新一代训练场区无线视频监控系统的研究

谢家林，管 鲍，张文健

（1.中国人民解放军68006部队，银川 750000；2.海能达通信股份有限公司，南京 210012）

1 引言

军队的常规训练和演习任务越来越趋近实战化，实战化任务中的语音、视频以及其他各种数据交互频繁、数据量大、实时性高，对训练场区无线通信保障的要求也越来越高。大数据量、高实时性的无线视频监控业务是可视化指挥调度和后勤保障的基础。因此，复杂环境下无线视频监控技术和系统一直都是学术界和产业界研究的热点。与传统的民用无线视频监控业务不同，训练场区的无线视频监控具有如下特点：一是业务需求：训练场区的监控点较多，视频回传的路数较多，要求系统具有较大的上行传输容量和较高的实时性；二是覆盖需求：训练场区地形复杂，应用场景多样，包括平原、山区、丘陵等多种地域以及隧道、丛林等不规则场景，要求系统具备较强的覆盖能力以及较为灵活的组网能力；三是频谱需求：训练场区的电磁环境复杂，不同系统之间的干扰司空见惯，各种无线传输系统应具备较强的抗干扰能力，对宽带无线传输系统提出了较高的挑战。

当前，训练场区无线视频监控业务存在以下几种主要的解决方案：一是早期的微波图传系统：该系统采用模拟技术，系统相对简单、稳健，点对点单向回传为主，符合视频监控业务需求特点，但是系统的频谱效率太低，所需工作带宽较大，抗干扰能力较差，已经不适合当前复杂环境下的大容量视频监控业务；二是传统的COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，编码正交频分复用）图传系统：该系统采用数字技术和OFDM调制技术，相对模拟调制能够明显提升频谱，效率，但是更多应用在自组网模式下，缺乏蜂窝组网和跨区切换的能力，多跳模式下有效吞吐率严重受限，而且与主流的3GPP技术体制差异较大，缺乏统一的标准和完善的产业链，技术演进相对困难，也不适合当前以及未来视频监控业务的要求；三是4G LTE专网：该系统采用3GPP标准，产业链相对成熟，但是主要以下行业务为主，上行回传能力较弱，应用于大容量视频回传业务时需要较宽的频谱资源，抗干扰能力不足；蜂窝组网能够提升系统容量，但是缺乏自组网的灵活性；此外，该系统还要承担战场导调业务，导调业务具有用户容量大，上、下行业务容量相对均衡的特点，因此在同一张网络下很难再兼顾无线视频监控业务。未来5G系统主要还是部署在高频段，也很难适应广覆盖的要求，但是5G中的一些先进技术还是能够应用到训练场区无线视频监控系统之中。

面对新形势下实战化军事训练和演习任务的要求，需要利用业界最新的技术，积极探索新的无线视频监控方案，研制适合实战需求的训练场区无线视频监控系统。

2 无线视频监控网络架构

针对上述训练场区无线视频监控的特点，一方面要保证系统的上行回传容量，另一方面又要保证系统组网的灵活性，我们建议新的无线视频监控系统采用如图1所示的网络架构。

在蜂窝网络架构的基础上，新的系统在蜂窝接入层下增加了ProSe（Proximity Service，邻近接入）层。ProSe是3GPP针对公共安全等业务特点在R12版本中新增的功能，并且在后续版本中不断完善，已经成为5G系统的主要功能之一。利用D2D和自组网技术，ProSe支持宽带终端的脱网直通、自组网以及多跳桥接等功能，与蜂窝网络结合应用，能够方便地对蜂窝网络进行补盲或者临时的覆盖延伸，避免新增基站的麻烦，显著提升了网络的灵活性和性价比。

图1 新一代无线视频监控网络架构

蜂窝接入层和ProSe层可以采用同频或者异频两种配置方式。同频配置方式比较复杂，需要两层子网之间时间同步、帧同步，而且需要协商好带内空口资源的分配。异频配置方式则相对简单，蜂窝层需要保证系统整体的传输容量，因此分配较多且固定的频谱资源，ProSe层一般临时使用，传输容量相对较小，可以使用较少且零散的应急频谱。针对训练场的实际情况，建议初期采用异频配置方式，随着技术的演进，逐步支持同频配置方式。

新一代无线视频监控网络架构能够较好地兼顾系统容量和灵活覆盖，训练场区大部分区域通过蜂窝模式覆盖，确保系统容量满足业务需求，蜂窝小区很难覆盖的盲区，或者覆盖成本较高的区域，可以采用ProSe模式进行延伸覆盖，从而提升整个系统的组网灵活性，节约成本。

3 无线视频监控关键技术

在新一代无线视频监控网络架构的基础上，针对训练场区的实战需求，一些关键的技术和功能需要重点考虑。

3.1 上行调制方式

4G LTE系统下行采用OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，正交频分复用多址）调制方式，上行则采用SCFDMA（Single Carrier Frequency Division Multiplexing Access，单载波频分复用多址）调制方式。上行采用单载波调制方式主要是为了降低终端的功耗，延长终端待机时间，但同时也牺牲了无线链路的性能。单载波调制方式要求终端的资源分配必须是连续的，即连续的若干个子载波，而且信息比特会调制到所有的子载波上，当任何一个子载波由于多径衰落而被影响的时候，理论上会对所有的信息比特都产生影响，从而降低信道解码的纠错性能。图2是两种调制方式在典型衰落信道下的性能对比，理论上SCFDMA调制方式会有3dB的链路性能损失。

图2 OFDMA和SC-FDMA的性能对比

另一方面，SC-FDMA调制方式无法进行颗粒度更细的频选调度，因此对于带内的窄带干扰抑制就没有OFDMA调制方便，后者支持非连续资源分配，通过小颗粒度的频选调度方法就可以较为容易的避开窄带干扰。在5G新空口标准中，上行链路增加了OFDMA调制方式，在不同的应用场景下，提供了增强上行性能的途径。由于训练场区视频监控业务对上行链路的性能、容量以及抗干扰能力都具有较高的要求，因此我们建议新系统中的上行链路可以按照5G标准增加OFDMA调制方式，根据具体情况可以灵活选择不同的调制方式。

3.2 降低峰均比技术

如前所述，如果上行链路采用OFDMA调制方式，需要采用相应的技术降低峰均比，从而降低终端设备的整体功耗。

简单的方法是直接在终端设备上采用下行链路的CFR（Crest Factor Reduction，波峰因子降低）技术，在2K子载波的配置下，可以将峰均比控制在7dB左右，这种方式对于车载大功率终端或者CPE设备是比较适用的。对于手持类的终端，需要在终端芯片内增加CFR功能，或者外置一个专用芯片实现CFR功能。CFR功能相对成熟，实现难度并不大，关键是要对现有终端架构进行一定的调整。

3.3 抗干扰技术

在训练场区实战任务中，各种设备种类繁多，电磁环境尤为复杂，很难找到完全没有干扰的频段使用。对于各种系统，需要提前划分好工作频段，尽量避免相互干扰，但是在实际应用过程中，还是要求无线通信系统能够具备以下的一些抗干扰能力：

（1）动态频谱扫描和频点配置。通信终端应具备实时扫描电磁环境的能力，并且将扫描结果上报给网管，由网管根据现场电磁环境动态决定工作频点，并通知基站和终端进行相应频点的配置，尽可能避开较强的干扰。

（2）频率选择性调度。即使系统能够动态配置频点，避开较强的干扰，但是在工作频段内仍然会存在一些窄带干扰。对于这些带内的窄带干扰，可以通过频率选择调度算法进行规避，对存在干扰的子载波不进行调度，采用5G新波形对存在干扰的子载波进行滤波，进一步减小窄带信号对有用信号的干扰。OFDMA调制方式支持离散的子载波调度，频选调度的颗粒度会更小，相比SC-FDMA调制方式，更容易通过频选调度的方法来规避窄带的干扰，保证空口资源的利用率，如图3所示。

图3 频选调度灵活性比较

（3）大功率终端。增加发射功率是抵抗干扰最直接的方法，大功率终端设备在抗干扰领域的重要性不言而喻。但是，并不是所有的终端，任何时刻都需要发射大功率，因此建议对于车载、机载类型终端，可以考虑采用外置功放，当存在干扰的时候，临时使用外置功放增加原有终端的发射功率，从而提升终端侧的抗干扰能力。

此外，还有一些常用的抗干扰技术，比如扩频技术，跳频技术等，也可以与上述的一些功能配合使用。

3.4 上行容量增强技术

20MHz TD-LTE系统的上行平均吞吐率一般为20Mb/s左右，频谱效率只有1b/s/Hz。对于训练场区多点、高清视频回传业务，这个频谱效率略显不足，考虑在移动环境下的多径衰落影响，或者较为复杂的电磁环境下的干扰，TD-LTE系统的实际回传容量还会进一步降低。因此，在新的无线视频监控系统中考虑如何进一步提升回传容量和能力是非常有必要的。

（1）增加帧结构的灵活性。在现有TD-LTE帧结构的基础上，新增一些上下行子帧配比模式，进一步提升上行子帧在空口资源中的占比，增加系统的回传容量。进而，遵循5G软件定义空口的思想，采用新波形增强子载波间隔、传输带宽等空口波形参数配置的灵活性，从而适应不同业务和场景的需求，兼顾传输能力和覆盖距离。（2）上行MIMO技术。MIMO技术能够有效提升传输容量，但是在空间复用模式下，一般都要求天线之间通过一定的空间距离或者极化模式保持无线信道之间的正交。手持设备不太适合配置上行MIMO功能，特别是低频段应用中，但是对于车载、机载以及CPE等大功率终端设备是可以配置MIMO功能，提升上行回传容量的。考虑到覆盖的要求，训练场区无线视频监控系统多采用1GHz以下的低频段，因此建议单个终端最多配置2根天线，节省天线安装的空间。另外，对于相对固定安装的CPE设备，可以考虑采用虚拟MUMIMO的方式，进一步提升系统回传的频谱效率。

3.5 自组网技术

ProSe功能能够显著提升新的无线视频监控系统的组网灵活性，扩展实战应用场景。作为ProSe功能的关键技术，宽带自组网技术具有非常重要的地位。自组网技术起源于军事战术通信应用，2000年转为民用之后，一直缺少统一的技术体制和标准，至到2013年，3GPP为了满足公共安全等行业的特殊需求，在R12版本中开始增加宽带终端直通功能，定义了sidelink空口规范，并且在后续的版本中不断完善规范，扩展应用场景。

Sidel in k空口规范定义了宽带自组网的帧结构、物理信道与信号，以及同步、接入和数据传输等基本的流程，对终端之间的相互发现、同步、功率控制等关键技术给出了明确的指导建议，有力地促进了3GPP技术体制的宽带自组网产业的发展。3GPP技术体制的自组网产品能够非常方便地与蜂窝网络相互融合，能够灵活扩展蜂窝网络的覆盖区域，适应更多的非规则应用场景，在脱网的情况下，终端之间能够自组成网，提升系统的健壮性。

3.6 无线视频传输跨层优化

无线空口资源是有限的，在无线回传能力受限的情况下，需要将信源编码技术与无线信道传输技术结合起来进行优化，从而进一步提升业务的容量和质量。

对于无线视频传输业务，视频编码的参数需要自适应于无线信道的实际状况，编码的策略需要综合考虑每路视频承载的优先级和QoS（Quality of Service，服务质量）等因素。具体而言，无线视频监控系统需要具备以下机制。

（1）端到端的QoS保障机制。当多路视频业务并发的时候，系统能够为每路视频建立独立的业务承载，每个业务承载能够根据业务类型、用户优先级等因素配置不同的QoS等级，实现差异化的质量保障。QoS等级的定义最好能够遵循3GPP的规范，便于和其他3GPP网络实现业务互联互通。端到端的QoS机制对于系统的资源调度算法要求较高，实际调度的时候，需要综合考虑流量、时延以及误码率等多方面的因素，确保业务质量能够得到保障。

（2）信源、信道联合编码机制。系统能够实时监测并预测每个视频监控终端的无线回传容量，并且将预测结果实时提交给视频监控业务服务台。服务台根据这些预测结果，结合视频业务的QoS，实时调整监控终端的视频编码参数，适配无线信道的实时状态。这种信源、信道联合编码机制能够有效地避免系统性业务拥塞的问题，即信道质量较差的终端抢占了大部分系统资源，从而造成信道质量较好的其它终端业务受到影响。

4 总结和展望

军事训练和演习任务越来越趋近实战化，作为最直接的态势信息，现场视频信息需要及时回传到指挥中心，供调度决策。现有的一些无线视频回传技术和方案很难满足训练场复杂环境下的大容量视频回传业务，必须采用新的技术和方案来满足当前以及未来训练场视频回传业务的需求。

为了兼顾系统容量和组网的灵活性，新的无线视频回传系统应该在传统的蜂窝网络架构上增加自组网的功能，即3GPP定义的ProSe功能。在新的网络架构下，需要从多方面考虑如何提升上行链路的质量、传输能力和抗干扰能力，通过自组网技术提升系统的组网灵活性，适应不同的场景需求，在无线传输容量受限的情况下，通过联合信源、信道编码技术进一步提升系统业务的容量和质量。新系统的技术体制需要遵循3GPP主流技术体制，从而共享成熟的产业资源。

下一步工作将对本文提出系统架构和关键技术进行实际测试，验证新的无线视频传输网络架构和关键技术在复杂训练场环境下的实战效果，从而逐渐完善整个系统和方案，为当前以及未来训练场信息化建设提供更加可信的指导。