不同应急作战场景下单兵移动视频传输方案的选择

2018-03-14郭星煌

中国人民警察大学学报 2018年2期

郭星煌

(厦门市公安消防支队，福建厦门 361012)

近年来随着经济建设的迅猛发展，自然、公共卫生、社会安全、暴力恐怖等各种灾害、事故频发，应急救援面临着救援多样性、事故突发性、任务复杂性等特点[1]。在此形势下，加强应急通信保障能力建设，对于应急抢险救援显得尤为重要。单兵移动视频传输作为一种近年来新型的信息获取手段，逐渐在作战中得到广泛应用。

1 单兵移动视频在应急救援中的优势

单兵移动视频传输可在第一时间获取灾害现场的图像，为作战决策提供最直观的依据,近年来在作战中得到广泛应用，其优点包括[2]：

1.1 可实时对应急现场进行监控

单兵移动视频传输可以实时跟踪记录应急救援现场的实时图像，并通过无线链路将实时视频传输到应急指挥车和应急指挥中心，第一时间为应急指挥员提供实时、准确、直观的现场情况，使作战决策者能够在短时间内掌握现场的情况，并实现作战方针的快速制定，大大提升了应急救援部队对突发事件的响应速度。

1.2 部署方便机动灵活

单兵移动视频传输利用无线传输的方式实现对现场的视频监控。其设备小巧便携，无需进行预先架设，具备机动性好，快速展开的优点，能够充分满足应急救援的需要。同时，单兵移动视频传输可灵活地对现场进行多方位、多角度的拍摄，解决了传统有线视频监控系统不能移动、可视范围小的不足。

1.3 资料可留存

单兵移动视频传输可以实时记录现场的视频，并通过无线链路传输到后方。该视频图像可以方便地备份到计算机上，以备后期查看调用，为战评总结、案例分析提供有力支持[3]。

2 现有的单兵移动视频传输方案

2.1 单兵COFDM无线图传系统

COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种使用前向纠错编码的OFDM传输技术，它将信道分成若干正交子信道，将高速(宽带)数据信号转换成并行的低速子数据流，调制后在每个子信道上进行传输[4]。它同时利用循环前缀减少子信道的载波间干扰以及码间干扰，其相比传统单载波技术具有较强的抗多径干扰能力，适用于山地、森林、城区等复杂环境下宽带无线通信。

单兵COFDM无线图传系统通常由图像采集设备、视频编码器、COFDM发射机、COFDM接收机以及视频解码器构成，如图1所示。

图1 COFDM无线图传原理框图

其中视频编码器、COFDM发射机通常集成为一个单兵便携设备，由应急救援人员背负携带进入应急区域。通过DV拍摄的画面经过压缩、编码，并通过COFDM调制为无线信号。后方的COFDM接收机接收到无线信号后通过解调、视频解码，恢复出拍摄的视频图像，从而完成对现场状况的实时监控。

利用现有的COFDM无线图传系统，通过UHF频段进行传输，通常可实现700～1 200 m左右的视距传输距离(天线离地面约1.6 m)。它能够在不依赖现有基础网络的基础上，实现稳定、可靠的视频传输，具有延迟小、图像质量好等优点。由于人员携带的设备在功耗和功率上都必须有所控制，对发射机的供电、天线的长度以及设备的体积和重量也要综合考虑，因此单兵COFDM图传系统的发射机功率通常小于5 W，导致COFDM传输距离受限。

2.2 单兵4G无线图传系统

单兵4G无线图传[5]属于无线图传设备，它利用移动通信运营商架设的基站进行数据传输。随着网络的发展，目前4G网络的传输比3G网络效率更高，速度更快，成本更低，因此现有基于公网的无线传输均以TD-LTE/FDD-LTE等4G技术为主。图2给出了典型单兵4G无线图传的系统框图。它由前端的视频编码器、4G通信模块，中间的基站和核心网，以及后端的视频服务器构成。通过互联网，拥有权限的用户可以在任何地方对前端的视频进行实时监控，这大大提高了指挥控制的灵活性。

各大运营商在各城镇建设了大量的基站，并进行了大量的网络优化，这使得移动公网具有较好的信号覆盖率以及较高的传输速率，因此单兵4G无线图传得到了广泛的应用。单兵4G无线图传的主要缺点在于，当发生紧急事件时，运营商基站有可能会损坏或者被临时关闭，这会导致4G无线图传设备瘫痪。除此之外，在偏远的山区，没有进行运营商信号覆盖的地下室、隧道，单兵4G无线图传设备也会面临无法使用的问题。

图2 单兵4G无线图传系统框图

2.3 单兵自组网无线图传系统

单兵自组网无线图传是近年来兴起的新型无线图传系统，可以看成单兵COFDM无线图传系统的重大改进。一套单兵自组网无线图传系统通常包含多个自组网无线图传设备，每个设备称为“节点”。这些“节点”具有相同硬件结构、软件程序，使用时可不做任何区分。有别于单兵COFDM无线图传系统简单的“点对点单向通信”模式，自组网无线图传系统支持网络双向通信。单兵自组网无线图传系统节点开机后可以自行组网，在通信过程中，网络可自动进行数据的多跳转发，如图3所示。

图3中节点A与节点E并不在通信范围内，但是节点A发出的数据可通过B、D的转发到达节点E，并且这里的转发路径是由网络自动选取的，无需人工干预。自组网无线图传系统具备的多跳传输能力可大大提高传输距离，这突破了传统COFDM无线图传系统的距离限制。同时，自组网无线图传系统可以不依赖于移动通信运营商基站等固定设施，可实现全天候、各地域及各场景下的通信，特别适合于应急救援的应用。

图3 自组网无线图传系统的多跳传输

2.4 其他单兵图传系统

除了上文提到的单兵图传系统以外，市面上还有基于卫星通信链路的图传系统[6]、通信导向绳图传系统[7]、采用UWB的宽带图传方案[8]等等。这些系统要么不适合单兵便携、要么技术不甚成熟，因此本文不再展开讨论。

2.5 现有单兵移动视频传输系统对比

表1对比了现有的单兵移动视频传输系统，可以看出单兵4G图传与自组网图传各有所长。在运营商网络覆盖较好的区域，单兵4G图传有着较好的性能及传输距离的优势，并且价格低廉。而在紧急情况下运营商网络瘫痪，或者运营商网络覆盖不好的区域(山区、地下室、隧道等)，单兵自组网图传则体现出其独特的优势。

表1 现有图传系统对比

3 不同作战场景下单兵移动视频传输方案选择

通过上文对现有的几种无线图传系统的对比，单兵4G图传与单兵自组网图传在应用方式上具有强的互补性。单兵4G图传适用于运营商网络覆盖较好的场景，而自组网图传则在无基础设施的场景下具有不可替代性。以下讨论几种典型作战场景下的单兵移动视频传输方案的选择。

3.1 城市建筑的应急救援

城市中运营商移动网络覆盖通常较好，只要不发生大规模的火灾、地震等情况，利用单兵4G图传系统对灾害现场进行侦查和评估是较好的选择，如图4所示。

图4 单兵4G图传系统在城市建筑应急救援中的应用

作战人员可以携带4G图传设备靠近或者进入灾害现场，打开视频采集设备(DV、头盔摄像头等)，利用运营商的4G网络将编码后的图像实时发送到公网视频服务器。这时前线的指挥车、后方的指挥中心可以对灾害现场进行监控，实现精准的作战指挥。

3.2 地下场馆的灭火救援

正常条件下，地下场馆(停车场、地铁、地下商场等)具有较好的移动通信运营商信号覆盖，这是因为运营商利用直放站、泄露电缆等设备对地下室进行了信号覆盖的优化。地下室一旦发生火灾等应急事件，这些设备的电源可能被破坏或者切断，地下场馆就成为了4G通信盲区。这时利用4G图传设备深入地下室进行视频采集不再可行。地下场馆通常结构复杂，结构封闭，墙体众多，这对无线电传播造成了很大的障碍。传统的COFDM图传在这种环境下，距离将严重受限，甚至小于几十米。在这种环境下，利用单兵无线自组网的多跳网络传输对地下场馆进行信号覆盖就成为了惟一的选择。

如图5所示，作战人员携带多台自组网图传设备(节点)进入灾害现场，一旦检测到自组网信号弱，就地放置一个节点。利用节点的接力传输特性，作战人员可进一步推进，最终接近目标区域。作战人员打开视频采集设备，将实时视频传输至指挥车，同时利用指挥车上的其他通信手段，视频还可以进一步传输到后方的指挥中心作为作战决策的依据。

3.3 偏远山区的地震抢险

当偏远山区遭受到强震灾害后，水、电、网络通信设施均被破坏。在此恶劣条件下，重建通信网络相当困难。利用北斗一代卫星的短报文功能，可以实现小数据量的通信。除此之外利用卫星通信技术，可实现较大带宽的数据传输。但是受制于卫星的资源，难以支撑大量用户的使用。利用单兵无线自组网的多跳网络特性，可以在山区进行网络的快速部署，解决一定范围内的通信指挥问题，如图6所示。首先优先选取几个较高的山顶作为自组网图传设备(节点)的架设位置。在空旷架高区域，自组网节点之间的直接通信距离可达10 km以上，这可以在一定的区域保障自组网信号的覆盖效果。作战人员在这个区域内的任何地方，都可以将实时视频传输到指挥车上，保障抢险救援高效有序地进行。