基于移动WiMAX的灾害应急宽带可视化通信系统研究

张 帆

(成都理工大学信息科学与技术学院，四川 成都 610059)

0 引言

近几年来，我国突发性的灾害发生频率高，规模大，对经济和社会的影响越来越大，受到社会和各级政府部门的高度关注。灾害发生后，在极其复杂的灾害现场，能否及时、快速地建立一个现场应急通信系统，将灾害现场的大量数据、图片、语音和视频传送给后方，并能高效地指挥现场救援人员进行救援，就显得尤为重要。传统的应急通信在历年的重大事件中发挥了重大的作用，但也凸显了其不足，如速度缓慢，没有大范围无线高速宽带组网功能，通信容量小，带宽较窄，视频图像移动采集和实时传输能力较弱，开通耗时长，可靠性低，不能满足轻便、灵活、开通迅速、维修简单等应急抢险通信的基本要求，并且各通信运营商各自为阵、没有开放互通的统一平台等。随着IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移动WiMAX标准的确定，WiMAX技术由于其高接入速率，可提供基于IP的语音、电视电话、多媒体等多种服务，特别是可以实现视频共享、抢险救灾的现场服务，再加上移动WiMAX技术与其他3G、4G及卫星通信系统和超宽带通信系统的互通互补性，移动WiMAX技术作为新的灾害现场救援通信系统平台的前景是非常广阔的。

1 移动WiMAX技术简介

1.1 IEEE 802.16 系列标准

作为宽带无线通信的推动者，美国电气和电子工程师协会(IEEE)于1999年设立802.16工作组。2001年12月，IEEE工作组推出初始版本的标准802.16。2002年4月正式发布了 IEEE 802.16-2001标准。2003年4月颁布 IEEE 802.16a标准。2004年继续修正推出了IEEE 802.16-2004标准，该标准相对成熟和实用，称为固定WiMAX技术，即IEEE 802.16d。2005年 12月，IEEE工作组批准 IEEE 802.16-2005标准，新增了对终端移动性的支持，属于移动无线接入标准，即 IEEE 802.16e。2007年10月，移动 WiMAX(802.16e)加入 IMT-2000，成为 3G家族中的一员。2011年，IEEE批准了802.16m标准，作为ITU IMT-Advanced(即4G)技术候选标准。

1.2 移动WiMAX技术特点

IEEE 802.16e标准可同时支持固定和移动宽带无线接入，工作频段为2～6GHz，双工方式为 FDD(频分双工)和TDD(时分双工)。载波带宽可选择在1.25～20MHz之间。复用方式采用的技术是OFDM和OFDMA。调制解调方式为QPSK、16QAM、64QAM(UL可选)，覆盖范围一般小于10km。移动性上，最高可支持120 km/h，一般为低速(10～15 km/h)。在低速环境下可以使用更大带宽(20MHz)，实现高达75Mbit/s的峰值速率。IEEE 802.16e标准支持全IP网络层协议，同时也可以通过ATM汇聚子层将ATM信元映射到MAC层，支持和3G系统的互通和融合。

IEEE 802.16m 以 IEEE 802.16e 为基础，支持更大带宽、更高阶天线配置，提供两倍于IEEE 802.16e的频谱效率、每赫兹15bit/s的下行频率效率、更低的传输时延。802.16m可在“漫游”模式或高效率/强信号模式下提供1Gbps的下行速率。该标准还支持“高移动”模式，提供300Mbps速率。同时IEEE 802.16m兼容ITU IMT-Advanced(即4G)技术。

对比于3G技术，移动WiMAX的运行速率是3G的30倍或者更高，其覆盖范围用低阶调制时可与3G匹敌。在网络规范制定过程中，WiMAX充分考虑到与现有网络的共存，充分重用现有网络(如3G)设备，在原有核心网设备上，增加简化的WiMAX核心网功能，作为接入网接入。移动WiMAX可作为现有3G网络及未来4G网络的有益补充，WiMAX在高速接入以及多媒体通信等方面具有非常突出的优势。在现代的应急通信系统当中，大的带宽能够高效地传输语音、视频等多媒体信息，并且要求具有一定的移动性，因此基于移动WiMAX的无线应急通信系统可以很好地满足要求。

2 移动WiMAX救援通信系统应用方案

作为单一的系统，移动WiMAX不仅能提供国家级或者全球级的规模服务，由于其快速、便宜、真正的移动性等优势，移动WiMAX与其他通信网络的综合应用能够真正高效满足灾害现场救援通信的需求。

在城市小规模突发事件(火灾、集会等)中，移动WiMAX可作为移动应急通信车载设备，迅速赶赴现场与现有网络综合组网，作为陆基网络的有益补充，可以提供宽带接入、视频实时监控等服务，作为现场监控指挥中心。

在没有或者很少陆基通信设施，或者大规模突发事件(地震、风暴、恐怖袭击等)导致陆基基础设施损毁的情况下，可以根据具体情况选用移动WiMAX一体化小型设备或车载设备迅速赶到现场与卫星通信系统组网，构成能提供高速多样化服务的现场应急通信系统。

2.1 移动WiMAX与现有核心网综合应用

在陆基基础设施完好或者极少数受损的情况下，原有通信条件不能满足灾害救援现场通信指挥要求，可使用基于移动WiMAX的应急通信车迅速赶到现场与原有通信核心网互通，支持大范围、高速移动下的无中断无线宽带接入应用，满足对数据调度、移动视频监控、车辆/人员定位、移动指挥车应急通信等业务需求。这样的方式具有组网速度快、可靠性高、传输速率高、传输费用低等特点，不仅仅满足了现场工作救援人员之间的数据交流需要，还能够与后方指挥中心保持高带宽的通畅通信。

移动WiMAX基站最大的优势就是实时视频监控和传输业务，指挥救援人员可以实时掌握现场动态，迅速做出指挥决策，同时也可以将现场信息回传到后方指挥中心。本方案采用监控行业比较主流的4CIF(704×576)的格式，使用MPEG4或者H.264的算法，在全帧率的前提下，带宽一般在1.5～2M之间。移动WiMAX基站采用奥维通BreezeMAX Extreme 5000。该基站设备使用WiMAX IEEE 802.16d/e标准;4.9G/5.8G 工作频段;支持 SISO/MIMO A/B，提高覆盖范围和容量;先进误码校正功能，并借助SOFDMA、AFS和 DFS等技术，支持最佳的非视距(NLOS)通信;户外一体解决方案将基站、天线、ASN网关和GPS接收器集于一身。其提供的54Mbps的带宽足以充分满足灾害现场视频监控传输以及视频电话等各种应急通信指挥需求。这种应用方案主要适用于现代化城市的公共安全和紧急救助，成本低、工作灵活、覆盖范围较大、通信能力强，可实现语音、视频、数据的实时传输。

2.2 移动WiMAX与卫星系统综合应用

假设在地质灾害应用方案中，当地陆地基础通信设施大都损毁失效，救援设备应该在几小时到达操作区域。卫星连接是这时唯一能够提供的网络连接，实践证明卫星系统是应急通信不可或缺的手段。但是卫星通信的成本很高，而且只能够提供很有限的速率，仅限于语音和短消息一类的窄带业务，远不能满足应急通信的需要。还必须考虑到每个救援人员设备都连接卫星是极其昂贵的，而且在某些情况下不可用。要在第一时间全面深入地了解灾情，高效组织救灾活动，稳定受灾群众情绪，沟通全国人民与灾区的联系等需要大量的宽带可视化业务。而设备(包括直升机、通信系统、发电机、地震活动检测传感网等)到达现场后，一体化小型移动WiMAX基站可在几十分钟内快速架设，为使用移动WiMAX终端的救援人员和设备提供语音、数据、视频实时传输等低成本可靠的宽带可视化服务。这时将移动WiMAX基站和卫星系统组合起来，形成一个综合通信系统，是一个高效可行的方案，可实现指挥中心与应急现场人员的实时视频会议，配合VoIP、集群通信和图像采集，可满足现场的各种通信需求。

移动WiMAX基站和卫星系统的连接结构很多，本文采用基于地球静止卫星的单WiMAX-卫星结构。移动WiMAX基站与卫星直接连接，基站小区内的终端用户与基站进行通信。WiMAX频段采用3.5GHz，下行采用64QAM、1/2编码率，上行采用16QAM、1/2编码率，其衰减不像某些宽带卫星业务频段(Ku及其以上波段)那样严重。宽带卫星通信系统现在可以提供高达45Mbps的带宽，在应急系统中使用稳定的下行2Mbps、上行512 kbps的宽带卫星业务。这时适当降低视频分辨率，采用CIF(352×288)格式稳定在25帧/s的情况下占用带宽约为512k。综上表明在非视距条件下，基于WiMAX的无线接入卫星通信系统，能够满足主流视频分辨率的带宽要求。

WiMAX-卫星应急通信系统由于其极强的适应性和可靠性，应用前景最为广阔，比如在海上救援中，只需将上述方案的设备改为船载，就可以组建由一个连接卫星的基站指挥船只和多个装备移动WiMAX终端的搜索救援船只组成的应急通信救援系统。由于船载设备可以做得很大，天线高度相对可以较高，采用2.5GHz的频段，可以覆盖一个很大的区域(大约20km的半径)。由于海上的无障碍性和卫星系统的高覆盖，可以证实WiMAX连接能够在大部分全覆盖区域传输用户文件数据达到最大速度，可以提供流畅的视频服务。海上的信号干扰，可以简单认为干扰信号主要是连续脉冲和矩形脉冲。连续波能够造成服务中断，但是方波不那么有害，因此，虽然降低了性能，但是WiMAX网络能够与海上其他通信系统共存，移动WiMAX设备可以成为和雷达一样的在海上很常用的设备，满足海上应急救援通信的需求。

3 结束语

随着对公共安全问题的重视，对应急通信技术的要求也越来越高。建立快速可靠的宽带可视化应急通信系统是非常必要的。本文提出几个基于移动WiMAX的灾害救援宽带可视化通信系统的应用方案，并讨论可视化系统是可行的，WiMAX-卫星应急通信系统是最有潜力和应用前景的。

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