浅谈TDD-OFDM技术在消防通信中的应用

幸雪初 桑明华

1 湖南省消防总队 湖南 410205

2 南京威翔科技有限公司 江苏 210029

0 引言

科技发展日新月异，在消防部队，信息化建设打造“消防铁军”已经成为部队建设的重要途径之一。如何保障消防通信指挥中心与火灾现场之间复杂数据(火警预案数据、高质量音频和高质量视频等)传输的实时性、不间断性，实现高效火场实时信息共享，构建消防数字化桥梁，已成为消防抢险救援通信领域的重点工作。

消防通信的建设发展迅速，各种无线新技术广泛地应用的消防通信中，无线图像传输技术已经作为一种必备通信方式应用在事故救援、重大事件现场保障等活动中。目前，利用OFDM技术的单兵无线图像传输系统以其机动灵活的特点发挥着越来越重要的作用，已经成为一种必不可少的消防通信保障手段。随着移动通信技术的发展，时分双工技术开始应用于O F D M技术当中。

1 TDD-OFDM介绍

TDD-OFDM(Time Division Duplexing orthogonal frequency division multiplexing)，既时分正交频分复用的缩写，OFDM(正交频分复用技术)是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知，无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。TDD(时分双工)是一种现代通信系统常用的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与发送信道(或上下行链路)，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，用时间来保证接收与发送信道的分离。在移动通信系统中，TDD在3GPP(第三代移动通信标准化伙伴项目)中属于第三代移动通信系统技术规范。

2 TDD-OFDM技术应用于无线图像传输优点

T D D-O F D M数字无线组网图像传输系统采用T D DOFDM技术，所有设备在同频点下工作、采用TDD信道复用技术，双工通信。提供AV视音频接口、RS485接口、I/O控制口、TCP/IP网络接口。载波调制方案支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM。不同用户占用不同时隙，或同时占用几个时隙。根据互通用户数的数量，系统自动分配时隙，系统同基站下同时可以允许162个组网。TDD-OFDM数字无线组网图像传输系统最大的优势是可利用TCP/IP协议进行全双向高速数据、高清图像和语音的传输，形成一定范围的3G无线局域网。

TDD-OFDM 数字无线组网图像传输系统保持了COFDM非视距、高速移动传输的诸多优点。实现了传统COFDM、单载波等系统所不具备的同频组网传输通信功能。系统传输容量大，并且可以根据不同业务需要动态改变带宽和数据速率。从而达到距离最大化和功率最优化的效果。

3 TDD-OFDM无线图像传输系统应用于消防通信

随着社会经济的发展，灭火救援形势逐步趋向社会化、全局化、复杂化和智能化。地面通信设施基于其自身的特点，易受火灾、飓风、地震等重特大灾害的破坏。在面对重大灾害事故时，地面通信显然会存在重大弊端，无法发挥其应有的作用。TDD-OFDM无线图像传输技术以其可靠性高，抗遮挡能力强、不易受陆地灾害影响等特点，可以很好的解决上述问题。

基于TDD-OFDM无线图像传输系统的特点，足以提供高清晰度的音视频信息，各级指挥中心可实时与事故现场进行通信，各级指挥中心能及时直观的了解现场，第一时间指挥调度，提高部队快速反应能力，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。近些年来，各类重大灾难事故时有发生，且居于突发性强、持续时间长、地点不固定等特点，现场指挥决策缺乏稳定可靠的、有效的指挥场所，TDD-OFDM无线图像传输系统具有独立长时间工作能力，可有效的解决上述问题。同时，系统还可以对现场视频图像进行存储，为战评提供原始资料。

3.1 系统组网方式

3.1.1 网状网方式

组成网状网形式数字无线图像传输方案，有多个基站组成系统，前端采集由车顶云台、手持摄像机、通用摄像头将AV图像信号接到相应的远端设备(如单兵设备、车载设备)。远端设备将图像、音频编码后通过数字方式发到所在的基站。基站与指挥中心之间的链路可以通过光缆、微波、或其他能提供2M接口的电路。各远端设备在基站之间可以自动漫游，无需人工干预。指挥中心可以通过指令控制远端的云台，与远端通话、或传输数据等。系统如图1所示。

图1 网状网组网

3.1.2 链状网方式

单兵或车载设备可以自组网方式工作。每个设备都可以当作基站使用，基站间接力传输。如图2所示。

图2 链状网组网

3.2 系统应用模式

3.2.1 点对点传输方式

单兵图像传输系统到通信指挥车：前方人员利用摄像机将现场的图像声音实时传输到通信指挥车，指挥人员利用指挥车的显示系统，直接观看现场实际情况，及时作出最佳决策。本传输模式适用于阻挡不是很严重的环境。比如：建筑物内对地面。

最后，在地理空间数据分幅提取后，相关人员可对分幅后数据进行批量裁剪，并设定统一的名称。地理空间数据批量裁切主要是将以*.img格式分幅数据、*.txt格式分幅坐标等文件，导入ArcGIS Engine软件中，并与MosaicPro模块结合，对相应地理空间数据系统、数学投影进行批量提取。需要注意的是，若在实际处理阶段，分幅数据坐标系统、最终成本坐标系统存在一定差异，则需要重新进行大地经纬度坐标系统投影转换操作。

3.2.2 中继传输方式

单兵图像传输系统通过临时中继到通信指挥车：由于阻挡环境严重，单兵图像传输系统无法将现场的图像声音实时传输到通信指挥车，这时候需要增加临时中继台。本模式比较适用于环境比较苛刻的如：地下建筑、隧道救援等等。

3.2.3 多点对一点传输方式

根据实际情况指挥员可能需要从不同的多个角度同时了解现场情况才能做出准确决策，这就需要设备有较好的兼容性。一个通信指挥车可以同时接收多个单兵发射过来的图像。本模式适用于多人作战，重大事故火灾现场等等。

4 应用于灭火救援指挥箱

按照贴近基层、贴近一线、贴近实战的原则，为提高基层指挥员灾害现场的决策指挥能力，最近，公安部消防局为全国消防部队基层中队配备了灭火救援指挥箱，灭火救援指挥箱主要是针对灭火救援指挥特点，将火灾现场需要的灭火救援预案、各类火灾扑救对策等信息基层与指挥箱内的笔记本电脑中。

随着工艺的不断改进，利用TDD-OFDM技术进行无线图像传输系统的集成度也越来越高，不断向小型化、微型化发展，以灭火救援指挥箱的计算机为平台可将TDD-OFDM技术无线图像传输集成起来，现场图像可实时在灭火救援指挥箱进行显示，为基层指挥员进行决策指挥，同时，还可以利用3G移动技术，实时将现场图像传回到当地指挥中心，供上级指挥员进行远程决策指挥。

5 系统优点

5.1 适合在非通视和有阻挡等环境中的灭火抢险救援应用

传统的微波设备，必须在通视条件(既收发两点之间必须无阻挡)下才能建立链路，所以使用中受环境制约，需要提前考察环境，拟定、实测收发点。TDD-OFDM无线图像传输系统则彻底改变了这种局面。因其多载波等技术特点，TDDOFDM设备具备“非视距”、“绕射”传输的优势，在不能通视及有阻挡的环境中，该设备能够以高概率实现图像的稳定传输，不受环境影响或受环境影响小。系统简单、可靠，应用灵活。

5.2 适合移动中传输

对于大多数行业而言，无线图像的一般应用模式是：视音频前端采集—接入点——视音频处理中心(一般通过有线链路或卫通)。所以车辆、无人机等平台是系统非常重要的组成部分，其核心的功能之一就是实时接入前端的图像。

对于TDD-OFDM设备，可以实现固定——移动，移动——移动间的使用，非常适合安装到车辆、无人机等移动平台上。

5.3 适合高速数据传输，满足高质量视音频的传输

高质量的视音频除对摄像机的要求外，对编码流、信道速率要求十分高。一般的数字微波，扩频微波传输中，虽然采用MPEG2编码，但信道多采用2M速率，如E1，使得解码后的图像分辨率一般为352×288，无法满足后期分析、存储、编辑等要求。

TDD-OFDM技术每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制，合成后的信道速率一般均大于4M bps。因此，可以传输MPEG2中4:2:0、4:2:2等高质量编解码，接收端图像分辨率可达到576×720或480×720，满足后期分析、存储、编辑等要求。

5.4 抗干扰能力强

无线信道的一个重要特点是多径传播，它使接收信号相互重叠，产生符号间干扰。OFDM的思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流，以并行的方式在多个子信道上传输。这样，在每个子信道上，符号持续时间比信道的最大延迟小，从而可以消除符号间干扰ISI。

TDD-OFDM利用在算法上的频率开槽技术，能自动关闭有干扰的子载波，躲避干扰。同时具有不同子载波根据其信噪比不同，自动控制个子载波的发射功率，提高抗干扰能力。

5.5 占用频率资源少、频率配置便捷

TDD方式无需使用成对的频率。所有设备均在同频下工作且根据各自业务速率自动控制占用时隙数，及各自的子载波数。最大限度提高了频率资源的利用率。可以通过网内的任意设备发送命令动态调节各设备的工作频点。

6 结束语

TDD-OFDM无线图像传输技术应用于消防通信中，能对火灾现场进行远程监控、远程遥控、传输数据、双向交互高质量语音和视频，为灾害事故现场视频图像传输提供了一种有效的解决途径，提高了公安消防部队应对各种突发性灾害事件的能力，减少了社会承受的灾害损失，对于从理论体系、应用价值及发展前景等方面，都将有着非常重要的意义。

[1] 刘辉(美),(美)李国庆著,任品毅译.基于OFDM的无线宽带网络设计与优化.西安交通大学出版社.2008.

[2] 王文博,郑侃 编著.宽带无线通信OFDM技术(第二版).人民邮电出版社.2007.

[3] 谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术.电子工业出版社.2005.