公安无线视频传输系统的研究

方伟杰，须晓仁

（上海市公安局，上海 210000）

1 公安无线视频传输发展历程

从3G 商用开始，公安部门在日常和应急工作中对移动图像和视频业务的需求逐渐增多。针对应急图像传输需求，无线电委员会2008 年颁布了333 号文件，将336–344 MHz 频谱划归公安、应急部门无线视频传输使用。在此基础上，公安部门于2011年颁布了《公安专用无线视音频传输系统设备技术规范》，通过“十二五”规划在全国范围内建设340 MHz 公安无线图传系统，为应急保障和日常警务提供了关键图像、和视频的传输、共享和综合利用的保障功能。

随着公网4G 商业应用的成熟，基于公网的无线图传技术在公安部门也得到了广泛的应用和发展。4G 图传设备日益成为公安无线视频传输不可缺少的一种手段。近几年，以无人机为代表的无人装备设备被广泛应用于社会各行各业，公安日常和应急工作中也越来越多地引入了无人设备，为了鼓励无人机以及其他航空设备在公安实战中的应用，无线电委员会将1430–1438 MHz 频段划归为警航视频图传专用频段，基于这个频段的警用空中图传逐渐将会成为公安部门非常重要的现场信息获取手段。

上述无线视频传输系统在公安日常和应急工作中发挥了重要作用，有效地解决了实战中的一些问题。未来，公安部门对移动视频业务的需求也会越来越高，下一代公安无线视频传输系统要求：一是深度融合原有公、专视频传输网络，构建公、专融合、天地一体化的无线视频传输体系，全方位地将现场态势信息及时、准确、安全和可靠地传输到各级指挥部门；二是利用新技术大幅大幅提升无线视频回传的能力，不断提升视频图像的质量和容量，更好满足公安实战要求；三是针对现场应急的随机性和突发性，提升现场应急通信网络的组网灵活性、使用便捷性，通信设备具备多种模式，灵活切换，平战兼顾。

随着无线通信技术、大数据以及人工智能技术的快速发展，上述需求能够显著提升公安应急处置、安全保障、案件侦破以及其他日常警务工作的效率。因此，加快公安部门现有无线视频传输技术的更新换代，深化现有网络之间的融合，构建“公、专融合”“天地一体化”“平战结合”的新一代公安无线视频传输系统是公安部门当前重要的任务。

2 新一代公安无线视频传输系统的架构

为了进一步融合已有的无线视频传输网络，新一代公安无线视频传输系统在公安视频专网中部署视频服务器，作为视频业务的网关，负责连接不同的视频传输网络，承担协议转换、视频分发、视频汇聚（多网同传）、链路切换（不同网络之间平滑切换）等必要功能，从而实现不同网络之间统一通信，如图1所示。

图1 新一代公安移动视频传输系统架构

现有的4G 公网图传网络可以逐步升级到5G 公网图传，而警航空中视频传输网络也可以采用4G 蜂窝网或者5G 自组网等技术，实现空地无线视频传输功能。相比之下，原有340 MHz 传网络的技术演进较慢，系统相对封闭，已经无法满足公安现阶段的实战要求，如不进行技术升级，很难与公网图传、警航空中图传网络实现深度融合。

在TD-LTE 成熟技术的基础上，新的340 MHz 传专网可以采用蜂窝架构来提升覆盖范围，同时通过小区分裂来提升整个系统的传输，容量终端在多小区之间平滑切换，不同地区的终端可以实现异地漫游。

另一方面，考虑现场应急通信的需求，新一代340 MHz 传终端应该支持宽带直通或者自组网功能。脱网直通和自组网是应急场景下非常重要的功能，从3GPP R12开始专门增加了宽带D2D、ProSe 等公安应用公共安全必要的功能。因此，在传统蜂窝接入层的下面，建议新增自组网接入层，在脱网情况下可以自组成网，或者通过多跳桥接的方式当终端不在蜂窝网覆盖范围接的方式扩展蜂窝网的覆盖范围，临时补盲，如图1所示。

3 新一代公安无线视频传输关键技术

利用新技术升级原有的340 MHz 传专网是实现新一代公安无线视频传输系统的关键，下面重点讨论升级340 MHz 专网所需的关键技术。

3.1 无线回传增强技术

4G LTE 系统下行采用OFDM 多载波调制技术，上行则采用SC-FDMA 单载波调制技术。单载波调制可以降低终端的功耗，但是也牺牲了回传的能力和容量，尤其是在多径效应明显的密集建筑区和移动环境下，4G LTE 的回传性能下降较为明显。图2仿真结果显示，在一般的衰落信道下，多载波调制相比单载波调制有3 dB 的增益，在移动环境下，增益扩大到5 dB，而在在MIMO 模式下，增益进一步扩大到6.5 dB。

图2 OFDMA和SC-FDMA的性能对比

采用5G 技术，新一代340 MHz 兆图传系统也应该允许终端采用多载波或者单载波两种调制方式，对于车台等功耗不敏感的终端设备，采用多载波调制方式，在有限的频谱资源上显著提升回传的能力。

3.2 宽带自组网技术

自组网技术起源于战术通信，尽管在公网中的应用和发展并不是太好，但是，自组网技术，尤其是宽带自组网技术在公安应急通信中具有非常重要的作用。为了满足公共安全的需要，3GPP 组织在R12版本中增加了终端直通和自组网功能，在sidelink 空口规范中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。

新一代340 MHz 无线图传专网应该采用3GPP 所规范的宽带自组网技术，提升终端组网的灵活性，进一步融合自组网和蜂窝网两种模式，灵活扩展蜂窝网络的覆盖区域，适应更多的非规则应急场景，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。

3.3 公、专融合技术

新一代无线视频传输体系中包含了公网和专网，两种网络各有特点，需要进一步深入融合，发挥出更大的作用。

（1）相互备份。公网和专网可以相互备份，即当一个网络传输数据时，另外一个网络也可以处于连接状态，监测正在传输数据网络的状态。一旦激活网络不能正常工作功能做，数据传输马上转移到备份网络，实现续传，减少业务中断的时间，如图3所示。公、专网相互备份可以提升数据传输链路的健壮性，对于关键任务具有重要的意义。

图3 互为备份模式

（2）绑定同传模式。公、专网也可以同时传输数据，从而提升无线链路的容量。公网的回传能力较差，专网可以将绝大部分资源分配给上行，作为公网回传的补充链路，这样既可以确保回传的容量，也可以节省公网传输的流量费。

图4 绑定同传模式

（3）多跳桥接模式。在公网覆盖的盲区，专网可以提供自组网的能力，通过多跳和桥接的模式延伸公网的覆盖范围，确保盲区能够临时覆盖。

图5 多跳桥接模式

4 关键技术测试结果

针对上述关键技术，特别是无线回传能力增强技术，在密集城区建设一个新型340 MHz 图传基站，对单个基站的回传容量进行实际测试。

基站采用336–344 MHz 频段，天线架高80 m，基站发射功率为2×20 W，采用3功分接三面定向天线，车载终端的发射功率为5 W。单基站的覆盖情况如图6所示，城区环境下，半径3 km 范围信号良好，平均回传速率稳定在24 Mb/s 左右。在3 km 范围内，均匀部署8辆车台，移动环境下实际测试12路高清视频同时回传，视频清晰流畅，测试结果如图7所示。

图6 信号覆盖图

实验数据显示新型340 MHz 图传系统的上行平均频谱效率达到3 b/s/Hz，而传统TD-LTE 系统的上行平均频谱效率通常只有1 b/s/Hz，回传增强技术是频谱效率提升的主要原因。

图7 12路视频上传

5 结束语

移动视频业务在公安日常与应急任务中的作用越来越重要，利用新技术，加快原有无线视频传输系统的升级，构建公、专融合，天地一体化的新一代公安无线视频传输体系是当前公安部门重要的任务。升级原有340 MHz 无线图传专网是融合的基础，利用无线回传增强、宽带自组网以及公、专深度融合等核心技术，重耕340 MHz 图传频谱，能够更好地与公网、警航空中图传网深度融合。初步的实验结果证明了这些关键技术的可行性、实用性和先进性。下一步还需要在规模组网情况下，进行更为全面的测试，加快完善新一代的无线视频传输系统。