应急领域中基于COFDM的无线传输系统研究和应用

李德伟

(海军参谋部 军事训练中心，北京 100841)

0 引言

提升应对各类突发公共事件、自然灾害等的综合响应处置能力，实现应急指挥调度智能高效快捷，需要构建立体、高效和多手段的宽带通信系统，为信息获取、指挥决策、情况处置和事后总结等提供可靠支撑。由于各类事件发生现场环境各异，移动无线通信信号传输条件复杂，不同程度地存在多径干扰、信号衰减严重和时延大等问题，传统的通信传输手段可承载的数据速率较低且带宽较窄，已难以满足应急事件处置中音视频等各类信息高速、宽带无线传输的业务需求[1]。

随着信息技术的快速发展，无线通信系统正在由窄带、低速向宽带和高速方向加速转变，新兴技术的发展为无线视频传输提供了坚实的理论基础[2]。相比普通信号传输内容，高清图像传输具有如下特点：① 数据传输量大，高清视频传输速率在2 Mbps左右，而文本/语音的速率需求在128 kbps左右；② 时延低，确保图像画面实时、无卡顿传输；③ 传输距离较远，特别是在诸如海防等应急专网领域。

针对高质量图像无线传输需求的日益增长，COFDM的出现真正解决了移动高质量图像传输的难题，该技术是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术之一[2]。COFDM利用多载波数字通信调制技术，真正实现了“有阻挡、非通视和高速移动条件下”的宽带高速传输。

近年来,应急指挥通信在防空防灾一体化中的建设不断发展,其作用和地位有了显著提高,为了更好地适应现代战争和社会的需要,更好地承担起保护人民生命财产安全和服务社会发展的使命,全国人防系统相继建设了固定指挥中心和机动指挥系统,COFDM无线图传在人防应急指挥通信系统中得到了广泛的应用[3]。

为满足应急领域中实时高清图传大速率、广覆盖、高可靠和低时延的需求[4]，提出了基于软件无线电平台的COFDM无线图传系统设计，通过对COFDM技术基本原理的分析和技术特点归纳整理，深入研究COFDM技术在应急专网通信领域的广泛应用。

1 无线视频传输技术研究现状

目前，高质量图像传输基本以MPEG-2格式为主，通常会采用模拟微波、WiFi等传统无线通信技术手段进行信号传输，虽然传统无线通信技术应用广泛，有诸多优势，但局限于直视视距或者定向信号传输，导致在应急专网领域中的移动场景应用中很受限制，无法真正起到安防保障的作用，不能解决用户的实际使用需求[5]。

随着数字电视的广泛普及使用，COFDM技术得到诸多通信领域专家的分析、使用和研究。相对于其他传统无线传输通信系统，COFDM技术优势明显。首先，其传输具有较强的穿透力[6]，不受限于视距或者定向传输，适用于密集城区、一般城区、郊区、乡村、山地、林地和海面等通用无线传输通信场景，实用性强；其次，COFDM的传输速率一般大于4 Mbps，能够满足高清视频业务的实时传输，使用体验效果好；最后，具备移动性，可以满足用户在动态场景中正常视频通信需求，稳定可靠[7]。

2 COFDM技术分析

COFDM是信道编码技术和OFDM技术相结合的产物，能够在无线环境中实现高速传输。其基本原理是将高速数据流经过串/并转换调制成M路并行子载波，然后将M路相互正交的子载波调制相加得到最终发射信号[8-9]。通过串/并转换操作使得每一路子载波的符号持续时间增大约M倍，使其明显大于信道时延扩展，这样既可保证信号几乎不会受到符号间干扰的情况下也能通过子载波间正交性提升信号的抗干扰能力。为了解决信道传输中的平坦衰落问题，COFDM通过信道编码技术，采用在时频域信息扩展思想，即传输时每个单元码信号的衰落可以被认为是统计独立的，从而消除了平坦衰落和多普勒频移的影响[10]。

COFDM通过如下技术手段可以完全消除符号间干扰、频率干扰和降低噪声干扰。① 在COFDM符号起始位置插入保护域，即可完全消除多径时延扩展带来的符号间残余影响；② 采用频谱插槽方式消除频率间干扰，实现频率间分离调度；③ 利用信号编码和信息交织技术共同处理噪声干扰，降低信号传输的误码率。

经分析总结，COFDM系统具有数据传输速率大、抗衰落能力强和频谱利用率高、抗符号间干扰能力强、系统实现复杂度低的技术特点，利用这些技术特点，COFDM技术已经逐渐被广泛应用到安防、人防、消防和海防等重要领域应急现场的无线图像传输中，为应急救援提供更好的现场图像依据。

3 COFDM无线图传系统设计

主要基于COFDM技术完成无线图传系统设计，可以实现在复杂无线信道环境下高清图像的稳定可靠实时传输，无线图传系统框图如图1所示。

图1 无线图传系统框图

COFDM无线图传系统由信息采集单元、发射处理单元和接收处理单元组成。信息采集单元通过高清摄像头实时摄取图像，发射处理单元通过A/D转换器完成图像信号到数字信号转换，通过信源编码器完成图像视频MPEG-2编码[11]，通过COFDM调制板完成信号编码及正交多载波调制，通过上变频板、滤波器和功率放大器后，将基带信号转为射频信号在天线单元发射出去，接收机工作流程与发射机相反。

该系统核心是COFDM调制板，主要通过软件无线电技术实现[12]。在通用硬件平台上以可快速编程的DSP或FPGA为中心，通过模块化、标准化的硬件单元组合及配套软件开发而成。本平台采用的是高性能FPGA平台，可支持COFDM技术数据计算量大的特点，完成基带数字信号的调制解调和IFFT/FFT等相关复杂运算，实现数据的实时处理[13-14]。

本文所设计的COFDM无线图传系统与传统图传系统传输误码率对比如图2所示。

图2 COFDM无线图传系统与传统图传系统的误码率对比

从图2中的数据对比可知，本文所设计的COFDM无线图传系统可以有效地改善无线通信系统的编解码性能，BPSK，QPSK调制下均提高约3 dB以上。

4 应急专网通信领域应用研究

基于COFDM技术设计实现的无线图传系统可以应用在应急专网通信领域[15-16]。根据系统工作方式，可以分为如下几种应用方式。

4.1 人车间应用

无线数字图像传输系统使用时，由工作人员携带前端设备，即专用背架背负发射机，将信号从各种现场(建筑物内、街道、广场和战场等)传到后方指挥车的接收系统上。该应用方式主要受发射机功率、设备功耗和设备体积重量的限制，虽然传输距离较短，但仍能满足应急场景的使用。该应用适用于消防、救援等部门。人车间应用示意如图3所示。

图3 人车间应用示意

4.2 车车间应用

无线数字图像传输系统使用时，发射前端安装在机动车上，可以保持正常的供电系统，即提高发射前端的发射功率，同时车载收发系统均可以采用升降杆高增益全向天线，提高天线高度和信号增益，提升图像的传输距离。在城市环境中，存在建筑物等遮挡时，最小传输距离可达2 km，最大传输距离可达4 km；没有建筑物等遮挡时，车车间最小传输距离可超过5 km，最大传输距离可达7 km。该应用适用于军队、公安等部门。车车间应用示意如图4所示。

图4 车车间应用示意

4.3 车与指挥中心间应用

无线数字图像传输系统使用时，发射前端安装在机动车上，接收系统安装在指挥中心，类似车车间应用方式，但由于指挥中心有条件可将接收系统天线安装在较高的位置，这样可以大大提高图像传输距离。接收天线安装高度为100 m，有建筑物等遮挡时，无线数字图像实时传输距离可达5～10 km，最远传输距离可达20 km；继续提升接收天线高度到200 m，有建筑物遮挡时可传输20 km，若没有建筑物遮挡时，一般有效距离为50 km(视距传输)，最远可达100 km(理想情况)。该应用适用于公安、消防、人防和军队等部门。车与指挥中心间应用示意如图5所示。

图5 车与指挥中心间应用示意

4.4 人与指挥中心间应用

无线数字图像传输系统使用时，由工作人员携带发射前端，将现场信号从各种现场传到机动车上，由机动车充当中继系统，通过大功率发射机将信号转发到指挥中心，从而极大地改善人车应用传输距离，便于在指挥大厅实时操控远距离的现场应急情况。该应用适用于公安、人防和军队等部门。人与指挥中心间应用示意如图6所示。

图6 人与指挥中心间应用示意

4.5 船/飞机与指挥中心间应用

无线数字图像传输系统使用时，发射前端安装在舰船或飞机上[17-18]，接收系统安装在指挥中心，类似车与指挥中心间应用方式，但舰船海面开阔，飞机飞行高度较高，不容易受建筑物等的遮挡，且舰船和飞机的移动方向相对来说容易定位，结合指挥中心处天线的高位置和高增益可以显著提升传输距离。该应用适用于边防、军队等部门。车与指挥中心间应用示意如图7所示。

图7 车与指挥中心间应用示意

5 结束语

COFDM技术传输速率大，抗干扰性能强，能够在不断移动和非视距传输等复杂环境中实现高清图像的可靠稳定实时传输。基于COFDM的无线图像传输技术在应急通信中的应用可以弥补传统无线通信技术的不足，为应急通信中的固定指挥、移动指挥提供支持，满足通信稳定性和快速反应等方面的要求。通过对COFDM无线图像传输技术在应急通信中应用的深入研究，为实际工程的部署应用提供了参考，最大限度地发挥COFDM 的技术优势。