孫建國(guó)

【摘 要】利用高速發(fā)展的4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮系統(tǒng)的視頻圖像、語(yǔ)音指令以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和雙向傳輸，為應(yīng)急指揮系統(tǒng)的快速有效組網(wǎng)提供了一條新的途徑。系統(tǒng)針對(duì)無(wú)線信道特性采用了信道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)可靠糾錯(cuò)傳輸、自適應(yīng)碼率調(diào)整、多信道網(wǎng)絡(luò)捆綁等自主研發(fā)技術(shù)，獲得了良好的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】4G移動(dòng)通信 應(yīng)急指揮 網(wǎng)絡(luò)捆綁

1引言

近年來(lái)，各種恐怖襲擊、自然災(zāi)害、疾病疫情、惡性突發(fā)事件等給城市安全帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從國(guó)務(wù)院應(yīng)急辦到各地政府都在規(guī)劃如何通過(guò)現(xiàn)代化的高科技手段來(lái)建設(shè)綜合應(yīng)急指揮系統(tǒng)，從而高效快速的應(yīng)對(duì)突發(fā)公共安全事件。

2系統(tǒng)架構(gòu)

基于4G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)急指揮系統(tǒng)是一套先進(jìn)的以音視頻為基礎(chǔ)的城市狀況監(jiān)控與城市應(yīng)急指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由移動(dòng)應(yīng)急指揮終端、4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（TDD LTE或FDD LTE）以及多集應(yīng)急指揮調(diào)度中心組成。4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，基于VPDN技術(shù)直接運(yùn)行在政府部門(mén)的應(yīng)急指揮系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)，滿足系統(tǒng)對(duì)安全性的需求。前端應(yīng)急指揮終端集成了音視頻編解碼單元、GPS定位模塊、4G數(shù)據(jù)傳輸模塊、本地顯示屏已經(jīng)電池供電模塊，外圍設(shè)備可以根據(jù)用戶需求靈活配置，包括高清快球攝像機(jī)、藍(lán)牙無(wú)線耳麥、報(bào)警采集器、溫濕度傳感器等各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集單元以及可選的BGAN海事衛(wèi)星通信單元?，F(xiàn)場(chǎng)音視頻及各類(lèi)信號(hào)數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)編碼壓縮后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)急指揮中心的綜合調(diào)度管理平臺(tái)。應(yīng)急指揮中心的圖像、數(shù)據(jù)、指令也可以通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)及時(shí)下發(fā)到各個(gè)應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)。應(yīng)急指揮中心的綜合調(diào)度管理平臺(tái)由電視電話會(huì)議系統(tǒng)、圖像大屏顯示系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)共享分發(fā)系統(tǒng)等組成，具有緊急情況的收集、顯示、上報(bào)、遠(yuǎn)程視頻指揮、應(yīng)急指揮輔助決策等功能。在執(zhí)行突發(fā)任務(wù)時(shí)，依托4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用音視頻、文字、圖片信息迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)應(yīng)急終端現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程指揮。

3系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和功能特點(diǎn)

該系統(tǒng)是一個(gè)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，集視頻指揮調(diào)度、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程視頻錄像、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、視頻會(huì)議功能于一體的可視多元化指揮調(diào)度通信系統(tǒng)。4G應(yīng)急通信終端采用高速DSP實(shí)現(xiàn)音視頻信息的實(shí)時(shí)采集處理，優(yōu)化整合了低帶寬H.264數(shù)字視頻壓縮技術(shù)，并根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬變化能自適應(yīng)調(diào)整編碼速率，解決了不同帶寬無(wú)線移動(dòng)視頻圖像的傳輸。便攜觸摸終端可讓現(xiàn)場(chǎng)處置人員方便地與指揮中心交流，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)最新情況，根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)的指示對(duì)應(yīng)急事件做出快速反應(yīng)。指揮和視頻終端采用嵌入式操作系統(tǒng)，安全穩(wěn)定，拓展性好。借助于指揮調(diào)度平臺(tái)特有的多種級(jí)別和權(quán)限設(shè)置，上級(jí)指揮員或管理者可向下級(jí)發(fā)布指揮和調(diào)度命令，可實(shí)時(shí)進(jìn)行音視頻雙向交流。

4G應(yīng)急指揮系統(tǒng)有以下功能特點(diǎn)：

（1）快速組網(wǎng)功能。4G網(wǎng)絡(luò)的撥號(hào)接入只需要幾秒鐘。

（2）龐大的集成功能。系統(tǒng)視頻指揮調(diào)度、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警視頻聯(lián)動(dòng)等功能于一體，實(shí)現(xiàn)各種視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多元模塊完美結(jié)合。

（3）多系統(tǒng)互聯(lián)互通。我們實(shí)現(xiàn)的4G應(yīng)急指揮系統(tǒng)基于開(kāi)放的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，為不同終端的互聯(lián)互通提供了便利的解決方案。

（4）強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。該系統(tǒng)傳輸方面以4G移動(dòng)通信為主，BGAN衛(wèi)星通信為輔，多種通信網(wǎng)絡(luò)為保障。

4關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1多信道多網(wǎng)絡(luò)捆綁傳輸技術(shù)

由于環(huán)境干擾等因素影響，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬具有不確定性、隨機(jī)性。而應(yīng)急指揮系統(tǒng)的特殊性質(zhì)要求通訊網(wǎng)絡(luò)具有高可用性，為了最大程度的減小4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不確定性的影響，我們提出了一種多網(wǎng)絡(luò)多信道捆綁傳輸?shù)膶?zhuān)利技術(shù)。該技術(shù)的原理是在4G應(yīng)急指揮終端中采用兩種或多種不同制式的多個(gè)傳輸模塊，通過(guò)專(zhuān)有的信道檢測(cè)和均衡算法將多個(gè)信道捆綁在一起傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.2基于延時(shí)控制的準(zhǔn)可靠糾錯(cuò)傳輸技術(shù)

應(yīng)急指揮系統(tǒng)對(duì)傳輸延時(shí)的要求較高，為了減小系統(tǒng)延時(shí)，我們采用UDP協(xié)議。但是由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的不可控，必須采用重傳糾錯(cuò)機(jī)制。假設(shè)單向網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)為τ，用戶能夠容忍的最大延時(shí)為T(mén)（用戶可以設(shè)置，但T≥τ），重傳次數(shù)為n，那么因重傳造成的延時(shí)t=（2n+1）×τ。為了滿足系統(tǒng)最大延時(shí)T，即t

4.3基于高速DSP的超低碼率H.264編碼和自適應(yīng)碼率調(diào)整

雖然H.264編碼算法是標(biāo)準(zhǔn)的，編碼效率和壓縮比會(huì)有較大的差異。與大多數(shù)采用通用ASIC編碼芯片的方案不同，針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬低的特點(diǎn)，我們采用高性能DSP專(zhuān)門(mén)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了H.264超低碼率編解碼器，低帶寬下壓縮率比通用ASIC芯片高30%左右。我們的DSP編碼器可以根據(jù)應(yīng)用層對(duì)傳輸帶寬的預(yù)測(cè)，平滑地修改編碼器內(nèi)部的各種編碼參數(shù)，達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)碼率的目的，而且圖像質(zhì)量變化平穩(wěn)，同等帶寬下展現(xiàn)出更好的視覺(jué)效果。

4.4分布式可視化指揮管理平臺(tái)技術(shù)

可視化指揮管理平臺(tái)是應(yīng)急指揮系統(tǒng)的核心，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)終端設(shè)備的接入和配置管理等，可進(jìn)行視頻會(huì)議、集群對(duì)講等。平臺(tái)采用了中心信令交換式的分布式架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）分布式部署。各網(wǎng)元相互獨(dú)立，除關(guān)鍵網(wǎng)元外，增加活減少集群網(wǎng)元不影響系統(tǒng)其他部分的運(yùn)行。

（2）開(kāi)放式設(shè)計(jì)。可以根據(jù)用戶需求增加業(yè)務(wù)管理網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力，而不影響已有的服務(wù)。

（3）靈活擴(kuò)容。部署活擴(kuò)容時(shí)，可根據(jù)用戶的容量需求配置DTU、NSU、PUI和CUI等集群網(wǎng)元的數(shù)目，構(gòu)成服務(wù)器群，滿足海量設(shè)備管理的需求。

（4）終端兼容性。平臺(tái)通過(guò)設(shè)備訪問(wèn)接口單元實(shí)現(xiàn)對(duì)不同終端設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而能夠兼容各種終端設(shè)備的接入。

5結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)所構(gòu)建的應(yīng)急指揮系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、快速部署，從而提高政府部門(mén)應(yīng)急指揮的效率，最大限度地減少人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)損失。