基于OFDM扩频通信技术在航道工程中的应用

瞿才鑫，王诗薇

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060）

0 引 言

无线传输方式作为当今最重要的传输方式之一[1]，在工业系统中的应用越来越普及。尤其在某些受地理位置和环境等因素影响的特殊场合，基于OFDM 的扩频通信技术能有效代替有线通信，并能提高通信质量和降低成本[1]，对工业通信进行了实质性的完善。

1 扩频通信技术的发展

随着经济的快速发展和生活节奏的加快，近些年来无线流媒体和无线局域网等无线通讯方式迅速发展起来，而这一切都得益于无线技术的崛起。工业无线技术是设备间面向现场应用的，短程、低速率信息交互的无线通信技术，具有低成本、高灵活性、适用于恶劣环境、更换方便、易于升级等优点[2]。在工业无线技术中，扩频通信技术是一种具有优良抗干扰性能的技术，扩频通信就是指扩展频谱通信技术，其基本特点是传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。在1996 年，我们国家将S 波段中2.4-2.4835GHz 专门用作扩频通信使用。如今扩频通信技术已广泛应用到军事、移动、金融、电信、税务、交通、水利、政府机关等部门和系统[3]。

2 OFDM技术的原理

OFDM 是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能[4]。

OFDM 系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。 为解决这个问题， 在每个OFDM 传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM 信号进行周期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。 这种正交的子载波调制可以用IFFT来实现[5][6]。下面给出了OFDM 的系统框图，在系统中调制解调是使用FFT 和IFFT 来实现的。

3 工程应用

3.1 工程背景

本工程拟建锚地建设地点位于长江三峡大坝上游新太平溪至庙河河段内，属于三峡坝区河段。三峡坝区河段主航道全长59km，位于长江中游和上游交接处，是三峡、葛洲坝水利枢纽水域通航的关键区段。

由于水上运输十分繁忙，航线两侧及主要锚泊区域需要建设一套视频监控系统，所覆盖的锚泊区包括庙河锚地、季家湾水域、杉木溪锚地、兰陵溪锚地、沙湾水域、仙人桥锚地、银杏坨锚地、百岁溪锚地和端方溪锚地，具体地形分布如图2 所示。

鉴于以上监控区域的岸线较长、地形复杂、人迹罕至，属于不易施工布线的场合，视频信号的传输问题成为了监控系统方案成功与否的关键。本工程设计初期从可行性、成本、施工维护等多方面综合对比了基于OFDM 的无线扩频通信方案和光缆通信方案。

3.2 无线方案

无线视频传输由发射机、接收机及其天线组成，每对发射机和接收机有相同的频率，除传输图像外，还可传输声音。无线传输设备在采用2.4GHz 频率。

本工程现用安装24 套无线通讯装置替代总长65km 光纤的敷设。本次无线通讯采用高带宽的工业无线通讯系统进行点对点定向传输数据，把监控摄像头数据上传到系统里面，并留有以太网接口便于今后网络设备的扩展和增加。方案中的无线布置见表1 所示。

3.3 工作过程简述

前端网络摄像机的视频信号通过网线传输至OFDM 无线设备，通过连接馈线后经定向天线向接收端发射信号，三峡局PTN 数据中心通过定向天线接收天线接收到前端信号，然后再通过OFDM 无线接收设备解调出相应的视频信号。如果需要控制云台镜头，就在监控中心加相应的指令控制发射机，通过同样的OFDM 无线传输链路进行收发指令。OFDM 无线设备装置示意图如图3 所示。

三峡锚地无线布放表 表1

3.4 OFDM无线传输技术的优势

3.4.1 技术先进

OFDM 无线传输技术实现了双向透明信道通路，具有可机动、抗干扰能力强和保密性强的特性，可利用定向天线在不同的地理方位、场所之间，建立远距离无线传输链路，非常符合庙河至端方溪的地理环境要求。

3.4.2 工程量小

大大提高施工效率，节省有线的架设时间和资源。对比往年三峡局的光缆架设经验，线路采用8m“H”型木杆架设。无线传输链路的安装和调试的工程量不足光缆敷设工程量的1/10。

3.4.3 造价合理

本工程现用安装24 套无线通讯装置替代总长65km 光纤的敷设，在满足同样的传输需求条件下，综合造价降低了近50万。

4 结 语

本文阐述了无线扩频通信技术的发展和OFDM 通信系统的基本原理。通过OFDM 双向视频无线传输设在三峡锚地监控系统方案中的应用，体现其在特定环境下相对于有线的多重优势。OFDM 系统适用于多业务、高灵活性的通信系统，频谱利用率高，系统稳定性好。在未来的航道工程、港口工程中该技术将会带来越来越大的经济效益和社会效益。

[1]Pandharipande,A.Principlesof OFDM[J].Potentials,IEEE.2002(2).

[2]彭瑜.我国发展无线技术工业应用的机遇和对策[J].中国仪器仪表，2008(S1).

[3]赵炜渝.扩频通信技术及其发展趋势[J].空间电子技术,2008(4).

[4]赵瑭洁,张海林.OFDM系统原理及关键技术[J].现代电子技术,2007(3).

[5]徐放.基于OFDM技术的无线视频传输系统网管模块的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

[6]高建勤，熊淑华.正交频分复用(OFDM)原理及其实现[A].四川省通信学会2004年学术年会论文集[C].2004.