公安無線視頻傳輸系統的研究

方偉杰，須曉仁

（上海市公安局，上海 210000）

1 公安無線視頻傳輸發展歷程

從3G 商用開始，公安部門在日常和應急工作中對移動圖像和視頻業務的需求逐漸增多。針對應急圖像傳輸需求，無線電委員會2008 年頒布了333 號文件，將336–344 MHz 頻譜劃歸公安、應急部門無線視頻傳輸使用。在此基礎上，公安部門于2011年頒布了《公安專用無線視音頻傳輸系統設備技術規范》，通過“十二五”規劃在全國范圍內建設340 MHz 公安無線圖傳系統，為應急保障和日常警務提供了關鍵圖像、和視頻的傳輸、共享和綜合利用的保障功能。

隨著公網4G 商業應用的成熟，基于公網的無線圖傳技術在公安部門也得到了廣泛的應用和發展。4G 圖傳設備日益成為公安無線視頻傳輸不可缺少的一種手段。近幾年，以無人機為代表的無人裝備設備被廣泛應用于社會各行各業，公安日常和應急工作中也越來越多地引入了無人設備，為了鼓勵無人機以及其他航空設備在公安實戰中的應用，無線電委員會將1430–1438 MHz 頻段劃歸為警航視頻圖傳專用頻段，基于這個頻段的警用空中圖傳逐漸將會成為公安部門非常重要的現場信息獲取手段。

上述無線視頻傳輸系統在公安日常和應急工作中發揮了重要作用，有效地解決了實戰中的一些問題。未來，公安部門對移動視頻業務的需求也會越來越高，下一代公安無線視頻傳輸系統要求：一是深度融合原有公、專視頻傳輸網絡，構建公、專融合、天地一體化的無線視頻傳輸體系，全方位地將現場態勢信息及時、準確、安全和可靠地傳輸到各級指揮部門；二是利用新技術大幅大幅提升無線視頻回傳的能力，不斷提升視頻圖像的質量和容量，更好滿足公安實戰要求；三是針對現場應急的隨機性和突發性，提升現場應急通信網絡的組網靈活性、使用便捷性，通信設備具備多種模式，靈活切換，平戰兼顧。

隨著無線通信技術、大數據以及人工智能技術的快速發展，上述需求能夠顯著提升公安應急處置、安全保障、案件偵破以及其他日常警務工作的效率。因此，加快公安部門現有無線視頻傳輸技術的更新換代，深化現有網絡之間的融合，構建“公、專融合”“天地一體化”“平戰結合”的新一代公安無線視頻傳輸系統是公安部門當前重要的任務。

2 新一代公安無線視頻傳輸系統的架構

為了進一步融合已有的無線視頻傳輸網絡，新一代公安無線視頻傳輸系統在公安視頻專網中部署視頻服務器，作為視頻業務的網關，負責連接不同的視頻傳輸網絡，承擔協議轉換、視頻分發、視頻匯聚（多網同傳）、鏈路切換（不同網絡之間平滑切換）等必要功能，從而實現不同網絡之間統一通信，如圖1所示。

圖1 新一代公安移動視頻傳輸系統架構

現有的4G 公網圖傳網絡可以逐步升級到5G 公網圖傳，而警航空中視頻傳輸網絡也可以采用4G 蜂窩網或者5G 自組網等技術，實現空地無線視頻傳輸功能。相比之下，原有340 MHz 傳網絡的技術演進較慢，系統相對封閉，已經無法滿足公安現階段的實戰要求，如不進行技術升級，很難與公網圖傳、警航空中圖傳網絡實現深度融合。

在TD-LTE 成熟技術的基礎上，新的340 MHz 傳專網可以采用蜂窩架構來提升覆蓋范圍，同時通過小區分裂來提升整個系統的傳輸，容量終端在多小區之間平滑切換，不同地區的終端可以實現異地漫游。

另一方面，考慮現場應急通信的需求，新一代340 MHz 傳終端應該支持寬帶直通或者自組網功能。脫網直通和自組網是應急場景下非常重要的功能，從3GPP R12開始專門增加了寬帶D2D、ProSe 等公安應用公共安全必要的功能。因此，在傳統蜂窩接入層的下面，建議新增自組網接入層，在脫網情況下可以自組成網，或者通過多跳橋接的方式當終端不在蜂窩網覆蓋范圍接的方式擴展蜂窩網的覆蓋范圍，臨時補盲，如圖1所示。

3 新一代公安無線視頻傳輸關鍵技術

利用新技術升級原有的340 MHz 傳專網是實現新一代公安無線視頻傳輸系統的關鍵，下面重點討論升級340 MHz 專網所需的關鍵技術。

3.1 無線回傳增強技術

4G LTE 系統下行采用OFDM 多載波調制技術，上行則采用SC-FDMA 單載波調制技術。單載波調制可以降低終端的功耗，但是也犧牲了回傳的能力和容量，尤其是在多徑效應明顯的密集建筑區和移動環境下，4G LTE 的回傳性能下降較為明顯。圖2仿真結果顯示，在一般的衰落信道下，多載波調制相比單載波調制有3 dB 的增益，在移動環境下，增益擴大到5 dB，而在在MIMO 模式下，增益進一步擴大到6.5 dB。

圖2 OFDMA和SC-FDMA的性能對比

采用5G 技術，新一代340 MHz 兆圖傳系統也應該允許終端采用多載波或者單載波兩種調制方式，對于車臺等功耗不敏感的終端設備，采用多載波調制方式，在有限的頻譜資源上顯著提升回傳的能力。

3.2 寬帶自組網技術

自組網技術起源于戰術通信，盡管在公網中的應用和發展并不是太好，但是，自組網技術，尤其是寬帶自組網技術在公安應急通信中具有非常重要的作用。為了滿足公共安全的需要，3GPP 組織在R12版本中增加了終端直通和自組網功能，在sidelink 空口規范中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。

新一代340 MHz 無線圖傳專網應該采用3GPP 所規范的寬帶自組網技術，提升終端組網的靈活性，進一步融合自組網和蜂窩網兩種模式，靈活擴展蜂窩網絡的覆蓋區域，適應更多的非規則應急場景，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。

3.3 公、專融合技術

新一代無線視頻傳輸體系中包含了公網和專網，兩種網絡各有特點，需要進一步深入融合，發揮出更大的作用。

（1）相互備份。公網和專網可以相互備份，即當一個網絡傳輸數據時，另外一個網絡也可以處于連接狀態，監測正在傳輸數據網絡的狀態。一旦激活網絡不能正常工作功能做，數據傳輸馬上轉移到備份網絡，實現續傳，減少業務中斷的時間，如圖3所示。公、專網相互備份可以提升數據傳輸鏈路的健壯性，對于關鍵任務具有重要的意義。

圖3 互為備份模式

（2）綁定同傳模式。公、專網也可以同時傳輸數據，從而提升無線鏈路的容量。公網的回傳能力較差，專網可以將絕大部分資源分配給上行，作為公網回傳的補充鏈路，這樣既可以確保回傳的容量，也可以節省公網傳輸的流量費。

圖4 綁定同傳模式

（3）多跳橋接模式。在公網覆蓋的盲區，專網可以提供自組網的能力，通過多跳和橋接的模式延伸公網的覆蓋范圍，確保盲區能夠臨時覆蓋。

圖5 多跳橋接模式

4 關鍵技術測試結果

針對上述關鍵技術，特別是無線回傳能力增強技術，在密集城區建設一個新型340 MHz 圖傳基站，對單個基站的回傳容量進行實際測試。

基站采用336–344 MHz 頻段，天線架高80 m，基站發射功率為2×20 W，采用3功分接三面定向天線，車載終端的發射功率為5 W。單基站的覆蓋情況如圖6所示，城區環境下，半徑3 km 范圍信號良好，平均回傳速率穩定在24 Mb/s 左右。在3 km 范圍內，均勻部署8輛車臺，移動環境下實際測試12路高清視頻同時回傳，視頻清晰流暢，測試結果如圖7所示。

圖6 信號覆蓋圖

實驗數據顯示新型340 MHz 圖傳系統的上行平均頻譜效率達到3 b/s/Hz，而傳統TD-LTE 系統的上行平均頻譜效率通常只有1 b/s/Hz，回傳增強技術是頻譜效率提升的主要原因。

圖7 12路視頻上傳

5 結束語

移動視頻業務在公安日常與應急任務中的作用越來越重要，利用新技術，加快原有無線視頻傳輸系統的升級，構建公、專融合，天地一體化的新一代公安無線視頻傳輸體系是當前公安部門重要的任務。升級原有340 MHz 無線圖傳專網是融合的基礎，利用無線回傳增強、寬帶自組網以及公、專深度融合等核心技術，重耕340 MHz 圖傳頻譜，能夠更好地與公網、警航空中圖傳網深度融合。初步的實驗結果證明了這些關鍵技術的可行性、實用性和先進性。下一步還需要在規模組網情況下，進行更為全面的測試，加快完善新一代的無線視頻傳輸系統。