基于OFDM擴(kuò)頻通信技術(shù)在航道工程中的應(yīng)用

瞿才鑫，王詩薇

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引 言

無線傳輸方式作為當(dāng)今最重要的傳輸方式之一[1]，在工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普及。尤其在某些受地理位置和環(huán)境等因素影響的特殊場合，基于OFDM 的擴(kuò)頻通信技術(shù)能有效代替有線通信，并能提高通信質(zhì)量和降低成本[1]，對工業(yè)通信進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的完善。

1 擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活節(jié)奏的加快，近些年來無線流媒體和無線局域網(wǎng)等無線通訊方式迅速發(fā)展起來，而這一切都得益于無線技術(shù)的崛起。工業(yè)無線技術(shù)是設(shè)備間面向現(xiàn)場應(yīng)用的，短程、低速率信息交互的無線通信技術(shù)，具有低成本、高靈活性、適用于惡劣環(huán)境、更換方便、易于升級等優(yōu)點(diǎn)[2]。在工業(yè)無線技術(shù)中，擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種具有優(yōu)良抗干擾性能的技術(shù)，擴(kuò)頻通信就是指擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，其基本特點(diǎn)是傳輸信息所用信號的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。在1996 年，我們國家將S 波段中2.4-2.4835GHz 專門用作擴(kuò)頻通信使用。如今擴(kuò)頻通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用到軍事、移動、金融、電信、稅務(wù)、交通、水利、政府機(jī)關(guān)等部門和系統(tǒng)[3]。

2 OFDM技術(shù)的原理

OFDM 是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)并對不同的載波進(jìn)行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴(kuò)展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能[4]。

OFDM 系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)，各子載波的產(chǎn)生和接收都由數(shù)字信號處理算法完成，極大地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊，但這些頻譜在整個符號周期內(nèi)滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復(fù)原信號。當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時，接收子載波間的正交性就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。 為解決這個問題， 在每個OFDM 傳輸信號前面插入一個保護(hù)間隔，它是由OFDM 信號進(jìn)行周期擴(kuò)展得到的。只要多徑時延不超過保護(hù)間隔，子載波間的正交性就不會被破壞。 這種正交的子載波調(diào)制可以用IFFT來實(shí)現(xiàn)[5][6]。下面給出了OFDM 的系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)是使用FFT 和IFFT 來實(shí)現(xiàn)的。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

本工程擬建錨地建設(shè)地點(diǎn)位于長江三峽大壩上游新太平溪至廟河河段內(nèi)，屬于三峽壩區(qū)河段。三峽壩區(qū)河段主航道全長59km，位于長江中游和上游交接處，是三峽、葛洲壩水利樞紐水域通航的關(guān)鍵區(qū)段。

由于水上運(yùn)輸十分繁忙，航線兩側(cè)及主要錨泊區(qū)域需要建設(shè)一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，所覆蓋的錨泊區(qū)包括廟河錨地、季家灣水域、杉木溪錨地、蘭陵溪錨地、沙灣水域、仙人橋錨地、銀杏坨錨地、百歲溪錨地和端方溪錨地，具體地形分布如圖2 所示。

鑒于以上監(jiān)控區(qū)域的岸線較長、地形復(fù)雜、人跡罕至，屬于不易施工布線的場合，視頻信號的傳輸問題成為了監(jiān)控系統(tǒng)方案成功與否的關(guān)鍵。本工程設(shè)計(jì)初期從可行性、成本、施工維護(hù)等多方面綜合對比了基于OFDM 的無線擴(kuò)頻通信方案和光纜通信方案。

3.2 無線方案

無線視頻傳輸由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及其天線組成，每對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有相同的頻率，除傳輸圖像外，還可傳輸聲音。無線傳輸設(shè)備在采用2.4GHz 頻率。

本工程現(xiàn)用安裝24 套無線通訊裝置替代總長65km 光纖的敷設(shè)。本次無線通訊采用高帶寬的工業(yè)無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)定向傳輸數(shù)據(jù)，把監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)里面，并留有以太網(wǎng)接口便于今后網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的擴(kuò)展和增加。方案中的無線布置見表1 所示。

3.3 工作過程簡述

前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻信號通過網(wǎng)線傳輸至OFDM 無線設(shè)備，通過連接饋線后經(jīng)定向天線向接收端發(fā)射信號，三峽局PTN 數(shù)據(jù)中心通過定向天線接收天線接收到前端信號，然后再通過OFDM 無線接收設(shè)備解調(diào)出相應(yīng)的視頻信號。如果需要控制云臺鏡頭，就在監(jiān)控中心加相應(yīng)的指令控制發(fā)射機(jī)，通過同樣的OFDM 無線傳輸鏈路進(jìn)行收發(fā)指令。OFDM 無線設(shè)備裝置示意圖如圖3 所示。

三峽錨地?zé)o線布放表 表1

3.4 OFDM無線傳輸技術(shù)的優(yōu)勢

3.4.1 技術(shù)先進(jìn)

OFDM 無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雙向透明信道通路，具有可機(jī)動、抗干擾能力強(qiáng)和保密性強(qiáng)的特性，可利用定向天線在不同的地理方位、場所之間，建立遠(yuǎn)距離無線傳輸鏈路，非常符合廟河至端方溪的地理環(huán)境要求。

3.4.2 工程量小

大大提高施工效率，節(jié)省有線的架設(shè)時間和資源。對比往年三峽局的光纜架設(shè)經(jīng)驗(yàn)，線路采用8m“H”型木桿架設(shè)。無線傳輸鏈路的安裝和調(diào)試的工程量不足光纜敷設(shè)工程量的1/10。

3.4.3 造價合理

本工程現(xiàn)用安裝24 套無線通訊裝置替代總長65km 光纖的敷設(shè)，在滿足同樣的傳輸需求條件下，綜合造價降低了近50萬。

4 結(jié) 語

本文闡述了無線擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展和OFDM 通信系統(tǒng)的基本原理。通過OFDM 雙向視頻無線傳輸設(shè)在三峽錨地監(jiān)控系統(tǒng)方案中的應(yīng)用，體現(xiàn)其在特定環(huán)境下相對于有線的多重優(yōu)勢。OFDM 系統(tǒng)適用于多業(yè)務(wù)、高靈活性的通信系統(tǒng)，頻譜利用率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。在未來的航道工程、港口工程中該技術(shù)將會帶來越來越大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]Pandharipande,A.Principlesof OFDM[J].Potentials,IEEE.2002(2).

[2]彭瑜.我國發(fā)展無線技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的機(jī)遇和對策[J].中國儀器儀表，2008(S1).

[3]趙煒渝.擴(kuò)頻通信技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].空間電子技術(shù),2008(4).

[4]趙瑭潔,張海林.OFDM系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(3).

[5]徐放.基于OFDM技術(shù)的無線視頻傳輸系統(tǒng)網(wǎng)管模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[6]高建勤，熊淑華.正交頻分復(fù)用(OFDM)原理及其實(shí)現(xiàn)[A].四川省通信學(xué)會2004年學(xué)術(shù)年會論文集[C].2004.