0 引　言

为了实现对船舶的安全监控，一般在船舶的机舱、货舱等区域设置各类传感器，如温度传感器、红外传感器、烟雾传感器等，通过获取这些传感器的数值来判断当前船舶是否出现险情，其优势在于这些传感器的数据量较小，需要的无线带宽也小，因而具有较高的实时性。但是采用传感器监控无法在出现船舶灾害的第一时间发现问题，因而在应用时仍然存在一些不足。

船舶视频监控可以实现对机舱、甲板、客舱、货舱等360°无死角监控，同时将这些监控数据实时发送到岸基监控中心，在监控中心通过电脑大屏幕、手持设备等来了解当前船舶要害部位的基本情况，还可以结合视频处理算法智能判断船舶的航行情况。因而视频监控可以实现传感器监控无法达到的效果，但是船舶视频监控数据量较大，需要依赖高速率的无线网络。目前国内的主要电信厂商实现了对黄海、渤海等海域航行的船舶无线通信的全覆盖，这为船舶的无线数据传输提供了有效便利，未来还将进一步发展近地卫星通信网络，这也会极大提升数据传输效率，这些有利的技术条件为船舶实现高速率视频数据传输提供了基础。但当在航线区域内或者近海港口船舶数量较多时，视频无线传输数据量特别大，此时如果不对传输信道进行资源分配，船舶视频监控则会出现实时性较差、数据传输不完整等情况，不利于实现船舶的安全监控。

国内外很早就开始研究在船舶上使用视频监控系统，但是这些视频监控系统很多是属于单船视频监控，即所有的视频监控都是针对单一船舶，且获取的视频监控数据也是发送到船舶监控台。范云生^[1]、徐曼平等^[2]、史明^[3]针对船舶视频监控系统的设计以及视频无线数据传输进行了研究，但是关于船舶视频数据传输拥堵则研究较少。本文针对船舶视频监控无线数据传输中出现的数据拥堵情况提出一种资源分配算法，通过对传输信道资源进行智能分配，有效提升船舶视频数据无线传输效率和监控的实时性，为船舶安全运输提供有利条件。

1 关键技术分析 1.1 无线传输分配技术

船舶视频数据传输在很大程度上依赖国内电信厂商在航线上的无线网络资源，在当前有限资源的情况下，如何建立无线资源的分配机制是数据传输的有效保证。在4G无线网络中，LTE是最为常见的一种无线通信协议，它又可以细分为TDD-LTE、FDD-LTE等不同的网络制式。图1为船舶无线视频传输资源分配结构简图，在多船舶时，船舶和通信基站进行数据传输，此时可以有多个传输基站。但是对于数据传输而言，单个基站只能和单个船舶实现数据传输，因而需要使用MIMO技术和OFDM技术进行资源调配，以提升基站的无线数据传输效率^[4]。

1）MIMO技术

MIMO技术是多输入和多输出技术的简称，通过在发射端和接收端同时使用多个天线，不同的天线之间都会形成MIMO子信道，从而降低误比特率并提升数据传输质量。

2）OFDM技术

OFDM技术是正交频分复用的简称，其实现原理是将高速的视频数据转化为多个并行的、低速的数据，并且调制到子载波上，通过这种方式可以有效提升数据传输效率以及抗干扰能力，某一时刻的干扰对整体数据传输影响会降至最低。

1.2 信道反馈技术

为了实现无线视频传输的资源分配，需要使用CSI信道反馈技术，通过信道反馈获取船舶通信的基本信息，判断通信数据类型、带宽情况等，这样就可以对需要发送的数据信息进行预编码，使得在多船舶同时通信时更好地为各船舶分配不同的信道，更加有效地为各船舶传递视频以及传感器监控信息^{[5 − 6]}。一般而言，基于互易性的信道反馈结构如图2所示。可以发现船舶无线终端发送控制信号后，无线通信基站可以通过这个控制信号来测定当前信道的基本情况，而基站通过发送公共参考符号让船舶无线终端测量信道，进而确定信道质量。无线通信基站可以根据信道质量来确定数据编码方案，并进行预编码，最后船舶无线终端估计出等效信道，完成数据的解调。

通过信道反馈技术可以对当前的无线数据传输信道进行有效估计，获取的信道信息越准确，对后续的视频数据传输越有利，不同的船舶对于无线通信的质量要求有很大不同，如有的船舶只有位置数据、传感器数据需要传输，而其他的一些船舶需要进行高质量的视频数据和语音数据传输，这就要求在进行资源分配时根据不同的船舶用户需求进行更好的匹配。

2 船舶无线视频传输资源分配技术 2.1 无线视频传输资源分配模型建立

在无线通信系统中不同的子载波之间等功率分配是最简单且最实效的方案，但是在船舶进行无线视频传输时，不同时间段内不同船舶对于视频传输速率要求不同，在较低信噪比的情况下，等功率分配很难达到船舶无线视频传输的要求。此时就只能调整子载波数量以及发射功率，如加大某一个子载波的发射功率，或者将较多的子载波调整到为某一个船舶视频数据传输，此时信道反馈技术就为无线视频传输资源调整提供了参考，在子载波数量较小时资源调整较为简单，且计算量较小。但是当子载波数量较大时反馈的数据量较大，此时就需要重新设计信道反馈方案，以满足同一地区内大量船舶的视频数据传输要求。

建立无线视频传输的分配模型如图3所示。无线网络基站在收到船舶视频数据后，通过信道分配模块和功率分配模块为不同船舶提供一定数量的子载波和发射功率，以满足不同船舶对视频数据传输的基本要求，最后通过调制器将数据发送出去，到达岸基监控中心。

充分考虑到不同船舶对数据传输速率、误码率的不同要求，假设船舶数量为N，无线通信子载波数量为m，定义r_nm为发射端第n个船舶第m个子载波上的波束成型向量，s_nm为接收端的波束成型向量，则接收端接收的参考符号Q_nm满足以下关系：

$ {Q_{{\text{nm}}}} = {J_{{\text{nm}}}}{{\boldsymbol{H}}_{nm}}{r_{nm}}{s_{nm}}{t_{nm}}\sqrt \beta + {{\text{s}}_{nm}}{u_{nm}} \text{。} $

(1)

其中：H_nm为一个a*b阶矩阵；a为船舶无线接收端天线数量；b为无线基站天线数量，表示不同天线之间信道的频率响应值；t_nm为通信基站发送给船舶终端的公共参考符号；u_nm为复高斯向量，且满足均值为0；β为船舶在视频数据传输时对误码率的要求；J_nm为视频数据传输对传输速率的要求。

无线网络基站对船舶视频数据的传输主要是通过调整对每一个船舶用户的子载波数量以及发射功率加以实现，对子载波的调配实现过程重点分析。

1）依据式（1）中视频数据传输对误码率的要求，直接对各船舶通信分配子载波，此时会形成一个最优解，在该最优解下，所有船舶视频传输误码率达到要求，且保持每个子载波上的调制方式相同；

2）根据信道反馈的基本情况确定不同船舶对于视频数据传输速率的要求，对那些不需要高速传输的数据进行标记，按照设定的传输速率等级对不同船舶设定权重ε，计算方法为：

$ \varepsilon = \frac{{{V_{{n}}}}}{{300M{\text{bs}}}}*100 \text% \text{。} $

(2)

其中：V_n为某个船舶对视频传输要求的下限频率，根据设定的权重对子载波数量进行调整，此时会遇到2种情况，由于子载波的数量是固定的，因而当一个船舶的子载波调整到另外一个船舶上时，当前船舶的视频数据传输速率无法满足要求，那么就需要更换其他船舶的子载波，此时采用随机算法来达到这一要求，具体做法为：将所有船舶进行标记，形成一个n×1的集合，随机选取该集合中的一个样本，不管是否符合，在判断完成之后都将这个样本丢弃，以此类推，直到完成子载波数量的调整。

这种随机调整子载波的方法会极大浪费系统资源，当船舶数量足够大时，系统为了满足所有船舶对视频数据传输速率的要求，就会陷入一个非常复杂的寻求最优解的循环中，因而并不符合设计的初衷。

3）为了解决这个问题，将原有调整子载波的策略修订为混合调整，先对船舶需求的无线视频传输速率进行排序，将信道分配模块和功率分配模块结合起来，保证调整子载波结束后，无线网络基站的发射功率最低，若将调整后发射功率和传输速率均能满足要求作为限定条件，通过增加限定条件来降低系统判断的复杂程度，从而最终实现对无线视频传输资源的重新分配和调整。同时为了解决信道反馈中信息过多导致无线资源分配过于复杂的问题，引入导频子载波来降低反馈量，在所有的子载波中选取少量的子载波作为导频子载波，这些子载波需要具有一定的代表性，如信道相关性以及频谱效率的极限值等，需要在子载波数量有限的情况下提升信道反馈数据的准确性以及足够的信息反馈量。

2.2 无线视频传输资源分配仿真

对建立的无线视频资源分配进行仿真，在搭建好实验平台后，设置1个基站，5台接收设备（用于表示5艘不同船舶），配置10个子载波模块，发射端和接收端天线数量均为5。

1）对未优化的传统无线视频传输方案和优化后的方案进行对比，改变传输视频数据的信噪比，得到无线视频数据传输的误码率变化如图4所示。可以发现，优化方案比传统方案的误码率明显更低，说明优化后的无线视频传输方案提升了视频数据无线传输的精确性，且随着信噪比不断增加，优化方案所得到的结果改进效果非常明显。

2）设定传输带宽为50 Mbps，对视频传输子载波调整策略进行仿真对比，得到的结果如图5所示。其中未优化表示没有采取任何调整策略，随机调整表示子载波数量调整完全随机，混合调整则表示经过排序后采用混合限定条件对子载波进行调整。对比得到的结果表明，信道容量随着信噪比的增大不断提升，且随机调整和混合调整后的信道容量均比未优化前得到了提升，在信噪比SNR=20时，混合调整后信道容量提升了约17 bps/Hz。

3 结　语

随着信息化技术和无线网络传输技术的不断进步，未来船舶无线视频传输技术将成为主流，且船舶无线视频监控能够提升船舶航行的安全性。在无线视频传输资源分配方面，结合有限数量的信道反馈信息可以有效提升无线视频传输资源分配的效率。本文建立船舶无线视频传输资源分配模型，并进行了仿真分析，得到如下结论：

1）信道反馈在无线视频传输资源分配中可以有效提升分配效率，且通过筛选有效的子载波可以降低分配过程中的复杂性。

2）通过对子载波数量以及发射功率的调整可以实现对无线视频传输的资源分配，仿真结果表明，优化后的方案比传统方案的误码率有不同程度降低。

3）信道容量随着信噪比的增大不断提升，且随机调整和混合调整后的信道容量均比未优化前得到了提升。