新一代訓練場區無線視頻監控系統的研究

謝家林，管 鮑，張文健

（1.中國人民解放軍68006部隊，銀川 750000；2.海能達通信股份有限公司，南京 210012）

1 引言

軍隊的常規訓練和演習任務越來越趨近實戰化，實戰化任務中的語音、視頻以及其他各種數據交互頻繁、數據量大、實時性高，對訓練場區無線通信保障的要求也越來越高。大數據量、高實時性的無線視頻監控業務是可視化指揮調度和后勤保障的基礎。因此，復雜環境下無線視頻監控技術和系統一直都是學術界和產業界研究的熱點。與傳統的民用無線視頻監控業務不同，訓練場區的無線視頻監控具有如下特點：一是業務需求：訓練場區的監控點較多，視頻回傳的路數較多，要求系統具有較大的上行傳輸容量和較高的實時性；二是覆蓋需求：訓練場區地形復雜，應用場景多樣，包括平原、山區、丘陵等多種地域以及隧道、叢林等不規則場景，要求系統具備較強的覆蓋能力以及較為靈活的組網能力；三是頻譜需求：訓練場區的電磁環境復雜，不同系統之間的干擾司空見慣，各種無線傳輸系統應具備較強的抗干擾能力，對寬帶無線傳輸系統提出了較高的挑戰。

當前，訓練場區無線視頻監控業務存在以下幾種主要的解決方案：一是早期的微波圖傳系統：該系統采用模擬技術，系統相對簡單、穩健，點對點單向回傳為主，符合視頻監控業務需求特點，但是系統的頻譜效率太低，所需工作帶寬較大，抗干擾能力較差，已經不適合當前復雜環境下的大容量視頻監控業務；二是傳統的COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，編碼正交頻分復用）圖傳系統：該系統采用數字技術和OFDM調制技術，相對模擬調制能夠明顯提升頻譜，效率，但是更多應用在自組網模式下，缺乏蜂窩組網和跨區切換的能力，多跳模式下有效吞吐率嚴重受限，而且與主流的3GPP技術體制差異較大，缺乏統一的標準和完善的產業鏈，技術演進相對困難，也不適合當前以及未來視頻監控業務的要求；三是4G LTE專網：該系統采用3GPP標準，產業鏈相對成熟，但是主要以下行業務為主，上行回傳能力較弱，應用于大容量視頻回傳業務時需要較寬的頻譜資源，抗干擾能力不足；蜂窩組網能夠提升系統容量，但是缺乏自組網的靈活性；此外，該系統還要承擔戰場導調業務，導調業務具有用戶容量大，上、下行業務容量相對均衡的特點，因此在同一張網絡下很難再兼顧無線視頻監控業務。未來5G系統主要還是部署在高頻段，也很難適應廣覆蓋的要求，但是5G中的一些先進技術還是能夠應用到訓練場區無線視頻監控系統之中。

面對新形勢下實戰化軍事訓練和演習任務的要求，需要利用業界最新的技術，積極探索新的無線視頻監控方案，研制適合實戰需求的訓練場區無線視頻監控系統。

2 無線視頻監控網絡架構

針對上述訓練場區無線視頻監控的特點，一方面要保證系統的上行回傳容量，另一方面又要保證系統組網的靈活性，我們建議新的無線視頻監控系統采用如圖1所示的網絡架構。

在蜂窩網絡架構的基礎上，新的系統在蜂窩接入層下增加了ProSe（Proximity Service，鄰近接入）層。ProSe是3GPP針對公共安全等業務特點在R12版本中新增的功能，并且在后續版本中不斷完善，已經成為5G系統的主要功能之一。利用D2D和自組網技術，ProSe支持寬帶終端的脫網直通、自組網以及多跳橋接等功能，與蜂窩網絡結合應用，能夠方便地對蜂窩網絡進行補盲或者臨時的覆蓋延伸，避免新增基站的麻煩，顯著提升了網絡的靈活性和性價比。

圖1 新一代無線視頻監控網絡架構

蜂窩接入層和ProSe層可以采用同頻或者異頻兩種配置方式。同頻配置方式比較復雜，需要兩層子網之間時間同步、幀同步，而且需要協商好帶內空口資源的分配。異頻配置方式則相對簡單，蜂窩層需要保證系統整體的傳輸容量，因此分配較多且固定的頻譜資源，ProSe層一般臨時使用，傳輸容量相對較小，可以使用較少且零散的應急頻譜。針對訓練場的實際情況，建議初期采用異頻配置方式，隨著技術的演進，逐步支持同頻配置方式。

新一代無線視頻監控網絡架構能夠較好地兼顧系統容量和靈活覆蓋，訓練場區大部分區域通過蜂窩模式覆蓋，確保系統容量滿足業務需求，蜂窩小區很難覆蓋的盲區，或者覆蓋成本較高的區域，可以采用ProSe模式進行延伸覆蓋，從而提升整個系統的組網靈活性，節約成本。

3 無線視頻監控關鍵技術

在新一代無線視頻監控網絡架構的基礎上，針對訓練場區的實戰需求，一些關鍵的技術和功能需要重點考慮。

3.1 上行調制方式

4G LTE系統下行采用OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，正交頻分復用多址）調制方式，上行則采用SCFDMA（Single Carrier Frequency Division Multiplexing Access，單載波頻分復用多址）調制方式。上行采用單載波調制方式主要是為了降低終端的功耗，延長終端待機時間，但同時也犧牲了無線鏈路的性能。單載波調制方式要求終端的資源分配必須是連續的，即連續的若干個子載波，而且信息比特會調制到所有的子載波上，當任何一個子載波由于多徑衰落而被影響的時候，理論上會對所有的信息比特都產生影響，從而降低信道解碼的糾錯性能。圖2是兩種調制方式在典型衰落信道下的性能對比，理論上SCFDMA調制方式會有3dB的鏈路性能損失。

圖2 OFDMA和SC-FDMA的性能對比

另一方面，SC-FDMA調制方式無法進行顆粒度更細的頻選調度，因此對于帶內的窄帶干擾抑制就沒有OFDMA調制方便，后者支持非連續資源分配，通過小顆粒度的頻選調度方法就可以較為容易的避開窄帶干擾。在5G新空口標準中，上行鏈路增加了OFDMA調制方式，在不同的應用場景下，提供了增強上行性能的途徑。由于訓練場區視頻監控業務對上行鏈路的性能、容量以及抗干擾能力都具有較高的要求，因此我們建議新系統中的上行鏈路可以按照5G標準增加OFDMA調制方式，根據具體情況可以靈活選擇不同的調制方式。

3.2 降低峰均比技術

如前所述，如果上行鏈路采用OFDMA調制方式，需要采用相應的技術降低峰均比，從而降低終端設備的整體功耗。

簡單的方法是直接在終端設備上采用下行鏈路的CFR（Crest Factor Reduction，波峰因子降低）技術，在2K子載波的配置下，可以將峰均比控制在7dB左右，這種方式對于車載大功率終端或者CPE設備是比較適用的。對于手持類的終端，需要在終端芯片內增加CFR功能，或者外置一個專用芯片實現CFR功能。CFR功能相對成熟，實現難度并不大，關鍵是要對現有終端架構進行一定的調整。

3.3 抗干擾技術

在訓練場區實戰任務中，各種設備種類繁多，電磁環境尤為復雜，很難找到完全沒有干擾的頻段使用。對于各種系統，需要提前劃分好工作頻段，盡量避免相互干擾，但是在實際應用過程中，還是要求無線通信系統能夠具備以下的一些抗干擾能力：

（1）動態頻譜掃描和頻點配置。通信終端應具備實時掃描電磁環境的能力，并且將掃描結果上報給網管，由網管根據現場電磁環境動態決定工作頻點，并通知基站和終端進行相應頻點的配置，盡可能避開較強的干擾。

（2）頻率選擇性調度。即使系統能夠動態配置頻點，避開較強的干擾，但是在工作頻段內仍然會存在一些窄帶干擾。對于這些帶內的窄帶干擾，可以通過頻率選擇調度算法進行規避，對存在干擾的子載波不進行調度，采用5G新波形對存在干擾的子載波進行濾波，進一步減小窄帶信號對有用信號的干擾。OFDMA調制方式支持離散的子載波調度，頻選調度的顆粒度會更小，相比SC-FDMA調制方式，更容易通過頻選調度的方法來規避窄帶的干擾，保證空口資源的利用率，如圖3所示。

圖3 頻選調度靈活性比較

（3）大功率終端。增加發射功率是抵抗干擾最直接的方法，大功率終端設備在抗干擾領域的重要性不言而喻。但是，并不是所有的終端，任何時刻都需要發射大功率，因此建議對于車載、機載類型終端，可以考慮采用外置功放，當存在干擾的時候，臨時使用外置功放增加原有終端的發射功率，從而提升終端側的抗干擾能力。

此外，還有一些常用的抗干擾技術，比如擴頻技術，跳頻技術等，也可以與上述的一些功能配合使用。

3.4 上行容量增強技術

20MHz TD-LTE系統的上行平均吞吐率一般為20Mb/s左右，頻譜效率只有1b/s/Hz。對于訓練場區多點、高清視頻回傳業務，這個頻譜效率略顯不足，考慮在移動環境下的多徑衰落影響，或者較為復雜的電磁環境下的干擾，TD-LTE系統的實際回傳容量還會進一步降低。因此，在新的無線視頻監控系統中考慮如何進一步提升回傳容量和能力是非常有必要的。

（1）增加幀結構的靈活性。在現有TD-LTE幀結構的基礎上，新增一些上下行子幀配比模式，進一步提升上行子幀在空口資源中的占比，增加系統的回傳容量。進而，遵循5G軟件定義空口的思想，采用新波形增強子載波間隔、傳輸帶寬等空口波形參數配置的靈活性，從而適應不同業務和場景的需求，兼顧傳輸能力和覆蓋距離。（2）上行MIMO技術。MIMO技術能夠有效提升傳輸容量，但是在空間復用模式下，一般都要求天線之間通過一定的空間距離或者極化模式保持無線信道之間的正交。手持設備不太適合配置上行MIMO功能，特別是低頻段應用中，但是對于車載、機載以及CPE等大功率終端設備是可以配置MIMO功能，提升上行回傳容量的。考慮到覆蓋的要求，訓練場區無線視頻監控系統多采用1GHz以下的低頻段，因此建議單個終端最多配置2根天線，節省天線安裝的空間。另外，對于相對固定安裝的CPE設備，可以考慮采用虛擬MUMIMO的方式，進一步提升系統回傳的頻譜效率。

3.5 自組網技術

ProSe功能能夠顯著提升新的無線視頻監控系統的組網靈活性，擴展實戰應用場景。作為ProSe功能的關鍵技術，寬帶自組網技術具有非常重要的地位。自組網技術起源于軍事戰術通信應用，2000年轉為民用之后，一直缺少統一的技術體制和標準，至到2013年，3GPP為了滿足公共安全等行業的特殊需求，在R12版本中開始增加寬帶終端直通功能，定義了sidelink空口規范，并且在后續的版本中不斷完善規范，擴展應用場景。

Sidel in k空口規范定義了寬帶自組網的幀結構、物理信道與信號，以及同步、接入和數據傳輸等基本的流程，對終端之間的相互發現、同步、功率控制等關鍵技術給出了明確的指導建議，有力地促進了3GPP技術體制的寬帶自組網產業的發展。3GPP技術體制的自組網產品能夠非常方便地與蜂窩網絡相互融合，能夠靈活擴展蜂窩網絡的覆蓋區域，適應更多的非規則應用場景，在脫網的情況下，終端之間能夠自組成網，提升系統的健壯性。

3.6 無線視頻傳輸跨層優化

無線空口資源是有限的，在無線回傳能力受限的情況下，需要將信源編碼技術與無線信道傳輸技術結合起來進行優化，從而進一步提升業務的容量和質量。

對于無線視頻傳輸業務，視頻編碼的參數需要自適應于無線信道的實際狀況，編碼的策略需要綜合考慮每路視頻承載的優先級和QoS（Quality of Service，服務質量）等因素。具體而言，無線視頻監控系統需要具備以下機制。

（1）端到端的QoS保障機制。當多路視頻業務并發的時候，系統能夠為每路視頻建立獨立的業務承載，每個業務承載能夠根據業務類型、用戶優先級等因素配置不同的QoS等級，實現差異化的質量保障。QoS等級的定義最好能夠遵循3GPP的規范，便于和其他3GPP網絡實現業務互聯互通。端到端的QoS機制對于系統的資源調度算法要求較高，實際調度的時候，需要綜合考慮流量、時延以及誤碼率等多方面的因素，確保業務質量能夠得到保障。

（2）信源、信道聯合編碼機制。系統能夠實時監測并預測每個視頻監控終端的無線回傳容量，并且將預測結果實時提交給視頻監控業務服務臺。服務臺根據這些預測結果，結合視頻業務的QoS，實時調整監控終端的視頻編碼參數，適配無線信道的實時狀態。這種信源、信道聯合編碼機制能夠有效地避免系統性業務擁塞的問題，即信道質量較差的終端搶占了大部分系統資源，從而造成信道質量較好的其它終端業務受到影響。

4 總結和展望

軍事訓練和演習任務越來越趨近實戰化，作為最直接的態勢信息，現場視頻信息需要及時回傳到指揮中心，供調度決策。現有的一些無線視頻回傳技術和方案很難滿足訓練場復雜環境下的大容量視頻回傳業務，必須采用新的技術和方案來滿足當前以及未來訓練場視頻回傳業務的需求。

為了兼顧系統容量和組網的靈活性，新的無線視頻回傳系統應該在傳統的蜂窩網絡架構上增加自組網的功能，即3GPP定義的ProSe功能。在新的網絡架構下，需要從多方面考慮如何提升上行鏈路的質量、傳輸能力和抗干擾能力，通過自組網技術提升系統的組網靈活性，適應不同的場景需求，在無線傳輸容量受限的情況下，通過聯合信源、信道編碼技術進一步提升系統業務的容量和質量。新系統的技術體制需要遵循3GPP主流技術體制，從而共享成熟的產業資源。

下一步工作將對本文提出系統架構和關鍵技術進行實際測試，驗證新的無線視頻傳輸網絡架構和關鍵技術在復雜訓練場環境下的實戰效果，從而逐漸完善整個系統和方案，為當前以及未來訓練場信息化建設提供更加可信的指導。