不同應急作戰場景下單兵移動視頻傳輸方案的選擇

郭星煌

(廈門市公安消防支隊，福建 廈門 361012)

近年來隨著經濟建設的迅猛發展，自然、公共衛生、社會安全、暴力恐怖等各種災害、事故頻發，應急救援面臨著救援多樣性、事故突發性、任務復雜性等特點[1]。在此形勢下，加強應急通信保障能力建設，對于應急搶險救援顯得尤為重要。單兵移動視頻傳輸作為一種近年來新型的信息獲取手段，逐漸在作戰中得到廣泛應用。

1 單兵移動視頻在應急救援中的優勢

單兵移動視頻傳輸可在第一時間獲取災害現場的圖像，為作戰決策提供最直觀的依據,近年來在作戰中得到廣泛應用，其優點包括[2]：

1.1 可實時對應急現場進行監控

單兵移動視頻傳輸可以實時跟蹤記錄應急救援現場的實時圖像，并通過無線鏈路將實時視頻傳輸到應急指揮車和應急指揮中心，第一時間為應急指揮員提供實時、準確、直觀的現場情況，使作戰決策者能夠在短時間內掌握現場的情況，并實現作戰方針的快速制定，大大提升了應急救援部隊對突發事件的響應速度。

1.2 部署方便機動靈活

單兵移動視頻傳輸利用無線傳輸的方式實現對現場的視頻監控。其設備小巧便攜，無需進行預先架設，具備機動性好，快速展開的優點，能夠充分滿足應急救援的需要。同時，單兵移動視頻傳輸可靈活地對現場進行多方位、多角度的拍攝，解決了傳統有線視頻監控系統不能移動、可視范圍小的不足。

1.3 資料可留存

單兵移動視頻傳輸可以實時記錄現場的視頻，并通過無線鏈路傳輸到后方。該視頻圖像可以方便地備份到計算機上，以備后期查看調用，為戰評總結、案例分析提供有力支持[3]。

2 現有的單兵移動視頻傳輸方案

2.1 單兵COFDM無線圖傳系統

COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種使用前向糾錯編碼的OFDM傳輸技術，它將信道分成若干正交子信道，將高速(寬帶)數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制后在每個子信道上進行傳輸[4]。它同時利用循環前綴減少子信道的載波間干擾以及碼間干擾，其相比傳統單載波技術具有較強的抗多徑干擾能力，適用于山地、森林、城區等復雜環境下寬帶無線通信。

單兵COFDM無線圖傳系統通常由圖像采集設備、視頻編碼器、COFDM發射機、COFDM接收機以及視頻解碼器構成，如圖1所示。

圖1 COFDM無線圖傳原理框圖

其中視頻編碼器、COFDM發射機通常集成為一個單兵便攜設備，由應急救援人員背負攜帶進入應急區域。通過DV拍攝的畫面經過壓縮、編碼，并通過COFDM調制為無線信號。后方的COFDM接收機接收到無線信號后通過解調、視頻解碼，恢復出拍攝的視頻圖像，從而完成對現場狀況的實時監控。

利用現有的COFDM無線圖傳系統，通過UHF頻段進行傳輸，通常可實現700～1 200 m左右的視距傳輸距離(天線離地面約1.6 m)。它能夠在不依賴現有基礎網絡的基礎上，實現穩定、可靠的視頻傳輸，具有延遲小、圖像質量好等優點。由于人員攜帶的設備在功耗和功率上都必須有所控制，對發射機的供電、天線的長度以及設備的體積和重量也要綜合考慮，因此單兵COFDM圖傳系統的發射機功率通常小于5 W，導致COFDM傳輸距離受限。

2.2 單兵4G無線圖傳系統

單兵4G無線圖傳[5]屬于無線圖傳設備，它利用移動通信運營商架設的基站進行數據傳輸。隨著網絡的發展，目前4G網絡的傳輸比3G網絡效率更高，速度更快，成本更低，因此現有基于公網的無線傳輸均以TD-LTE/FDD-LTE等4G技術為主。圖2給出了典型單兵4G無線圖傳的系統框圖。它由前端的視頻編碼器、4G通信模塊，中間的基站和核心網，以及后端的視頻服務器構成。通過互聯網，擁有權限的用戶可以在任何地方對前端的視頻進行實時監控，這大大提高了指揮控制的靈活性。

各大運營商在各城鎮建設了大量的基站，并進行了大量的網絡優化，這使得移動公網具有較好的信號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用。單兵4G無線圖傳的主要缺點在于，當發生緊急事件時，運營商基站有可能會損壞或者被臨時關閉，這會導致4G無線圖傳設備癱瘓。除此之外，在偏遠的山區，沒有進行運營商信號覆蓋的地下室、隧道，單兵4G無線圖傳設備也會面臨無法使用的問題。

圖2 單兵4G無線圖傳系統框圖

2.3 單兵自組網無線圖傳系統

單兵自組網無線圖傳是近年來興起的新型無線圖傳系統，可以看成單兵COFDM無線圖傳系統的重大改進。一套單兵自組網無線圖傳系統通常包含多個自組網無線圖傳設備，每個設備稱為“節點”。這些“節點”具有相同硬件結構、軟件程序，使用時可不做任何區分。有別于單兵COFDM無線圖傳系統簡單的“點對點單向通信”模式，自組網無線圖傳系統支持網絡雙向通信。單兵自組網無線圖傳系統節點開機后可以自行組網，在通信過程中，網絡可自動進行數據的多跳轉發，如圖3所示。

圖3中節點A與節點E并不在通信范圍內，但是節點A發出的數據可通過B、D的轉發到達節點E，并且這里的轉發路徑是由網絡自動選取的，無需人工干預。自組網無線圖傳系統具備的多跳傳輸能力可大大提高傳輸距離，這突破了傳統COFDM無線圖傳系統的距離限制。同時，自組網無線圖傳系統可以不依賴于移動通信運營商基站等固定設施，可實現全天候、各地域及各場景下的通信，特別適合于應急救援的應用。

圖3 自組網無線圖傳系統的多跳傳輸

2.4 其他單兵圖傳系統

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

2.5 現有單兵移動視頻傳輸系統對比

表1對比了現有的單兵移動視頻傳輸系統，可以看出單兵4G圖傳與自組網圖傳各有所長。在運營商網絡覆蓋較好的區域，單兵4G圖傳有著較好的性能及傳輸距離的優勢，并且價格低廉。而在緊急情況下運營商網絡癱瘓，或者運營商網絡覆蓋不好的區域(山區、地下室、隧道等)，單兵自組網圖傳則體現出其獨特的優勢。

表1 現有圖傳系統對比

3 不同作戰場景下單兵移動視頻傳輸方案選擇

通過上文對現有的幾種無線圖傳系統的對比，單兵4G圖傳與單兵自組網圖傳在應用方式上具有強的互補性。單兵4G圖傳適用于運營商網絡覆蓋較好的場景，而自組網圖傳則在無基礎設施的場景下具有不可替代性。以下討論幾種典型作戰場景下的單兵移動視頻傳輸方案的選擇。

3.1 城市建筑的應急救援

城市中運營商移動網絡覆蓋通常較好，只要不發生大規模的火災、地震等情況，利用單兵4G圖傳系統對災害現場進行偵查和評估是較好的選擇，如圖4所示。

圖4 單兵4G圖傳系統在城市建筑應急救援中的應用

作戰人員可以攜帶4G圖傳設備靠近或者進入災害現場，打開視頻采集設備(DV、頭盔攝像頭等)，利用運營商的4G網絡將編碼后的圖像實時發送到公網視頻服務器。這時前線的指揮車、后方的指揮中心可以對災害現場進行監控，實現精準的作戰指揮。

3.2 地下場館的滅火救援

正常條件下，地下場館(停車場、地鐵、地下商場等)具有較好的移動通信運營商信號覆蓋，這是因為運營商利用直放站、泄露電纜等設備對地下室進行了信號覆蓋的優化。地下室一旦發生火災等應急事件，這些設備的電源可能被破壞或者切斷，地下場館就成為了4G通信盲區。這時利用4G圖傳設備深入地下室進行視頻采集不再可行。地下場館通常結構復雜，結構封閉，墻體眾多，這對無線電傳播造成了很大的障礙。傳統的COFDM圖傳在這種環境下，距離將嚴重受限，甚至小于幾十米。在這種環境下，利用單兵無線自組網的多跳網絡傳輸對地下場館進行信號覆蓋就成為了惟一的選擇。

如圖5所示，作戰人員攜帶多臺自組網圖傳設備(節點)進入災害現場，一旦檢測到自組網信號弱，就地放置一個節點。利用節點的接力傳輸特性，作戰人員可進一步推進，最終接近目標區域。作戰人員打開視頻采集設備，將實時視頻傳輸至指揮車，同時利用指揮車上的其他通信手段，視頻還可以進一步傳輸到后方的指揮中心作為作戰決策的依據。

3.3 偏遠山區的地震搶險

當偏遠山區遭受到強震災害后，水、電、網絡通信設施均被破壞。在此惡劣條件下，重建通信網絡相當困難。利用北斗一代衛星的短報文功能，可以實現小數據量的通信。除此之外利用衛星通信技術，可實現較大帶寬的數據傳輸。但是受制于衛星的資源，難以支撐大量用戶的使用。利用單兵無線自組網的多跳網絡特性，可以在山區進行網絡的快速部署，解決一定范圍內的通信指揮問題，如圖6所示。首先優先選取幾個較高的山頂作為自組網圖傳設備(節點)的架設位置。在空曠架高區域，自組網節點之間的直接通信距離可達10 km以上，這可以在一定的區域保障自組網信號的覆蓋效果。作戰人員在這個區域內的任何地方，都可以將實時視頻傳輸到指揮車上，保障搶險救援高效有序地進行。

圖5 單兵自組網圖傳系統在地下場館滅火救災中的應用

圖6 單兵自組網圖傳系統在偏遠山區地震搶險中的應用

應急救災時應對作戰環境進行綜合分析，選取合適的單兵移動視頻傳輸方案。當現場區域移動通信運營商網絡覆蓋較好并無癱瘓風險時，單兵4G圖傳是一個較優的選擇；而在通信基礎設施受到破壞及不可用的情況下，自組網圖傳則為更好的選擇。

[1] 孫佩剛.新形勢下消防部隊應急救援工作探析[J].中國軍轉民,2011(4):77-78.

[2] 翁楊華.淺析無線移動視頻傳輸系統在消防作戰指揮中的應用[J].電腦知識與技術,2010,6(24):6737-6738.

[3] 馬建會.無線圖傳系統加快滅火救援數字化步伐[J].中國消防,2011(7):44.

[4] 李莉紅,李國金.第四代移動通信的核心技術——OFDM[J].世界科技研究與發展,2008,30(5):568-570.

[5] 付立紅,盧勇,劉捷,等.基于火場感知的車載前線指揮系統[J].天津農業科學,2015(12)：126-130.

[6] 王芳.淺談圖傳系統在消防應急通信中的作用[J].通信技術,2013,46(6):101-103.

[7] 隋虎林,喬培玉,劉濛,等.地鐵消防應急通信技術及裝備[J].消防科學與技術, 2016,35(12):1716-1719.

[8] 王一強,孫罡,侯祥博.UWB 超寬帶技術研究及應用[J].通信技術,2009,42(3):70-73.