引起的问题。

　　可用于移动视频图像传输的技术有蜂窝移动通信和宽带无线接入技术两类。

　　在 IEEE802 涉及的无线领域中， 目前主要分为四类无线接入技术，分别是个域网（PAN:802.15）、局域网 WiFi（LAN:802.11）、城域网WiMAX（MAN:802.16)、广域网 （WAN:802.20）。 这里着重介绍 WiMAX技术（802.16）。

　　WiMAX 是点对多点的宽带无线接入技术，WiMAX 采取了动态自适应调制、灵活的系统资源参数及多载波调制等一系列新技术，并兼具较高速率传输能力(可达 70 Mbit/s～100 Mbit/s)及较好的 QoS 与安全控制。 WiMAX 802.16e 覆盖范围可以达到 1～3 英里，主要定位在移动无线城域网环境。 然而 802.16e 获得足够的全球统一频率存在一定难度，且建设成本和设备价格较高。

　　WiMAX 是一项新兴技术， 能够在比 Wi-Fi 更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接性，由此支持企业客户享受 T1 类服务以及居民用户拥有相当于线缆/DSL 的访问能力。 凭借其在任意地点的1～6 英里覆盖范围 ，WiMAX 可以为高速数据应用提供更出色的移动性。 此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMAX 还能够提供为电信基础设施、企业园区和 Wi-Fi 热点提供回程。

　　WiMAX 基于两个关键技术分别是正交频分多址(OFDMA)和多个输入/多个输出(MIMO)智能天线技术。 这两种技术能有效地传输更多的数据提供更大的吞吐量和覆盖范围。

　　2 COFDM无线传输技术

　　COFDM 即编码正交频分复用的简称， 是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。 它的实用价值就在于支持突破视距限制的应用，是一种在无线电频谱资源方面充分利用的技术，可以对噪声和干扰有着很好的免疫力，绕射和穿透遮挡物是 COFDM 的技术核心。 其基本原理就是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。

　　COFDM 技术能同时分开多个数字信号， 而且在干扰的信号周围可以安全运行。 正是由于具有了这种特殊的信号 “穿透能力”， 使得COFDM 技术深受通讯设备商的喜爱和欢迎。COFDM 技术能够持续不断地监控传输介质上通讯特性的突然变化，通讯路径传送数据的能力会随时间发生变化，COFDM 能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通讯。 COFDM 技术特别适合使用在高层建筑物、 居民密集和地理上突出的地方以及将信号撒播的地区、高速的数据传播的地方。

　　2.1 COFDM 无线传输技术的优势

　　2．1．1 绕射能力强

　　因其多载波等技术特点，COFDM 设备具备“非视距”、“绕射”传输的优势，在城区、山地、建筑物内外等不能可视及有阻挡的环境中，该设备能够以高概率实现图像的稳定传输，不受环境影响或受环境影响小。系统采用全向天线，可以在最短的时间内架设无线传输链路，采集端和接收端也可以随意移动，不受方向的限制，系统简单、可靠，应用灵活。

　　2．1．2 高速移动传输

　　可在车辆、船舶、直升机等平台上使用。 微波（数字微波、扩频微波）、无线 LAN 等设备因其技术体制的原因，无法独立实现采集端和接收端在高速的移动过程中实时传输图像。 在车辆、船舶上应用微波和无线 LAN 等设备进行无线图像传输时， 通常的方案是再配置附加的“伺服稳定”装置，以解决电磁波定向、跟踪、稳定等问题，但是也仅仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输，并且图像常常会出现中断，严重影响传输接收的效果。 工程复杂，可靠性降低，造价极高。

　　但对于 COFDM 设备， 它不需要任何附加装置， 就可实现固定———移动，移动———移动间的使用，非常适合安装到车辆、船舶、直升机等移动平台上。 不仅传输具有高可靠性，而且表现出很高的性价比。

　　2．1．3 传输带宽高
　　
　　适合高码流、高画质的音视频传输，图像码流一般可大于 4M bps高码流、高画质的音视频数据流对编码、信道速率要求十分高。一般的数字微波，扩频微波传输链路中，虽然采用 MPEG-2 编码，但信道多采用 2M 速率，如 E1，使得解码后的图像分辨率可以达到 720×576，但是图像压缩码流只有 1M 左右， 无法满足接收端后期音视频分析、存储、编辑等具体的要求。

　　COFDM 技术每个子载波可以选择 QPSK、16QAM、64QAM 等高速调制，合成后的信道速率一般均大于 4M bps。 因此，可以传输 MPEG-2 中 4:2:0、4:2:2 等高质量编解码图像，接收端图像分辨率可达到 720×576 或 720×480， 码流可以在 6M 左右， 接收后的图像质量接近 DVD画质，完全可以满足接收端后期音视频分析、存储、编辑等具体的要求。

　　2．1．4 抗干扰性能优越

　　在复杂电磁环境中，COFDM 具备优异的抗干扰性能对抗频率选择性衰落或窄带干扰及信号波形间的干扰性能优越，通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。在单载波系统中(如数字微波,扩频微波等)，单个衰落或干扰能够导致整个通讯链路失败，但是在多载波 COFDM 系统中，仅仅有很小一部分子载波会受到干扰，并且这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错，确保传输的低误码率。

　　2．2 COFDM 无线传输技术的应用

　　采用 COFDM 技术的无线图像传输方案，具有良好的非视距传输和高速移动传输性能，能提供 DVD 质量的实时图像和声音。通过车载或便携式设备可灵活、 迅速地将现场实况声像直接传输或通过转信台、光纤网等传输回至指挥中心。 设备可与其他微波、卫星、光纤通讯设备组建远距离链路，建设实用有效的图像传输系统。COFDM 技术的无线图像传输设备主要应用环境为：城市建筑物阻挡环境，楼宇之间，建筑物内外，建筑物地下到地面之间; 移动中使用; 海上图像、空中图像传输等。 是国内公安、部队、武警、消防、人防（民防）、水利、海事、海关、广播电视等行业在安全保卫、野战指挥、任务侦察、灾难救援、现场转播等任务中急需的高性能无线图像传输设备。

　　3系统组成及应用

　　3．1 系统组成

　　无线图像传输系统包括单兵前端、车载式接收机、车载式发射机、固定基站 4 部分组成。

　　3．1．1 单兵前端

　　单兵前端能够实现的功能是， 将现场图像实时传输到指挥车，传输距离在通视情况下不小于 2 公里，具备双向语音功能，频点、功率可调，采用背负式结构，机动性强。

　　3．1．2 车载式接收机

　　接收单兵前端传来的高清音视频信号，采用 COFDM 正交调制解调技术，和高清 H.264/MPEG2 解码技术，接收图像清晰实时稳定。

　　3．1．3 车载式发射机

　　将接入发射机的音视频信号传输至基站接收机， 功率可达 10-20W，传输距离可达 15 公里，可传输 DVD 级别的图像。在实际组织运用过程中，可使用卫星通信设备和视频会议设备代替车载式发射机，经由卫星信道，将采集到的信息传输至指挥中心。

　　3．1．4 固定基站

　　接收车载发射机传送的无线音视频信号，并通过会议室设备进行显示。在实际使用过程中，若使用卫星信道传输信号，需使用视频会议设备，经由卫星地面站实现前端音视频信号的接收。
　　
　　3．2 系统传输结构

　　根据系统传输结构特点，可以分为以下 4 类：点对点应用，点对多点应用、多点对多点应用和多点接力。

　　3．2．1 点对点

　　使用一套无线数字图像传输系统，同一个前端发射系统和一个接收系统组成，这种应用最为广泛，大部分使用都是采用该结构。

　　3．2．2 点对多点

　　点对多点应用一般有两种方式：

　　一发多收，即一点发多点收。其实这种方式为点对点应用的延伸。

　　一个发射前端只占有一个传输通道， 接收系统由多个频段接收机组成。

　　多发一收。采用这种结构，必须采用频分方式，由多个不同频点的发射机组成前端发射系统，而接收系统内里必须能接收到不同频段发射机传回来的信号。

　　3．2．3 多点对多点

　　多点对多点，指的是由多个不同频点的发射前端和接收系统组成的应用网络，系统比较复杂，成本较高，一个中等以上的城市采用多点对多点的网络结构，可以将多个部门的图像共享，传输多路图像。

　　3．2．4 多点接力

　　多点接力，指的是同多个不同频点的发射前端和接收系统组成的应用网络。

　　适合军队、边防武警等部队训练和实战中的机动灵活特点，将前方的图像传输到指定后方接收地。

　　3．3 系统组织模式

　　在实际演习过程中，经常将单兵无线图像传输系统和卫星通信结合起来使用。单兵无线图像传输系统负责实现现场到指挥车的音视频传输，卫星通信系统负责建立通信车到各级指挥中心的通信。 具体根据工作方式可以将系统分为下列两部分:人到车和车到指挥中心。

　　3．3．1 人到车

　　由工作人员携带前端设备， 采用专用背架背负发射前端设备，将信号从各种现场（建筑物内，街道，广场，战场等）传到后方的指挥车，这种应用方式主要是受到发射机功率的限制，因为人员携带设备在功耗和功率上都必须降低要求，对发射机的供电和天线的长度以及设备的体积和重量都要综合考虑，因此，传输距离在可视条件下不超过 2千米。

　　3．3．2 车到指挥中心

　　车到指挥中心，一般利用卫星信道，卫星通信设备安装在指挥车上，接收系统安装在卫星地面站，再通过地面站加入通信专网，从而实现现场与各级指挥中心的互联互通。 利用车载视频会议设备，可加入专网视频会议系统，实现现场音视频信号与各级指挥中心的双向通信。

　　由于采用专用卫星通信信道，带宽可达 2M，且不存在建筑物阻挡等限制条件，其覆盖范围大大提高，有效地提高了保障效率。

　　4结束语。

　　黄河素有“悬河”之称，河床普遍高于两岸地面 4～6 米，黄河山东段两岸堤距上宽下窄，河道纵比降上陡下缓，排洪能力上大下小,防汛压力大，针对山东黄河防汛工作整体要求和信息化建设现状，充分运用现代计算机网络技术、现代通信技术，建立科学、高效的防汛指挥系统，提高音视频信息采集、传输、处理和防汛调度决策的实效性和准确性，逐步形成连接各地区和各专业应急指挥机构、统一高效的应急平台体系，实现对黄河防汛工作的优化配置和科学管理。

　　参考文献：
　　［1］郭东明,王才,王教河.对防汛决策支持系统建设的总体思路[J].东北水利水电,2000(18).
　　［2］张永,孙建奇,赵如林.黄河防汛决策支持系统建设应加强的几个方面[J].人民黄河,2002(5).
　　［3］吴礼章,谢鸿志,王美平.高清视频光纤传输技术[J].通信技术，2013(4).
　　［4］董向华,杨勇. 基于网络的视频监控系统的设计与实现[J].通信技术,2013(2).
　　［5］张都乐,祝怀杰.基于安全工程的信息系统安全解决方案［6］周望,方勇.一种安全的数字视频水印算法[J].信息安全与通信保密,2012(7).
　　［7］李敏,郭捷.基于 H.264/SVC 的视频加密技术研究[J].信息安全与通信保密 ,2012(5).
　　［8］黄明,余达征,王明海.防洪调度智能决策支持系统的研究现状及问题[J].人民黄河，2000(1).