基于COFDM自組網的海上無線視頻傳輸系統設計

王　君

(中國人民解放軍第91404部隊94分隊，河北 秦皇島066000)

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基于COFDM自組網的海上無線視頻傳輸系統設計

王君

(中國人民解放軍第91404部隊94分隊，河北 秦皇島066000)

針對海上復雜無線通信傳播環境場景下，數字無線視頻傳輸的應用需求，在對編碼正交頻分復用(Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，COFDM)技術的基本原理和優缺點分析的基礎上，提出了一種基于COFDM自組網的海上無線視頻傳輸系統設計方案，并對基于COFDM自組網的海上無線視頻傳輸系統的覆蓋能力、傳輸性能、系統容量和系統應用進行了分析，研究表明，基于COFDM的自組網技術完全能夠滿足海上無線視頻傳輸要求。

COFDM；自組網；視頻傳輸；海上無線通信

0　引言

由于海上無線通信傳播環境復雜，多徑干擾、接收信號的幅度衰減和時延都很大，傳統的通信傳輸系統無法滿足艦艦之間、岸艦之間高速和寬帶無線通信的業務需求[1]。同時，海上戰場的電子對抗越來越激烈，目前海上常用的短波數據傳輸系統難以適應未來戰場電子對抗的要求。

隨著信息化和現代化建設的不斷深入，通信技術水平的不斷提高，海上C4I信息指揮系統的快速發展對于新的既能提高數據傳輸速率和傳輸可靠性又能增強抗干擾能力的海上無線視頻傳輸系統提出了十分迫切的需求[2]。

根據海上無線通信傳播環境實際情況，主要研究了基于COFDM 自組網技術的海上無線視頻傳輸系統設計及其在海上指揮系統的應用，并給出基于COFDM自組網技術的海上無線視頻傳輸系統的無線覆蓋能力和系統容量計算方法。

1　無線視頻傳輸技術研究現狀

無線視頻傳輸所采用的技術體制可分為模擬傳輸與數字傳輸技術。其中模擬傳輸抗干擾能力弱，圖像效果差，在視頻傳輸領域處于將被淘汰的階段。隨著圖像編解碼技術和無線數字調制技術的發展，數字無線視頻傳輸成為目前的主流技術[3]。

目前用于無線視頻傳輸的主要無線通信方式包括了以下幾種：短波/超短波數傳電臺、擴頻微波、無線局域網和衛星通信傳輸等[4]。傳輸視頻的主要壓縮技術包括MPEG技術和H.26X技術。其中MPEG主要用于網絡視頻，視頻監控等，H.26X系列主要用于實時視頻通信，比如視頻會議、可視電話等[5]。

基于COFDM的自組織網絡技術與上述無線視頻傳播方式相比，針對海上復雜無線通信傳輸環境，在強抗干擾能力，高傳輸可靠性，高傳輸速率有自己獨特的特點和優勢[6]，可以為海上無線視頻傳輸應用提供一種有效的技術手段。

2　COFDM技術

COFDM即為編碼正交頻分復用，是信道編碼技術和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術相結合的產物。

OFDM的基本思想就是把高速率的信源信息流變換成N路低速率的并行數據流，然后用N個相互正交的子載波進行調制，將N路調制后的信號相加得到發射信號[7]。

假設系統總帶寬為B，子載波數量為N，則子載波頻率間隔Δf=B/N，OFDM符號寬度Ts=1/Δf。令Si(i=0，1，…，N-1)為分配給每個子信道的數據符號，fc為載波頻率，則從t=ts開始的OFDM信號可以表示為：

ts≤t≤ts+Ts。

接收端第k路子載波信號 的解調過程為：將接收信號與第k路的解調載波exp[j2π(fc+kΔf)(t-ts)]相乘，然后將得到的結果在OFDM符號的持續時間Ts內進行積分即可恢復出子載波信號，如

由于在所傳輸的頻帶內，當N個子載波并行傳輸時，每個子信道的符號周期相對于串行傳輸展寬了N倍，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展所產生的時間彌散性對系統造成的影響，提高了抗多徑衰落的性能。

OFDM良好地解決了多徑環境中的信道選擇性衰落，但對信道平坦性衰落，尚未得到較好的克服[8]。COFDM是結合了信道編碼的OFDM，使信息在頻域和時域擴展，各單元碼信號受到的衰落近似于統計獨立，從而消除平坦性衰落及多普勒頻移的影響，可有效對付信道的頻率選擇性衰落和各種干擾[9]。

相比于其他無線傳播技術，COFDM技術具有以下優勢：

① 系統頻譜效率高；

② 具有繞射能力，適合在城區、建筑物內等非通視的環境中進行圖像和語音傳輸；

③ 在非視距范圍內可以提供穩定可靠的圖像傳輸[10]；

④ 對高速數據流進行A/D轉換，使得各子載波上的數據符號持續長度相對增加，大大減少無線信道時間擴散所帶來的碼間干擾[11]；

⑤ 具有較好的抗多徑衰落的性能。

由于技術本身的限制，COFDM技術也存在以下不足：

① 對載波頻偏和相位噪聲比較敏感；

② 設計為復雜，COFDM采用了糾錯編碼技術、頻率時間交織技術、自適應調制技術等，使得其在調制和解調方面的設計實現難度和復雜度都有所增加；

③ 系統的峰值平均功率比較高。

3　海上無線視頻傳輸系統設計

無線自組網是由一組移動終端節點構成多跳、無中心點對點通信網絡，各個終端具有路由功能，具有自創建，自組織和自管理的特點。無線自組網的無預先基礎設施支持，網絡拓撲靈活的特性非常適合海上艦船運動應用場景和有限頻譜資源條件下圖像、語音和數據穩定、可靠、高效地傳輸的無線網絡構建[12]。基于自組網的海上無線視頻傳輸系統架構如圖1所示。

圖1　基于自組網的海上無線視頻傳輸系統

海上無線視頻傳輸系統基于COFDM技術可以實現“抗阻擋”、“非視距”、“動中通”的高速數據傳輸。海上基于COFDM自組網的無線視頻傳輸系統設備由發射機和接收機組成，組成框圖如圖2所示。設備集成了圖像壓縮編解碼、TS流復用/解復用、數字加密/解密以及信道解碼等技術。設備還有安裝快捷，可以采用全向收發天線，無需尋找通視路由，無需配置復雜昂貴的伺服穩定系統即可裝配在車船等運動載體上等優點。

圖2　海上無線傳輸系統設備組成

4　系統應用分析

4.1系統覆蓋能力分析

目前岸海通信和編隊通信距離要求如下：

① 岸基站位間寬帶無線設備覆蓋海域以岸基站節點為中心半徑40km范圍(岸基中心站天線海拔高度不低于，艦載終端天線海拔高度不低于)；

② 艦載終端間傳輸距離20km(艦載終端天線海拔高度不低于)。

基于COFDM的無線自組網系統設備一般形態下的最大功率為45dBm(30 W)；岸基站/艦載終端的全向天線增益6dBi；由于設備采用基帶處理和射頻單元分離式結構設計，射頻單元可以靠近天線位置，因此饋線引入的損耗可以忽略不計；計算通信距離為50km時傳輸速率為16Mbps帶寬時的傳輸損耗為130dB；系統余量按照約15dB估算，接收端的信號強度為：

Rev=Pt+Gt+Gr-Lc-La=-88 dBm。

式中，Pt為發射功率；Gt、Gr分別為發射和接收天線功率；Lc、La分別為傳輸損耗和系統余量。

按上述接收靈敏度計算，再根據UHF(470～806MHz)視距傳播距離計算公式，岸基站到艦載終端傳輸距離為45.4km，艦載終端到艦載終端傳輸距離為23.7km。

基于以上計算和分析，可以認為基于COFDM自組網的系統能夠滿足岸艦和艦艦模式對寬帶無線視頻傳輸設備的覆蓋能力和傳輸性能要求.

4.2系統容量分析

實兵訓練信息傳輸系統對于系統容量的需求如下：

① 接入能力的需求。岸基站位需要接入不小于12個艦載終端的各類音視頻業務，同時接入時每個艦載終端傳輸速率不低于4Mbps，分別接入時每個艦載終端傳輸速率不低于20Mbps；

② 自組網互聯互通能力需求。艦載終端之間允許不小于10個節點進行自組網，全部在網時每個艦載終端傳輸速率不低于4Mbps，共計40Mbps帶寬。

基于COFDM無線自組網設備系統容量按工作模式，主要分為如下2種：

① 岸基站位可支持不小于12個艦載節點站同時接入；

② 艦艇編隊內組網通信節點數不小于12個。

考慮到基于COFDM寬帶無線自組網設備可以支持不同的信號調制，包括QPSK、16QAM和64QAM等。當通信節點間通信鏈路較好時，系統可采用高階調制方式，最高吞吐量可達80Mbps；載鏈路質量較差時，系統能夠啟用自動調制編碼根據鏈路質量選擇最佳調制編碼方式來適應鏈路，在極限通信距離下可保證2Mbps的數據傳輸。

基于上面的分析，可以分為基于COFDM寬帶無線自組網設備可滿足海上無線視頻傳輸系統的系統容量指標要求。

4.3系統應用對比

基于COFDM寬帶無線自組網的海上無線視頻傳輸系統與傳統無線視頻傳輸系統在應用方面的對比如表1所示。

表1　與常用無線視頻傳輸方式對比

通過表1中的幾種常用數字傳輸方式的對比和綜合分析不難發現，COFDM技術在海上無線視頻傳輸應用場景中的各個方面均具有較大的優勢。

5　結束語

基于COFDM的自組網技術，充分利用了COFDM技術所具有的強大的糾錯功能，抗多徑衰落能力、抗碼間干擾能力、抗多普勒頻移能力，大大提高了海上無線視頻傳輸系統的傳輸可靠性和抗干擾能力，并保證了系統視頻傳輸帶寬。通過對于基于COFDM的自組網系統的覆蓋能力和系統容量的分析及與其他傳統無線視頻傳輸方式的對比，充分證明了基于COFDM的自組網系統在海上無線視頻傳輸應用中是切實可行的。

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王君男，(1966—)，高級工程師。主要研究方向：軍事通信。

Marine WirelessVideo Transmission Based on COFDM Ad Hoc Network

WANG Jun

(Team94，Unit91404，PLA，QinhuangdaoHebei066000，China)

Considering the complicated wireless transmission environment scenario on the sea and the application requirements of the digital wireless video transmission，on the basis of fundamental and advantage/disadvantage analysis of Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing(COFDM) technology，a design of marine wireless video transmission system based on COFDM Ad Hoc network is put forward.At the same time，the coverage capability，transmission performance，system capacity and system application of the marine wireless video transmission system based on COFDM Ad Hoc network are analyzed.The study shows that the COFDM based Ad Hoc network technology can fully satisfy the requirements of wireless transmission requirements on the sea.

COFDM；Ad Hoc network；video transmission；marine wireless communications

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.08

2016-05-17

TN924.2

A

1003-3106(2016)08-0031-03

引用格式：王君.基于COFDM自組網的海上無線視頻傳輸系統設計[J].無線電工程,2016,46(8):31-33，55.