无线图像应急系统建设方案

无线应急图像传输系统建设方案北京中网信安科技有限公司二○○九年三月第一章系统需求一、需求分析1、在事发现场或其他重要场合，单兵所采集的图像、现场声音可以通过无线通信的方式传送到一定距离外的通讯车；通讯车不仅可实时监控现场图像，还需要再通过无线信道将影音传送到远距离外的指挥中心。指挥中心可再将图像通过光纤通道或视频会议终端设备传送至上级指挥中心（可选）2、通信车向指挥中心传输的图像满足即时性要求，时延不超过40ms。3、根据对现场图像的分析、存储等应用需要，现场图像传输应具备高质量：图像的数字编解码应达到720*576或720*468分辨（即MPEG2编码广播级画质）；由于每辆指挥车需外挂五套单兵，考虑到干扰性和可实用性，图像传输信道速率应不大于4Mbps，图像传输延时应小于40ms。4、各事件发生地环境复杂，所以从拍摄的现场到通讯车，通讯车到指挥中心之间的无线图像及音频传输系统必须具备“绕射”“穿透”的能力，可以实现全向发、全向收的效果，才能满足应急通讯的灵活、机动、便捷、快速的应用要求。5、单兵携带的无线图像发射及语音传输设备应体积小、重量轻，可背负使用；指挥车一端的无线设备为标准机架式便于车辆安装。6、在应急事件发生时，现场可能同时需要在移动环境下对多个点进行视频采集，系统可以支持多点发射同时接收的能力。二、建设目标建设整个城市的无线信号覆盖，通信指挥车进入各区县后均可通过区县的接收利用光纤线路或视频会议系统传送至上级指挥中心。根据贵方要求，本方案分为三部分进行规划：其一为单兵至通信车传输系统，即使用单兵背负设备实现场AV信号的即时采集及传输；其二为通讯车至各指挥中心的即时图像传输系统；其三为各指挥中心至上级指挥中心的图像传输系统。三、主要技术介绍1、无线传输技术分析目前，无线图像传输所采用的技术体制可大致分为：模拟传输、数传/网络电台、GSM/GPRS、CDMA、数字微波（大部分为扩频微波）、WLAN（无线网）、COFDM（正交频分复用）等。应该说各种体制均有自身的特点。大体上：模拟传输是一种“古老”的技术，基本处于被淘汰的阶段，在此不再详细论述。GSM/GPRS、CDMA为移动通信公网技术，很成熟，但传输速率有限，保密机制不健全，受公共网络覆盖范围的限制，如建设专用网，其小区制覆盖将意味着极高的建设成本。数字微波（扩频微波）可以提供高速率链路，但均为单载波调制技术体制，仅仅在通视环境下应用，不能在阻挡环境中和移动中使用；目前该体制常采用压缩和传输分离的模式，压缩效率低，图像质量难以保证。且系统可靠性不高，很难实现保密。WLAN（无线网技术）发展很快，802.11b在物理层采用了直序扩频技术（DSSS），在理想的传输条件下，可以提供约5Mbps净速率，但其只能在通视环境下应用，不能在阻挡环境中和移动中使用。802.11a、802.11g在物理层采用了OFDM多载波调制，但载波数量较少，如802.11a为52个子载波，它们一般应用于办公室内无线局域网，用于室外需配置定向天线。从本质上讲，直序扩频技术是不支持移动和非视距传输的，而某些此类产品为什么宣称其具有移动性呢？这是因为他们无意或有意地混淆了数据传输和图像传输的不同概念。对于低速率的数据通信（如115.2Kbps），由于其码间距较大，多普勒效应对其造成的影响也就较小，在这种情况下，它可以表现出一定的移动性，但图像传输必须有一定的数据速率的保证（比如2Mbps），在这种速率下，其所谓的移动性也就彻底丧失。COFDM（正交频分复用）调制技术是最新的无线传输技术，它是多载波调制技术，子载波数量达到1704载波（2K模式），它真正在实际使用中实现了“抗阻挡”、“非视距”、“动中通”的高速数据传输（2-15Mbps），表现出卓越的“抗阻挡”性能；传输MPEG2质量图像，可以加密；安装应用便捷，可采用全向收发天线，无须寻找通视路由；装置在车、船、机等运动载体上，无须配备复杂、昂贵的伺服稳定系统。通过对以上业务要求的分析，我们认为，COFDM技术体制的设备能可靠、便利地满足演习训练中图像传输的需求。2、压缩技术分析MPEG-2的初衷是为广播级电视质量（CCIR6601格式）的视音频信号定义的压缩编码标准，但最终结果是成为了一个通用的标准，能在很大范围内对不同分辨率和不同输出比特率的图像信号进行有效编码。MPEG-2的编码技术主要基于两个概念：即时间相关性与空间相关性。所谓时间相关性指的是物体前后运动的连续性，因此利用前一次的动作可以预测下一次的动作；空间相关性指的是空间内相邻物体的色彩和亮度是一个渐变过程，而非一个突变过程。如果将空间每一点及时间上每一帧进行独立编码，虽然能够表达所有的信息，但是带宽非常大，几乎没有一样载体可以经济地传送这种信号；另一方面从信息学的角度来看，也包含着大量的冗余信息。数据压缩正是基于这样的角度，采用相应的编码方式将大量的冗余信息消除，保留有用的信息，有效节省带宽。MPEG－2技术综合采用了3大基本编码技术，即预测编码、变换编码和统计编码。压缩技术采用多种编码手段消除系统的冗余信息，归纳起来将有以下四个方面。①利用二维DCT减少图像的空间冗余度；②利用运动补偿预测减少图像的时间域冗余度；③利用视觉加权量化减少图像的“灰度域”冗余度；④利用熵编码来减少图像“频率域”上统计特性方面的冗余度；此外，MPEG－2在MPEG－1的基础之上扩充了“可伸缩性”和“可分级性”两个概念，所谓“可伸缩性”指的是对码流的一部分进行编码和对码流的全部解码获得的图像分辨率（或信噪比等）要低。MPEG－2所支持的可伸缩的视频编码方式共有时间、空间、信噪比及数据分割等四种。“可分级性”则是指在MPEG－2中用范畴（Profile）以及层次两个定义来描述不同的编码参数集。每个范畴是前一个的合集（Profile），层次则规定了空间和时间分辨率的上限。3、COFDM技术简介⑴什么是COFDMCOFDM（codedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing），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。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。编码（C）是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，它可将突发性误码进行分散处理，以确保整帧图像的正确传输；正交频分复用（OFDM）指使用大量的载波（副载波），它们有相等的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍；复用（M）指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上，形成一个频道。上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。（见图一）子载波频谱OFDM频谱图一：频谱图OFDM技术属于多载波调制（Multi－CarrierModulation，MCM）技术。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。OFDM技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。⑵COFDM技术应用于无线宽带传输的优点无线图像传输广义上属于无线宽带传输，大体了经历模拟、数字传输两个阶段。模拟图像传输因其多经干扰、同频干扰和噪声叠加，导致实际应用中图像传输可靠性和高图像质量难以保证，因此模拟图像无线传输在很多行业已基本被淘汰。随着图像编解码和无线数字调制技术的发展，无线数字图像传输成为目前的技术中坚。其基本结构均为视音频编码——无线信道数字调制——视音频解码，如图二：模拟视音频频源输入视音频频压缩编码无线数字信道调制模拟视音频频源输出视音频频解压编码无线数字信道解调图二：图像传输结构框图目前现有的无线应用中，视音频压缩编码以MPEG2/4、H.261/263等为主。其中高质量图像（标准PAL/NTSC制式或分辨率不小于700×500）一般以MPEG2编解码居多，也有采用小波编解码。其对应的无线传输按体制可以用微波（数字微波、扩频微波）、无线LAN（802.11FHSS、802.11(b)DSSS、802.11(g)DSSS/OFDM、802.11(a)OFDM）等技术实现。虽然，这些技术各有优势，但它们大多都存在共同的缺点，如通视传输、定向传输、不支持移动等，从而限制用户的应用，甚至无法满足部分用户最基本的需求。随着OFDM技术及组件的成熟，国外在无线图像上已趋于淘汰微波和跳频（FHSS）、802.11b直序扩频（DSSS）等方案，而采用COFDM技术的产品。COFDM技术应用于无线图像传输优点有如下方面：适合在城区、城郊、建筑物内等非通视和有阻挡的环境中应用，表现出卓越的“绕射”“穿透”能力。传统的微波设备，必须在通视条件（既收发两点之间必须无阻挡）下才能建立链路，所以使用中受环境制约，需要提前考察环境，拟定、实测收发点。即使成功“布点”，天线定向、线缆布置等工作也相当烦琐，不仅直接限制视音频频源的获取、传输，而且系统的可靠性、工作效率也大打折扣。COFDM无线图像设备则彻底改变了这种局面。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、建筑物内外等不能通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。其收发两端一般采用全向天线，无须预先“踩点”、“定向”、布设繁杂的视音频输入、输出电缆，视音频频源的采集端、接收端可根据现场情况及指挥/导演的要求自由活动。系统简单、可靠，应用灵活。适合高速移动中传输，可应用于车辆、船舶、直升机/无人机等平台。对于大多数行业而言，无线图像的一般应用模式是：视音频前端采集—接入点（车、船、机）--视音频处理中心。所以车辆、船舶、直升机/无人机等平台是系统非常重要的组成部分，其核心的功能之一就是实时接入前端的图像。微波（数字微波、扩频微波）、WLAN等设备因其技术体制的原因，无法独立实现收、发端的移动中传输。如应用到车辆、船舶上，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，且仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输。这样，其系统的技术环节多，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/无人机等移动平台上。不仅传输有高可靠性，而且对比以上的方案，由于无须再配置附加的“伺服稳定”装置，所以表现出很高的性价比。数据传输，速率一般大于4Mbps，满足高