基于4G移動通信技術的應急指揮系統

孫建國

【摘 要】利用高速發展的4G移動通信網絡實現應急指揮系統的視頻圖像、語音指令以及現場數據采集和雙向傳輸，為應急指揮系統的快速有效組網提供了一條新的途徑。系統針對無線信道特性采用了信道動態監測、準可靠糾錯傳輸、自適應碼率調整、多信道網絡捆綁等自主研發技術，獲得了良好的應用效果。

【關鍵詞】4G移動通信 應急指揮 網絡捆綁

1引言

近年來，各種恐怖襲擊、自然災害、疾病疫情、惡性突發事件等給城市安全帶來了嚴峻的挑戰，從國務院應急辦到各地政府都在規劃如何通過現代化的高科技手段來建設綜合應急指揮系統，從而高效快速的應對突發公共安全事件。

2系統架構

基于4G移動通信技術的應急指揮系統是一套先進的以音視頻為基礎的城市狀況監控與城市應急指揮系統。該系統主要由移動應急指揮終端、4G移動通信網絡（TDD LTE或FDD LTE）以及多集應急指揮調度中心組成。4G移動通信網絡采用標準的TCP/IP協議，基于VPDN技術直接運行在政府部門的應急指揮系統局域網內，滿足系統對安全性的需求。前端應急指揮終端集成了音視頻編解碼單元、GPS定位模塊、4G數據傳輸模塊、本地顯示屏已經電池供電模塊，外圍設備可以根據用戶需求靈活配置，包括高清快球攝像機、藍牙無線耳麥、報警采集器、溫濕度傳感器等各類實時數據采集單元以及可選的BGAN海事衛星通信單元?，F場音視頻及各類信號數據信息經過編碼壓縮后通過4G網絡傳輸到應急指揮中心的綜合調度管理平臺。應急指揮中心的圖像、數據、指令也可以通過4G網絡及時下發到各個應急處置現場。應急指揮中心的綜合調度管理平臺由電視電話會議系統、圖像大屏顯示系統、信息管理系統、監控管理系統、網絡共享分發系統等組成，具有緊急情況的收集、顯示、上報、遠程視頻指揮、應急指揮輔助決策等功能。在執行突發任務時，依托4G移動通信網絡，運用音視頻、文字、圖片信息迅速實現對各個應急終端現場的實時遠程指揮。

3系統優勢和功能特點

該系統是一個基于TCP/IP網絡，集視頻指揮調度、視頻監控、遠程視頻錄像、實時數據采集、視頻會議功能于一體的可視多元化指揮調度通信系統。4G應急通信終端采用高速DSP實現音視頻信息的實時采集處理，優化整合了低帶寬H.264數字視頻壓縮技術，并根據無線網絡的帶寬變化能自適應調整編碼速率，解決了不同帶寬無線移動視頻圖像的傳輸。便攜觸摸終端可讓現場處置人員方便地與指揮中心交流，及時反饋現場最新情況，根據領導的指示對應急事件做出快速反應。指揮和視頻終端采用嵌入式操作系統，安全穩定，拓展性好。借助于指揮調度平臺特有的多種級別和權限設置，上級指揮員或管理者可向下級發布指揮和調度命令，可實時進行音視頻雙向交流。

4G應急指揮系統有以下功能特點：

（1）快速組網功能。4G網絡的撥號接入只需要幾秒鐘。

（2）龐大的集成功能。系統視頻指揮調度、視頻會議、視頻監控、數據采集、報警視頻聯動等功能于一體，實現各種視頻、數據業務的多元模塊完美結合。

（3）多系統互聯互通。我們實現的4G應急指揮系統基于開放的TCP/IP網絡，為不同終端的互聯互通提供了便利的解決方案。

（4）強大的網絡適應性。該系統傳輸方面以4G移動通信為主，BGAN衛星通信為輔，多種通信網絡為保障。

4關鍵技術分析

4.1多信道多網絡捆綁傳輸技術

由于環境干擾等因素影響，無線網絡的帶寬具有不確定性、隨機性。而應急指揮系統的特殊性質要求通訊網絡具有高可用性，為了最大程度的減小4G無線網絡不確定性的影響，我們提出了一種多網絡多信道捆綁傳輸的專利技術。該技術的原理是在4G應急指揮終端中采用兩種或多種不同制式的多個傳輸模塊，通過專有的信道檢測和均衡算法將多個信道捆綁在一起傳輸數據，大大提高了傳輸的穩定性。

4.2基于延時控制的準可靠糾錯傳輸技術

應急指揮系統對傳輸延時的要求較高，為了減小系統延時，我們采用UDP協議。但是由于無線網絡的不可控，必須采用重傳糾錯機制。假設單向網絡傳輸的延時為τ，用戶能夠容忍的最大延時為T（用戶可以設置，但T≥τ），重傳次數為n，那么因重傳造成的延時t=（2n+1）×τ。為了滿足系統最大延時T，即t

4.3基于高速DSP的超低碼率H.264編碼和自適應碼率調整

雖然H.264編碼算法是標準的，編碼效率和壓縮比會有較大的差異。與大多數采用通用ASIC編碼芯片的方案不同，針對無線網絡帶寬低的特點，我們采用高性能DSP專門優化實現了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編碼器可以根據應用層對傳輸帶寬的預測，平滑地修改編碼器內部的各種編碼參數，達到自適應調節碼率的目的，而且圖像質量變化平穩，同等帶寬下展現出更好的視覺效果。

4.4分布式可視化指揮管理平臺技術

可視化指揮管理平臺是應急指揮系統的核心，平臺可實現不同種類終端設備的接入和配置管理等，可進行視頻會議、集群對講等。平臺采用了中心信令交換式的分布式架構，該系統架構具有以下優點：

（1）分布式部署。各網元相互獨立，除關鍵網元外，增加活減少集群網元不影響系統其他部分的運行。

（2）開放式設計。可以根據用戶需求增加業務管理網元，實現平臺的業務擴展能力，而不影響已有的服務。

（3）靈活擴容。部署活擴容時，可根據用戶的容量需求配置DTU、NSU、PUI和CUI等集群網元的數目，構成服務器群，滿足海量設備管理的需求。

（4）終端兼容性。平臺通過設備訪問接口單元實現對不同終端設備的協議轉換，從而能夠兼容各種終端設備的接入。

5結語

該系統所構建的應急指揮系統可實現快速響應、快速部署，從而提高政府部門應急指揮的效率，最大限度地減少人民群眾的生命財產損失。