幸雪初 桑明華

1 湖南省消防總隊 湖南 410205

2 南京威翔科技有限公司 江蘇 210029

0 引言

科技發(fā)展日新月異，在消防部隊，信息化建設打造“消防鐵軍”已經(jīng)成為部隊建設的重要途徑之一。如何保障消防通信指揮中心與火災現(xiàn)場之間復雜數(shù)據(jù)(火警預案數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻和高質(zhì)量視頻等)傳輸?shù)膶崟r性、不間斷性，實現(xiàn)高效火場實時信息共享，構建消防數(shù)字化橋梁，已成為消防搶險救援通信領域的重點工作。

消防通信的建設發(fā)展迅速，各種無線新技術廣泛地應用的消防通信中，無線圖像傳輸技術已經(jīng)作為一種必備通信方式應用在事故救援、重大事件現(xiàn)場保障等活動中。目前，利用OFDM技術的單兵無線圖像傳輸系統(tǒng)以其機動靈活的特點發(fā)揮著越來越重要的作用，已經(jīng)成為一種必不可少的消防通信保障手段。隨著移動通信技術的發(fā)展，時分雙工技術開始應用于O F D M技術當中。

1 TDD-OFDM介紹

TDD-OFDM(Time Division Duplexing orthogonal frequency division multiplexing)，既時分正交頻分復用的縮寫，OFDM(正交頻分復用技術)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。眾所周知，無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。TDD(時分雙工)是一種現(xiàn)代通信系統(tǒng)常用的雙工方式，在移動通信系統(tǒng)中用于分離接收與發(fā)送信道(或上下行鏈路)，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，用時間來保證接收與發(fā)送信道的分離。在移動通信系統(tǒng)中，TDD在3GPP(第三代移動通信標準化伙伴項目)中屬于第三代移動通信系統(tǒng)技術規(guī)范。

2 TDD-OFDM技術應用于無線圖像傳輸優(yōu)點

T D D-O F D M數(shù)字無線組網(wǎng)圖像傳輸系統(tǒng)采用T D DOFDM技術，所有設備在同頻點下工作、采用TDD信道復用技術，雙工通信。提供AV視音頻接口、RS485接口、I/O控制口、TCP/IP網(wǎng)絡接口。載波調(diào)制方案支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM。不同用戶占用不同時隙，或同時占用幾個時隙。根據(jù)互通用戶數(shù)的數(shù)量，系統(tǒng)自動分配時隙，系統(tǒng)同基站下同時可以允許162個組網(wǎng)。TDD-OFDM數(shù)字無線組網(wǎng)圖像傳輸系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是可利用TCP/IP協(xié)議進行全雙向高速數(shù)據(jù)、高清圖像和語音的傳輸，形成一定范圍的3G無線局域網(wǎng)。

TDD-OFDM 數(shù)字無線組網(wǎng)圖像傳輸系統(tǒng)保持了COFDM非視距、高速移動傳輸?shù)闹T多優(yōu)點。實現(xiàn)了傳統(tǒng)COFDM、單載波等系統(tǒng)所不具備的同頻組網(wǎng)傳輸通信功能。系統(tǒng)傳輸容量大，并且可以根據(jù)不同業(yè)務需要動態(tài)改變帶寬和數(shù)據(jù)速率。從而達到距離最大化和功率最優(yōu)化的效果。

3 TDD-OFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)應用于消防通信

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，滅火救援形勢逐步趨向社會化、全局化、復雜化和智能化。地面通信設施基于其自身的特點，易受火災、颶風、地震等重特大災害的破壞。在面對重大災害事故時，地面通信顯然會存在重大弊端，無法發(fā)揮其應有的作用。TDD-OFDM無線圖像傳輸技術以其可靠性高，抗遮擋能力強、不易受陸地災害影響等特點，可以很好的解決上述問題。

基于TDD-OFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)的特點，足以提供高清晰度的音視頻信息，各級指揮中心可實時與事故現(xiàn)場進行通信，各級指揮中心能及時直觀的了解現(xiàn)場，第一時間指揮調(diào)度，提高部隊快速反應能力，最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。近些年來，各類重大災難事故時有發(fā)生，且居于突發(fā)性強、持續(xù)時間長、地點不固定等特點，現(xiàn)場指揮決策缺乏穩(wěn)定可靠的、有效的指揮場所，TDD-OFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)具有獨立長時間工作能力，可有效的解決上述問題。同時，系統(tǒng)還可以對現(xiàn)場視頻圖像進行存儲，為戰(zhàn)評提供原始資料。

3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

3.1.1 網(wǎng)狀網(wǎng)方式

組成網(wǎng)狀網(wǎng)形式數(shù)字無線圖像傳輸方案，有多個基站組成系統(tǒng)，前端采集由車頂云臺、手持攝像機、通用攝像頭將AV圖像信號接到相應的遠端設備(如單兵設備、車載設備)。遠端設備將圖像、音頻編碼后通過數(shù)字方式發(fā)到所在的基站?；九c指揮中心之間的鏈路可以通過光纜、微波、或其他能提供2M接口的電路。各遠端設備在基站之間可以自動漫游，無需人工干預。指揮中心可以通過指令控制遠端的云臺，與遠端通話、或傳輸數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)

3.1.2 鏈狀網(wǎng)方式

單兵或車載設備可以自組網(wǎng)方式工作。每個設備都可以當作基站使用，基站間接力傳輸。如圖2所示。

圖2 鏈狀網(wǎng)組網(wǎng)

3.2 系統(tǒng)應用模式

3.2.1 點對點傳輸方式

單兵圖像傳輸系統(tǒng)到通信指揮車：前方人員利用攝像機將現(xiàn)場的圖像聲音實時傳輸?shù)酵ㄐ胖笓]車，指揮人員利用指揮車的顯示系統(tǒng)，直接觀看現(xiàn)場實際情況，及時作出最佳決策。本傳輸模式適用于阻擋不是很嚴重的環(huán)境。比如：建筑物內(nèi)對地面。

最后，在地理空間數(shù)據(jù)分幅提取后，相關人員可對分幅后數(shù)據(jù)進行批量裁剪，并設定統(tǒng)一的名稱。地理空間數(shù)據(jù)批量裁切主要是將以*.img格式分幅數(shù)據(jù)、*.txt格式分幅坐標等文件，導入ArcGIS Engine軟件中，并與MosaicPro模塊結合，對相應地理空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)、數(shù)學投影進行批量提取。需要注意的是，若在實際處理階段，分幅數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)、最終成本坐標系統(tǒng)存在一定差異，則需要重新進行大地經(jīng)緯度坐標系統(tǒng)投影轉(zhuǎn)換操作。

3.2.2 中繼傳輸方式

單兵圖像傳輸系統(tǒng)通過臨時中繼到通信指揮車：由于阻擋環(huán)境嚴重，單兵圖像傳輸系統(tǒng)無法將現(xiàn)場的圖像聲音實時傳輸?shù)酵ㄐ胖笓]車，這時候需要增加臨時中繼臺。本模式比較適用于環(huán)境比較苛刻的如：地下建筑、隧道救援等等。

3.2.3 多點對一點傳輸方式

根據(jù)實際情況指揮員可能需要從不同的多個角度同時了解現(xiàn)場情況才能做出準確決策，這就需要設備有較好的兼容性。一個通信指揮車可以同時接收多個單兵發(fā)射過來的圖像。本模式適用于多人作戰(zhàn)，重大事故火災現(xiàn)場等等。

4 應用于滅火救援指揮箱

按照貼近基層、貼近一線、貼近實戰(zhàn)的原則，為提高基層指揮員災害現(xiàn)場的決策指揮能力，最近，公安部消防局為全國消防部隊基層中隊配備了滅火救援指揮箱，滅火救援指揮箱主要是針對滅火救援指揮特點，將火災現(xiàn)場需要的滅火救援預案、各類火災撲救對策等信息基層與指揮箱內(nèi)的筆記本電腦中。

隨著工藝的不斷改進，利用TDD-OFDM技術進行無線圖像傳輸系統(tǒng)的集成度也越來越高，不斷向小型化、微型化發(fā)展，以滅火救援指揮箱的計算機為平臺可將TDD-OFDM技術無線圖像傳輸集成起來，現(xiàn)場圖像可實時在滅火救援指揮箱進行顯示，為基層指揮員進行決策指揮，同時，還可以利用3G移動技術，實時將現(xiàn)場圖像傳回到當?shù)刂笓]中心，供上級指揮員進行遠程決策指揮。

5 系統(tǒng)優(yōu)點

5.1 適合在非通視和有阻擋等環(huán)境中的滅火搶險救援應用

傳統(tǒng)的微波設備，必須在通視條件(既收發(fā)兩點之間必須無阻擋)下才能建立鏈路，所以使用中受環(huán)境制約，需要提前考察環(huán)境，擬定、實測收發(fā)點。TDD-OFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)則徹底改變了這種局面。因其多載波等技術特點，TDDOFDM設備具備“非視距”、“繞射”傳輸?shù)膬?yōu)勢，在不能通視及有阻擋的環(huán)境中，該設備能夠以高概率實現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。系統(tǒng)簡單、可靠，應用靈活。

5.2 適合移動中傳輸

對于大多數(shù)行業(yè)而言，無線圖像的一般應用模式是：視音頻前端采集—接入點——視音頻處理中心(一般通過有線鏈路或衛(wèi)通)。所以車輛、無人機等平臺是系統(tǒng)非常重要的組成部分，其核心的功能之一就是實時接入前端的圖像。

對于TDD-OFDM設備，可以實現(xiàn)固定——移動，移動——移動間的使用，非常適合安裝到車輛、無人機等移動平臺上。

5.3 適合高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足高質(zhì)量視音頻的傳輸

高質(zhì)量的視音頻除對攝像機的要求外，對編碼流、信道速率要求十分高。一般的數(shù)字微波，擴頻微波傳輸中，雖然采用MPEG2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，使得解碼后的圖像分辨率一般為352×288，無法滿足后期分析、存儲、編輯等要求。

TDD-OFDM技術每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，合成后的信道速率一般均大于4M bps。因此，可以傳輸MPEG2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼，接收端圖像分辨率可達到576×720或480×720，滿足后期分析、存儲、編輯等要求。

5.4 抗干擾能力強

無線信道的一個重要特點是多徑傳播，它使接收信號相互重疊，產(chǎn)生符號間干擾。OFDM的思想是把一個高速率的數(shù)據(jù)流分解成許多低速率的子數(shù)據(jù)流，以并行的方式在多個子信道上傳輸。這樣，在每個子信道上，符號持續(xù)時間比信道的最大延遲小，從而可以消除符號間干擾ISI。

TDD-OFDM利用在算法上的頻率開槽技術，能自動關閉有干擾的子載波，躲避干擾。同時具有不同子載波根據(jù)其信噪比不同，自動控制個子載波的發(fā)射功率，提高抗干擾能力。

5.5 占用頻率資源少、頻率配置便捷

TDD方式無需使用成對的頻率。所有設備均在同頻下工作且根據(jù)各自業(yè)務速率自動控制占用時隙數(shù)，及各自的子載波數(shù)。最大限度提高了頻率資源的利用率?？梢酝ㄟ^網(wǎng)內(nèi)的任意設備發(fā)送命令動態(tài)調(diào)節(jié)各設備的工作頻點。

6 結束語

TDD-OFDM無線圖像傳輸技術應用于消防通信中，能對火災現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控、遠程遙控、傳輸數(shù)據(jù)、雙向交互高質(zhì)量語音和視頻，為災害事故現(xiàn)場視頻圖像傳輸提供了一種有效的解決途徑，提高了公安消防部隊應對各種突發(fā)性災害事件的能力，減少了社會承受的災害損失，對于從理論體系、應用價值及發(fā)展前景等方面，都將有著非常重要的意義。

[1] 劉輝(美),(美)李國慶著,任品毅譯.基于OFDM的無線寬帶網(wǎng)絡設計與優(yōu)化.西安交通大學出版社.2008.

[2] 王文博,鄭侃 編著.寬帶無線通信OFDM技術(第二版).人民郵電出版社.2007.

[3] 謝顯中.基于TDD的第四代移動通信技術.電子工業(yè)出版社.2005.