WIFI多级桥接应急多媒体通信系统研究

田 青1 袁方周1 郑宣传2 王彦平1

(1. 北方工业大学,北京 100144; 2. 北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100164)

摘 要: 聚焦北京地铁交通轨道应急抢险可视化通信与信号传输的应用领域,针对传统的有线通信系统存在的传输距离短、线路铺设灵活性差;无线通信系统中,无线自组网技术存在的收发单元间传输能力与适应性差;卫星与公网结合的通信系统存在的信号源不稳定等缺陷。提出了WIFI多级桥接应急多媒体通信系统架构,研究基于5.8 GHz的WIFI多级接桥技术并研制相关设备,在无线自组网技术基础上,在传输能力与适应性方面进行了改进,能够有效适应远距离、遮挡及垂直差异存在的信号传输场景。提出采用广泛应用的公网4G信号构建通信系统,有效避免当车载基站作为信号源时造成的不稳定性,当应急救援现场无4G信号覆盖时,结合WIFI多级桥接技术提供的网络传输保障功能,从而使得整体桥接与通信系统可满足所有的地铁抢险环境并实现相应功能要求。

关键词:信号传输;网络搭建;地铁应急;视频通话;5.8 GHz

1 引言

通信技术、方式及设备以及确保通信系统正常工作的网络信号桥接、传输及保障系统是应急抢险作业的核心部分。在地下空间,地铁交通运行环境中,由于封闭性高、地下环境结构复杂、事故类型较多等特点,导致了传统的语音通信系统不足以为作业提供充足的信息可视化能力[4]。在作业同时,需要保证地铁运行的正常进行,保证人员密集度高、流动性大时不会对应急作业造成影响,在信号传输方面,普遍适用的有线传输方式在环境适应、设备架设等方面存在很大应用劣势[3]。普通的无线传输方式很难应对复杂环境下的遮挡及跨层传输问题。

在网络信号传输方面,有线通信系统因其传输过程较为稳定,抗外接干扰能力强及较高的安全性已广泛应用于民用通信领域及特殊行业通信领域[14]。双绞线模式、同轴传输模式以及光前信号模式[16]是有线通信的主要形式,在有线传输时,信号作为电子信号传输,会受到电阻与电容影响,导致信号产生衰减和畸变,从而影响传输距离,同轴传输在传输距离上相较于双绞线传输有所提升,但体积大、抗击缠结、压力、弯曲能力较弱及成本高的缺点使得在使用中已被双绞线模式普遍替代,光前信号传输的工作频率为100~1000 THz,带宽约为50 THz,具备极高的带宽,原材料二氧化硅存量丰富、重量轻、体积小并且传输距离较远,可达公里级[10]。但在复杂的地铁救援环境下,线路的铺设缺少灵活性,有线的连接方式导致传输过程中设备的有型化,网络设备对接形式及架设位置固定,很难满足地铁应急救援需要。

我国在应急抢险救援的通信系统研究方面具备一定的无线通信技术积累,系统研究主要针对复杂场景的适应性及系统的稳定性两个方面进行了突破。针对复杂场景的适应性,为解决实际应用中存在的远距离、遮挡场景、垂直差异造成的信号衰减等问题,赵淼[20]等,将无线自组网技术应用于通信系统当中,信号传输基于多个具备接收及发送功能的单元组合而成,根据实际应用场景,可架设多个收发单元,有效的避开大面积的遮挡,多级单元间的信号桥接可一定程度上增大信号的传输距离。针对应急通信的稳定性问题,提供了一种抗干扰能力较强的通信系统及方法,金翠[19]等,设计了一套自上而下的全电网应急指挥系统建设方案,其中针对应急抢险通信系统,采用卫星通信和公网3G,4G结合的方式,基于卫星通信主站及应急通信车载便携站等,实现了较为稳定,具备一定应用价值的通信方法及系统。

可见应急通信系统在通信链路的构建方法与形式上仍存在很大不足,在应对复杂场景方面,应提升通信方法的可行性,提升通信设备的场景适应能力,在增强系统通信能力的同时减少设备的投入,以此加快应急作业的响应时间[5]。采用多个设备中继的方式会导致设备的架设与资源投入过多,使得救援作业效果受到影响。稳定性方面,考虑到目前直接提供音视频通信的卫星系统较少,设计开发成本较高,另外,基于车载的通信站会导致信号源的不稳定性提高,通信站受损将导致系统瘫痪[1]。当前地下交通铺设区域,对应地上的公网4G信号覆盖较为良好,本文考虑将地上区域4G信号引入地下区域,可有效避免临时通信站瘫痪造成的信号源丢失问题,同时减少设备的投入与消耗[6]。所以综合以上问题及解决思路,本文设计并开发了一种基于WIFI桥接的应急多媒体通信系统与设备,其中包含基于4G信号的多路通信子系统,由于目前4G信号具有覆盖面广,带宽较大的优势[6],并且凭借4G信号的高带宽特点,可完全代替移动基站的网络供给,实现地铁应急通信的高度可视化能力即高清视频通信能力,并进一步提高信号供给的稳定性,但在实际应用场景中,一旦事故现场没有4G信号覆盖,会导致通信系统无法工作,所以设计基于5.8 GHz的4G信号传输与桥接子系统,针对有线传输造成的灵活性差,无线自组网技术造成的设备铺设范围过大,架设用时高等问题,采用以5.8 GHz的WIFI信号为媒介的无线桥接方式[15],将4G信号从可接收区域桥接至事故区域进行覆盖,无需提供稳定的信号源设备,采用大功率的无线网卡及具备较高增益的定向天线进行WIFI通信,通信距离可达公里级[18],实现设备间的远距离通信功能,无需增加额外的中继点,采用定向及全向天线有效适应各类复杂场景需要,可克服各类实际场景中遇到的遮挡及垂直差异,通信速率最高可达600 M,可满足4G信号的传输需要[8],设备在桥接过程中会自动对接收到的所有信号进行接收与分析,择优选择最佳信号进行接收与转发,保证传输过程中最小程度的衰减,4G信号传输与桥接子系统为4G信号的多路通信子系统提供了网络保障,两者的有机结合,形成了一套高效,便捷,稳定的地下抢险救援的通信系统方案,并在实际场景中进行测试验证系统的可行性。

2 基于WIFI桥接的应急多媒体通信系统架构

基于WIFI桥接的应急多媒体通信系统架构如图1所示,整体系统可分为通信设备模块、信号传输与覆盖模块、功能实现与视频存储模块,三个模块组成整体系统。

图1 系统架构
Fig.1 System structure

其中,通信设备模块基于PC端设备及自主研发的移动终端设备,设备分别搭载自主研发的通信软件平台,在应急作业时,为通信双方提供通信方法及设备。其中移动终端设备搭载4G流量卡,当事故现场有4G信号覆盖时,可实现无需任何其他设备干预的音视频通信,在事故现场无信号覆盖时,为确保通信设备模块的正常工作,需借助信号传输与覆盖模块提供的网络信号,实现音视频通信,该模块由无线网桥设备组成,设备基于WIFI多级桥接技术,可实现对4G信号的远距离复杂场景下的接收、桥接及覆盖,为事故现场提供网络信号覆盖。两者的有机结合,使得以公网4G信号作为信号源的无线通信系统应用于地下空间应急救援成为可能。整体传输过程以经过优化后的5.8 GHz WIFI信号作为传输媒介,可应对各类遮挡及跨层场景。功能实现与视频存储模块主要负责实现整体系统的功能性构建,有两台服务器组成,控制整体系统的各项功能实现。以便整体系统在功能性与实用性方面达到地铁应急救援作业需要。

3 WIFI多级桥接技术及设备

3.1 WIFI多级桥接技术

本文针对地下应急抢险通信系统的数据发送及网络保障需要,研究并设计WIFI多级桥接技术及方法,基于自主研发的无线网桥设备,相对于无线自组网技术的灵活组网,多级设备间自适应网络链路选择等特点,WIFI多级桥接技术在信号传输的能力上进行了研究与提升,在设备间信号传输的性能上进行了重点提升,解决了有线传输在传输距离受限、线路铺设繁琐、应用场景有限等方面的问题,以五类UTP、超五类UTP线材为例,对有线通信距离受限问题进行说明,根据快速以太网100 Base-TX要求,其传输速率是100 mbps,传送一位数据时间:

t(ns)=1÷100 mbps=10 ns

(1)

一个传输线路两端均有设备连接,双方可能同时发送数据,造成冲突,冲突会造成数据丢失,采用冲突检测及后退重发方法,从而实现在一端数据包结束发送任务前即可实现对冲突的检测,64字节是以太网下的最小帧长度,为512位。发送时间为:

t1(ns)=512位×10 ns=5120 ns

(2)

在数据发送时,会产生一定的延迟,延时为5.56 ns/m,中继规则[17]要求10 mbps的以太网延迟不高于512位,则对于100 mbps延迟不高于5120 ns,则理想的传输距离为:

d(m)=5120 ns÷5.56 ns/m≈100 m

(3)

以此为例,解释了双绞线模式在数据传输时的传输距离为何会受到限制,距离需控制在100 m以内。

WIFI多级桥接技术基于三个传输单元进行信号传输[7],三个传输单元依次命名为“前端”、“中继”、“后端”,前端采用AP接入点模式,通过搭载提供4G信号的流量卡及4G信号接收天线,实现对周围4G信号的接收,前端需部署于4G信号覆盖区域,可以处于地面或地铁场景中的任何区域,在AP模式下,将4G信号作为网络接入将其转换为5.8 GHz的WIFI信号通过内部的定向天线进行远距离无线发送;中继设备,采用Repeater中继模式,可接收较远距离的WIFI信号,接收前端设备发送来的WIFI信号,再转发为一个5.8 GHz的WIFI信号进行再发送,最后由采用Client客户端模式下的后端进行接收,后端将接收到的信号通过自身的全向天线以WIFI信号的形式进行覆盖,从而为事故现场提供网络信号连接。

3.2 无线网桥设备

应急多媒体通信系统中,为保障系统的网络连接,基于WIFI多级桥接技术设计无线网桥设备,实现复杂场景下的4G信号传输、桥接与覆盖[11],设备具备灵活的多级桥接与组网功能,设备可对接收到的信号进行分析筛选,择优进行信号接收与发送。相比较传统的有线连接模式,多级桥接模式更加灵活,便捷,可在一定程度上提高应急抢险的效率,人力、物力、费用投入较少,便于系统进行实际应用,结合移动单兵设备,基于WIFI网络连接模式,可接入多个网络设备,设备接入可灵活增减,相比于有线模式较为便捷,实际应用价值较高。无线网桥设备按照功能特点设计三类设备。

为实现WIFI多级桥接技术在无线网桥设备中能够发挥较为高效的性能,达到预期指标,在无线网桥的硬件设计方面,整体的信号传输基于IEEE 802.11 n协议[18],该协议针对网上流量不足的问题进行了优化,最大传输速度理论值可达600 Mbit/s,在传输速率上有较大提升,理论上可承载4G信号带宽量。传输距离方面为使得5.8 GHz WIFI信号的传输距离达到公里级,采用的定向传输天线增益为18 dBi,具备较强的传输能力,在辐射范围方面,水平及垂直波瓣宽度均为17°,在水平及垂直方向上具备一定的跨越遮挡以及适应垂直差异的能力。

图2 无线网桥设备样机
Fig.2 Wireless bridge device prototype

表1 无线网桥设备技术指标

Tab.1 Wireless bridge equipment specifications

参数参数值标准协议IEEE802.11a/n;IEEE802.3;IEEE802.3u工作频率5.15~5.35GHz,5.47~5.7GHz,5.745~5.825GHz天线5G天线,增益18dBi,水平17°,垂直17°传输速率无线协议:802.11a:54,48,36,24,18,12,9;802.11n;支持带宽:6Mbps;20MHz,40MHz;最远传输距离5G:5km工作电压POE供电:12~24V±5%接口POE外形尺寸主机270∗270∗70mm外壳特性铝压铸设备重量1.2kg网络模式路由/桥接

3.2.1 无线4G信号接收器

无线4G信号接收器,简称“后端”,内部结构如图所示,网络接收模块可通过4G天线或网口接收网络信号,其中4G模块包含DHCP功能,可为系统中的联网设备分配相应的IP地址,信号发送模块将转换后的4G信号转换为5.8 GHz继续进行传输。

图3 无线网桥设备样机
Fig.3 Wireless bridge device prototype

3.2.2 无线信号中继器

无线信号中继器,简称“中继”,内部结构如图所示,该设备处于信号传输系统的中部,主要负责信号的桥接与传输,可外接5.8 GHz天线,实现对上一级信号的接收,并通过内置的定向天线实现信号的再发送,起到桥接作用。

其中,当有多路WIFI信号发送至中继设备时,中继模块负责对接收到的所有5.8 GHz信号进行分析,自动选择信号质量较好的信号源进行再发送,保证了传输过程中的最小损伤。

图4 无线网桥设备样机
Fig.4 Wireless bridge device prototype

3.2.3 无线WIFI覆盖器

无线WIFI覆盖器,简称“前端”,内部结构如图所示,内置了5.8 GHz定向天线,负责接收上一级的信号,并通过无线WIFI覆盖器中的WIFI覆盖模块外接的全向天线将接收到的信号继续以WIFI信号形式进行覆盖,由于全向天线可对天线周围360°的范围进行信号覆盖,以此实现对事故现场的网络覆盖。

图5 无线网桥设备样机
Fig.5 Wireless bridge device prototype

4 应急多媒体通信系统测试

4.1 测试架构及方法

本次测试地点选择在北京地铁二号线西直门站站点内与西直门站到积水潭站内环隧道区间,测试场景根据具体站点及隧道结构,进行划分,系统需实现对测试区域所有位置的全覆盖。

图6 应急多媒体通信系统测试架构
Fig.6 Emergency multimedia communication system test architecture

测试架构与系统架构类似,因测试时间原因,PC端无法连入地铁公司内部网络,将通信双方的信号源选择为不同运营商。

4.2 相关配套测试设备

应急多媒体通信系统中,根据地铁应急的实际需要,设计并使用移动单兵设备,作为事故现场的音视频采集设备,该设备基于Android 5.1系统,具备防水防尘IP 68等级,配置1300 W高清摄像头,可适应地铁环境下的各类应急抢险场景。

图7 移动单兵设备样机
Fig.7 Mobile individual equipment prototype

表2 移动单兵设备技术指标

Tab.2 Mobile individual equipment technical standard

参数参数值操作系统Android5.1网络制式GSM/WCDMA/TD-SCDMA/TDD-LTE/FDD-LTE网络频段GSM:B8/B3/B2/B5WCDMA:B1/B2/B5/B8TD-SCDMA:B34/B39EVDO:BC0CDMA:800TDD-LTE:B38/B39/B40/B41FDD-LTE:B1/B3/B7/B20基带芯片MTK67351.3GHz四核(Quad-Core)外观尺寸L160.0∗W84.0∗H18.0mm重量305gSim卡双卡双待显示屏5.0吋IPS720∗1280ROM16GBRAM2GB摄像头13MPAF(Rear)5MFF(Front)蓝牙BT4.0LEWiFi2.4G&5G;支持WIFI热点NFC支持硬对讲400-470MHz;UD段;1.0W

移动单兵设备用于采集事故现场画面,作为通信设备模块的主要组成部分需要与功能实现与视频存储模块建立良好的通信链路。设备可通过自身安装的4G卡实现网络连接,或连接信号传输与覆盖模块中无线网桥设备所产生的WIFI信号进行网络连接。设备可实现4G与WIFI两种连接模式的快速切换,相比较于传统的以4G网络为单一网络连接模式的移动设备,移动单兵设备结合无线网桥设备,实现4G+WIFI的自适应网络连接方式,为移动单兵设备提供了双重的网络连接保障,更好的保证设备可维持良好的网络连接状态。

4.3 测试场景划分与选择

4.3.1 西直门站系统测试

根据西直门站站点结构,设计地铁站系统测试方案。西直门站有A1,A2,B,C,D五个入站口,站台中岔路,通道类型数量较多,站点结构相对复杂,可以充分测试设备的场景适应能力。但对站内不同的场景,需要分开考虑,单独布设。经过对站内结构解析,可将站点内所有区域划分为如下三类。

图8 西直门站站点示意图
Fig.8 Schematic diagram of Xizhimen station site

图9 西直门站站点测试场景
Fig.9 Xizhimen station site test scenario

(1)单跨层场景

该场景通过地铁入口位置引入4G信号,经过入口到达下层区域,经过圆盘区域,到达站厅进行WIFI覆盖,整体系统链路搭建过程只跨过一层区域。可选择地铁站点D口到南厅区域作为测试样例,对性能进行测试验证。

该场景根据《城市轨道交通运营事故应急处置预案》要求,实现在南厅及北厅两个站厅区域进行信号覆盖,并实现相关系统功能,同时考察信号传输时的跨层能力。

图10 单跨层场景
Fig.10 Double cross-layer scene

(2)双跨层场景

该场景从地铁入口位置引入4G信号,经过入口到达下层区域,经过圆盘区域,再经过楼梯到达下层区域,到达站厅区域进行WIFI覆盖,整体系统链路搭建过程需要跨过两层区域。根据相关要求选择C入口到东厅区域作为应用示范,搭建系统。

该场景实现在东厅及西厅区域的信号覆盖与系统功能实现,并进一步考察信号传输时的跨层能力。

图11 双跨层场景
Fig.11 Double cross-layer scene

(3)站台场景

该场景选择北厅或南厅区域引入4G信号,经过信号传输,对2号线站台进行WIFI覆盖。

根据相关要求,站台区域为重点事故发生区域,所以设计该方案,考察系统在站台区域的运行效果。

图12 站台场景
Fig.12 Platform scene

4.3.2 西直门-积水潭区间隧道系统测试

西直门-积水潭站区间隧道包含两个部分,从西直门站进入隧道后,先经过一个较长距离的弯道部分,经过弯道后,隧道趋于直线,进入了较长段的直线区域,选择该区域进行系统测试,用以测试地铁应急系统对弯道、直道的适应能力,并可以结合弯道与直道对系统进行综合测试。据地铁公司资料及实际测量结果,西直门-积水潭站内环隧道全长1899 m,根据地铁应急相关要求,当从西直门站或积水潭站引入4G信号时,4G信号的传输距离需达到1/2的隧道长度,根据要求测试场景设计如下。

图13 西直门-积水潭站隧道区间示意图
Fig.13 Xizhimen-Jishuitan station tunnel section

图14 西直门-积水潭站隧道区间测试环境
Fig.14 Xizhimen-Jishuitan station tunnel interval test environment

(1)直线型隧道场景

选取西直门-积水潭隧道内的直线型隧道区域进行系统测试,通过隧道内的百米里程标,选择距离1 km的直线隧道区域,考察信号的传输能力,并完成系统功能测试。

(2)曲线型隧道场景

选取西直门-积水潭隧道内的曲线型隧道区域,从西直门站开始,途经弯道区域后,再经过一段较长的直线区域,整体距离通过百米里程标志测得为1200 m,在该区域进行信号传输与系统功能测试。

4.4 测试数据选择与结果分析

4.4.1 测试数据类型及标准

通信设备模块中包含了移动终端设备,该设备负责采集事故现场的视频画面,与功能实现与存储模块即“地铁应急抢险指挥平台”进行信息互通。

通话的双方采用视频与语音相结合的方式,基于RTP与RTCP传输协议,为使协议稳定运行,给定RTP连接的对端地址,即网络地址及端口号[2],在通信进行时,对音视频进行分别编码,数据在协议传输中进行单独携带,具备各自地址[9]

通信使用H.264编码,移动终端设备中安装专业的应急抢险APP程序,通过程序进行双方的视频通话,通话质量采用720 P分辨率,根据《国家电信联盟H.264建议书》[13]选择码率为3500 kbps,语音采用G.711u编码方式,码率经过测试选择80 kbps,其中语音的码率计算公式如下:

码率(Kbps)=64 K×IP网带宽系数

=64 K×1.25=80 kbps

(4)

表3 《国际电信联盟H.264建议书》码率建议

Tab.3 《International Telecommunication Union H.264 Recommendation》 rate suggestion

视频大小分辨率建议码率/Kbps480p720∗4801800720p1280∗72035001080p1920∗10808500

表4 《国际电信联盟G.711a/u建议书》相关参数

Tab.4 《International Telecommunication Union G.711a/u Recommendation》 related parameters

压缩速率/Kbps打包周期/msIP网带宽系数以太网带宽系数64201.251.41

(1)4G信号带宽

通过该数据可判断当前环境下的4G信号强度是否满足应急系统要求,本次测试,要保证720P(1280*720)的视频3路同时并发,根据前文分析结果,一路语音信号所需带宽80 Kbps,一路720P视频需要带宽3500 Kbps,所以本次测试带宽需求为:

一路视频带宽×路数+一路语音带宽×路数=

3500 Kbps×3+80 Kbps×3=10.5 Mbps

(5)

本次测试的任何场景中,引入的4G信号带宽理论上要高于10.5 Mbps。测试方法,采用一台PC设备,连接已装配4G卡的无线4G信号接收器设备,通过PC设备与“北京联通”测速点(IP地址123.57.*.*)发送并接收数据,测试4G信号带宽。

表5 4G信号带宽

Tab.5 4G signal bandwidth

测试场景4G信号带宽/Mbps单跨层场景下载速度:24.89上传速度:10.91双跨层场景下载速度:19.21上传速度:13.96站台场景下载速度:22.07上传速度:10.55直线型隧道下载速度:25.79上传速度:12.78曲线型隧道下载速度:14.75上传速度:11.24

(2)链路带宽

通过该数据可判断当前环境下,网桥设备可承载的带宽量,网桥间的信号传输链路带宽是否有能力将引入的4G信号进行传输,判断网桥是否适应当前场景。

表6 链路传输速率

Tab.6 Link transmission rate

测试场景链路传输带宽/Mbps是否高于4G信号带宽值单跨层场景80.8是双跨层场景49.2是站台场景34.08是直线型隧道44.8是曲线形隧道31.2是

测试方法,采用两台PC设备,分别连接网桥的4G信号接收器(无4G卡装配)与无线WIFI覆盖器,通过两台设备间发送文件的形式,观察当前的发送与接收速率,得到可承载的相应带宽值,理论上链路带宽要高于引入的4G信号带宽值[12]

(3)WIFI信号带宽

通过该数据可判断当前环境下,4G信号通过无线网桥设备传输结束后的带宽值,该值可与4G带宽值进行比对,分析信号在传输中的衰减情况。

测试方法,采用PC设备连接无线WIFI覆盖器产生的WIFI信号,为保证测试数据真实可信,同样与“北京联通”测速点(IP地址123.57.*.*)发送并接受数据,测量WIFI信号带宽值。

通过测试结果分析,在所有的场景测试中,下载衰减量最高为31.60%,上传衰减量最高为5.87%,可见系统对上传带宽的桥接能力较强,可应对系统功能中多路视频的并行视频上传需要。虽然有一定的衰减量,但满足理论带宽值。

表7 WIFI信号带宽

Tab.7 WIFI signal bandwidth

测试场景WIFI信号带/Mbps信号传输衰减量单跨层场景下载速度:19.34上传速度:10.66下载衰减:22.30%上传衰减:2.30%双跨层场景下载速度:13.14上传速度:13.54下载衰减:31.60%上传衰减:3.00%站台场景下载速度:21.67上传速度:10.54下载衰减:1.81%上传衰减:0.10%直线型隧道下载速度:17.89上传速度:12.72下载衰减:30.63%上传衰减:0.47%曲线型隧道下载速度:14.40上传速度:10.58下载衰减:2.37%上传衰减:5.87%

(4)视频通话质量

在确定各种带宽情况满足理论值要求后,通过系统进行三路720P视频通话并行操作,观察视频通话质量,考察系统在当前环境下视频通话的完成情况。视频标准如下:

A.视频流畅无明显延迟。

要求视频信号的接收端,对视频效果进行分析评测,要求视频播放流畅,视频在播放时不会出现卡顿、停滞、崩溃等明显的视频延迟现象。

B.视频画面清晰没有明显噪声。

要求视频信号的接收端,对视频效果进行分析评测,要求视频画面清晰,可如实反映画面中的重要信息,要求画面不出现“绿屏”、“马赛克”等影响画面信息及显示效果的噪音出现。

C.语音信号清晰,无“吞音”现象。

要求音频信号的接收端,对音频效果进行分析测评,要求声音信息清晰连贯,可如实反映音频信息的所有内容,要求音频信息不出现停顿、个别信息消失即吞音现象等影响音频信息的现象发生。

D.多次进行长时间视频通话,画面保持稳定。

为保证视频通话效果真实可信,保证每次通话维持在10分钟以上,并保证通话期间,音视频信息接收效果保持稳定,通话期间始终达到以上标准。

表8 视频质量

Tab.8 Video quality

测试场景视频并发数视频标准单跨层场景3路720PA、B、C、D双跨层场景3路720PA、B、C、D站台场景3路720PA、B、C、D直线型隧道3路720PA、B、C、D曲线形隧道3路720PA、B、C、D

图15 站厅区域视频通信效果
Fig.15 Station area video communication effect

图16 站台区域视频通信效果
Fig.16 Platform area video communication effect

图17 隧道区域视频通信效果
Fig.17 Platform area video communication effect

(5)WIFI覆盖能力

通过该数据可判断,当前环境下,无线WIFI覆盖器产生的信号能够实现的覆盖范围。下表数据选自单跨层场景下的测试结果,其他场景测试结果也均高于理论值,不在此过多展示。

表9 WIFI覆盖能力

Tab.9 WIFI coverage capability

测试点与WIFI覆盖器距离/mWIFI信号强度/dBm链路传输速率/(MB/S)链路传输带宽/Mbps10-287.6761.3620-327.1657.2830-456.1549.240-515.644.8

5 结论

本文针对地铁应急抢险需要,研究并开发了基于WIFI桥接的应急多媒体通信系统,研究基于4G信号的多路视频通信系统,代替传统的移动基站网络供给方式,更加简易便捷,便于实际应用。研究基于5.8 GHz的信号桥接系统与设备,采用WIFI多级桥接的形式,代替有线模式,具备远距离,跨层,遮挡等复杂场景适应性。通过在实际应用环境下的测试及分析,该系统可在地铁应急抢险的全流程中提供具备可视化能力的应急通信平台,系统具备与有线传输模式下采用传统3G信号作为信号源时同样的稳定性,并在此基础上采用4G信号作为信号源以此提供更高的可视化能力,并构建WIFI多级桥接技术及设备,实现相较于有线传输模式更灵活,便捷,更适合地铁应急场景的应用模式创新。系统可保障应急抢险的顺利进行,应急人员借助系统平台可更好的完成抢险工作。

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Research on WIFI Multi-level Bridge Emergency Multimedia Communication System

Tian Qing1 Yuan Fangzhou1 Zheng Xuanchuan2 Wang Yanping1

(1. North China University of Technology, Beijing 100144, China; 2. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Beijing 100164, China)

Abstract: Focusing on the application field of visual communication and signal transmission of Beijing subway traffic track emergency rescue, aiming at the shortcomings of traditional wired communication systems, such as short transmission distance and poor flexibility of line laying; for wireless communication systems, poor transmission capacity and adaptability between transceiver units exists in wireless ad hoc network technology, and the instability of signal sources in communication systems combining satellites and public networks. The WIFI multi-level bridging emergency multimedia communication system architecture is proposed. The WIFI multi-level bridge technology based on 5.8 GHz is researched and related equipment is developed. Based on the wireless automatic network technology, it can effectively adapt to the signal transmission scenes of long distance, occlusion and vertical difference. It is proposed to use a widely used public network 4G signal to construct a communication system, which can effectively avoid the instability caused by the vehicular base station as a signal source. When the emergency rescue site does not have 4G signal coverage, combined with the network transmission guarantee function provided by WIFI multi-level bridging technology So that the overall bridging and communication system can meet all subway rescue environments and achieve the corresponding functional requirements.

Key words signal transmission; network construction; subway emergency; video communication; 5.8 GHz

中图分类号:TN929.52

文献标识码:A

文章编号: 1003-0530(2019)04-0656-11

DOI:10.16798/j.issn.1003- 0530.2019.04.017

引用格式: 田青, 袁方周, 郑宣传, 等. WIFI多级桥接应急多媒体通信系统研究[J]. 信号处理, 2019, 35(4): 656-666. DOI: 10.16798/j.issn.1003- 0530.2019.04.017.

Reference format: Tian Qing, Yuan Fangzhou, Zheng Xuanchuan, et al. Research on WIFI Multi-level Bridge Emergency Multimedia Communication System[J]. Journal of Signal Processing, 2019, 35(4): 656-666. DOI: 10.16798/j.issn.1003- 0530.2019.04.017.

收稿日期:2018-12-20;修回日期:2019-03-06

基金项目:国家重点研发课题(2017YFC0806005);北京市科技计划项目(Z161100001016003)

作者简介

田 青 男, 1984年生, 山东人。北方工业大学信息学院副教授, 硕士生导师, 主要研究方向为计算机视觉与深度学习。

E-mail: tianqing@ncut.edu.cn

袁方周 男, 1995年生, 北京人。北方工业大学信息学院硕士研究生, 研究方向为无线通信、计算机视觉与深度学习。

E-mail: yuan_fangzhou@126.com

郑宣传 男, 1989年生, 福建人。北京城建设计发展集团股份有限公司工程师, 硕士, 主要研究方向为城市轨道交通客流及运营组织。

E-mail: zhengxuanchuan@bjucd.com

王彦平 男, 1976年生, 山东人。北方工业大学信息学院教授, 硕士生导师, 主要研究方向为信号处理。

E-mail: wangyp@ncut.edu.cn