關于無線圖像傳輸系統多基站切換技術的研究與實現

魏茂林，鄭健智，任 聰，郭子健

（吉林省公安廳科技通信處，長春 130051）

關于無線圖像傳輸系統多基站切換技術的研究與實現

魏茂林，鄭健智，任 聰，郭子健

（吉林省公安廳科技通信處，長春 130051）

本文針對無線圖像傳輸系統多基站的切換技術展開研究，提出一種基于多基站組網條件下的漫游切換模式，并以吉林公安無線圖像傳輸系統建設為例，提供了無線圖像傳輸系統系統多基站組網和終端無干擾自由切換的解決方案。

無線圖像傳輸；通信；公安；切換；漫游

1 引言

近年來，隨著我國“智慧城市”建設的全面興起，無線視頻圖像采集和傳輸手段廣泛應用于“智慧城市”各建設領域，而目前無線圖像傳輸系統普遍采用的基站建設和組網模式，僅支持視頻圖像采集終端在對應基站的信號覆蓋有效范圍內使用，不能有效支持終端的跨基站、跨區域靈活遷移、全網漫游、即時暢通，一定程度上制約了無線圖像傳輸系統的作用發揮，研究探索新的基站建設和組網模式，解決視頻圖像采集終端全網漫游問題，已成為現階段深入推進“智慧城市”建設的迫切需要。

2 研究對象

本文選擇吉林省公安機關的無線圖像傳輸系統作為研究對象。

2.1 研究對象概述

吉林省公安無線圖像傳輸系統主要依托公安信息網，由省、市、縣三級系統共同組成。視頻圖像采集終端包括單兵攝錄設備、車載終端設備等，采用3G與4G移動通信技術，通過高點基站實現現場與各級公安指揮中心之間的圖像、語音、數據等信息的實時傳輸。

2.2 研究對象具體應用情況

（1）省級指揮調度系統：搭建省級指揮調度平臺，與市級、縣級指揮調度平臺聯網。對本級及下轄市級、縣級公安機關所有移動前端進行遠程管理和指揮調度。

（2）市級指揮調度系統：搭建市級指揮調度平臺，與省級、縣級指揮調度平臺聯網，對本級及下轄縣級公安機關所有移動前端進行遠程管理和指揮調度。

（3）縣級指揮調度系統：搭建縣級指揮調度平臺，能夠與省級、市級指揮調度平臺聯網。對本級公安機關所有移動前端進行遠程管理和指揮調度。

（4）市級固定基站：根據覆蓋要求建設1～4個固定站，個別重點城市如長春建設14個固定站，實現對市區和部分重點防控區域的良好覆蓋，覆蓋率達到90%以上。

（5）縣級固定基站：根據覆蓋需求建設1個固定基站，實現對縣區和部分重點防控區域的良好覆蓋，覆蓋率達到90%以上。

（6）移動前端：根據實際需求配置1個或多個移動多媒體車載臺，配置在巡邏車、無線圖傳車上，用于采集視頻的傳輸，所有移動前端可在各個基站間自動漫游切換。

（7）無線圖傳車：市級圖傳車主要采用簡易車改方式，車載附屬設備包括1套便攜圖傳通信系統（單兵發射機或便攜應急通信指揮調度系統）、1套無線圖傳發射系統（便攜基站或移動前端）及1套供電系統，用于視音頻采集傳輸、無線信號傳輸中繼及供電等。

3 多基站組網設計

3.1 基站設計

公安無線圖傳系統，由全省統一建網，統一規劃，其基站數量、終端數量較多。需要根據容量和覆蓋需求，以及具體覆蓋區域的地形地貌和電磁環境等條件架設多個基站，實現覆蓋區域內的無縫覆蓋。[1]采用SC-FDE（單載波頻域均衡）、空間分集、TPC信道編碼等核心技術設計并建設基站，克服了前端設備高速移動中產生的多普勒效應，使基站具備非視距、高速移動條件下的無線通信能力，單基站覆蓋半徑達5～50km。在實際應用中，在開闊地帶，最大實測傳輸距離為130km，前端設備裝載在時速達到350km/h的直升機、運輸機上，系統仍能正常、穩定工作。

3.2 單基站/多終端同頻組網設計

采用多基站同頻/異頻兩種組網模式，所有基站均配置GPS授時器，實現全網收發同步，保證基站與基站之間互不干擾。[2]采用TDMA（時分多址）制式，在同頻條件下，單基站可以與多個移動臺實現雙向通信。

⊙ 基站和所有移動臺均工作在同一個頻點，空中帶寬2/4MHz。

⊙ 所有移動臺共享上下行數據帶寬，上行帶寬最大4.3Mb/s，下行帶寬最大1.2Mb/s，上下行帶寬可根據實際需求實時調整。

⊙ 同時在線：單基站支持最多255個移動臺同時開機在線。開機在線的移動臺可上傳定位數據，接收下行廣播語音和數據。

⊙ 同時上傳：在2/4MHz空中帶寬條件下，單基

站可同時接收4/6路移動臺的上傳圖像。

4 多基站組網漫游模式設計

為保障每個基站實現全網收發同步，基站與基站之間、前端與前端之間，互不干擾，終端開機后要先完成鑒權和注冊過程，被授權的前端可以在多個基站之間漫游；終端關機時要執行終端注銷過程。其多基站組網漫游切換策略分為：偽切換策略、同頻切換策略、異頻切換策略三種，不同的切換策略適合于不同的應用場景。

4.1 偽切換策略

偽切換主要應用于異頻組網模式，通過手動控制終端設備的選頻開關使之調諧到其它頻率，從而完成終端設備在多個異頻基站之間切換的過程。

4.2 同頻切換策略

[3]在同頻組網模式中，系統內所有基站工作在同一個頻點。在頻率資源有限時，可以采用同頻組網切換策略，此時，所有基站和前端都工作在同一個頻點，適用與系統基站數量較少、前端數目較少、基站之間交叉覆蓋區域較小的情況。

4.3 異頻切換策略

異頻組網模式中，系統內所有基站配置兩個及兩個以上的頻點。[4]相對于同頻組網模式，異頻組網模式可擴大系統容量，尤其在小區交叉覆蓋邊緣地帶，交叉覆蓋區域也為異頻交叉覆蓋，而終端只能使用一個頻率進行無線電傳輸，對于另外一個頻率沒有任何干擾作用。相反，同頻組網模式時，小區邊緣都為同一頻率，互相之間容易產生干擾，尤其是在小區邊緣這種能量較弱的區域。

根據四色原理，全異頻組網采用四個頻點即可完成組網覆蓋。但在實際應用中，通過恰當的網絡規劃和網絡優化，采用三個或者兩個頻點即可完成異頻組網應用。圖1為三個頻點異頻組網頻點劃分示意圖，理論上每個六邊形區域代表一個基站的覆蓋區域。通過網絡規劃和網絡優化，使基站分布較為均勻，三個頻點即可實現相鄰小區的頻點互不相同。因此在實際網絡建設時，根據覆蓋要求和基站具體分布情況進行網絡規劃和網絡優化是極為重要的環節。

圖1 異頻切換頻點劃分圖

采用異頻切換的無線圖傳系統，多終端在多個基站之間可以自動漫游切換，無需人工干預。自動漫游指終端在待機狀態下穿越不同的基站覆蓋區，自動切換指終端在有業務狀態下穿越不同的基站覆蓋區，且業務不中斷。

以一個終端為例，如圖2所示。區域范圍內有三個基站采用三個頻點進行區域覆蓋，頻點分為為F1，F2，F3。基站分別為A基站（F1頻點），B基站（F2頻點），C基站（F3頻點）。將覆蓋區域分為7個分區，分別為1，2，3，4，5，6，7區。終端為車載臺，從1區圖示所在位置穿越至2區。

圖2 一個終端的異頻切換

下面依次描述在各個區域內終端所發生的狀態和測量情況。

（1）1區內：終端同時測量頻率F1，F2，F3，但是只能檢測到A基站的F1頻率有信號。此時，終端駐留在A基站上面。

（2）5區內：終端繼續向前，進入5區。終端同時測量頻率F1，F2，F3，可以檢測到A基站的F1頻率有信號，同時C基站的F3頻率也有信號。此時，終端繼續往前，如果F3的能量始終小于F1的能量，終端仍駐留在A基站上面。如果在某時刻，F3的能量大于F1的能量，終端發生切換，駐留在C基站，注意：此時，一定時間內，終端不能發生二次切換。過一定時間之后，終端會重新判斷F3和F1的能量，哪個大就駐留在哪個基站上面。

（3）7區內：終端繼續向前，進入7區。終端同時測量頻率F1，F2，F3，可以檢測到A基站的F1頻率有信號，同時B基站的F2頻率和C基站的F3頻率也有信號。終端選擇一個較大信號能量的基站進行駐留，如果和原駐留基站不一樣，發生切換。

（4）6區內：終端繼續向前，進入6區。終端同時測量頻率F1，F2，F3，可以檢測到B基站的F2頻率有信號，同時C基站的F3頻率也有信號。此時，終端繼續往前，并判斷F3和F2的能量哪個大，哪個大就駐留在哪個基站上面。

（5）2區內：終端繼續向前，進入2區。終端同時測量頻率F1，F2，F3，只能檢測到B基站的F2頻率有信號。終端智能駐留在B基站上面。

4.4 研究對象采用的切換策略

結合實際，吉林省公安無線圖傳系統采用同頻＋異頻兩種切換策略：一是在規模不大且頻率資源受限的縣級城市采用同頻組網方式；二是在地級市等大規模區域采用異頻組網方式。

4.4.1 同頻切換算法

當各縣控制中心采用同頻切換策略的時候，終端UE在注冊成功的條件下，采用連續判定算法，即連續接收到N次記錄不同MAC地址的小區配置廣播信息，將自動切換到該小區上，具體過程如圖3所示：

4.4.2 異頻切換算法

在異頻切換算法下，根據實際環境，可采用多種不同的切換算法，主要有以下5種：

4.4.2.1 信噪比切換算法

信噪比切換算法原理：當（測量到鄰居小區的EBNO-當前所處基站的EBNO）＞（3db＋切換閾值*0.5）時，進行信噪比切換。

舉例說明：我們從A站點（頻點為332）向B站點（頻點為324）移動，如果此時終端設備收到的小區測量信息B站點的EBNO是10，而當前基站的EBNO為5，系統通過計算滿足信噪比切換機制的要求，隨即切換到B站點，完成一次信噪比切換。

圖3 同頻切換過程

4.4.2.2 距離差切換算法

距離差切換算法原理：（當前基站的距離-測量基站的距離）＞（切換距離差）且（測量基站的信噪比＞當前基站信噪比）且（測量基站的功率＞當前基站的功率）時，切換到測量基站，如果有多個基站可供選擇系統會切換到距離近的基站。

主要參數設置：切換距離差：15（經驗值約等于0.5千米）

舉例說明：終端設備從A站點移動到B站點，當測量到B（332頻點）的距離為171，EBNO=8，信號幅度=26。而當前基站（A站點）的距離為191。EBNO=4信號幅度=23。系統通過計算，滿足上述距離差切換觸發條件，隨即終端設備切換到B（332頻點）上。完成一次距離差切換。

4.4.2.3 誤碼率切換算法

誤碼率切換算法原理：下行通過FACH下發業務時延調整的同時，下發正確數目統計，移動終端根據下發值，利用遺忘因子進行統計。通過小區測量信息下發切換參數，參數包括正確率門限。切換條件為，（正確數統計值≤正確率門限）且（新基站信噪比＞本基站信噪比）。目前正確率門限定為80。

舉例說明：終端設備從A點移動到B點，通過測量消息我們看到當前基站332的正確率為80，并且B點（頻點324）的EBNO=8＞A點（當前站點332頻點）EBNO=6，滿足誤碼率切換算法觸發條件，終端設備切換到324頻點的基站，完成切換。

4.4.2.4 信噪比＋距離差切換算法

信噪比＋距離差切換算法原理：當（當前基站的距離-測量基站的距離）＞（切換距離差）且（測量基站的EBNO＞（切換信噪比＋切換信噪比偏移量）時候，切換到測量基站上，當有多個測量基站滿足切換條件時，選擇距離最近的基站進行切換。

切換參數設置：切換信噪比偏移量：2（測量基站信噪比高于當前基站信噪比2dB）

舉例說明：終端設備從A點移動到B點，通過查看測量信息我們看到，B站點（測量基站頻點為336）的距離為162，EBNO=8。A站點（當前基站頻點為324）的距離為191，EBNO=6。系統通過運算滿足信噪比＋距離差切換條件，隨即切換到B站點基站上，完成一次信噪比＋距離差切換。

4.4.2.5 采用遺忘因子的信噪比統計算法

遺忘因子是誤差測度函數中的加權因子，引入它的目的是為了賦予原來數據與新數據以不同的權值，以使該算法具有對輸入過程特性變化的快速反應能力。從小區配置信息中獲得切換門限和遺忘因子，來進行切換算法，[5]該算法通過切換門限和后驗檢測能力降低了“乒乓效應”。

遺忘因子對系統的性能有很關鍵的作用，遺忘因子算法收斂速度快，適當的遺忘因子能夠使系統較快達到預期目標；跟蹤能力強，在隨機輸入函數中波動相對較小。

4.4.3 結論

在全省無線圖傳系統建設中，通過實測，采用遺忘因子的信噪比統計算法＋距離差算法可以很好滿足實戰需要，實現多基站組網和漫游的目標。

5 結束語

通過無線圖像傳輸系統多基站切換技術、優化切換參數設置，保障了現場民警機動靈活的將采集的視頻信息及時、不間斷地回傳至各級公安指揮中心，為構建扁平化指揮體系，服務各級領導指揮決策發揮了不可替代的作用。

[1] 彭木根．TD-SCDMA移動通信系統[M]．北京：北京郵電大學出版社，2010,30-67

[2] 毛京麗．數據通信原理[M]．北京郵電大學出版社，2000

[3] 畢光國．多載波調制技術．通訊學報，2001

[4] 張玉艷，方莉．第三代移動通信[M]．北京：人民郵電出版社，2009,55-101

[5] 李倩茹，王于丁，張曉芳．一種變遺忘因子RLS算法的分析與仿真[J]．現代電子技術，2008,45-46

北京市科協領導蒞臨衛星聯盟考察調研

2017年1月12日，北京市科學技術協會領導蒞臨中關村公信衛星應用技術產業聯盟（以下簡稱：衛星聯盟）考察調研。北京市科學技術協會副巡視員陳維成介紹了北京市科協此次到訪的目的，聯盟理事長劉九如介紹了衛星聯盟的發展情況及總體思路框架，衛星聯盟研究部主任邵曉紅具體介紹了衛星聯盟的工作開展情況。在交流中，雙方圍繞如何為企業進行科技創新服務工作進行了探討，均表示希望能夠在這方面繼續進行交流與合作并落到實處。聯盟常務副理事長王冀昆、副主任于春全、牛晉及秘書長來春麗出席會議并發言。

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.004

TN92文獻標示碼：A

1672-7274（2017）01-0014-05