无线宽带多媒体技术在城市应急系统中的应用

梁静 唐作其

摘要：无线宽带多媒体通信平台是城市应急系统的一个基础平台，为上层应用提供了良好的支撑环境。在工程实践中，一种专用网络平台被研制，包括移动终端、中心站、H.264视频编码板、Amr-NB音频编码板、GPS接收机、GIS/WebGIS和流媒体服务器等主要模块。专用平台解决了传输的高带宽、QoS、高可靠性等问题，同时结合商用3G网络，解决了低投入、大范围覆盖等问题。该平台增强了应急过程的可视化和实时互动。

关键词：无线宽带多媒体；城市应急系统；H.264；3G网络；GIS/WebGIS

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）06-1317-04

Application of Wireless Broadband Multimedia in Urban Emergency Response System

LIANG Jing1， TANG Zuo-qi2

（1. Electronics and Information Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025，China ；2.College of Computer Science and Information， Guizhou University， Guiyang 550025，China）

Abstract： In the Urban Emergency Response System， Wireless Broadband Multimedia plays an important part， it is the infrastructure. The special network platform is developed in engineering practice， which includes many mobile terminals， a central station， 1-channel H.264 video coding modules， 1-channel Amr-NB Audio coding modules， a GPS receiver， GIS/WebGIS and streaming media servers. Special platform was adopted to resolve some problems， such as high bandwidth， QoS， high reliability effectively. Commercial 3G network was adopted to resolve some problems， such as low investment and wide coverage. This platform increased the emergency process visualization， real-time interactive.

Key words： Wireless Broadband Multimedia； Urban Emergency Response System （UERS）； H.264； 3G； GIS/WebGIS

1 概述

城市应急系统（UERS）是一个大型的、复杂的信息集成系统[1-2]。城市应急系统，从技术角度来看，城市应急系统是保障城市公共安全的综合救援体系及集成平台、是集通信、计算机、网络、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、图形图像、视频监控、数据库等多种技术为一体的综合通信、信息处理及指挥系统平台[3]。

随着3G网络的商用，公用移动通信网络在用户数较少的地区可实现较高帧率、较高图像质量的视频数据传输需求。专用无线宽带多媒体通信平台和商用3G网络[4]是城市应急系统支撑基础平台，为突发公共安全事件现场提供视频、语音、位置信息的采集、编码、通过该平台实时传输到应急指挥中心，用户可以在中心获取现场的语音、视频、GPS位置信息。

本文着重研究了双模（专用和商用）无线宽带多媒体通信技术在城市应急系统中应用的关键问题，系统典型应用场景、硬件设计、软件架构设计等；重点阐述了视频H.264硬件编码[5]、语音编码、视频监控中心、城域网GIS/WebGIS监控平台，多媒体传输策略等技术的应用。

2 城市应急系统

2.1 指挥调度系统

该系统包括的主要模块有调度处警模块、GPS信息接收模块、通信监控模块、监控控制模块、显示控制模块、数字录音模块、现场图像传输控制模块、处置部门信息通信模块、GIS模块、信息管理及查询模块和模拟演练模块、应急培训模块等[3]。

系统在接到重大突发事件以后，可以利用电子地图系统快速确定位置，得到周围道路、交通情况等基础信息，根据处置力量情况为指挥人员提供该位置的应急预设预案，并根据处置力量的分布情况计算出车辆的最佳行进路线，供指挥人员进行参考。与此同时还可以通过处置信息数据库系统检索出该位置的详细资料，以便根据实际情况确定相应的措施。方案确定以后，指挥系统可以通过计算机网络（或其他通信手段）将出车命令直接下达到各个现场。

2.2 移动指挥系统（现场系统）

系统配置的设备主要有无线通信设备、移动警情终端台、现场图像传输设备、现场实况摄像和录像设备、卫星通信设备、GSM通信设备、文字传真设备、辅助设备（天线、电源）等。灾情现场多媒体信息和视频会议多媒体信息是数字化的图像和声音数据，数据量较大，由实时记录子系统负责这些信息的记录和处理，包括：记录的开始、结束控制，记录的格式，对记录后的数据的预处理，多媒体数据的入库与查询播放。灾情现场和视频会议多媒体信息传到指挥中心后，同时送到中心控制与实时记录两个子系统。中心控制子系统负责实时显示控制，实时记录子系统负责记录、处理与查询等。

2.3 现场系统由以下子系统组成

1） 指挥中心子系统：由中心信息服务模块、中心信息传输模块（与指挥车通信）、指挥车跟踪及路况显示模块组成。本子系统向指挥车发出调度命令，从数据总库中提取出相关信息，经过网络传输给指挥车，同时监视行车路线，接收指挥车传回的关于现场的文字和图像信息。

2） 通信子系统：现场信息传输的功能：向指挥中心传输现场信息、向市政府传输现场信息、向应急联动中心传输现场信息、向应急部传输现场信息。

3） 指挥车子系统：由出车单接收模块、信息查询模块、指挥车信息传输模块（与中心通信）、GPS接收模块、静态信息更新模块、现场图像显示模块、现场广播系统、现场照明、车载大屏幕、车载手机组成。

3 应急通信中的移动无线网络

3.1 移动无线宽带专用中心站系统

中心站的系统硬件逻辑图如图1所示，采用多天线及软件无线电技术。从逻辑架构上看，中心站通过全以太的千兆交换网将以下几个部分连接起来：

1） 收发单元群组：包含N个收发单元，主要完成无线信号的覆盖、多天线分集以及调制解调功能。每个收发单元接1根天线，完成射频模拟信号与基带数字信号之间的转换工作。基带数字信号封装成MAC包通过1000Base-T接口与千兆以太交换网连接起来。

2） 处理单元群组：包含M个处理单元，主要完成物理层协议和MAC层协议。每个处理单元由CPU实现处理功能，通过1000Base-T与千兆交换网连接起来。

3） 业务终端群组：包含各种类型的业务终端，如硬件实现的视频服务器、数据终端（电脑、无线AP等）、以及其它业务终端。每个业务终端对应特定的远端用户，用IP地址进行标识，通过100Base-T与千兆交换网连接起来。

3） 监控单元：整个系统由统一的监控单元进行集中控制，提供人机交互界面，对网络进行调度管理。监控单元一般由一台工作站负责实现管理功能，通过100Base-T与千兆交换网连接起来。在网络用户数和调度方式固定的条件下，系统通过预置网络调度参数，也可以在没有人为干预的情况下独立工作。

图1 专用无线移动网中心站逻辑图

系统工作时，处理单元群组处理收发单元的基带数字信号，并向业务终端群组提供透明的以太网传输。监控单元向处理单元群组发送指令，控制远端站的注册、接入、挂断等过程。为了提高传输效率，系统还提供了总线接口的视频编码器到收发单元，使视频信号在空中传输时不必再封装成以太包，减少系统开销。

3.2 中心站主要功能模块

中心站硬件逻辑图如2（a）所示，由收发单元、处理单元和解码单元组成，之间采用以太网连接。

（a） （b）

图2 专用移动台硬件逻辑图

收发单元由Modem板和RF前端组成，RF前端功能为收发切换、输出功放和输入低噪功放，对外有天馈系统接口。Modem板与RF前端有射频信号连接，主要完成数模/模数转换和调制解调工作。整个收发单元要求时钟同源，Modem板与自己的RF前端之间通过总线传递时钟信号，两块Modem板之间有秒脉冲作为同步信号。收发单元接2套天馈系统，每套天馈系统对应一个1000Base-T接口到处理单元。

处理单元完成所有的传输算法、网络协议、调度监控等功能，其中视频业务数据以以太包形式通过100Base-T接口与解码单元连接，通过网线与PC机相连实现监控。

解码单元完成视频信号的解压缩，完成音频与视频解码输出。

3.3 专用网移动台系统组成

移动台如图2（b）所示，采用单天线，嵌入式系统。前面板有按钮、液晶显示和业务输入输出接口。移动台内部包括主板、RF前端模块、视频编码模块、前面板四个主要的硬件模块。

3.4 公用 3G网的系统组成

公用3G网络的移动台主要由专用工业级的车载电脑组成。可以直接搭载3种类型的上网卡，也可以与3G无线路由器集成。外设主要有GPS模块、视频输入设备、音频输入设备和各种专用传感器等组成。

中心站服务器群可以架设在具有固定IP地址的固定网络中，由流媒体服务器、GIS服务器、认证服务器等组成。中心站服务群一端连接公网，一端连接到内网中。在内网中主要部署视频监控系统、指挥系统、GIS/WebGIS系统等。

图3 典型应用场景

如图3所示的应用场景，移动台主要完成音频、视频、GPS信号的采集、编码工作，通过三大运营商的3G网络传输。在网络中传输采用基于纯IP网络技术，遵循流媒体协议规范。在中心站部署流媒体网关组件和符合3GPP标准流媒体服务器组件，在中心站管理机上完成音视频监控。

在专用网的基础上，结合3G（中国移动TD-SCDMA、中国电信 CDMA- EVDO、 中国联通WCDMA）通信技术实现的应急系统中多媒体通信系统。公共网3G提供相应的带宽保障（室外384kbps、行车144kbps），专用网数据速率（峰值）上行2.8Mbps，下行50kbps。

4 软件架构分析与实现

系统中心站平台采用B/S结构与C/S结构相结合的混合模式，采用B/S结构的客户通过工作电脑登陆管理中心服务器，取得访问认证许可和设备的地址后使用浏览器和IE端控件即可方便、快捷地访问自己所需要的页面和浏览实时视频图像；采用C/S的客户端软件，可以支持更为强大的专业功能，如输出到电视墙、本地存储录像、视频转发等。中心站主要具有多级权限集中管理、安全认证和设备管理功能。

移动台平台操作系统采用基于X86架构Windows XPE操作系统。编码板采用ARM-Linux 2.6操作系统作为嵌入式服务器软件的承载平台。在ARM-Linux操作系统的基础上，通过Vide04Linux（V4L）接口采集的视频图像交由GM8180片内的H.264编码引擎进行压缩编码；音频上，通过OSS接口采集PCM数据进行自适应多速率窄带语音（AdaptiveMulti-Rate Narrowband，AMRNB）编码。

4.1 系统架构

其软件架构如图4所示。客户端也称移动台，主要完成以下功能： H.264的视频硬件编码板、GPS模块接收模块、语音模块、双模网络切换模块、用户认证模块、支持RTSP/RTCP/SIP传输协议等模块。从移动台到中心站之间通过公用3G网，采用单播的方式，从中心站调试服务器到内网，采用组播方式。中心服务器完成用户认证鉴权后，进行业务调度，分离相应的H.264视频、语音、GPS信息、分别交给视频监控器、语音呼叫中心、GIS/WebGIS系统处理。网络管理模块主要负责故障管理、配置管理、性能管理和安全管理功能。

图4 软件架构图

4.2中心站调度与监控模块

该模块主要实现移动台动态在线状态实时显示功能，实现语音呼叫，语音应答和语音挂断功能，移动台视频带宽和数据带宽分配功能，对用户认证鉴权功能。中心站通过UDP包与系统进行交互，配置系统物理层和MAC层参数，得到系统的一些运行状态。

4.3 GPS/GIS模块

移动台GPS接收器接收到信号后，通信提取日期时间、经纬度、速度等信息，通过网络定时上传到中心站GIS服务器，完成获胜移动移动台定位、轨迹跟踪、自动导航等功能。

中心站将这些GPS信息保存到MySQL数据库中，采用PHP编程环境，来与MySQL数据库交互信息，读取其中的GPS信息。通过调用MapGuide二次开发API接口，新建一个临时图层，将GPS信息中的点，作为GIS要素增加到临时图层，添加到现有的地图上。用户通过浏览器访问Web服务器就能得到包含当前终端所在位置的地图网页。

4.4视频模块

移动台主要完成对现场视频的采集、编码、存储、显示及上传功能，同时移动台用户可以播放实时视频和存储实时视频到本地磁盘等功能。使用硬件编码板转换成h.264的码流，打包成UDP数据包，通过RTP、RTSP/RSTP协议封装，推送到中心站的流媒体服务器。中心站服务分离出视频部分后，把视频通过电视墙显示出来。在网络切换时，专用网络上传标清视频，商用3G网络上专h.264编码的QCIF格式的视频。

4.5语音模块

移动台语音系统，主要完成对现场语音的采集、编码、存储、上传以及通话呼叫、通话挂断等，实现实时通话和录音等功能。核心功能是调用libamrnbf库把原始语音码流变换成amrnb格式的码流，打包成UDP包，上传到中心站服务器上。中心站主要实现语音调度、单呼、组呼、群呼等功能。

5 结束语

该系统可根据实际行业用户的需求进行修改，广泛地应用于自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件应急处置中，在平安城市建设中具有重要意义。

参考文献：

[1] Li Wenzheng， Wang Wei. Study on Model and Framework of Urban Emergency Response System[C]//Proc. of 2008 International Conference on Computer Science and Information Technology. Washington D. C.， USA： IEEE Computer Society， 2008.

[2] Jennex M E. Modeling Emergency Response Systems[C]//Proc. of the 40th Annual Hawaii International Conference on System Sciences. Hawaii， USA： [s. n.]， 2007.

[3] 唐作其，曹振华，陈俊涛，等. 城市应急联动系统架构与统一模型研究[J].计算机工程，2010，36（11）： 285-287.

[4] 王永栋，戎蒙恬，刘文江，等.基于分级流水线的H.264/AVC解码器设计[j]. 计算机工程， 2010， 36（11）：223-225.

[5] 闻恩友，赵正德，杨立朝，等.3G网络的移动视频监控系统[J].中国图象图形学报.2008.13（10）：1988-1990.