基于4G移動通信技術(shù)的應急指揮系統(tǒng)

孫建國

【摘 要】利用高速發(fā)展的4G移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)應急指揮系統(tǒng)的視頻圖像、語音指令以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和雙向傳輸，為應急指揮系統(tǒng)的快速有效組網(wǎng)提供了一條新的途徑。系統(tǒng)針對無線信道特性采用了信道動態(tài)監(jiān)測、準可靠糾錯傳輸、自適應碼率調(diào)整、多信道網(wǎng)絡捆綁等自主研發(fā)技術(shù)，獲得了良好的應用效果。

【關(guān)鍵詞】4G移動通信 應急指揮 網(wǎng)絡捆綁

1引言

近年來，各種恐怖襲擊、自然災害、疾病疫情、惡性突發(fā)事件等給城市安全帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，從國務院應急辦到各地政府都在規(guī)劃如何通過現(xiàn)代化的高科技手段來建設綜合應急指揮系統(tǒng)，從而高效快速的應對突發(fā)公共安全事件。

2系統(tǒng)架構(gòu)

基于4G移動通信技術(shù)的應急指揮系統(tǒng)是一套先進的以音視頻為基礎(chǔ)的城市狀況監(jiān)控與城市應急指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由移動應急指揮終端、4G移動通信網(wǎng)絡（TDD LTE或FDD LTE）以及多集應急指揮調(diào)度中心組成。4G移動通信網(wǎng)絡采用標準的TCP/IP協(xié)議，基于VPDN技術(shù)直接運行在政府部門的應急指揮系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)，滿足系統(tǒng)對安全性的需求。前端應急指揮終端集成了音視頻編解碼單元、GPS定位模塊、4G數(shù)據(jù)傳輸模塊、本地顯示屏已經(jīng)電池供電模塊，外圍設備可以根據(jù)用戶需求靈活配置，包括高清快球攝像機、藍牙無線耳麥、報警采集器、溫濕度傳感器等各類實時數(shù)據(jù)采集單元以及可選的BGAN海事衛(wèi)星通信單元?，F(xiàn)場音視頻及各類信號數(shù)據(jù)信息經(jīng)過編碼壓縮后通過4G網(wǎng)絡傳輸?shù)綉敝笓]中心的綜合調(diào)度管理平臺。應急指揮中心的圖像、數(shù)據(jù)、指令也可以通過4G網(wǎng)絡及時下發(fā)到各個應急處置現(xiàn)場。應急指揮中心的綜合調(diào)度管理平臺由電視電話會議系統(tǒng)、圖像大屏顯示系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡共享分發(fā)系統(tǒng)等組成，具有緊急情況的收集、顯示、上報、遠程視頻指揮、應急指揮輔助決策等功能。在執(zhí)行突發(fā)任務時，依托4G移動通信網(wǎng)絡，運用音視頻、文字、圖片信息迅速實現(xiàn)對各個應急終端現(xiàn)場的實時遠程指揮。

3系統(tǒng)優(yōu)勢和功能特點

該系統(tǒng)是一個基于TCP/IP網(wǎng)絡，集視頻指揮調(diào)度、視頻監(jiān)控、遠程視頻錄像、實時數(shù)據(jù)采集、視頻會議功能于一體的可視多元化指揮調(diào)度通信系統(tǒng)。4G應急通信終端采用高速DSP實現(xiàn)音視頻信息的實時采集處理，優(yōu)化整合了低帶寬H.264數(shù)字視頻壓縮技術(shù)，并根據(jù)無線網(wǎng)絡的帶寬變化能自適應調(diào)整編碼速率，解決了不同帶寬無線移動視頻圖像的傳輸。便攜觸摸終端可讓現(xiàn)場處置人員方便地與指揮中心交流，及時反饋現(xiàn)場最新情況，根據(jù)領(lǐng)導的指示對應急事件做出快速反應。指揮和視頻終端采用嵌入式操作系統(tǒng)，安全穩(wěn)定，拓展性好。借助于指揮調(diào)度平臺特有的多種級別和權(quán)限設置，上級指揮員或管理者可向下級發(fā)布指揮和調(diào)度命令，可實時進行音視頻雙向交流。

4G應急指揮系統(tǒng)有以下功能特點：

（1）快速組網(wǎng)功能。4G網(wǎng)絡的撥號接入只需要幾秒鐘。

（2）龐大的集成功能。系統(tǒng)視頻指揮調(diào)度、視頻會議、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、報警視頻聯(lián)動等功能于一體，實現(xiàn)各種視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務的多元模塊完美結(jié)合。

（3）多系統(tǒng)互聯(lián)互通。我們實現(xiàn)的4G應急指揮系統(tǒng)基于開放的TCP/IP網(wǎng)絡，為不同終端的互聯(lián)互通提供了便利的解決方案。

（4）強大的網(wǎng)絡適應性。該系統(tǒng)傳輸方面以4G移動通信為主，BGAN衛(wèi)星通信為輔，多種通信網(wǎng)絡為保障。

4關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1多信道多網(wǎng)絡捆綁傳輸技術(shù)

由于環(huán)境干擾等因素影響，無線網(wǎng)絡的帶寬具有不確定性、隨機性。而應急指揮系統(tǒng)的特殊性質(zhì)要求通訊網(wǎng)絡具有高可用性，為了最大程度的減小4G無線網(wǎng)絡不確定性的影響，我們提出了一種多網(wǎng)絡多信道捆綁傳輸?shù)膶＠夹g(shù)。該技術(shù)的原理是在4G應急指揮終端中采用兩種或多種不同制式的多個傳輸模塊，通過專有的信道檢測和均衡算法將多個信道捆綁在一起傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.2基于延時控制的準可靠糾錯傳輸技術(shù)

應急指揮系統(tǒng)對傳輸延時的要求較高，為了減小系統(tǒng)延時，我們采用UDP協(xié)議。但是由于無線網(wǎng)絡的不可控，必須采用重傳糾錯機制。假設單向網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r為τ，用戶能夠容忍的最大延時為T（用戶可以設置，但T≥τ），重傳次數(shù)為n，那么因重傳造成的延時t=（2n+1）×τ。為了滿足系統(tǒng)最大延時T，即t

4.3基于高速DSP的超低碼率H.264編碼和自適應碼率調(diào)整

雖然H.264編碼算法是標準的，編碼效率和壓縮比會有較大的差異。與大多數(shù)采用通用ASIC編碼芯片的方案不同，針對無線網(wǎng)絡帶寬低的特點，我們采用高性能DSP專門優(yōu)化實現(xiàn)了H.264超低碼率編解碼器，低帶寬下壓縮率比通用ASIC芯片高30%左右。我們的DSP編碼器可以根據(jù)應用層對傳輸帶寬的預測，平滑地修改編碼器內(nèi)部的各種編碼參數(shù)，達到自適應調(diào)節(jié)碼率的目的，而且圖像質(zhì)量變化平穩(wěn)，同等帶寬下展現(xiàn)出更好的視覺效果。

4.4分布式可視化指揮管理平臺技術(shù)

可視化指揮管理平臺是應急指揮系統(tǒng)的核心，平臺可實現(xiàn)不同種類終端設備的接入和配置管理等，可進行視頻會議、集群對講等。平臺采用了中心信令交換式的分布式架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)具有以下優(yōu)點：

（1）分布式部署。各網(wǎng)元相互獨立，除關(guān)鍵網(wǎng)元外，增加活減少集群網(wǎng)元不影響系統(tǒng)其他部分的運行。

（2）開放式設計?？梢愿鶕?jù)用戶需求增加業(yè)務管理網(wǎng)元，實現(xiàn)平臺的業(yè)務擴展能力，而不影響已有的服務。

（3）靈活擴容。部署活擴容時，可根據(jù)用戶的容量需求配置DTU、NSU、PUI和CUI等集群網(wǎng)元的數(shù)目，構(gòu)成服務器群，滿足海量設備管理的需求。

（4）終端兼容性。平臺通過設備訪問接口單元實現(xiàn)對不同終端設備的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而能夠兼容各種終端設備的接入。

5結(jié)語

該系統(tǒng)所構(gòu)建的應急指揮系統(tǒng)可實現(xiàn)快速響應、快速部署，從而提高政府部門應急指揮的效率，最大限度地減少人民群眾的生命財產(chǎn)損失。