摘要 本文通过分析4G技术的原理及应用,分析3G与4G的差异性,解决实现了民航数据传输、平安机场无线监控等安防设施的建设。4G网络技术将为民航安防行业注入新的活力,给民航安防行业带来新的变革、新的市场。
关键词  4G    民航数据传输  无线监控  安防
     2013年年底,工业和信息化部正式发放4G牌照,此举预示着通信技术又将迈入新的阶段。很多人或者都有这样的感觉:3G时代似乎才刚刚走进我们的生活,准4G就已经站在赛道上准备接棒了。通信技术的快速演进着实令人眼花缭乱,应接不暇,其变化给人们的生活带来了很多便捷。如今随着数据通信与多媒体业务需求的发展,适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起,包括民航在内的各行各业的用户也因此对4G有更多的期待。本文将对4G以及4G对民航的影响及应用作一些阐述和预测。
一、4G浪潮来袭
    4G是第四代移动通信及其技术的简称,是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。目前提到的4G制式,国际通行的说法是LTE(LongTermEvolution)。它是一个全球通用标准,支持两种双工模工,分别为对称频谱区分的LTEFDD和采用非对称频谱区分的LTETDD模式。上行使用单载波FDMA调频方式,下行使用OFDMA调频方式用于提升频段效率。OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流,在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号合并构成一个OFDM符号。由于其独特的编码方式,各个子载波互不干扰,大大地提升了信噪比,增强了无线数据的传输能力。

     目前3G的WCDMARelease5在5M带宽内可提供14.4Mbps的下载速率,20M最大达到30M左右的速率。与目前的3G技术比较,LTE单载波20M带宽在4x4MIMO调制方式的情况下可以达到300Mbps的下载速率,有了较大幅度的提升,就算3G网络升级到HSDPA+后,最高下行速率也就是80Mbps左右,不能与4G网络相比。

LTE与3G类似,其网络也采用了扁平化的网络架构,其具备以下几个特点:业务平面与控制平面完全分离化,核心网趋同,交换功能IP路由器化,极大地提升了部署效率,减轻了维护成本;网络扁平化,支持IP传输更为方便,更有利于IPCamera实现端到端的传输功能。
此外,3G与2G混合组网,全球有三个3G标准存在,各个标准之间不兼容,不互通,给网络建设和传输带来一定的影响,也导致终端必须支持多个标准,而采用4G标准后相关问题将有望解决。
目前对于4G无线网络建设各大运营商均发布了公告,其中中国移动最为积极,为了解决3G时代由于网络建设滞后对中国移动3G用户造成的影响,中国移动抢在竞争对手之前布局,获得了最大的4G频段,目前中国移动获得130MHz频谱资源,分别为1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz,其已开始部署向13个城市的客户提供4G服务。到2014年年中,预计有100个以上城市具备4G商用条件。
二、4G网络对民航数据传输的影响
    民航一直企盼着以网络为中心的运营环境,通过信息技术整合航空公司、机场、空管和地面服务的每一个环节,以第四代移动通信技术(TD-LTE技术)为平台,开发了LTE数字化民航系统解决方案。从机场、航空公司、乘客的实际问题入手,搭载丰富的民航信息化业务应用,通过在机场附近架设地面基站,为航空业提供机场和航线的无线网络覆盖,以满足民航用户在机场地勤、地空宽带、舱内无线宽带等网络方面的语音、数据、定位和视频传输业务需求。4G在民航业内的应用主要在地空宽带无线通信子系统、机场无线宽带专网子系统和机上无线局域网子系统。地空宽带无线通信子系统利用LTE技术实现对机场和航路的覆盖,通过高容量、大带宽的数据通道,建立机上与地面控制、管理系统的有效数据传输途径。机场无线宽带专网子系统采用LTE系统完成机场的全面覆盖,提供一体化端到端的机场无线调度解决方案,为机场运作提供通信专有通道,统一承载语音通话、集群语音、工作流指令、信息发布、定位、无线视频监控和应急调度等业务。机上无线局域网子系统在地空之间采用LTE无线通道进行数据的传输,在机上进行WiFi覆盖,提供802.11 a/b/g/n制式的机舱内高速无线接入服务。通过LTE网络和WiFi覆盖的相结合,乘客及机组均可通过无线宽带访问机上信息娱乐系统,满足乘客语音电话、短信、上网等服务需求。
三、4G在平安城市、平安机场的建设和应用
     目前随着平安城市、平安机场建设的深入以及4G实验网的启动建设,我们发现针对民航数据应用出现了一些新趋势:
第一,一些业主很关注或希望尽快应用最新的4G先进技术,降低网络部署成本,缩短网络安装时间。这些变化和诉求给设备商、集成商提出了一些新的挑战,需要设备提供商尽快适应4G网络体制,推出完善的综合化解决方案。
第二,各种制式和各种接入方式互相补充,互相利用。在4G建设的早期阶段,网络不可能覆盖到每一个区域、每一个角落,因此在建设监控网络的时候可能遇到wifi、3G、4G等多种接入模式并存和相互影响的情况,这就要求集成商熟悉各类相关的无线接入标准和应用场景,并根据实际应用的需要选择相应的接入制式和产品,最大程度地满足用户的需求。
第三,IP化、扁平化管理。通过减少网元和共用IP路由器,4G无线网络的汇聚层、骨干层与现有的IP网络可以有机地组合到一起,这对运维成本的降低起到比较关键的作用。从安防的业务应用来看,共用统一的IP网管、IP运维,其IP前端、IP编码器将占据更为重要的网络地位。
第四,无线数据、视频传输。从技术和应用的趋势看,4G网络对数据、视频的影响更多的还是在接入侧。随着更高带宽的到来以及成本的降低,无线前端设备开始迈向高清化,720P、1080P正在成为无线监控端的标准配置。在一些不利于建设固定网络的场景,如缺乏线路的机场监控系统改造、边境地区监控,或是紧急抢险和演习监控场景搭建,4G网络将发挥更为重要的作用。
四、无线监控发展面临的问题
     随着4G网络建设的进一步展开,民航安防的一些概念、设备以及整体解决方案将不断地演进、提高,以适应新时代的变化。随着技术的演进及观念的变化,面向下一代的民航无线安防系统需要重点解决以下几个方面的技术和问题。
1.多制式网络的切换。4G网络并不是独立存在的,其架设的网络中必然存在3G、2G、Wifi的无线制式系统,各类无线信号互为补充,又互相干扰。如同手机中的双模切换,大部分的4G监控设备必然具备多模支持,多模转换的能力,既能够充分利用4G网络的高速数据传输能力,又能在网络状况转换的时候切换到带宽较低的次一级网络,并改变自身的码率和视频质量。
2.无线存储一体化。无论是3G或4G的基站系统,其设计都是基于实时通信的需要,实现实时数据的转换,本身并不具备存储能力。而作为视频监控的接入端,由于其安全性的本质需求,需要无论断网还是连网时都必须具备一定的业务处理能力和分析能力,因此有前端存储的需要。这就需要与无线设备制造商相接合,考虑在无线基站处预留存储接口,使之既能实现实时数据转发也能实现本地数据存储,具备DVR能力的基站功能。
3.无线干扰。无线系统是一个自干扰的系统,300M的理想带宽是在一个近距、无干扰的环境下形成的传输数据。在实际应用中,随着基站矩离的增大,接入用户的增多,单个用户的接入能力呈指数下跌。这就要求企业在网络设计中必须综合考虑最大峰值数据和网络冗余的需求,采用多种方法来规避呼吸效应的影响,如单独划定合适的频段用于监控,在楼宇、场馆等高密度场景中应因地制宜地部署室内覆盖、微蜂窝,降低基站的覆盖范围,从而增加有效传输带宽。
4.移动通信。采用4G实现监控的一个主要属性是移动性,即其可以承担移动监控的重任。但是随着速度的提升会带来信号的减弱,以及“多普勒漂移”性质的信号干扰,如果反映到视频图像上就是很重的马赛克干扰以及音频、视频失步等现象。对于无线网络,可以通过频率同步等技术手段降低干扰,但是在视频处理方面仍然需要进一步对变化严重的图像进行处理,以提升实时性。
5.本地监控。4G网络归结而言仍然是一次电信网络的演进,由于其独特的收费需求和业务类型需求,必然需要进行集中控制。这种管理体制与依赖分布式监控中心的视频监控有较大的区别,换而言之,就算是一个派出所的本地监控,其数据流也是需要通过基站分流到公众网,并由核心网进行信令交换再回到派出所的视频。这种做法既增加了不必要的延时也提高了对网络的负载。4G网络的一个发展方向是做本地网、集群网,如一些偏远山区难以架设回传链路且对监控有一定的需求,这时可以将交换中心和基站做到一起,本地收集视频信息再本地回传播放视频,这样可以大大提升视频的实时性,降低交换费用。
五、发展趋势
    4G无线监控系统将最新的通信技术与安防产品结合在一起,将有效提升系统的使用价值,提升安全服务。今后随着4G技术的加快发展,基于4G的民航安防发展方向主要有:
一是IP化、高清化将成为无线监控的方向,由于4G带宽达到100M以上,无线的摄像机部署将更为方便,IP化、高清化不可逆转。
二是4G带宽效率的提升将使网络资费逐渐降低,4G时代带来的资费下降将有效地降低网络建设的总体成本,从而带来无线监控、城市监控的下一次增长高峰。
三是4G相对3G而言,标准更少,接口更规范。由各个运营商或国家有关部门根据无线视频监控的特征进行全盘考虑,将带来无线监控协议标准的进一步完善和规范。
四是4G的速度已经达到或接近现有的有线接入网,4G接入与光纤接入相结合可以组成新一代视频传输接入网,既高速又高效,这将促进安防监控网络技术的新发展。
结语
    4G时代即将到来,以前基于第二、第三代技术的设备由于带宽有限,网络的建设滞后,进行升级转型是必然趋势。今后随着4G技术的发展,4G网络技术将为民航安防行业注入新的活力,给民航安防行业带来新的变革、新的市场。目前我们需要理性认识的是,4G虽然已经走上日程,但是真正规模化的应用还有待网络大范围成熟的商用。