数字微波通信在水库系统视频监控中的应用

摘要：由珊瑚沙水库、大刀沙泵站以及九溪水厂三者构成的水库系统受地理或成本因素的限制，电缆、光纤等有线方式无法实现视频监控，而新兴的无线方式3G、VPN因涉及公网影响安全性而不予采用。文章引入了一种新方式——无线数字微波通信，从工程角度来分析项目需求和选择相关技术参数，对硬件平台的搭建和软件平台的配置，提出了具体的方法。实践证明，对于本项目的水库系统视频监控，无线数字微波通信是最合理的、行之有效的传输通信方式。
关键词：无线数字微波通信；视频监控；水库；无线网桥；扩频技术；频段；带宽

0 引言
    视频监控是水库管理中必不可少的措施。随着科技的发展，视频监控在水库系统管理中所起的作用越来越明显。目前远程监控多采用同轴电缆或光纤来实现监控中心与各监控点的连接和通信。然而由于地理因素的限制，监控点和监控中心之间往往有河流山川或者农田阻隔，传统的电缆或光纤布线成本极高，施工难度极大；并且考虑到安全性问题，水库系统通信不宜在公网上进行。这时，无线数字微波通信的优势就体现出来了。

1 无线数字微波通信技术的发展历史
    从20世纪30年代起，最初的微波通信系统都是模拟制式的，它易受天气、建筑物遮挡等环境因素的影响。70年代起陆续出现了中小容量(如8Mb／s、34Mb／s)的数字微波通信系统，这是通信技术由模拟向数字发展的过渡阶段。80年代后期，随着同步数字系列(SDH)在传输系统中的推广应用，出现了155Mb／s的SDH大容量数字微波通信系统。如今，随着微波扩频技术和视频图像压缩技术的不断更新，通过支持IEEE 802．11b／a／g协议的无线网络产品，采用H．263／MPEG-1／2／4等格式的数字视频流完全能够稳定可靠地进行传输，在条件满足的情况下，无线传输的距离最远可以达到50km。无线数字微波通信技术因其投资小、建设快、应用性强、传输距离远、信号质量好、抗干扰能力强等优点，开始逐步受到人们的重视。

2 无线数字微波通信的项目需求分析
2．1 频段的选择
    20世纪80年代，美国联邦通信委员会(FCC)对使用无线电的计算机通信开放了无需申请就可以使用的ISM(Industrial，Scientific，and Medical)频段。我国也先后开放了2．4GHz和5．8GHz作为ISM频段。
    2．4GHz支持IEEE802．11b标准，其物理层的传输速率最高可达11Mbps。工作在2．4GHz频段的设备，一般只有3个不干扰的信道。5．8 GHz则支持IEEE802．11a标准，其物理层传输速率最高可达54Mbps。工作在5．8GHz频段的设备，一般有24个不交叠的工作信道。
    本项目的水库系统中共需要监控点12个，珊瑚沙水库和大刀沙泵站各占6个，为避免同频间干扰以及提高视频信号传输效率，无线传输需要工作在5．8GHz的频段下。
2．2 监控点到监控中心距离的分析
    珊瑚沙水库和大刀沙泵站前端各有6个监控点，每个点上有1个监控摄像机，前端监控点最远处距监控中心一一九溪水厂的中央控制室约有2km，且监控点均在监控中心90°的范围之内，便于无线网桥连接分别位于不同建筑中的监控网络。由此可见，本项目中监控点与监控中
心的距离以及角度，都符合无线数字微波通信的要求。
2．3 带宽分析
    水库和泵站各有6路视频图像，兼顾到质量巡检取证需要较高清晰度的视频记录，为此，监控视频的传输格式选择清晰度较高的D1的图像格式(像素为702×576)。一般来说，1路D1格式的图像所占的无线信号传输带宽约为2Mbps，因此水库和泵站，各所需无线信号传输带宽为12Mbps。为此，我们需要选用实际无线信号传输带宽至少高于12Mbps的无线网桥设备。艾克赛尔的无线网桥在传输时能提供高达24Mbps的实际无线信号传输带宽，因此采用点对多点方式传输后，完全能够满足整个视频监控带宽的需要。
2．4 扩频技术选择
2．4．1 扩频技术的原理
    微波扩频技术的原理，简而言之就是增加带宽，以在较低信噪比的情况下可靠地传输信息，即在发射端扩展了信号频谱，在接收端还原了信息。另外，由于衰落仅对一小部分特定频率的信号造成影响，所以扩频技术在克服衰落影响方面也很有优势。由此可见，扩频技术的优点在于较强的抗干扰抗衰溶能力以及保密、多址、组网、抗多径等。
2．4．2 直扩技术和跳频技术
    在微波通信方面，往往涉及剑直接序列扩频技术和跳频技术。直接序列扩频简称直扩，就是将所传送的信息经过高速率的伪随机序列编码后对载波进行调制，降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的。跳频技术则是靠载频的随机跳变，将干扰排斥存接收通道以外来达到抗干扰的目的。
2．4．3 扩频技术的选用
    直扩技术较跳频技术具有传输远、速率快的优点，但若遇到无规则全反射、大型设备频繁启动或移动等超过固定容限的干扰时，采用直扩技术的通信易受阻，可靠性降低。而在强干扰环境中抗干扰，恰恰足跳频技术的优势。
    鉴于大刀沙泵站紧邻九溪水厂，珊瑚沙水库与九溪水厂之间仅有水库相隔，地域广阔且无强干扰存在，故可以选择直扩技术米实现信息的高速传输以及抗干扰。

3 无线数字微波通信技术在项目中的应用
3．1 硬件平台
    无线数字微波通信系统的硬件搭建图如图1所示。整个系统，由设备天线一体化的无线网桥、交换机、令方位摄像机、视频服务器、计算机等构成。

    以珊瑚沙水库为例，存前端监控点，我们采用全方位网络摄像机来采集水库现场的视频信号。视频服务器将摄像机采集到的模拟信号进行压缩编码，转换为满足存储和传输要求的数字信号，传送至水库的交换机。交换机汇总各视频服务器的数字信号后，将信号统一传送至水库的天线一体化无线网桥，然后再通过无线网桥传送至九溪水厂里对应的天线一体化无线网桥。最后，数字信号通过网线进入中央控制室的计算机进行预览、控制、记录。由于传输的是数字信号，这样在接收端无需添加解码器，计算机可以直接对传送来的数字信号进行处理。
    无线网桥是微波通信系统的重要部分，直接影响系统的性能。无线网桥采用5．8GHz直接序列扩频技术，发射功率可调，最大传输速率108Mbps，最大传输带宽24Mbps，传输距离可达10km，并可由软件对设备状态进行设置和控制，天线一体化设计安装简便、易于维护。
    由于微波是直线传输，故要求两地带天线的无线网桥相互可视，即网桥间无障碍物阻挡，这存本项目中是可行的。
    由于雨雪天气下易造成信号的衰减，故接收端的接收电平应有足够的冗余，即接受到的信号强度要尽量最大。在实际的点对点方式调试中，存两地无线网桥方向大致对准，即天线极化方向相同的情况下，先固定网桥1-2作为接收端，再逐步调整另一个作为发射端的网桥1-1的方向，使接收端接收到的电平最大。再以无线网桥1-1作为接收端，来微调网桥1-2的方向，使接收端网桥1-1收到的电平最大。反复调整几次后，就可以使2个网桥处于最佳传输状态中。与此同时，需要存网桥上安置避雷装置，在网桥遭受雷击时，能将雷电电压幅值限制在网桥允许的雷电冲击水平以下，以此来保护网桥，为此，我们采用5．8GHz的避雷器。
3．2 软件平台
    计算机服务器端的监控软件采用的是DoLiTek监控组态软件，它是分布式架构，能够实现摄像机云台控制、视频录像、报警、权限设置等功能，它最多能支持64路信号的监控，完全满足本项目12路视频监控信号的需求，并方便今后对视频信号通路数的扩展。图2是该软件的操作界面，它是由设备通道显示区、主画面操作区、时间显示区、云台控制区、录像磁盘状态区等组成。

    软件使用前，需要根据实际情况设置好软件和无线网关的各项参数，包括网关的IP地址分配。其中无线网关的设置参数有：无线标准5GHz(802．11a)、无线频率5745MHz、发送／接收速率54Mbps／6Mbps、底噪-106dBm、信噪比72dB、接收信号强度-34dBm、发射信号强度-33dBm。
3．3 调试结果
    无线收发信号的强度始终保持在92％以上，丢包率低。12个监控点画面连续性强，画面较清晰。

4 结束语
    无线数字微波通信技术应用于本项目的水库系统中，取得了较好的监控效果。这更说明，无线数字微波通信作为无线网络传输中一个特殊的方式，是行之有效的，其传输距离远、安装方便、价格便宜、组网灵活、抗干扰力强、安全性高等优势，正被人们逐步所重视，在社区、航运、消防、水利、运输等领域，将得到广泛的应用和发展。