不同應(yīng)急作戰(zhàn)場(chǎng)景下單兵移動(dòng)視頻傳輸方案的選擇

郭星煌

(廈門市公安消防支隊(duì)，福建 廈門 361012)

近年來隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，自然、公共衛(wèi)生、社會(huì)安全、暴力恐怖等各種災(zāi)害、事故頻發(fā)，應(yīng)急救援面臨著救援多樣性、事故突發(fā)性、任務(wù)復(fù)雜性等特點(diǎn)[1]。在此形勢(shì)下，加強(qiáng)應(yīng)急通信保障能力建設(shè)，對(duì)于應(yīng)急搶險(xiǎn)救援顯得尤為重要。單兵移動(dòng)視頻傳輸作為一種近年來新型的信息獲取手段，逐漸在作戰(zhàn)中得到廣泛應(yīng)用。

1 單兵移動(dòng)視頻在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢(shì)

單兵移動(dòng)視頻傳輸可在第一時(shí)間獲取災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的圖像，為作戰(zhàn)決策提供最直觀的依據(jù),近年來在作戰(zhàn)中得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)包括[2]：

1.1 可實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控

單兵移動(dòng)視頻傳輸可以實(shí)時(shí)跟蹤記錄應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像，并通過無線鏈路將實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)綉?yīng)急指揮車和應(yīng)急指揮中心，第一時(shí)間為應(yīng)急指揮員提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀的現(xiàn)場(chǎng)情況，使作戰(zhàn)決策者能夠在短時(shí)間內(nèi)掌握現(xiàn)場(chǎng)的情況，并實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)方針的快速制定，大大提升了應(yīng)急救援部隊(duì)對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)速度。

1.2 部署方便機(jī)動(dòng)靈活

單兵移動(dòng)視頻傳輸利用無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控。其設(shè)備小巧便攜，無需進(jìn)行預(yù)先架設(shè)，具備機(jī)動(dòng)性好，快速展開的優(yōu)點(diǎn)，能夠充分滿足應(yīng)急救援的需要。同時(shí)，單兵移動(dòng)視頻傳輸可靈活地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多方位、多角度的拍攝，解決了傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)不能移動(dòng)、可視范圍小的不足。

1.3 資料可留存

單兵移動(dòng)視頻傳輸可以實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)的視頻，并通過無線鏈路傳輸?shù)胶蠓?。該視頻圖像可以方便地備份到計(jì)算機(jī)上，以備后期查看調(diào)用，為戰(zhàn)評(píng)總結(jié)、案例分析提供有力支持[3]。

2 現(xiàn)有的單兵移動(dòng)視頻傳輸方案

2.1 單兵COFDM無線圖傳系統(tǒng)

COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種使用前向糾錯(cuò)編碼的OFDM傳輸技術(shù)，它將信道分成若干正交子信道，將高速(寬帶)數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制后在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸[4]。它同時(shí)利用循環(huán)前綴減少子信道的載波間干擾以及碼間干擾，其相比傳統(tǒng)單載波技術(shù)具有較強(qiáng)的抗多徑干擾能力，適用于山地、森林、城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下寬帶無線通信。

單兵COFDM無線圖傳系統(tǒng)通常由圖像采集設(shè)備、視頻編碼器、COFDM發(fā)射機(jī)、COFDM接收機(jī)以及視頻解碼器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 COFDM無線圖傳原理框圖

其中視頻編碼器、COFDM發(fā)射機(jī)通常集成為一個(gè)單兵便攜設(shè)備，由應(yīng)急救援人員背負(fù)攜帶進(jìn)入應(yīng)急區(qū)域。通過DV拍攝的畫面經(jīng)過壓縮、編碼，并通過COFDM調(diào)制為無線信號(hào)。后方的COFDM接收機(jī)接收到無線信號(hào)后通過解調(diào)、視頻解碼，恢復(fù)出拍攝的視頻圖像，從而完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

利用現(xiàn)有的COFDM無線圖傳系統(tǒng)，通過UHF頻段進(jìn)行傳輸，通常可實(shí)現(xiàn)700～1 200 m左右的視距傳輸距離(天線離地面約1.6 m)。它能夠在不依賴現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的視頻傳輸，具有延遲小、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。由于人員攜帶的設(shè)備在功耗和功率上都必須有所控制，對(duì)發(fā)射機(jī)的供電、天線的長(zhǎng)度以及設(shè)備的體積和重量也要綜合考慮，因此單兵COFDM圖傳系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)功率通常小于5 W，導(dǎo)致COFDM傳輸距離受限。

2.2 單兵4G無線圖傳系統(tǒng)

單兵4G無線圖傳[5]屬于無線圖傳設(shè)備，它利用移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商架設(shè)的基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，目前4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸比3G網(wǎng)絡(luò)效率更高，速度更快，成本更低，因此現(xiàn)有基于公網(wǎng)的無線傳輸均以TD-LTE/FDD-LTE等4G技術(shù)為主。圖2給出了典型單兵4G無線圖傳的系統(tǒng)框圖。它由前端的視頻編碼器、4G通信模塊，中間的基站和核心網(wǎng)，以及后端的視頻服務(wù)器構(gòu)成。通過互聯(lián)網(wǎng)，擁有權(quán)限的用戶可以在任何地方對(duì)前端的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這大大提高了指揮控制的靈活性。

各大運(yùn)營(yíng)商在各城鎮(zhèn)建設(shè)了大量的基站，并進(jìn)行了大量的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，這使得移動(dòng)公網(wǎng)具有較好的信號(hào)覆蓋率以及較高的傳輸速率，因此單兵4G無線圖傳得到了廣泛的應(yīng)用。單兵4G無線圖傳的主要缺點(diǎn)在于，當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，運(yùn)營(yíng)商基站有可能會(huì)損壞或者被臨時(shí)關(guān)閉，這會(huì)導(dǎo)致4G無線圖傳設(shè)備癱瘓。除此之外，在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，沒有進(jìn)行運(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋的地下室、隧道，單兵4G無線圖傳設(shè)備也會(huì)面臨無法使用的問題。

圖2 單兵4G無線圖傳系統(tǒng)框圖

2.3 單兵自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)

單兵自組網(wǎng)無線圖傳是近年來興起的新型無線圖傳系統(tǒng)，可以看成單兵COFDM無線圖傳系統(tǒng)的重大改進(jìn)。一套單兵自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)通常包含多個(gè)自組網(wǎng)無線圖傳設(shè)備，每個(gè)設(shè)備稱為“節(jié)點(diǎn)”。這些“節(jié)點(diǎn)”具有相同硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序，使用時(shí)可不做任何區(qū)分。有別于單兵COFDM無線圖傳系統(tǒng)簡(jiǎn)單的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向通信”模式，自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)雙向通信。單兵自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)開機(jī)后可以自行組網(wǎng)，在通信過程中，網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，如圖3所示。

圖3中節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)E并不在通信范圍內(nèi)，但是節(jié)點(diǎn)A發(fā)出的數(shù)據(jù)可通過B、D的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)節(jié)點(diǎn)E，并且這里的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)選取的，無需人工干預(yù)。自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)具備的多跳傳輸能力可大大提高傳輸距離，這突破了傳統(tǒng)COFDM無線圖傳系統(tǒng)的距離限制。同時(shí)，自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)可以不依賴于移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商基站等固定設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)全天候、各地域及各場(chǎng)景下的通信，特別適合于應(yīng)急救援的應(yīng)用。

圖3 自組網(wǎng)無線圖傳系統(tǒng)的多跳傳輸

2.4 其他單兵圖傳系統(tǒng)

除了上文提到的單兵圖傳系統(tǒng)以外，市面上還有基于衛(wèi)星通信鏈路的圖傳系統(tǒng)[6]、通信導(dǎo)向繩圖傳系統(tǒng)[7]、采用UWB的寬帶圖傳方案[8]等等。這些系統(tǒng)要么不適合單兵便攜、要么技術(shù)不甚成熟，因此本文不再展開討論。

2.5 現(xiàn)有單兵移動(dòng)視頻傳輸系統(tǒng)對(duì)比

表1對(duì)比了現(xiàn)有的單兵移動(dòng)視頻傳輸系統(tǒng)，可以看出單兵4G圖傳與自組網(wǎng)圖傳各有所長(zhǎng)。在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好的區(qū)域，單兵4G圖傳有著較好的性能及傳輸距離的優(yōu)勢(shì)，并且價(jià)格低廉。而在緊急情況下運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)癱瘓，或者運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋不好的區(qū)域(山區(qū)、地下室、隧道等)，單兵自組網(wǎng)圖傳則體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

表1 現(xiàn)有圖傳系統(tǒng)對(duì)比

3 不同作戰(zhàn)場(chǎng)景下單兵移動(dòng)視頻傳輸方案選擇

通過上文對(duì)現(xiàn)有的幾種無線圖傳系統(tǒng)的對(duì)比，單兵4G圖傳與單兵自組網(wǎng)圖傳在應(yīng)用方式上具有強(qiáng)的互補(bǔ)性。單兵4G圖傳適用于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好的場(chǎng)景，而自組網(wǎng)圖傳則在無基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)景下具有不可替代性。以下討論幾種典型作戰(zhàn)場(chǎng)景下的單兵移動(dòng)視頻傳輸方案的選擇。

3.1 城市建筑的應(yīng)急救援

城市中運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋通常較好，只要不發(fā)生大規(guī)模的火災(zāi)、地震等情況，利用單兵4G圖傳系統(tǒng)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵查和評(píng)估是較好的選擇，如圖4所示。

圖4 單兵4G圖傳系統(tǒng)在城市建筑應(yīng)急救援中的應(yīng)用

作戰(zhàn)人員可以攜帶4G圖傳設(shè)備靠近或者進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，打開視頻采集設(shè)備(DV、頭盔攝像頭等)，利用運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)將編碼后的圖像實(shí)時(shí)發(fā)送到公網(wǎng)視頻服務(wù)器。這時(shí)前線的指揮車、后方的指揮中心可以對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的作戰(zhàn)指揮。

3.2 地下場(chǎng)館的滅火救援

正常條件下，地下場(chǎng)館(停車場(chǎng)、地鐵、地下商場(chǎng)等)具有較好的移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋，這是因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商利用直放站、泄露電纜等設(shè)備對(duì)地下室進(jìn)行了信號(hào)覆蓋的優(yōu)化。地下室一旦發(fā)生火災(zāi)等應(yīng)急事件，這些設(shè)備的電源可能被破壞或者切斷，地下場(chǎng)館就成為了4G通信盲區(qū)。這時(shí)利用4G圖傳設(shè)備深入地下室進(jìn)行視頻采集不再可行。地下場(chǎng)館通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)封閉，墻體眾多，這對(duì)無線電傳播造成了很大的障礙。傳統(tǒng)的COFDM圖傳在這種環(huán)境下，距離將嚴(yán)重受限，甚至小于幾十米。在這種環(huán)境下，利用單兵無線自組網(wǎng)的多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)地下場(chǎng)館進(jìn)行信號(hào)覆蓋就成為了惟一的選擇。

如圖5所示，作戰(zhàn)人員攜帶多臺(tái)自組網(wǎng)圖傳設(shè)備(節(jié)點(diǎn))進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，一旦檢測(cè)到自組網(wǎng)信號(hào)弱，就地放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用節(jié)點(diǎn)的接力傳輸特性，作戰(zhàn)人員可進(jìn)一步推進(jìn)，最終接近目標(biāo)區(qū)域。作戰(zhàn)人員打開視頻采集設(shè)備，將實(shí)時(shí)視頻傳輸至指揮車，同時(shí)利用指揮車上的其他通信手段，視頻還可以進(jìn)一步傳輸?shù)胶蠓降闹笓]中心作為作戰(zhàn)決策的依據(jù)。

3.3 偏遠(yuǎn)山區(qū)的地震搶險(xiǎn)

當(dāng)偏遠(yuǎn)山區(qū)遭受到強(qiáng)震災(zāi)害后，水、電、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施均被破壞。在此惡劣條件下，重建通信網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)困難。利用北斗一代衛(wèi)星的短報(bào)文功能，可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)量的通信。除此之外利用衛(wèi)星通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)較大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。但是受制于衛(wèi)星的資源，難以支撐大量用戶的使用。利用單兵無線自組網(wǎng)的多跳網(wǎng)絡(luò)特性，可以在山區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的快速部署，解決一定范圍內(nèi)的通信指揮問題，如圖6所示。首先優(yōu)先選取幾個(gè)較高的山頂作為自組網(wǎng)圖傳設(shè)備(節(jié)點(diǎn))的架設(shè)位置。在空曠架高區(qū)域，自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的直接通信距離可達(dá)10 km以上，這可以在一定的區(qū)域保障自組網(wǎng)信號(hào)的覆蓋效果。作戰(zhàn)人員在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的任何地方，都可以將實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)街笓]車上，保障搶險(xiǎn)救援高效有序地進(jìn)行。

圖5 單兵自組網(wǎng)圖傳系統(tǒng)在地下場(chǎng)館滅火救災(zāi)中的應(yīng)用

圖6 單兵自組網(wǎng)圖傳系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)山區(qū)地震搶險(xiǎn)中的應(yīng)用

應(yīng)急救災(zāi)時(shí)應(yīng)對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行綜合分析，選取合適的單兵移動(dòng)視頻傳輸方案。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好并無癱瘓風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，單兵4G圖傳是一個(gè)較優(yōu)的選擇；而在通信基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞及不可用的情況下，自組網(wǎng)圖傳則為更好的選擇。

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