淺談TDD-OFDM技術在消防通信中的應用

幸雪初 桑明華

1 湖南省消防總隊 湖南 410205

2 南京威翔科技有限公司 江蘇 210029

0 引言

科技發展日新月異，在消防部隊，信息化建設打造“消防鐵軍”已經成為部隊建設的重要途徑之一。如何保障消防通信指揮中心與火災現場之間復雜數據(火警預案數據、高質量音頻和高質量視頻等)傳輸的實時性、不間斷性，實現高效火場實時信息共享，構建消防數字化橋梁，已成為消防搶險救援通信領域的重點工作。

消防通信的建設發展迅速，各種無線新技術廣泛地應用的消防通信中，無線圖像傳輸技術已經作為一種必備通信方式應用在事故救援、重大事件現場保障等活動中。目前，利用OFDM技術的單兵無線圖像傳輸系統以其機動靈活的特點發揮著越來越重要的作用，已經成為一種必不可少的消防通信保障手段。隨著移動通信技術的發展，時分雙工技術開始應用于O F D M技術當中。

1 TDD-OFDM介紹

TDD-OFDM(Time Division Duplexing orthogonal frequency division multiplexing)，既時分正交頻分復用的縮寫，OFDM(正交頻分復用技術)是一種無線環境下的高速傳輸技術。眾所周知，無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。TDD(時分雙工)是一種現代通信系統常用的雙工方式，在移動通信系統中用于分離接收與發送信道(或上下行鏈路)，接收和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，用時間來保證接收與發送信道的分離。在移動通信系統中，TDD在3GPP(第三代移動通信標準化伙伴項目)中屬于第三代移動通信系統技術規范。

2 TDD-OFDM技術應用于無線圖像傳輸優點

T D D-O F D M數字無線組網圖像傳輸系統采用T D DOFDM技術，所有設備在同頻點下工作、采用TDD信道復用技術，雙工通信。提供AV視音頻接口、RS485接口、I/O控制口、TCP/IP網絡接口。載波調制方案支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM。不同用戶占用不同時隙，或同時占用幾個時隙。根據互通用戶數的數量，系統自動分配時隙，系統同基站下同時可以允許162個組網。TDD-OFDM數字無線組網圖像傳輸系統最大的優勢是可利用TCP/IP協議進行全雙向高速數據、高清圖像和語音的傳輸，形成一定范圍的3G無線局域網。

TDD-OFDM 數字無線組網圖像傳輸系統保持了COFDM非視距、高速移動傳輸的諸多優點。實現了傳統COFDM、單載波等系統所不具備的同頻組網傳輸通信功能。系統傳輸容量大，并且可以根據不同業務需要動態改變帶寬和數據速率。從而達到距離最大化和功率最優化的效果。

3 TDD-OFDM無線圖像傳輸系統應用于消防通信

隨著社會經濟的發展，滅火救援形勢逐步趨向社會化、全局化、復雜化和智能化。地面通信設施基于其自身的特點，易受火災、颶風、地震等重特大災害的破壞。在面對重大災害事故時，地面通信顯然會存在重大弊端，無法發揮其應有的作用。TDD-OFDM無線圖像傳輸技術以其可靠性高，抗遮擋能力強、不易受陸地災害影響等特點，可以很好的解決上述問題。

基于TDD-OFDM無線圖像傳輸系統的特點，足以提供高清晰度的音視頻信息，各級指揮中心可實時與事故現場進行通信，各級指揮中心能及時直觀的了解現場，第一時間指揮調度，提高部隊快速反應能力，最大限度地減少人員傷亡和財產損失。近些年來，各類重大災難事故時有發生，且居于突發性強、持續時間長、地點不固定等特點，現場指揮決策缺乏穩定可靠的、有效的指揮場所，TDD-OFDM無線圖像傳輸系統具有獨立長時間工作能力，可有效的解決上述問題。同時，系統還可以對現場視頻圖像進行存儲，為戰評提供原始資料。

3.1 系統組網方式

3.1.1 網狀網方式

組成網狀網形式數字無線圖像傳輸方案，有多個基站組成系統，前端采集由車頂云臺、手持攝像機、通用攝像頭將AV圖像信號接到相應的遠端設備(如單兵設備、車載設備)。遠端設備將圖像、音頻編碼后通過數字方式發到所在的基站。基站與指揮中心之間的鏈路可以通過光纜、微波、或其他能提供2M接口的電路。各遠端設備在基站之間可以自動漫游，無需人工干預。指揮中心可以通過指令控制遠端的云臺，與遠端通話、或傳輸數據等。系統如圖1所示。

圖1 網狀網組網

3.1.2 鏈狀網方式

單兵或車載設備可以自組網方式工作。每個設備都可以當作基站使用，基站間接力傳輸。如圖2所示。

圖2 鏈狀網組網

3.2 系統應用模式

3.2.1 點對點傳輸方式

單兵圖像傳輸系統到通信指揮車：前方人員利用攝像機將現場的圖像聲音實時傳輸到通信指揮車，指揮人員利用指揮車的顯示系統，直接觀看現場實際情況，及時作出最佳決策。本傳輸模式適用于阻擋不是很嚴重的環境。比如：建筑物內對地面。

最后，在地理空間數據分幅提取后，相關人員可對分幅后數據進行批量裁剪，并設定統一的名稱。地理空間數據批量裁切主要是將以*.img格式分幅數據、*.txt格式分幅坐標等文件，導入ArcGIS Engine軟件中，并與MosaicPro模塊結合，對相應地理空間數據系統、數學投影進行批量提取。需要注意的是，若在實際處理階段，分幅數據坐標系統、最終成本坐標系統存在一定差異，則需要重新進行大地經緯度坐標系統投影轉換操作。

3.2.2 中繼傳輸方式

單兵圖像傳輸系統通過臨時中繼到通信指揮車：由于阻擋環境嚴重，單兵圖像傳輸系統無法將現場的圖像聲音實時傳輸到通信指揮車，這時候需要增加臨時中繼臺。本模式比較適用于環境比較苛刻的如：地下建筑、隧道救援等等。

3.2.3 多點對一點傳輸方式

根據實際情況指揮員可能需要從不同的多個角度同時了解現場情況才能做出準確決策，這就需要設備有較好的兼容性。一個通信指揮車可以同時接收多個單兵發射過來的圖像。本模式適用于多人作戰，重大事故火災現場等等。

4 應用于滅火救援指揮箱

按照貼近基層、貼近一線、貼近實戰的原則，為提高基層指揮員災害現場的決策指揮能力，最近，公安部消防局為全國消防部隊基層中隊配備了滅火救援指揮箱，滅火救援指揮箱主要是針對滅火救援指揮特點，將火災現場需要的滅火救援預案、各類火災撲救對策等信息基層與指揮箱內的筆記本電腦中。

隨著工藝的不斷改進，利用TDD-OFDM技術進行無線圖像傳輸系統的集成度也越來越高，不斷向小型化、微型化發展，以滅火救援指揮箱的計算機為平臺可將TDD-OFDM技術無線圖像傳輸集成起來，現場圖像可實時在滅火救援指揮箱進行顯示，為基層指揮員進行決策指揮，同時，還可以利用3G移動技術，實時將現場圖像傳回到當地指揮中心，供上級指揮員進行遠程決策指揮。

5 系統優點

5.1 適合在非通視和有阻擋等環境中的滅火搶險救援應用

傳統的微波設備，必須在通視條件(既收發兩點之間必須無阻擋)下才能建立鏈路，所以使用中受環境制約，需要提前考察環境，擬定、實測收發點。TDD-OFDM無線圖像傳輸系統則徹底改變了這種局面。因其多載波等技術特點，TDDOFDM設備具備“非視距”、“繞射”傳輸的優勢，在不能通視及有阻擋的環境中，該設備能夠以高概率實現圖像的穩定傳輸，不受環境影響或受環境影響小。系統簡單、可靠，應用靈活。

5.2 適合移動中傳輸

對于大多數行業而言，無線圖像的一般應用模式是：視音頻前端采集—接入點——視音頻處理中心(一般通過有線鏈路或衛通)。所以車輛、無人機等平臺是系統非常重要的組成部分，其核心的功能之一就是實時接入前端的圖像。

對于TDD-OFDM設備，可以實現固定——移動，移動——移動間的使用，非常適合安裝到車輛、無人機等移動平臺上。

5.3 適合高速數據傳輸，滿足高質量視音頻的傳輸

高質量的視音頻除對攝像機的要求外，對編碼流、信道速率要求十分高。一般的數字微波，擴頻微波傳輸中，雖然采用MPEG2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，使得解碼后的圖像分辨率一般為352×288，無法滿足后期分析、存儲、編輯等要求。

TDD-OFDM技術每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調制，合成后的信道速率一般均大于4M bps。因此，可以傳輸MPEG2中4:2:0、4:2:2等高質量編解碼，接收端圖像分辨率可達到576×720或480×720，滿足后期分析、存儲、編輯等要求。

5.4 抗干擾能力強

無線信道的一個重要特點是多徑傳播，它使接收信號相互重疊，產生符號間干擾。OFDM的思想是把一個高速率的數據流分解成許多低速率的子數據流，以并行的方式在多個子信道上傳輸。這樣，在每個子信道上，符號持續時間比信道的最大延遲小，從而可以消除符號間干擾ISI。

TDD-OFDM利用在算法上的頻率開槽技術，能自動關閉有干擾的子載波，躲避干擾。同時具有不同子載波根據其信噪比不同，自動控制個子載波的發射功率，提高抗干擾能力。

5.5 占用頻率資源少、頻率配置便捷

TDD方式無需使用成對的頻率。所有設備均在同頻下工作且根據各自業務速率自動控制占用時隙數，及各自的子載波數。最大限度提高了頻率資源的利用率?？梢酝ㄟ^網內的任意設備發送命令動態調節各設備的工作頻點。

6 結束語

TDD-OFDM無線圖像傳輸技術應用于消防通信中，能對火災現場進行遠程監控、遠程遙控、傳輸數據、雙向交互高質量語音和視頻，為災害事故現場視頻圖像傳輸提供了一種有效的解決途徑，提高了公安消防部隊應對各種突發性災害事件的能力，減少了社會承受的災害損失，對于從理論體系、應用價值及發展前景等方面，都將有著非常重要的意義。

[1] 劉輝(美),(美)李國慶著,任品毅譯.基于OFDM的無線寬帶網絡設計與優化.西安交通大學出版社.2008.

[2] 王文博,鄭侃 編著.寬帶無線通信OFDM技術(第二版).人民郵電出版社.2007.

[3] 謝顯中.基于TDD的第四代移動通信技術.電子工業出版社.2005.