劉 軍, 許德健

(中國人民公安大學(xué)安全防范系,北京 100038)

0 引言

近年來發(fā)生了海嘯、冰雪暴、汶川特大地震等重大災(zāi)難性突發(fā)事件,給人類的生命和財產(chǎn)造成了巨大損失。通訊應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)乃至公眾通信網(wǎng)絡(luò),如何快速有效應(yīng)對這類破壞力強(qiáng)、破壞速度快的突發(fā)事件,成為擺在我們面前的嚴(yán)峻問題。5?12特大地震,導(dǎo)致通信基站基本癱瘓,導(dǎo)致集群通信手段無法實現(xiàn)。地勢復(fù)雜,衛(wèi)星通信車無法進(jìn)入災(zāi)區(qū),所以衛(wèi)星通信手段也不適用。要取得更好、更快的應(yīng)對效率與實際效果,就迫切需要尋求新的通信技術(shù)來應(yīng)對公安應(yīng)急通信的巨大挑戰(zhàn)。隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步以及應(yīng)急通信手段的不斷更新,越來越多的新技術(shù)運(yùn)用于公安工作中。無線自組網(wǎng)具有移動性、獨立性、多跳性、分布性的特點,這是其他技術(shù)無法替代的優(yōu)勢。無線自組網(wǎng)作為一種技術(shù),與話音通信相結(jié)合成為一種新的技術(shù)手段,即 Voice over Ad Hoc Network技術(shù),利用這種新技術(shù)可以設(shè)計一套應(yīng)急通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過飛機(jī)將許多無線節(jié)點拋撒在災(zāi)害事發(fā)地,系統(tǒng)通過自動選擇路徑,以能通一組話音為目的,使應(yīng)急指揮中心能及時與遠(yuǎn)地的終端發(fā)話者通信,從而在應(yīng)對突發(fā)事件應(yīng)急通信保障中發(fā)揮重要作用。

1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)

無線自組網(wǎng)(Wireless Ad Hoc Network),是一種在沒有骨干網(wǎng)絡(luò)的條件下,由系統(tǒng)中的通信節(jié)點通過分布式協(xié)議互連或組織起來的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。

在無線自組網(wǎng)中,沒有固定的通信基站,所有通信節(jié)點均可移動,兩個節(jié)點之間可以直接進(jìn)行無線通信[2-3]。若一個節(jié)點發(fā)出的信息可被所有其他節(jié)點接收到,這種網(wǎng)絡(luò)稱為單跳(single-hop)無線自組網(wǎng)。當(dāng)兩個節(jié)點不在彼此的無線通信范圍內(nèi)時,需要通過中間節(jié)點對通信進(jìn)行中繼,這種網(wǎng)絡(luò)稱為多跳(multi-hop)無線自組網(wǎng)[2]。為了實現(xiàn)通信中繼,通信節(jié)點一般應(yīng)具有路由和轉(zhuǎn)發(fā)消息的能力。多跳網(wǎng)絡(luò)更能體現(xiàn)無線自組網(wǎng)的優(yōu)勢,也是無線自組網(wǎng)的主要應(yīng)用形式,因而我們將其作為主要的研究目標(biāo)。以下如無特別說明,均指多跳自組網(wǎng),如圖1所示。

圖1 多跳自組網(wǎng)示意圖

2 話音在無線自組網(wǎng)絡(luò)上的傳輸技術(shù)

無線自組網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以短數(shù)據(jù)為主。在無線自組網(wǎng)上要傳話音必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,同時還需要具有自動尋址功能。

IP電話是一種利用 Internet作為傳輸載體實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)、普通電話與普通電話、計算機(jī)與普通電話之間進(jìn)行語音通信的技術(shù)。IP電話技術(shù)在傳輸之前首先要對話音進(jìn)行壓縮處理,而且是建立在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的分組化、數(shù)字化的傳輸技術(shù)。其基本原理是:采用數(shù)字化處理技術(shù)對語音信息進(jìn)行壓縮處理,然后將語音分組經(jīng)過 IP網(wǎng)絡(luò)傳送到接收端,再次進(jìn)行數(shù)字處理后,通過終端播放出來,從而實現(xiàn)端到端的雙向通信模型[3]。

結(jié)合上述思路,我們可以將無線自組網(wǎng)的技術(shù)與話音通信相結(jié)合,從而得到一種新技術(shù),即無線自組網(wǎng)話音技術(shù)(VoAd hoc)。其基本原理是:從發(fā)送端發(fā)送一組話音信號,先采用數(shù)字化處理技術(shù)對語音信息進(jìn)行壓縮處理,然后將語音分組經(jīng)過 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)傳送到接收端,再次進(jìn)行數(shù)字處理后,通過終端播放出來,從而實現(xiàn)自由路徑選擇的通信模型。這種技術(shù)和傳統(tǒng) VoIP的最大區(qū)別在于傳統(tǒng)的 VoIP技術(shù)采用的是 IP網(wǎng)絡(luò),而此技術(shù)采用的是移動自組網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)功能,與傳統(tǒng)的 VoIP技術(shù)相比具有 IP網(wǎng)絡(luò)無法具有的優(yōu)越性,在臨時型的應(yīng)急通信場合能發(fā)揮巨大的作用。

3 一種 VoAd hoc應(yīng)急通信系統(tǒng)的方案

3.1 系統(tǒng)總體描述

VoAd hoc應(yīng)急通信保障系統(tǒng)是基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)急通信系統(tǒng),以實現(xiàn)傳話音為根本目的。在本系統(tǒng)中充分利用了無線自組網(wǎng)的特點,并針對話音的傳輸進(jìn)行了重新的系統(tǒng)設(shè)計,將無中心的自組網(wǎng)設(shè)置為有中心,利用移動自組網(wǎng)移動性好、穩(wěn)定路由選擇、獨立自組成網(wǎng)、抗損毀性好等優(yōu)勢,將系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化來完成話音的傳輸。其系統(tǒng)基本構(gòu)造如圖2所示。

在此圖中以A為中心點,其他B-K點為各無線節(jié)點,各點的信息最終都要匯總到中心節(jié)點 A處。如從 J點出發(fā)便可通過 J-I-A自由路徑選擇到中心點,完成信號傳輸。在此系統(tǒng)中各節(jié)點的距離一般在 100～200m左右,這樣才能保證信息傳輸。而中心電臺需要覆蓋到所有節(jié)點。對于遠(yuǎn)距離傳輸而言可以使用短波電臺,保證移動通信車到達(dá)移動自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠覆蓋的地方。整個無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求好,抗干擾能力強(qiáng),一般來說在幾公里到幾十公里的范圍內(nèi)完全能保證信號的傳輸。對于近距離的傳輸而言可以采用手臺,在幾公里范圍內(nèi)既能保證傳輸,也較為容易實現(xiàn)且廉價。在突發(fā)事件特殊情況下此系統(tǒng)具有集群通信、衛(wèi)星通信等傳統(tǒng)無線通信方式并不具備的優(yōu)勢。

圖2 VoAd hoc系統(tǒng)圖

3.2 系統(tǒng)具體設(shè)計

(1)系統(tǒng)在傳輸部分先進(jìn)行前端采集,話音信號采集完畢后要進(jìn)行壓縮編碼處理。這是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,能否使話音信號最大限度地壓縮是核心。一般來說 2 Kb/s是話音信號在無線自組網(wǎng)上能夠?qū)崿F(xiàn)良好傳輸而不失真或丟失的理想值。信號在自組網(wǎng)中通過自由路徑選擇,會選擇一條最佳路徑,從而到達(dá)中心電臺。

(2)發(fā)送系統(tǒng)部分采用電臺將自組網(wǎng)傳來的話音信息通過無線電波方式向遠(yuǎn)處發(fā)射。對于近距離的通信而言,系統(tǒng)設(shè)計中采用手臺為好,架設(shè)容易且方便。對于遠(yuǎn)距離的情況建議采用短波電臺進(jìn)行通信。短波電臺以高空中的電離層反射為傳播方式,通信距離甚至可以達(dá)到上千公里。經(jīng)無線自組網(wǎng)收集話音送至中心電臺,再由中心電臺將話音發(fā)送到位于遠(yuǎn)端的接收機(jī),從而實現(xiàn)將現(xiàn)場的聲音信號發(fā)送到指揮中心。

4 VoAd hoc系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案

4.1 語音壓縮編碼技術(shù)

在無線自組網(wǎng)上能否實現(xiàn)話音傳輸功能的一大關(guān)鍵在于語音壓縮編碼,在此通過對各種算法和編碼標(biāo)準(zhǔn)的綜合比較后,最終選擇了 G723.1編碼標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

在本系統(tǒng)中為實現(xiàn)功能采用了最優(yōu)的 G723.1標(biāo)準(zhǔn)。G723.1標(biāo)準(zhǔn)是 ITU組織于 1996年推出的一種雙速率語音編解碼標(biāo)準(zhǔn)。G723.1編碼算法能夠?qū)?8 kHz采樣 16 bit的線性 PCM語音信號壓縮成6.3Kbps或 5.3 Kbps的比特流,壓縮比分別達(dá)到 20或 24,并且兩種速率下都能提供很好的語音質(zhì)量,而且最接近 2 Kb/s的預(yù)期值,因此 G723.1成為本系統(tǒng)的首選標(biāo)準(zhǔn)。

表1 編解碼方式性能綜合比較表

4.2 VoAd hoc系統(tǒng)中無線收發(fā)裝置設(shè)計

語音信號到達(dá)中心電臺的過程中充分利用無線自組網(wǎng)絡(luò)路由自動路徑選擇的特點,制定合適的路由協(xié)議,實現(xiàn)尋址功能。給中心電臺設(shè)置最終的 IP地址以保證從各節(jié)點都能夠傳輸信號至中心電臺。對于無線收發(fā)裝置而言,首先在自組網(wǎng)的中心點要具備無線短波電臺,而無線短波電臺應(yīng)該具備信道機(jī)、天線、終端設(shè)備、電源和控制單元等幾個部分。信道機(jī)包括發(fā)信機(jī)和接收機(jī),用于發(fā)射和接收短波射頻信號;發(fā)信機(jī)與公安移動臺發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)基本一致;天線分為收信天線和發(fā)信天線。發(fā)信天線為同相水平的鞭狀天線或雙匝環(huán)天線,螺旋鞭狀天線都可。收信天線還可選用魚骨天線和可調(diào)環(huán)形天線陣。對于單工系統(tǒng)來說,收發(fā)天線是共用的。電池應(yīng)盡量選用大容量的電池,如 1 500毫安時鎳氫電池守候時間為 16個小時,工作時間為 9個小時,完全能夠滿足需求。由于短波通信在質(zhì)量、可靠性和抗干擾性上的巨大優(yōu)勢,以及應(yīng)用的電離層的不可摧毀性,使得在發(fā)送裝置完成后利用短波通信技術(shù)可以很好地實現(xiàn)無線通信傳輸?shù)囊?將信號完整地送到遠(yuǎn)端。

4.3 短波傳輸技術(shù)

由于本系統(tǒng)中通信車與中心點電臺之間是固定站與移動站通信的模式,而移動站在運(yùn)動中,通訊方向不固定,所以中心站的天線應(yīng)選用全向天線。例如,多膜短波寬帶天線或配有天線調(diào)諧器的鞭狀天線。多膜天線雖然價格較貴,但是一個天線竿上可以繞三副天線(兩副高仰角天線,一副低仰角天線)遠(yuǎn)、近距離通信均可兼顧。中心站也可用鞭狀天線,鞭狀天線的仰角低,近距(20～100 km)通信困難,遠(yuǎn)距離(500～3 000 km)只要頻率合適,通信效果較好。移動站天線由于安裝面的限制,多采用鞭狀天線,有時用柵網(wǎng)、雙環(huán)、三環(huán)天線。遠(yuǎn)距離通信時,鞭狀天線豎直,近距離通信則可以放置為倒“L”型,這樣使用增加了天線的垂直輻射面,可以提高發(fā)射效率。只要天線的發(fā)射角、電臺的工作頻率合適,可以克服短波盲區(qū)(30～80 km)的通信困難[4]。在傳輸過程中還要注意的是解決盲區(qū)。解決盲區(qū)通信主要有兩個方法:一是加大電臺功率以延長電波傳播距離;二是常用的有效方法就是選用高仰角天線,也稱“高射天線”或“噴泉天線”。縮短天波第一跳落地的距離。仰角是指天線輻射波瓣與地面之間的夾角。仰角越高,電波第一跳落地的距離越短,盲區(qū)越少,當(dāng)仰角接近 90°時,盲區(qū)基本上就不存在了。

5 結(jié)語

將無線自主網(wǎng)技術(shù)與計算機(jī)語音通信技術(shù)相結(jié)合,形成一種新技術(shù) VoAd hoc技術(shù),利用這項技術(shù)組建一套應(yīng)急通信系統(tǒng)用于應(yīng)對突發(fā)事件。論文通過分析,驗證了該系統(tǒng)在理論上是成立的。有關(guān)系統(tǒng)的實現(xiàn)還需要在工程上進(jìn)一步實踐驗證才能真正用于公安應(yīng)急通信保障。我們相信在各項技術(shù)條件成熟后,將系統(tǒng)投入實戰(zhàn)能在突發(fā)事件中發(fā)揮巨大的作用,為公安應(yīng)急通信任務(wù)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1] 鄭相全.無線自組網(wǎng)技術(shù)實用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 陳林星,曾曦,曹毅.移動 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)——自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3] 張磊.VoIP語音技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[4] 謝處方,邱文杰.天線原理與設(shè)計[M].西安:西北電訊工程學(xué)院出版社,1985.

[5] 周千里.重大現(xiàn)場應(yīng)急通信技術(shù)體系研究與探討[J].中國新通信之網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用,2008,11(4):40-44.