黃河防汛工程中的無線圖像傳輸系統(tǒng)研究,防洪工程論文0引言充分運用當(dāng)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、當(dāng)代通信技術(shù)，加快防汛信息當(dāng)代化建設(shè)，建立科學(xué)的、高效的防汛指揮系統(tǒng)，提高信息采集、傳輸、處理和防汛調(diào)度決策的實效性和準(zhǔn)確性，全面推進水利信息化和國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程建設(shè)，實現(xiàn)防洪決策科學(xué)化、信息化，是新世紀(jì)對山東黃河防汛工作提出的新的任務(wù)，是水利可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。無線圖像傳輸系統(tǒng)建設(shè)，能在更廣闊的地域范圍內(nèi)提供最后一公里寬帶連接，結(jié)合山東黃河應(yīng)急平臺建設(shè)方案要求，其建設(shè)將成為黃河防汛應(yīng)急管理的一項重要基礎(chǔ)性工作。1無線圖像傳輸系統(tǒng)1．1無線圖像傳輸?shù)姆诸悷o線圖像傳輸系統(tǒng)從應(yīng)用層面來講分為兩大類，一是固定點的圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，二是移動視頻圖像傳輸系統(tǒng)。固定點的無線圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)。主要應(yīng)用在有線閉路監(jiān)控不便實現(xiàn)的場合，比方港口碼頭的監(jiān)控系統(tǒng)、河流水利的視頻和數(shù)據(jù)監(jiān)控、森林防火監(jiān)控系統(tǒng)、城市安全監(jiān)控等。移動視頻圖像傳輸系統(tǒng)。除了對固定點的圖像監(jiān)控的需求外，移動圖像傳輸?shù)男枨笠蚕喈?dāng)旺盛。移動視頻圖像傳輸，廣泛用于公安指揮車、交通事故勘探車、消防武警現(xiàn)場指揮車和海關(guān)、油田、礦山、水利、電力、金融、海事，以及其它的緊急、應(yīng)急指揮系統(tǒng)，主要作用是將現(xiàn)場的實時圖像傳輸回指揮中心，使指揮中心的指揮決策人員如身臨其境，提高決策的準(zhǔn)確性和及時性，提高工作效率。1．2用于應(yīng)急突發(fā)事件的專用圖像傳輸技術(shù)應(yīng)急指揮中心的圖像傳輸系統(tǒng)，往往要求將突發(fā)事件現(xiàn)場的圖像傳輸回指揮中心。例如碰到重大自然災(zāi)禍，水災(zāi)、火災(zāi)現(xiàn)場，群眾的大型集會和重要安全保護任務(wù)現(xiàn)場等。這類應(yīng)急圖像傳輸系統(tǒng)不宜使用公眾網(wǎng)絡(luò)傳輸，最好采用專業(yè)的移動圖像傳輸設(shè)備。但當(dāng)前我們國家對此尚未專門規(guī)劃頻率。無線圖像傳輸設(shè)備即視頻實時傳輸主要有兩個概念，一是移動中傳輸，即移動通信，二是寬帶傳輸，即寬帶通信，因而，研制能夠在高速移動經(jīng)過中將頻帶很寬的高清楚明晰度視頻進行穩(wěn)定傳輸?shù)臒o線圖像傳輸系統(tǒng)，就要解決二個主要問題：一是由多徑傳播引起的回波干擾；二是頻率資源的使用率和漸趨飽和的問題。在過去的無線圖像傳輸，主要是以單向的模擬信號廣播業(yè)務(wù)為主，一路信號采用一個單獨的頻點，單頻網(wǎng)能夠提高頻率資源的利用率，但是在不同地點用一樣頻率同頻發(fā)射播出信號時，它們之間會有互相干擾，另外，由于接收或發(fā)射的一方處于移動狀態(tài)，無論是發(fā)射或接收都會碰到強烈的多徑干擾即回波干擾，因而，對回波干擾的處理方式可能從根本上影響一個無線高清楚明晰度視頻實時傳輸系統(tǒng)的性能，而無線數(shù)字高清視頻實時傳輸系統(tǒng)中的COFDM傳輸技術(shù)正是能夠有效地利用回波而不是消極地排除回波引起的問題。可用于移動視頻圖像傳輸?shù)募夹g(shù)有蜂窩移動通信和寬帶無線接入技術(shù)兩類。在IEEE802牽涉的無線領(lǐng)域中，當(dāng)前主要分為四類無線接入技術(shù)，分別是個域網(wǎng)〔PAN:802.15〕、局域網(wǎng)WiFi〔LAN:802.11〕、城域網(wǎng)WiMAX〔MAN:802.16)、廣域網(wǎng)〔WAN:802.20〕。這里著重介紹WiMAX技術(shù)〔802.16〕。WiMAX是點對多點的寬帶無線接入技術(shù)，WiMAX采取了動態(tài)自適應(yīng)調(diào)制、靈敏的系統(tǒng)資源參數(shù)及多載波調(diào)制等一系列新技術(shù)，并兼具較高速率傳輸能力(可達70Mbit/s～100Mbit/s)及較好的QoS與安全控制。WiMAX802.16e覆蓋范圍能夠到達1～3英里，主要定位在移動無線城域網(wǎng)環(huán)境。然而802.16e獲得足夠的全球統(tǒng)一頻率存在一定難度，且建設(shè)成本和設(shè)備價格較高。WiMAX是一項新興技術(shù)，能夠在比Wi-Fi更廣闊的地域范圍內(nèi)提供最后一公里寬帶連接性，由此支持企業(yè)客戶享受T1類服務(wù)以及居民用戶擁有相當(dāng)于線纜/DSL的訪問能力。憑借其在任意地點的1～6英里覆蓋范圍，WiMAX能夠為高速數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更出色的移動性。除此之外，憑借這種覆蓋范圍和高吞吐率，WiMAX還能夠提供為電信基礎(chǔ)設(shè)施、企業(yè)園區(qū)和Wi-Fi熱門提供回程。WiMAX基于兩個關(guān)鍵技術(shù)分別是正交頻分多址(OFDMA)和多個輸入/多個輸出(MIMO)智能天線技術(shù)。這兩種技術(shù)能有效地傳輸更多的數(shù)據(jù)提供更大的吞吐量和覆蓋范圍。2COFDM無線傳輸技術(shù)COFDM即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是當(dāng)前世界最先進和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。它的實用價值就在于支持突破視距限制的應(yīng)用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術(shù)，能夠?qū)υ肼暫透蓴_有著很好的免疫力，繞射和穿透遮擋物是COFDM的技術(shù)核心。其基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸。COFDM技術(shù)能同時分開多個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍能夠安全運行。正是由于具有了這種特殊的信號穿透能力，使得COFDM技術(shù)深受通訊設(shè)備商的喜歡和歡迎。COFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通訊特性的忽然變化，通訊途徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，COFDM能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進行成功的通訊。COFDM技術(shù)十分合適使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號撒播的地區(qū)、高速的數(shù)據(jù)傳播的地方。2.1COFDM無線傳輸技術(shù)的優(yōu)勢2．1．1繞射能力強因其多載波等技術(shù)特點，COFDM設(shè)備具備非視距、繞射傳輸?shù)膬?yōu)勢，在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，該設(shè)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)采用全向天線，能夠在最短的時間內(nèi)架設(shè)無線傳輸鏈路，采集端和接收端可以以隨意移動，不受方向的限制，系統(tǒng)簡單、可靠，應(yīng)用靈敏。2．1．2高速移動傳輸可在車輛、船舶、直升機等平臺上使用。微波〔數(shù)字微波、擴頻微波〕、無線LAN等設(shè)備因其技術(shù)體制的原因，無法獨立實現(xiàn)采集端和接收端在高速的移動經(jīng)過中實時傳輸圖像。在車輛、船舶上應(yīng)用微波和無線LAN等設(shè)備進行無線圖像傳輸時，通常的方案是再配置附加的伺服穩(wěn)定裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題，但是也僅僅能在一定條件下實現(xiàn)移動點對固定點的傳輸，并且圖像經(jīng)常會出現(xiàn)中斷，嚴(yán)重影響傳輸接收的效果。工程復(fù)雜，可靠性降低，造價極高。但對于COFDM設(shè)備，它不需要任何附加裝置，就可實現(xiàn)固定移動，移動移動間的使用，非常合適安裝到車輛、船舶、直升機等移動平臺上。不僅傳輸具有高可靠性，而且表現(xiàn)出很高的性價比。2．1．3傳輸帶寬高合適高碼流、高畫質(zhì)的音視頻傳輸，圖像碼流一般可大于4Mbps高碼流、高畫質(zhì)的音視頻數(shù)據(jù)流對編碼、信道速率要求特別高。一般的數(shù)字微波，擴頻微波傳輸鏈路中，固然采用MPEG-2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，使得解碼后的圖像分辨率能夠到達720576，但是圖像壓縮碼流只要1M左右，無法知足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等詳細的要求。COFDM技術(shù)每個子載波能夠選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，合成后的信道速率一般均大于4Mbps。因而，能夠傳輸MPEG-2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼圖像，接收端圖像分辨率可到達720576或720480，碼流能夠在6M左右，接收后的圖像質(zhì)量接近DVD畫質(zhì)，完全能夠知足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等詳細的要求。2．1．4抗干擾性能優(yōu)越在復(fù)雜電磁環(huán)境中，COFDM具備優(yōu)異的抗干擾性能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號波形間的干擾性能優(yōu)越，通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。在單載波系統(tǒng)中(如數(shù)字微波,擴頻微波等)，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通訊鏈路失敗，但是在多載波COFDM系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分子載波會遭到干擾，并且這些子信道還能夠采用糾錯碼來進行糾錯，確保傳輸?shù)牡驼`碼率。2．2COFDM無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用采用COFDM技術(shù)的無線圖像傳輸方案，具有良好的非視距傳輸和高速移動傳輸性能，能提供DVD質(zhì)量的實時圖像和聲音。通過車載或便攜式設(shè)備可靈敏、迅速地將現(xiàn)場實況聲像直接傳輸或通過轉(zhuǎn)信臺、光纖網(wǎng)等傳輸回至指揮中心。設(shè)備可與其他微波、衛(wèi)星、光纖通訊設(shè)備組建遠距離鏈路，建設(shè)實用有效的圖像傳輸系統(tǒng)。COFDM技術(shù)的無線圖像傳輸設(shè)備主要應(yīng)用環(huán)境為：城市建筑物阻擋環(huán)境，樓宇之間，建筑物內(nèi)外，建筑物地下到地面之間;移動中使用;海上圖像、空中圖像傳輸?shù)取Ｊ菄鴥?nèi)公安、、武警、消防、人防〔民防〕、水利、海事、海關(guān)、廣播電視等行業(yè)在安全保護、野戰(zhàn)指揮、任務(wù)偵察、災(zāi)難救援、現(xiàn)場轉(zhuǎn)播等任務(wù)中急需的高性能無線圖像傳輸設(shè)備。3系統(tǒng)組成及應(yīng)用3．1系統(tǒng)組成無線圖像傳輸系統(tǒng)包括單兵前端、車載式接收機、車載式發(fā)射機、固定基站4部分組成。3．1．1單兵前端單兵前端能夠?qū)崿F(xiàn)的功能是，將現(xiàn)場圖像實時傳輸?shù)街笓]車，傳輸距離在通視情況下不小于2公里，具備雙向語音功能，頻點、功率可調(diào)，采用背負式構(gòu)造，機動性強。3．1．2車載式接收機接收單兵前端傳來的高清音視頻信號，采用COFDM正交調(diào)制解調(diào)技術(shù)，和高清H.264/MPEG2解碼技術(shù)，接收圖像清楚明晰實時穩(wěn)定。3．1．3車載式發(fā)射機將接入發(fā)射機的音視頻信號傳輸至基站接收機，功率可達10-20W，傳輸距離可達15公里，可傳輸DVD級別的圖像。在實際組織運用經(jīng)過中，可使用衛(wèi)星通信設(shè)備和視頻會議設(shè)備代替車載式發(fā)射機，經(jīng)過衛(wèi)星信道，將采集到的信息傳輸至指揮中心。3．1．4固定基站接收車載發(fā)射機傳送的無線音視頻信號，并通過會議室設(shè)備進行顯示。在實際使用經(jīng)過中，若使用衛(wèi)星信道傳輸信號，需使用視頻會議設(shè)備，經(jīng)過衛(wèi)星地面站實現(xiàn)前端音視頻信號的接收。3．2系統(tǒng)傳輸構(gòu)造根據(jù)系統(tǒng)傳輸構(gòu)造特點，能夠分為下面4類：點對點應(yīng)用，點對多點應(yīng)用、多點對多點應(yīng)用和多點接力。3．2．1點對點使用一套無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)，同一個前端發(fā)射系統(tǒng)和一個接收系統(tǒng)組成，這種應(yīng)用最為廣泛，大部分使用都是采用該構(gòu)造。3．2．2點對多點點對多點應(yīng)用一般有兩種方式：一發(fā)多收，即一點發(fā)多點收。其實這種方式為點對點應(yīng)用的延伸。一個發(fā)射前端只占有一個傳輸通道，接收系統(tǒng)由多個頻段接收機組成。多發(fā)一收。采用這種構(gòu)造，必須采用頻分方式，由多個不同頻點的發(fā)射機組成前端發(fā)射系統(tǒng)，而接收系統(tǒng)內(nèi)里必須能接收到不同頻段發(fā)射機傳回來的信號。3．2．3多點對多點多點對多點，指的是由多個不同頻點的發(fā)射前端和接收系統(tǒng)組成的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)比擬復(fù)雜，成本較高，一個中等以上的城市采用多點對多點的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，能夠?qū)⒍鄠€部門的圖像分享，傳輸多路圖像。3．2．4多點接力多點接力，指的是同多個不同頻點的發(fā)射前端和接收系統(tǒng)組成的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。合適、邊防武警等訓(xùn)練和實戰(zhàn)中的機動靈敏特點，將前方的圖像傳輸?shù)街付ê蠓浇邮盏亍?．3系統(tǒng)組織形式在實際演習(xí)經(jīng)過中，經(jīng)常將單兵無線圖像傳輸系統(tǒng)和衛(wèi)星通信結(jié)合起來使用。單兵無線圖像傳輸系統(tǒng)負責(zé)實現(xiàn)現(xiàn)場到指揮車的音視頻傳輸，衛(wèi)星通信系統(tǒng)負責(zé)建立通信車到各級指揮中心的通信。詳細根據(jù)工作方式能夠?qū)⑾到y(tǒng)分為以下兩部分:人到車和車到指揮中心。3．3．1人到車由工作人員攜帶前端設(shè)備，采用專用背架背負發(fā)射前端設(shè)備，將信號從各種現(xiàn)場〔建筑物內(nèi)，街道，廣場，戰(zhàn)場等〕傳到后方的指揮車，這種應(yīng)用方式主要是遭到發(fā)射機功率的限制，由于人員攜帶設(shè)備在功耗和功率上都必須降低要求，對發(fā)射機的供電和天線的長度以及設(shè)備的體積和重量都要綜合考慮，因而，傳輸距離在可視條件下不超過2千米。3．3．2車到指揮中心車到指揮中心，一般利用衛(wèi)星信道，衛(wèi)星通信設(shè)備安裝在指揮車上，接收系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星地面站，再通過地面站參加通信專網(wǎng)，進而實現(xiàn)現(xiàn)場與各級指揮中心的互聯(lián)互通。利用車載視頻會議設(shè)備，可參加專網(wǎng)視頻會議系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場音視頻信號與各級指揮中心的雙向通信。由于采用專用衛(wèi)星通信信道，帶寬可達2M，且不存在建筑物阻擋等限制條件，其覆蓋范圍大大提高，有效地提高了保障效率。4結(jié)束語。黃河素有懸河之稱，河床普遍高于兩岸地面4～6米，黃河山東段兩岸堤距上寬下窄，河道縱比降上陡下緩，排洪能力上大下小,防汛壓力大，針對山東黃河防汛工作整體要求和信息化建設(shè)現(xiàn)在狀況，充分運用當(dāng)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、當(dāng)代通信技術(shù)，建立科學(xué)、高效的防汛指揮系統(tǒng)，提高音視頻信息采集、傳輸、處理和防汛調(diào)度決策的實效性和準(zhǔn)確性，逐步構(gòu)成連接各地區(qū)和各專業(yè)應(yīng)急指揮機構(gòu)、統(tǒng)一高效的應(yīng)急平臺體系，實現(xiàn)對黃河防汛工作的優(yōu)化配置和科學(xué)管理。以下為參考文獻：［1］郭東明,王才,王教河.對防汛決策支持系統(tǒng)建設(shè)的總體思路[J].東北水利水電,2000(18).［2］張永,孫建奇,趙如林.黃河防汛決策支持系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)加強的幾個方面[J].人民黃河,2002(5)