數(shù)字微波通信在水庫系統(tǒng)視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

摘要：由珊瑚沙水庫、大刀沙泵站以及九溪水廠三者構(gòu)成的水庫系統(tǒng)受地理或成本因素的限制，電纜、光纖等有線方式無法實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，而新興的無線方式3G、VPN因涉及公網(wǎng)影響安全性而不予采用。文章引入了一種新方式——無線數(shù)字微波通信，從工程角度來分析項(xiàng)目需求和選擇相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對硬件平臺的搭建和軟件平臺的配置，提出了具體的方法。實(shí)踐證明，對于本項(xiàng)目的水庫系統(tǒng)視頻監(jiān)控，無線數(shù)字微波通信是最合理的、行之有效的傳輸通信方式。
關(guān)鍵詞：無線數(shù)字微波通信；視頻監(jiān)控；水庫；無線網(wǎng)橋；擴(kuò)頻技術(shù)；頻段；帶寬

0 引言
    視頻監(jiān)控是水庫管理中必不可少的措施。隨著科技的發(fā)展，視頻監(jiān)控在水庫系統(tǒng)管理中所起的作用越來越明顯。目前遠(yuǎn)程監(jiān)控多采用同軸電纜或光纖來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與各監(jiān)控點(diǎn)的連接和通信。然而由于地理因素的限制，監(jiān)控點(diǎn)和監(jiān)控中心之間往往有河流山川或者農(nóng)田阻隔，傳統(tǒng)的電纜或光纖布線成本極高，施工難度極大；并且考慮到安全性問題，水庫系統(tǒng)通信不宜在公網(wǎng)上進(jìn)行。這時(shí)，無線數(shù)字微波通信的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。

1 無線數(shù)字微波通信技術(shù)的發(fā)展歷史
    從20世紀(jì)30年代起，最初的微波通信系統(tǒng)都是模擬制式的，它易受天氣、建筑物遮擋等環(huán)境因素的影響。70年代起陸續(xù)出現(xiàn)了中小容量(如8Mb／s、34Mb／s)的數(shù)字微波通信系統(tǒng)，這是通信技術(shù)由模擬向數(shù)字發(fā)展的過渡階段。80年代后期，隨著同步數(shù)字系列(SDH)在傳輸系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，出現(xiàn)了155Mb／s的SDH大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)。如今，隨著微波擴(kuò)頻技術(shù)和視頻圖像壓縮技術(shù)的不斷更新，通過支持IEEE 802．11b／a／g協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，采用H．263／MPEG-1／2／4等格式的數(shù)字視頻流完全能夠穩(wěn)定可靠地進(jìn)行傳輸，在條件滿足的情況下，無線傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn)可以達(dá)到50km。無線數(shù)字微波通信技術(shù)因其投資小、建設(shè)快、應(yīng)用性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、信號質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，開始逐步受到人們的重視。

2 無線數(shù)字微波通信的項(xiàng)目需求分析
2．1 頻段的選擇
    20世紀(jì)80年代，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對使用無線電的計(jì)算機(jī)通信開放了無需申請就可以使用的ISM(Industrial，Scientific，and Medical)頻段。我國也先后開放了2．4GHz和5．8GHz作為ISM頻段。
    2．4GHz支持IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)，其物理層的傳輸速率最高可達(dá)11Mbps。工作在2．4GHz頻段的設(shè)備，一般只有3個(gè)不干擾的信道。5．8 GHz則支持IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)，其物理層傳輸速率最高可達(dá)54Mbps。工作在5．8GHz頻段的設(shè)備，一般有24個(gè)不交疊的工作信道。
    本項(xiàng)目的水庫系統(tǒng)中共需要監(jiān)控點(diǎn)12個(gè)，珊瑚沙水庫和大刀沙泵站各占6個(gè)，為避免同頻間干擾以及提高視頻信號傳輸效率，無線傳輸需要工作在5．8GHz的頻段下。
2．2 監(jiān)控點(diǎn)到監(jiān)控中心距離的分析
    珊瑚沙水庫和大刀沙泵站前端各有6個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)上有1個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)，前端監(jiān)控點(diǎn)最遠(yuǎn)處距監(jiān)控中心一一九溪水廠的中央控制室約有2km，且監(jiān)控點(diǎn)均在監(jiān)控中心90°的范圍之內(nèi)，便于無線網(wǎng)橋連接分別位于不同建筑中的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由此可見，本項(xiàng)目中監(jiān)控點(diǎn)與監(jiān)控中
心的距離以及角度，都符合無線數(shù)字微波通信的要求。
2．3 帶寬分析
    水庫和泵站各有6路視頻圖像，兼顧到質(zhì)量巡檢取證需要較高清晰度的視頻記錄，為此，監(jiān)控視頻的傳輸格式選擇清晰度較高的D1的圖像格式(像素為702×576)。一般來說，1路D1格式的圖像所占的無線信號傳輸帶寬約為2Mbps，因此水庫和泵站，各所需無線信號傳輸帶寬為12Mbps。為此，我們需要選用實(shí)際無線信號傳輸帶寬至少高于12Mbps的無線網(wǎng)橋設(shè)備。艾克賽爾的無線網(wǎng)橋在傳輸時(shí)能提供高達(dá)24Mbps的實(shí)際無線信號傳輸帶寬，因此采用點(diǎn)對多點(diǎn)方式傳輸后，完全能夠滿足整個(gè)視頻監(jiān)控帶寬的需要。
2．4 擴(kuò)頻技術(shù)選擇
2．4．1 擴(kuò)頻技術(shù)的原理
    微波擴(kuò)頻技術(shù)的原理，簡而言之就是增加帶寬，以在較低信噪比的情況下可靠地傳輸信息，即在發(fā)射端擴(kuò)展了信號頻譜，在接收端還原了信息。另外，由于衰落僅對一小部分特定頻率的信號造成影響，所以擴(kuò)頻技術(shù)在克服衰落影響方面也很有優(yōu)勢。由此可見，擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于較強(qiáng)的抗干擾抗衰溶能力以及保密、多址、組網(wǎng)、抗多徑等。
2．4．2 直擴(kuò)技術(shù)和跳頻技術(shù)
    在微波通信方面，往往涉及劍直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻技術(shù)。直接序列擴(kuò)頻簡稱直擴(kuò)，就是將所傳送的信息經(jīng)過高速率的偽隨機(jī)序列編碼后對載波進(jìn)行調(diào)制，降低進(jìn)入解調(diào)器的干擾功率來達(dá)到抗干擾的目的。跳頻技術(shù)則是靠載頻的隨機(jī)跳變，將干擾排斥存接收通道以外來達(dá)到抗干擾的目的。
2．4．3 擴(kuò)頻技術(shù)的選用
    直擴(kuò)技術(shù)較跳頻技術(shù)具有傳輸遠(yuǎn)、速率快的優(yōu)點(diǎn)，但若遇到無規(guī)則全反射、大型設(shè)備頻繁啟動或移動等超過固定容限的干擾時(shí)，采用直擴(kuò)技術(shù)的通信易受阻，可靠性降低。而在強(qiáng)干擾環(huán)境中抗干擾，恰恰足跳頻技術(shù)的優(yōu)勢。
    鑒于大刀沙泵站緊鄰九溪水廠，珊瑚沙水庫與九溪水廠之間僅有水庫相隔，地域廣闊且無強(qiáng)干擾存在，故可以選擇直擴(kuò)技術(shù)米實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸以及抗干擾。

3 無線數(shù)字微波通信技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用
3．1 硬件平臺
    無線數(shù)字微波通信系統(tǒng)的硬件搭建圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)，由設(shè)備天線一體化的無線網(wǎng)橋、交換機(jī)、令方位攝像機(jī)、視頻服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。

    以珊瑚沙水庫為例，存前端監(jiān)控點(diǎn)，我們采用全方位網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來采集水庫現(xiàn)場的視頻信號。視頻服務(wù)器將攝像機(jī)采集到的模擬信號進(jìn)行壓縮編碼，轉(zhuǎn)換為滿足存儲和傳輸要求的數(shù)字信號，傳送至水庫的交換機(jī)。交換機(jī)匯總各視頻服務(wù)器的數(shù)字信號后，將信號統(tǒng)一傳送至水庫的天線一體化無線網(wǎng)橋，然后再通過無線網(wǎng)橋傳送至九溪水廠里對應(yīng)的天線一體化無線網(wǎng)橋。最后，數(shù)字信號通過網(wǎng)線進(jìn)入中央控制室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)覽、控制、記錄。由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，這樣在接收端無需添加解碼器，計(jì)算機(jī)可以直接對傳送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理。
    無線網(wǎng)橋是微波通信系統(tǒng)的重要部分，直接影響系統(tǒng)的性能。無線網(wǎng)橋采用5．8GHz直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，發(fā)射功率可調(diào)，最大傳輸速率108Mbps，最大傳輸帶寬24Mbps，傳輸距離可達(dá)10km，并可由軟件對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置和控制，天線一體化設(shè)計(jì)安裝簡便、易于維護(hù)。
    由于微波是直線傳輸，故要求兩地帶天線的無線網(wǎng)橋相互可視，即網(wǎng)橋間無障礙物阻擋，這存本項(xiàng)目中是可行的。
    由于雨雪天氣下易造成信號的衰減，故接收端的接收電平應(yīng)有足夠的冗余，即接受到的信號強(qiáng)度要盡量最大。在實(shí)際的點(diǎn)對點(diǎn)方式調(diào)試中，存兩地?zé)o線網(wǎng)橋方向大致對準(zhǔn)，即天線極化方向相同的情況下，先固定網(wǎng)橋1-2作為接收端，再逐步調(diào)整另一個(gè)作為發(fā)射端的網(wǎng)橋1-1的方向，使接收端接收到的電平最大。再以無線網(wǎng)橋1-1作為接收端，來微調(diào)網(wǎng)橋1-2的方向，使接收端網(wǎng)橋1-1收到的電平最大。反復(fù)調(diào)整幾次后，就可以使2個(gè)網(wǎng)橋處于最佳傳輸狀態(tài)中。與此同時(shí)，需要存網(wǎng)橋上安置避雷裝置，在網(wǎng)橋遭受雷擊時(shí)，能將雷電電壓幅值限制在網(wǎng)橋允許的雷電沖擊水平以下，以此來保護(hù)網(wǎng)橋，為此，我們采用5．8GHz的避雷器。
3．2 軟件平臺
    計(jì)算機(jī)服務(wù)器端的監(jiān)控軟件采用的是DoLiTek監(jiān)控組態(tài)軟件，它是分布式架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)攝像機(jī)云臺控制、視頻錄像、報(bào)警、權(quán)限設(shè)置等功能，它最多能支持64路信號的監(jiān)控，完全滿足本項(xiàng)目12路視頻監(jiān)控信號的需求，并方便今后對視頻信號通路數(shù)的擴(kuò)展。圖2是該軟件的操作界面，它是由設(shè)備通道顯示區(qū)、主畫面操作區(qū)、時(shí)間顯示區(qū)、云臺控制區(qū)、錄像磁盤狀態(tài)區(qū)等組成。

    軟件使用前，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置好軟件和無線網(wǎng)關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)，包括網(wǎng)關(guān)的IP地址分配。其中無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)置參數(shù)有：無線標(biāo)準(zhǔn)5GHz(802．11a)、無線頻率5745MHz、發(fā)送／接收速率54Mbps／6Mbps、底噪-106dBm、信噪比72dB、接收信號強(qiáng)度-34dBm、發(fā)射信號強(qiáng)度-33dBm。
3．3 調(diào)試結(jié)果
    無線收發(fā)信號的強(qiáng)度始終保持在92％以上，丟包率低。12個(gè)監(jiān)控點(diǎn)畫面連續(xù)性強(qiáng)，畫面較清晰。

4 結(jié)束語
    無線數(shù)字微波通信技術(shù)應(yīng)用于本項(xiàng)目的水庫系統(tǒng)中，取得了較好的監(jiān)控效果。這更說明，無線數(shù)字微波通信作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中一個(gè)特殊的方式，是行之有效的，其傳輸距離遠(yuǎn)、安裝方便、價(jià)格便宜、組網(wǎng)靈活、抗干擾力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)勢，正被人們逐步所重視，在社區(qū)、航運(yùn)、消防、水利、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，將得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。