基于COFDM自组网的海上无线视频传输系统设计

王　君

(中国人民解放军第91404部队94分队，河北 秦皇岛066000)



基于COFDM自组网的海上无线视频传输系统设计

王君

(中国人民解放军第91404部队94分队，河北 秦皇岛066000)

针对海上复杂无线通信传播环境场景下，数字无线视频传输的应用需求，在对编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，COFDM)技术的基本原理和优缺点分析的基础上，提出了一种基于COFDM自组网的海上无线视频传输系统设计方案，并对基于COFDM自组网的海上无线视频传输系统的覆盖能力、传输性能、系统容量和系统应用进行了分析，研究表明，基于COFDM的自组网技术完全能够满足海上无线视频传输要求。

COFDM；自组网；视频传输；海上无线通信

0　引言

由于海上无线通信传播环境复杂，多径干扰、接收信号的幅度衰减和时延都很大，传统的通信传输系统无法满足舰舰之间、岸舰之间高速和宽带无线通信的业务需求[1]。同时，海上战场的电子对抗越来越激烈，目前海上常用的短波数据传输系统难以适应未来战场电子对抗的要求。

随着信息化和现代化建设的不断深入，通信技术水平的不断提高，海上C4I信息指挥系统的快速发展对于新的既能提高数据传输速率和传输可靠性又能增强抗干扰能力的海上无线视频传输系统提出了十分迫切的需求[2]。

根据海上无线通信传播环境实际情况，主要研究了基于COFDM 自组网技术的海上无线视频传输系统设计及其在海上指挥系统的应用，并给出基于COFDM自组网技术的海上无线视频传输系统的无线覆盖能力和系统容量计算方法。

1　无线视频传输技术研究现状

无线视频传输所采用的技术体制可分为模拟传输与数字传输技术。其中模拟传输抗干扰能力弱，图像效果差，在视频传输领域处于将被淘汰的阶段。随着图像编解码技术和无线数字调制技术的发展，数字无线视频传输成为目前的主流技术[3]。

目前用于无线视频传输的主要无线通信方式包括了以下几种：短波/超短波数传电台、扩频微波、无线局域网和卫星通信传输等[4]。传输视频的主要压缩技术包括MPEG技术和H.26X技术。其中MPEG主要用于网络视频，视频监控等，H.26X系列主要用于实时视频通信，比如视频会议、可视电话等[5]。

基于COFDM的自组织网络技术与上述无线视频传播方式相比，针对海上复杂无线通信传输环境，在强抗干扰能力，高传输可靠性，高传输速率有自己独特的特点和优势[6]，可以为海上无线视频传输应用提供一种有效的技术手段。

2　COFDM技术

COFDM即为编码正交频分复用，是信道编码技术和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术相结合的产物。

OFDM的基本思想就是把高速率的信源信息流变换成N路低速率的并行数据流，然后用N个相互正交的子载波进行调制，将N路调制后的信号相加得到发射信号[7]。

假设系统总带宽为B，子载波数量为N，则子载波频率间隔Δf=B/N，OFDM符号宽度Ts=1/Δf。令Si(i=0，1，…，N-1)为分配给每个子信道的数据符号，fc为载波频率，则从t=ts开始的OFDM信号可以表示为：

ts≤t≤ts+Ts。

接收端第k路子载波信号 的解调过程为：将接收信号与第k路的解调载波exp[j2π(fc+kΔf)(t-ts)]相乘，然后将得到的结果在OFDM符号的持续时间Ts内进行积分即可恢复出子载波信号，如

由于在所传输的频带内，当N个子载波并行传输时，每个子信道的符号周期相对于串行传输展宽了N倍，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，提高了抗多径衰落的性能。

OFDM良好地解决了多径环境中的信道选择性衰落，但对信道平坦性衰落，尚未得到较好的克服[8]。COFDM是结合了信道编码的OFDM，使信息在频域和时域扩展，各单元码信号受到的衰落近似于统计独立，从而消除平坦性衰落及多普勒频移的影响，可有效对付信道的频率选择性衰落和各种干扰[9]。

相比于其他无线传播技术，COFDM技术具有以下优势：

① 系统频谱效率高；

② 具有绕射能力，适合在城区、建筑物内等非通视的环境中进行图像和语音传输；

③ 在非视距范围内可以提供稳定可靠的图像传输[10]；

④ 对高速数据流进行A/D转换，使得各子载波上的数据符号持续长度相对增加，大大减少无线信道时间扩散所带来的码间干扰[11]；

⑤ 具有较好的抗多径衰落的性能。

由于技术本身的限制，COFDM技术也存在以下不足：

① 对载波频偏和相位噪声比较敏感；

② 设计为复杂，COFDM采用了纠错编码技术、频率时间交织技术、自适应调制技术等，使得其在调制和解调方面的设计实现难度和复杂度都有所增加；

③ 系统的峰值平均功率比较高。

3　海上无线视频传输系统设计

无线自组网是由一组移动终端节点构成多跳、无中心点对点通信网络，各个终端具有路由功能，具有自创建，自组织和自管理的特点。无线自组网的无预先基础设施支持，网络拓扑灵活的特性非常适合海上舰船运动应用场景和有限频谱资源条件下图像、语音和数据稳定、可靠、高效地传输的无线网络构建[12]。基于自组网的海上无线视频传输系统架构如图1所示。

图1　基于自组网的海上无线视频传输系统

海上无线视频传输系统基于COFDM技术可以实现“抗阻挡”、“非视距”、“动中通”的高速数据传输。海上基于COFDM自组网的无线视频传输系统设备由发射机和接收机组成，组成框图如图2所示。设备集成了图像压缩编解码、TS流复用/解复用、数字加密/解密以及信道解码等技术。设备还有安装快捷，可以采用全向收发天线，无需寻找通视路由，无需配置复杂昂贵的伺服稳定系统即可装配在车船等运动载体上等优点。

图2　海上无线传输系统设备组成

4　系统应用分析

4.1系统覆盖能力分析

目前岸海通信和编队通信距离要求如下：

① 岸基站位间宽带无线设备覆盖海域以岸基站节点为中心半径40km范围(岸基中心站天线海拔高度不低于，舰载终端天线海拔高度不低于)；

② 舰载终端间传输距离20km(舰载终端天线海拔高度不低于)。

基于COFDM的无线自组网系统设备一般形态下的最大功率为45dBm(30 W)；岸基站/舰载终端的全向天线增益6dBi；由于设备采用基带处理和射频单元分离式结构设计，射频单元可以靠近天线位置，因此馈线引入的损耗可以忽略不计；计算通信距离为50km时传输速率为16Mbps带宽时的传输损耗为130dB；系统余量按照约15dB估算，接收端的信号强度为：

Rev=Pt+Gt+Gr-Lc-La=-88 dBm。

式中，Pt为发射功率；Gt、Gr分别为发射和接收天线功率；Lc、La分别为传输损耗和系统余量。

按上述接收灵敏度计算，再根据UHF(470～806MHz)视距传播距离计算公式，岸基站到舰载终端传输距离为45.4km，舰载终端到舰载终端传输距离为23.7km。

基于以上计算和分析，可以认为基于COFDM自组网的系统能够满足岸舰和舰舰模式对宽带无线视频传输设备的覆盖能力和传输性能要求.

4.2系统容量分析

实兵训练信息传输系统对于系统容量的需求如下：

① 接入能力的需求。岸基站位需要接入不小于12个舰载终端的各类音视频业务，同时接入时每个舰载终端传输速率不低于4Mbps，分别接入时每个舰载终端传输速率不低于20Mbps；

② 自组网互联互通能力需求。舰载终端之间允许不小于10个节点进行自组网，全部在网时每个舰载终端传输速率不低于4Mbps，共计40Mbps带宽。

基于COFDM无线自组网设备系统容量按工作模式，主要分为如下2种：

① 岸基站位可支持不小于12个舰载节点站同时接入；

② 舰艇编队内组网通信节点数不小于12个。

考虑到基于COFDM宽带无线自组网设备可以支持不同的信号调制，包括QPSK、16QAM和64QAM等。当通信节点间通信链路较好时，系统可采用高阶调制方式，最高吞吐量可达80Mbps；载链路质量较差时，系统能够启用自动调制编码根据链路质量选择最佳调制编码方式来适应链路，在极限通信距离下可保证2Mbps的数据传输。

基于上面的分析，可以分为基于COFDM宽带无线自组网设备可满足海上无线视频传输系统的系统容量指标要求。

4.3系统应用对比

基于COFDM宽带无线自组网的海上无线视频传输系统与传统无线视频传输系统在应用方面的对比如表1所示。

表1　与常用无线视频传输方式对比

通过表1中的几种常用数字传输方式的对比和综合分析不难发现，COFDM技术在海上无线视频传输应用场景中的各个方面均具有较大的优势。

5　结束语

基于COFDM的自组网技术，充分利用了COFDM技术所具有的强大的纠错功能，抗多径衰落能力、抗码间干扰能力、抗多普勒频移能力，大大提高了海上无线视频传输系统的传输可靠性和抗干扰能力，并保证了系统视频传输带宽。通过对于基于COFDM的自组网系统的覆盖能力和系统容量的分析及与其他传统无线视频传输方式的对比，充分证明了基于COFDM的自组网系统在海上无线视频传输应用中是切实可行的。

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王君男，(1966—)，高级工程师。主要研究方向：军事通信。

Marine WirelessVideo Transmission Based on COFDM Ad Hoc Network

WANG Jun

(Team94，Unit91404，PLA，QinhuangdaoHebei066000，China)

Considering the complicated wireless transmission environment scenario on the sea and the application requirements of the digital wireless video transmission，on the basis of fundamental and advantage/disadvantage analysis of Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing(COFDM) technology，a design of marine wireless video transmission system based on COFDM Ad Hoc network is put forward.At the same time，the coverage capability，transmission performance，system capacity and system application of the marine wireless video transmission system based on COFDM Ad Hoc network are analyzed.The study shows that the COFDM based Ad Hoc network technology can fully satisfy the requirements of wireless transmission requirements on the sea.

COFDM；Ad Hoc network；video transmission；marine wireless communications

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.08

2016-05-17

TN924.2

A

1003-3106(2016)08-0031-03

引用格式：王君.基于COFDM自组网的海上无线视频传输系统设计[J].无线电工程,2016,46(8):31-33，55.