关于无线图像传输系统多基站切换技术的研究与实现

魏茂林，郑健智，任 聪，郭子健

（吉林省公安厅科技通信处，长春 130051）

关于无线图像传输系统多基站切换技术的研究与实现

魏茂林，郑健智，任 聪，郭子健

（吉林省公安厅科技通信处，长春 130051）

本文针对无线图像传输系统多基站的切换技术展开研究，提出一种基于多基站组网条件下的漫游切换模式，并以吉林公安无线图像传输系统建设为例，提供了无线图像传输系统系统多基站组网和终端无干扰自由切换的解决方案。

无线图像传输；通信；公安；切换；漫游

1 引言

近年来，随着我国“智慧城市”建设的全面兴起，无线视频图像采集和传输手段广泛应用于“智慧城市”各建设领域，而目前无线图像传输系统普遍采用的基站建设和组网模式，仅支持视频图像采集终端在对应基站的信号覆盖有效范围内使用，不能有效支持终端的跨基站、跨区域灵活迁移、全网漫游、即时畅通，一定程度上制约了无线图像传输系统的作用发挥，研究探索新的基站建设和组网模式，解决视频图像采集终端全网漫游问题，已成为现阶段深入推进“智慧城市”建设的迫切需要。

2 研究对象

本文选择吉林省公安机关的无线图像传输系统作为研究对象。

2.1 研究对象概述

吉林省公安无线图像传输系统主要依托公安信息网，由省、市、县三级系统共同组成。视频图像采集终端包括单兵摄录设备、车载终端设备等，采用3G与4G移动通信技术，通过高点基站实现现场与各级公安指挥中心之间的图像、语音、数据等信息的实时传输。

2.2 研究对象具体应用情况

（1）省级指挥调度系统：搭建省级指挥调度平台，与市级、县级指挥调度平台联网。对本级及下辖市级、县级公安机关所有移动前端进行远程管理和指挥调度。

（2）市级指挥调度系统：搭建市级指挥调度平台，与省级、县级指挥调度平台联网，对本级及下辖县级公安机关所有移动前端进行远程管理和指挥调度。

（3）县级指挥调度系统：搭建县级指挥调度平台，能够与省级、市级指挥调度平台联网。对本级公安机关所有移动前端进行远程管理和指挥调度。

（4）市级固定基站：根据覆盖要求建设1～4个固定站，个别重点城市如长春建设14个固定站，实现对市区和部分重点防控区域的良好覆盖，覆盖率达到90%以上。

（5）县级固定基站：根据覆盖需求建设1个固定基站，实现对县区和部分重点防控区域的良好覆盖，覆盖率达到90%以上。

（6）移动前端：根据实际需求配置1个或多个移动多媒体车载台，配置在巡逻车、无线图传车上，用于采集视频的传输，所有移动前端可在各个基站间自动漫游切换。

（7）无线图传车：市级图传车主要采用简易车改方式，车载附属设备包括1套便携图传通信系统（单兵发射机或便携应急通信指挥调度系统）、1套无线图传发射系统（便携基站或移动前端）及1套供电系统，用于视音频采集传输、无线信号传输中继及供电等。

3 多基站组网设计

3.1 基站设计

公安无线图传系统，由全省统一建网，统一规划，其基站数量、终端数量较多。需要根据容量和覆盖需求，以及具体覆盖区域的地形地貌和电磁环境等条件架设多个基站，实现覆盖区域内的无缝覆盖。[1]采用SC-FDE（单载波频域均衡）、空间分集、TPC信道编码等核心技术设计并建设基站，克服了前端设备高速移动中产生的多普勒效应，使基站具备非视距、高速移动条件下的无线通信能力，单基站覆盖半径达5～50km。在实际应用中，在开阔地带，最大实测传输距离为130km，前端设备装载在时速达到350km/h的直升机、运输机上，系统仍能正常、稳定工作。

3.2 单基站/多终端同频组网设计

采用多基站同频/异频两种组网模式，所有基站均配置GPS授时器，实现全网收发同步，保证基站与基站之间互不干扰。[2]采用TDMA（时分多址）制式，在同频条件下，单基站可以与多个移动台实现双向通信。

⊙ 基站和所有移动台均工作在同一个频点，空中带宽2/4MHz。

⊙ 所有移动台共享上下行数据带宽，上行带宽最大4.3Mb/s，下行带宽最大1.2Mb/s，上下行带宽可根据实际需求实时调整。

⊙ 同时在线：单基站支持最多255个移动台同时开机在线。开机在线的移动台可上传定位数据，接收下行广播语音和数据。

⊙ 同时上传：在2/4MHz空中带宽条件下，单基

站可同时接收4/6路移动台的上传图像。

4 多基站组网漫游模式设计

为保障每个基站实现全网收发同步，基站与基站之间、前端与前端之间，互不干扰，终端开机后要先完成鉴权和注册过程，被授权的前端可以在多个基站之间漫游；终端关机时要执行终端注销过程。其多基站组网漫游切换策略分为：伪切换策略、同频切换策略、异频切换策略三种，不同的切换策略适合于不同的应用场景。

4.1 伪切换策略

伪切换主要应用于异频组网模式，通过手动控制终端设备的选频开关使之调谐到其它频率，从而完成终端设备在多个异频基站之间切换的过程。

4.2 同频切换策略

[3]在同频组网模式中，系统内所有基站工作在同一个频点。在频率资源有限时，可以采用同频组网切换策略，此时，所有基站和前端都工作在同一个频点，适用与系统基站数量较少、前端数目较少、基站之间交叉覆盖区域较小的情况。

4.3 异频切换策略

异频组网模式中，系统内所有基站配置两个及两个以上的频点。[4]相对于同频组网模式，异频组网模式可扩大系统容量，尤其在小区交叉覆盖边缘地带，交叉覆盖区域也为异频交叉覆盖，而终端只能使用一个频率进行无线电传输，对于另外一个频率没有任何干扰作用。相反，同频组网模式时，小区边缘都为同一频率，互相之间容易产生干扰，尤其是在小区边缘这种能量较弱的区域。

根据四色原理，全异频组网采用四个频点即可完成组网覆盖。但在实际应用中，通过恰当的网络规划和网络优化，采用三个或者两个频点即可完成异频组网应用。图1为三个频点异频组网频点划分示意图，理论上每个六边形区域代表一个基站的覆盖区域。通过网络规划和网络优化，使基站分布较为均匀，三个频点即可实现相邻小区的频点互不相同。因此在实际网络建设时，根据覆盖要求和基站具体分布情况进行网络规划和网络优化是极为重要的环节。

图1 异频切换频点划分图

采用异频切换的无线图传系统，多终端在多个基站之间可以自动漫游切换，无需人工干预。自动漫游指终端在待机状态下穿越不同的基站覆盖区，自动切换指终端在有业务状态下穿越不同的基站覆盖区，且业务不中断。

以一个终端为例，如图2所示。区域范围内有三个基站采用三个频点进行区域覆盖，频点分为为F1，F2，F3。基站分别为A基站（F1频点），B基站（F2频点），C基站（F3频点）。将覆盖区域分为7个分区，分别为1，2，3，4，5，6，7区。终端为车载台，从1区图示所在位置穿越至2区。

图2 一个终端的异频切换

下面依次描述在各个区域内终端所发生的状态和测量情况。

（1）1区内：终端同时测量频率F1，F2，F3，但是只能检测到A基站的F1频率有信号。此时，终端驻留在A基站上面。

（2）5区内：终端继续向前，进入5区。终端同时测量频率F1，F2，F3，可以检测到A基站的F1频率有信号，同时C基站的F3频率也有信号。此时，终端继续往前，如果F3的能量始终小于F1的能量，终端仍驻留在A基站上面。如果在某时刻，F3的能量大于F1的能量，终端发生切换，驻留在C基站，注意：此时，一定时间内，终端不能发生二次切换。过一定时间之后，终端会重新判断F3和F1的能量，哪个大就驻留在哪个基站上面。

（3）7区内：终端继续向前，进入7区。终端同时测量频率F1，F2，F3，可以检测到A基站的F1频率有信号，同时B基站的F2频率和C基站的F3频率也有信号。终端选择一个较大信号能量的基站进行驻留，如果和原驻留基站不一样，发生切换。

（4）6区内：终端继续向前，进入6区。终端同时测量频率F1，F2，F3，可以检测到B基站的F2频率有信号，同时C基站的F3频率也有信号。此时，终端继续往前，并判断F3和F2的能量哪个大，哪个大就驻留在哪个基站上面。

（5）2区内：终端继续向前，进入2区。终端同时测量频率F1，F2，F3，只能检测到B基站的F2频率有信号。终端智能驻留在B基站上面。

4.4 研究对象采用的切换策略

结合实际，吉林省公安无线图传系统采用同频＋异频两种切换策略：一是在规模不大且频率资源受限的县级城市采用同频组网方式；二是在地级市等大规模区域采用异频组网方式。

4.4.1 同频切换算法

当各县控制中心采用同频切换策略的时候，终端UE在注册成功的条件下，采用连续判定算法，即连续接收到N次记录不同MAC地址的小区配置广播信息，将自动切换到该小区上，具体过程如图3所示：

4.4.2 异频切换算法

在异频切换算法下，根据实际环境，可采用多种不同的切换算法，主要有以下5种：

4.4.2.1 信噪比切换算法

信噪比切换算法原理：当（测量到邻居小区的EBNO-当前所处基站的EBNO）＞（3db＋切换阈值*0.5）时，进行信噪比切换。

举例说明：我们从A站点（频点为332）向B站点（频点为324）移动，如果此时终端设备收到的小区测量信息B站点的EBNO是10，而当前基站的EBNO为5，系统通过计算满足信噪比切换机制的要求，随即切换到B站点，完成一次信噪比切换。

图3 同频切换过程

4.4.2.2 距离差切换算法

距离差切换算法原理：（当前基站的距离-测量基站的距离）＞（切换距离差）且（测量基站的信噪比＞当前基站信噪比）且（测量基站的功率＞当前基站的功率）时，切换到测量基站，如果有多个基站可供选择系统会切换到距离近的基站。

主要参数设置：切换距离差：15（经验值约等于0.5千米）

举例说明：终端设备从A站点移动到B站点，当测量到B（332频点）的距离为171，EBNO=8，信号幅度=26。而当前基站（A站点）的距离为191。EBNO=4信号幅度=23。系统通过计算，满足上述距离差切换触发条件，随即终端设备切换到B（332频点）上。完成一次距离差切换。

4.4.2.3 误码率切换算法

误码率切换算法原理：下行通过FACH下发业务时延调整的同时，下发正确数目统计，移动终端根据下发值，利用遗忘因子进行统计。通过小区测量信息下发切换参数，参数包括正确率门限。切换条件为，（正确数统计值≤正确率门限）且（新基站信噪比＞本基站信噪比）。目前正确率门限定为80。

举例说明：终端设备从A点移动到B点，通过测量消息我们看到当前基站332的正确率为80，并且B点（频点324）的EBNO=8＞A点（当前站点332频点）EBNO=6，满足误码率切换算法触发条件，终端设备切换到324频点的基站，完成切换。

4.4.2.4 信噪比＋距离差切换算法

信噪比＋距离差切换算法原理：当（当前基站的距离-测量基站的距离）＞（切换距离差）且（测量基站的EBNO＞（切换信噪比＋切换信噪比偏移量）时候，切换到测量基站上，当有多个测量基站满足切换条件时，选择距离最近的基站进行切换。

切换参数设置：切换信噪比偏移量：2（测量基站信噪比高于当前基站信噪比2dB）

举例说明：终端设备从A点移动到B点，通过查看测量信息我们看到，B站点（测量基站频点为336）的距离为162，EBNO=8。A站点（当前基站频点为324）的距离为191，EBNO=6。系统通过运算满足信噪比＋距离差切换条件，随即切换到B站点基站上，完成一次信噪比＋距离差切换。

4.4.2.5 采用遗忘因子的信噪比统计算法

遗忘因子是误差测度函数中的加权因子，引入它的目的是为了赋予原来数据与新数据以不同的权值，以使该算法具有对输入过程特性变化的快速反应能力。从小区配置信息中获得切换门限和遗忘因子，来进行切换算法，[5]该算法通过切换门限和后验检测能力降低了“乒乓效应”。

遗忘因子对系统的性能有很关键的作用，遗忘因子算法收敛速度快，适当的遗忘因子能够使系统较快达到预期目标；跟踪能力强，在随机输入函数中波动相对较小。

4.4.3 结论

在全省无线图传系统建设中，通过实测，采用遗忘因子的信噪比统计算法＋距离差算法可以很好满足实战需要，实现多基站组网和漫游的目标。

5 结束语

通过无线图像传输系统多基站切换技术、优化切换参数设置，保障了现场民警机动灵活的将采集的视频信息及时、不间断地回传至各级公安指挥中心，为构建扁平化指挥体系，服务各级领导指挥决策发挥了不可替代的作用。

[1] 彭木根．TD-SCDMA移动通信系统[M]．北京：北京邮电大学出版社，2010,30-67

[2] 毛京丽．数据通信原理[M]．北京邮电大学出版社，2000

[3] 毕光国．多载波调制技术．通讯学报，2001

[4] 张玉艳，方莉．第三代移动通信[M]．北京：人民邮电出版社，2009,55-101

[5] 李倩茹，王于丁，张晓芳．一种变遗忘因子RLS算法的分析与仿真[J]．现代电子技术，2008,45-46

北京市科协领导莅临卫星联盟考察调研

2017年1月12日，北京市科学技术协会领导莅临中关村公信卫星应用技术产业联盟（以下简称：卫星联盟）考察调研。北京市科学技术协会副巡视员陈维成介绍了北京市科协此次到访的目的，联盟理事长刘九如介绍了卫星联盟的发展情况及总体思路框架，卫星联盟研究部主任邵晓红具体介绍了卫星联盟的工作开展情况。在交流中，双方围绕如何为企业进行科技创新服务工作进行了探讨，均表示希望能够在这方面继续进行交流与合作并落到实处。联盟常务副理事长王冀昆、副主任于春全、牛晋及秘书长来春丽出席会议并发言。

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.004

TN92文献标示码：A

1672-7274（2017）01-0014-05