（通信与信息系统专业论文）城市安全防范智能化研究及应用.pdf

四】l 大学硕士论文y6 543 7 0城市安全防范智能化研究及应用城市安全防范智能化研究及应用通信与信息系统专业研究生罗植西指导教师徐家品本文针对城市安全防范的现状，分析其存在的问题，结合具体环境应用和通信需求以及经济性等方面的特点，并考虑现有的技术成果，对安全防范的智能化进行较为深入地研究，具有一定的理论和较高的实用价值。本文重点分析了城市安全防范智能化系统所涉及的理论及技术，并就以下问题提出了相应的解决措施。第一，为了实现城市安全防范基本信息的自动化采集，利用无线摄像头和无线探测器获取城市安全防范图象信息和状态信息。第二，为了节约数据传输带宽，使用先进的m p e g 4 视频图象压缩编码技术，在保证图象质量的前提下，减少了传输数据量。第三，为了实现城市安全防范基本信息的传输，首先利用无线通信信道，来完成相关信息的短距离传输；其次采用互联网和p s t n 网作为传输信道，完成了相关信息的远程自动化传输。第四，为了实现城市安全防范信息的自动化接收和处理，利用数据采集卡和服务器结合，完成信息的自动接收、保存、分类和对应报警的处理输出。第五，完成了相关设备的硬件开发和软件编写调试工作。根据本文的研究成果，实施研开发的示范系统，效果良好，受到了客户的好评。特别是系统使用p s t n 来传送安全防范状态信息数据，实现自动报警及处理，具有广泛的适用性，稍作改动即可在远程抄表、无人值守监测监控等方面发挥作用，具有较高的推广应用价值。关键词：p s t n 、i n t e r n e t 、图像压缩、无线通信、w 9 2 5 e 2 4 0四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n c ei nc i t ys e c u r i t yc o m m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o n a ls y s t e mp o s t g r a d u a t e ：l u o - z h i x ia d v i s o r ：x u j i a p i nt h ep a p e ra n a l y z e st h es t a t u sq u oo fc i t ys e c u r i t y ( c s ) a n di d e n t i f i e si t sp r o b l e m s ，t h e ni n v e s t i g a t e si n t ot h ep r o b l e mo fi n t e l l i g e n c ei nc i t ys e c u r i t y ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es p e c i f i ce n v i r o m e n to fa p p l i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，e c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n de x i s t i n gt e c h n o l o g i c a la c h i v e m e n t s ，a n df i n a l l y i ti sv a l u a b l en o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi np r a c t i c e t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt oas y s t e mo fi c sa n dp r e s e n t sc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st ot h ef o l l o w i n gp r o b l e m si nas y s t e mo fi c s f i r s t ，t or e a l i z ea na u t o m a t i cg a t e r i n go fb a s i ci n f o r m a t i o no fc s ，w i r e l s sc a m e r a sa n dd e t e c t o r sa r ea p p l i e dt og a t h e rv i d e oi n f o r m a t i o na n ds i t u a t i o ni n f o r m a t i o no fc i t ys e c u r i t y s e c o n d ，t oh a v ea ne c o n o m i c a lb a n d w i d t ho fd a t at r a n s m i s s i n g ，t h et e c h n o l o g yo fm p e g 4i sa p p l i e dt oc o m p r e s sv i d e op i c t u r e ss oa st or e d u c ed a t at r a n s m i s s e dw i t hag u a r a n t e e dv i d e oq u a l i t y t h i r d ，t 6r e a l i z et r a n s m i s s i n go ft h eb a s i ci n f o r m a t i o no fi c s ，w i r e l e s sc h a n n e l sa r eu s e dt om a k eas h o r t r a n g et r a n s m i s s i n go fr e l e v a n ti n f a r m a t i o na n di n t e r n e ta n dp s t nf o rl o n g - r a n g et r a n s m i s s i n gf o u r t h ，t or e a l i z ea u t o m a t i cr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n go ft h ei n f o r m a t i o no fi c s ，d a t a - g a t h e r i n gc a r d sc o m b i n e dw i t hs e r v e r st oa c h i e v ea u t o m a t i cr e c e i v i n g ，s a v i n g ，a s s o r t i n go u t - p u to ft h ea l a r m s f i f t h ，t h ep a p e rh a sc o m p l e t e dd e v e l o p i n gt h er e l a t e dh a r d w a r e sa n ds o f t w a r e s b a s e do nt h er e s e a c h i n gf i n d i n g s ，ab e t as y s t e m ，w h i c hh a sb e e nf a v o r a b l yc o m m e n t e db yt h eu s e r s ，h a sb e e nd e v e l o p e d t h es y s t e mh a saw i d ea p p l i c a b i l i t yi nt r a n s m i s s i n gd a t ao fi c si n f o r m a t i o nu s i n gp s t nt or e a l i z ea u t o m a t i ca l a r m i n ga n dp r o c e s s i n g t h es y s t e m ，i ft h e r ei sas m a l la d j u s t i n gv a r i n gt os p e c i f i cs i t u t i o n go fa p p l i c a t i o n s ，c a na l s ob r i n gi n t op l a yi na r e a sl i k er e m o t em e t e r - r e a d i n ga n ds e l f - s e r v i c ei n s p e c t i n go rm o n i t o r i n g ，w h i c hc a np r o v ev a l u a b l ei fa p p l i e da n dp o p u l a r i z e d k e y w o r d ：p s t n ，i n t e r n e t ，i m a g e c o m p r e s s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w 9 2 5 e 2 4 0- 1 1 四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用1综述1 1 任务背景随着信息化时代的到来，世界各国都加速了信息产业的发展，通信网络更加庞大，提供的服务更加多样化。经过多年的努力，我国的通信事业有了巨大的发展，特别是通信骨干网的建设已经达到相当的规模，其容量也已超过了当前数据实际通信量，数据通信业务的扩大受到了用户欢迎，互联网技术已经给人们带来了诸多方便。固定电话网、移动电话网提供的各项服务都成了人们的生活重要部分。如何利用这些丰富的网络通信资源，开辟新的应用亮点，提供更人性化的服务，获得新的经济增长点，是每一个从事信息产业的企业单位所需迫切解决的新课题。随着社会经济的长足发展，人们生活富裕了，如何保护好这来之不易的经济建设成果，成了全社会的焦点问题。每年的火灾都造成了无法挽回的经济损失，盗窃、燃气泄漏等安全问题，每年也要从人们手中掠夺走数目惊人的财富。国家每年都投入大量的人力物力来保安全，建立了较为完备的硬件设施，但使用效果却不尽人意。往往是火势已经很严重时，消防人员才赶到现场，控制处理都变得十分困难。经常是警察赶到现场，窃贼已经逃之天天。目前，大部分的家庭和单位还没有有效的安全防范设施，通常是采用防盗门等最简单的措旋来防止窃贼入侵，往往不能满足实际的需要。由于观念的转变，人们对生命财产安全更加重视，愿意在这方面增加投入，提供了巨大的市场空间。利用电子技术对安全状态进行监测，可以实现无间断的连续控制，能够提前发现安全隐患，赢得处理时间，具有十分重要的实用价值，也是安防系统采用的重要手段。现有的安防系统产品，大都是有线的，需要专门的布线施工，就会破坏用户的装修结构，得不到用户的认可，这限制了其发展应用。少数无线系统由于价格昂贵，也没得到很好的推广。改变这种现状的最有效办法，就是充分考虑用户的需求，研制出价优质高、施工方便的无线安防产品。同时现有的安防系统，往往是独立工作，规模都比较小，无法充分利用社会资源。造成一边是社会人力物力的闲置浪费，一边是险情得不到及时处四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用理的尴尬局面。要弥补这些不足，就必须加大安全防范系统智能化的研究，充分利用高新技术手段和现有的基础设施，提高安全防范技术水平和应用推广的力度。公安部有关部门于2 0 0 3 年召集上海市质量技术监督局、市公安局治安总队、市技术防范标准委员会等单位，审定并通过了上海市住宅小区安全技术防范系统要求，并作为强制性地方标准颁布实施。该要求明确规定，为了确保居民人身财产安全，上海市新建住宅小区必需设“五大安全防范系统”：周界报警、电子监控、楼寓对讲、电子巡更、住户报警系统。由此不难看出电子技术在安全防范领域的重要地位和作用。这是公安部将在全国范围推广安全防范系统的先导信号。这将大大推动安全防范产业的发展，为其应用提供政策支持。基于对市场需求的分析、对现有技术水平和基础设施的分析、对国家政策导向的理解，认为安防事业将大有作为，综合多方面因素，提出了“城市安全防范智能化系统”解决方案，并完成了设计施工，成绩显著。该系统能够实现用户( 包括家庭和单位) 的安全防范报警以及联动处理，具有很高的应用推广价值。“城市安全防范智能化系统”将安防图象信息和安防状态信息分开处理和传送，这样为用户的选择提供了方便。出于成本的考虑，普通用户可以只选择安防状态信息处理和传送，同样可以实现防盗、防火、防燃气泄漏等自动监测报警功能。特殊用户可以投入多一些，加上安防图象信息处理和传送，应用到财务室、金库等重要部门，为公安消防等提供更有价值的信息数据。安防图象信息数据量大，要求较宽的传输带宽；安防状态信息数据量小要求的带宽窄。目前拥有i s d n ( 综合业务数字网) 接入、v 9 0m o d e m 接入、x d s l ( 用户环路) 接入，还有h f c ( 光纤同轴电缆混合接入) 、固定电话网接入和以太网接入可供选择。从系统实际的应用角度出发，选择合适的网络接入技术来传输安防图象信息数据和安防状态信息数据，是系统方案设计的重要内容。遍及我国城乡的铜线固定电话网是现今话音通信的物理基础，也是潜力巨大、尚待开发的数据通信用户接入资源，以铜线固定电话网作为数据通信的接入网无需再投资建设。在这一点上，是其他接入网是无法比拟四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用的，但它的带宽资源有限。所以首选以铜线固定电话网络接入的传输媒体来传送数据量小的安防状态信息数据是十分合适的，也符台国内广大用户的实际。r 互联网的基础设施建设已经具备相当规模，应用也日益广泛，它能提供丰富的带宽资源，因此选择互联网接入的传输媒体来传送数据量大的安防图象信息数据。考虑到系统应用推广的简便性，摄像头和各类探测器都使用无线的，安装时不需要布线处理，不破坏用户的环境，用户容易接受。由于安防图象信息数据和安防状态信息数据都是突发数据，所以在有数据传送要求时才申请使用资源，就不会因为长期占用通信资源而造成浪费，同时也把用户的费用负担降到最低限。1 2 系统简介1 2 1 系统构成城市安全防范智能化系统由安防信息采集、安防信息本地处理、数据传输、报警处理中心四大部分构成，如图1 2 1 所示。囤圜无垅防火探潮器安防信息采集图卜2 1城市安全防范智能化系统四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用安防信息采集负责前端安防图象状态数据的获取，包括防盗信息、防火信息、防燃气泄漏信息以及现场图象信息的采集。安防信息本地处理首先去除干扰，完成警种识别，图象压缩，然后传送特定的数据包给报警处理中心。数据传输由有线数据传输和无线数据传输组成，有线数据传输主要通过已经建立完善的固定电话网和互联网。无线数据传输包括短距离无线通信和依赖于移动公众网的远距离无线数据传输。报警处理中心主要负责接收报警数据信息并作出相应的处理，同时还要负责用户的管理和数据记录。系统设计中，工作重点放在安防信息采集、安防信息本地处理、报警处理中心三部分以及短距离射频通信。数据传输部分主要是完成公用网的接入。这就充分利用现有资源，结合系统需求，作出合理化的设计。1 22 系统工作原理城市安全防范智能化系统主要针对家庭、单位的防火、防盗、防燃气泄漏三防，能全天候的实现自动监测报警。下面以防盗报警为例来说明系统工作原理，如图1 2 2 ，其它防火、防燃气泄漏的工作原理是类似的，不再赘述。r f ! i 釜旦备旦天：釜旦。囤旦姜图卜2 2 系统工作原理当有人非法入侵安装了系统的用户警戒范围，就会触动防盗报警探测器，四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用图中步，防盗报警探测器从休眠状态变为报警状态。防盗报警探测器的无线通信模块开始工作，发送该防盗报警探测器识别号和报警事件号给无线智能报警主机，图中步。无线智能报警主机接收到探测器报警信息后进行去扰判断处理。无线智能报警主机通过p s t n 固定电话嗣将该用户的识别号和报警事件号传送到报警处理中心，图中步。报警处理中心接收到报警信息数据后，对用户身份进行验证。然后匹配用户数据，显示用户的具体地址和最近的处理人员。然后通知处理人员出警处理，图中步。同时将报警中文短信息发送到用户预先保留的手机上通知用户本人，图中步。防盗报警探测器被触动时，还要将触发信号发送给无线摄像头和无线图像处理器，图中步。无线摄像头开始摄像并通过无线通信把图像数据传送给无线图像处理器，图中步。无线图像处理器接收图像数据，进行模数转换、压缩编码。然后把压缩好的图像数据通过t n t e r n e t 传送给报警处理中心，图中步。报警处理中心接收到报警数据图像后，连同从p s t n 固定电话网传来的报警数据一起，进行相应的报警处理。报警处理中心在接警处理时，都要保存相关的信息数据，以供保险理赔等后续工作使用。四川大学硎j j 学位论文城市安全防范智能化研究及应用2 关键技术及理论基础实现城市安全防范智能化的关键是及时准确地自动收集和城市安全防范相关的信息并作出反应。视频图像、安防状态和音频信号是最主要的城市安全防范信息。其中安防状态信息和视频图像信息应用最广。下面结合实际就安防状态信息和视频图像信息的采集、传输、处理所涉及的关键技术及理论基础作探讨。2 1 视频压缩视频压缩编码的目的是尽量减少数据速率，在重建时尽可能保持原有图像的质量，同时充分利用数字化传输和处理图像具有的一系列优点，提高系统的性能。目前已有的安全防范系统大多独立存在，有专门的网络带宽支持，其中的图像没有采用数字压缩技术，无法满足未来城市安全防范智能化建设的要求。视频压缩编码是城市安全防范智能化系统中的关键技术之一。2 1 1 视频压缩的基础视觉生理一心理学的研究表明，视频图象信号中的细节、灰度及运动等参数之间实质上是相互依赖的。视频图象最终是给人观看的，而人的视觉在某些条件下往往可以容忍一些失真，有些失真人眼又根本辨别不出来，因此，超过视觉分辨能力的高保真度要求就没有必要。如果充分利用人类的生理特性、适当地降低对某些参数的分辨率要求，就可望降低数码率。由于这样做并没有涉及视频图象信号内在的相关性、故又称之为视觉生理一心理压缩。空间一灰度分辨度交换视觉生理一心理学实验表明，人眼仅在观察图象中的大面积象块时，才能分辨出全部2 5 6 级灰度等级；而当观察图象中的小块区域或精微细节时，只能分辨出不多的灰度级。因为在急剧的黑白跳变处，人眼分辨不出灰度差别。因此，对于图象中的平坦区域可以降低取样率，但要保持每一样本有较多的灰度等级；反之，对于图象中的边缘和细节，则应保持较高的取样率，但对每一样本只需分配较少的量化比特数。这也是子带编码和某些利用视觉四j 1 i 大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用掩盖效应的自适应量化器的设计依据。空间一时间分辨率交换视频图象的每幅画面约需4 0 万个有效象素。这仅仅是对观察静止物体而言。当物体运动时，人眼就分辨不出这么多象素了。显然，这时可以减少一些象素数，但要保证足够的画面交换速度，即要有较高的帧频。静止图象不变换画面，每帧重复同一图象，运动分辨率可以最低。因此，细节分辨率和帧频之间也可以相互转换。灰度一时间分辨率交换同样，在灰度等级和帧频之间，也存在着一种函数关系。因此，对于快速运动的图象( 通常所说的人眼需要的最高运动分辨率2 5 h z ，即指快速运动物体而言) ，眼睛对灰度等级的分辨率降低，允许用较少的量化级数，但却要求较高的画面变换速度。反之，对于完全静止的画面，灰度等级要求晟高。2 1 2 视频压缩编码技术有人称1 9 8 4 一1 9 8 8 年间主要研究的图象编码方法为经典方法，同时把有重要发展前景的图象编码方法称为现代方法。经典方法主要有统计编码、预测编码和变换编码等。现代方法主要有子带编码、小波交换编码、分形编码、矢量量化编码、模型基编码、神经网络方法编码等。文献c 2 低码速率下的图象压缩编码方法一般都采用现代方法。大致分为两类：一类是波形基编码，一类是模型基编码。在基于波形的编码中，一幅图象被看成2 d 的信号波形或者局部区段看作成3 d 的信号波形，利用这些信号固有的统计特性和确定性特性进行编码。如变换编码、子带编码、小波变换编码、矢量量化编码和分形编码等。在模型基编码中，输入的图象看作为3 d 真实图象的一个2 d 投影。然后在编码器中提取模型参数，最后在解码器中通过提取和量化这些参数来合成该图象。模型基编码主要包括语义基和物体基两类。2 1 3 1 波形基编码在基于波形的编码方法中，压缩是直接根据2 d 平面上离散的光强分布情况来实现的，这种光强分布是3 d 真实图象在2 d 平面上的投影，3 d 图象四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用用一个抽样序列( 点) 的2 d 波形表示。子带编码( s u b b a n dc o d i n g ，s b c )图象的子带编码将图象通过若干个带通滤波器，从而将原始图象的频谱分成几个频率段，然后再对不同的频率段采取不同的后续编码方法实现对原图象的压缩。人类视觉系统对噪声的敏感程度在不同频率中是不同的，这种自然生理现象可被利用来对不同频率段采取失真率不同的压缩。s b c 是对整个图象进行，不存在块效应。小波变换编码( w a v e t e t t t a s f o r i l l ，w t )小波变换用于多分辨率图象描述，起始于1 9 8 6 年。小波的图象分解思想是属于子带分解的一个特例。这个小波分解是完备的、正交的、且多分辨率的分解。在空间城里。小波分解将信号分解为不同层次分解运算，同时形成了频率域中的多层次分解。在频率域中的每个层次上，高频分量与低频分量的分布与原数据中频率分布的方向有关。利用小波变换对图象进行压缩的原理与子带编码方法一样，是将原图象信号分解成不同的频率区域，持续的压缩编码方法根据人的视觉、图象的统计、细节和结构等特性，对不同的频率区域采取不同的压缩编码手段、从而使数据量减少。分形编码( f r a c t a lc o d i n g )分形编码法的目的是发掘自然物体( 比如云、森林远景等) 在结构土的自相似性。而这种自相性是图象整体与局部相关性的表现。分形压缩正是利用了分形几何中的自相似的原理来实现的。首先对图象进行分块，然后再去寻找各块之间的相似性、这里相似性的描述主要是依靠仿射变换来确定的，一旦找到了每块的仿射变换，就保存下这个仿射变换的系数。由于每块的数据量远大于仿射变换的系数，因而图象得以大幅度的压缩，分形的最显著的特点是自相似性、与经典方法相比，它不但去除了数据之间局部的相关性，而且去除整体与局部之间的相关性，所以有望达到经典编码方法所达不到的压缩比。2 1 3 2 模型基编码模型基方法的基本思想是：构造一个用2 d 图象编码序列，表达3 d 被视景物的模型，用该模型去分析合成图象。这种编码是建立在对图象信息的四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用理解之上的，其编码过程是对图象的分折过程，而其解码过程是对图象情息的合成过程。模型又进一步分为显式模型和隐式模型。语义基编码采用显式模型( 如人物的头肩部分) 去分析和合成运动图象。由于物体模型的有效性，景物中的物体能够描述成语义水平。物体基编码不采用显式模型、这种编码方案适用于处理更一般的物体。语义基方法可以有效地利用景物中已知物体的知识，以实现非常高的压缩比，但它仅能处理已知物体，并需要较复杂的图象分析与识别技术。2 2i n t e r n e t 技术在城市安全防范智能化系统中，选择哪种媒体来传输已经压缩的视频图象数据是十分关键的。可供选择的主要传输媒体包括有线电视网、固定电话网和互联网。有线电视网在实现数据双向传输上还有一些技术问题，应用不广泛，不适合在安全防范系统智能化系统中传输压缩图象。固定电话网由于其带宽的限制，不能满足高品质实时图象的传输要求。互联网的基础设施建设有相当规模，又有足够的带宽，是未来城市安全防范智能化系统图象传输的重要媒体。2 2 1 参考模型2 2 i 1o s i 参考模型国际标准化组织( i s o ) 开发了开放式系统互联( o s i ) ) 参考模型，如图2 2 2 1所示，以促进计算机系统的开放互联。该模型为计算机间开放式通信所需要定义的功能层次建立了全球标准。文献【8 物理层：负责传送比特流，它从数据链路层接收数据帧，并将帧的结构和内容串行发送，然后这些数据流被传输给数据链路层重新组合成数据帧。数据链路层：提供数据有效传输的端到端连接。数据链路层负责将指令、数据等包装到帧中以及重新组织从物理层收到的数据比特流。网络层：网络层负责在源机器和目标机器之间建立它们所使用的路由。这一层本身没有任何错误检测和修正机制，因此，网络层必须依赖于端四川大学硕二e 学位论文城市宜全防范智能化研究及应用端之间的由数据链路层提供的可靠传输服务。o s io s i 参考模型t c w i p 参考模型t c p i p层次号层次描述层次描述层次号7应用层6表示层应用层45会话层传输层34传输层网络层23网络层2数据链路层链路层11物理层图2 - 2 10 s l 参考模型和t c p i p 参考模型传输层：保证数据在端端之间完整传输。传输层的功能是在本地l a n 网段之上提供这种功能，它可以检测到路由器丢弃的包，然后自动产生一个重新传输请求。传输层的另一项重要功能就是将乱序收到的数据包重新排序，在将这些包的内容传递给会话层之前要将它们恢复成发送时的顺序。会话层：主要功能是用于管理两个计算机系统连接间的通信流。表示层：负责管理数据编码方式，表示层可以用在浮点格式间的调整转换并提供加密解密服务。应用层：为具体应用和网络服务问提供接口。2 2 1 2o s i 参考模型与o s i 参考模型不同，t c p i p 模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层次划分，如图2 2 - 1 所示。它通过解释功能层次分布的重要性来做到这一点，但它仍为设计者具体实现协议留下很大的余地。因此，o s i 参考模型在解释互联网络通信机制上比较适合，但t c p i p 成为了互联网络协议的市场标准。t c p i p 参考模型比o s i 模型更灵活，它更强调功能分布而不是严格的功能层次的划分。t c p i p 和osi 之间在层格式方面的主要区别是：t c p i p 的传输层不保证任何时刻的传输。四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用链路层链路层是t c p i p 协议的最低一层，主要功能是负责接收i p 分组，并且通过特定的网络进行传输，或者从网络上接收物理帧，抽出i p 分组，上交给网络层。即管理网络的连接并提供网络上的报文输入输出，但是这一层不工作于应用级。网络层网络层处理报文路由管理。这一层根据接收报文的信息决定报文的去向。传输层传输层的作用是提供应用程序间( 端到端) 的通信服务。为实现可靠传输，该层协议规定接收端必须向发送端发回确认：若有分组丢失时，必须重新发送。t c p 不保证报文的准确传输。其基本作用是管理源和目的之间的报文传输。应用层应用层为用户提供访问i n t e m e t 的一组高层协议，即一组应用程序。应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是便于传输和接收。2 2 2t c p 1 pt c p i p 是一组协议，如表2 - 2 1 所示，它们使任何具有计算机、调制解调器和i n ter 1 3e t 服务提供者的用户能访问和共享i n t er ne t 上的信息。表2 - 2 - 1t o p i p 协议i层次相应的协议应用层s m t p 、f t p 、nfs 、n is 、l p d 、 r e ine t 、r e m o t e l o g i n传输层u d p 、t c p网络层i c m p 、i p 、i g m p 、r i p 、osp f 、e g p链路层a r p 、r a r p2 2 2 1 传输控制协议t c p传输控制协议( t c p ) 提供了可靠的报文流传输和对上层应用的连接服务，t c p 使用顺序的应答，能够按需重传报文。t c p 分组头结构如图2 - 2 。2 。源端口：数值用于指示源端应用进程。四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用1 6 位1 6 位源端口目的端口序号确认号数据偏移保留控制位窗口校验和紧急指针任选项和填充图2 - 2 - 2t c p 分组头结构目的端口：数值用于指示目的端应用进程。序号：在s y n 标志未置位时，该字段指示了用户数据区中第一个字节的序号。在s y n 标志置位时，该字段指示的是初始发送的序列号。确认号：用来确认t c p 实体已经接收到的数据，当a ck 位被置之后，其值表示期待对端发送的下一字节的序号，实际上告诉对方，在这个序列号减1 以前的字节已经正确接收。这个值总被发送。t i p 数据偏移：用表示以3 2 位字为单位的t c p 帧的头部长度，用于确定用户数据的起始位置。该域实际上是针对变长的选项设置的。保留域：保留域不被使用，但是它必须置0 。控制位：u ( u r g ) 紧急指针域有效；a ( a c k ) 应答域有效：p ( psh ) p ush 操作；r ( rs t ) 连接复位，重新连接；s ( sy n ) 同步序号，该比特置位表示连接建立分组；f ( f i n ) 发送方已达字节末尾，没有其它数据需要发送。窗1 2 1 ：指示发送方想要接收的数据字节数，其开始于报文中的a c k 域。校验和：校验和是报文头和内容按1 的补码和计算得到的16 位数。假如报文头和内容的字节数为奇数，则最后应补足一个全0 字节，形成校验和，注意补足的字节不被送上网络发送。紧急指针：这个域指出紧急数据相对于跟在u r g 之后数据的正偏移。任选项：选项可能在头的后面被发送，但是必须被完全实现并且是8 位长度的倍数。朋川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用填充：用于保证t c p 头长度是3 2 比特的正数倍2 2 2 2i p 协议ip 协议用于管理客户端和服务器端之间的报文传送。ip 头结构如图2 - 2 3所示。4 位4 位8 位1 6 位版本号头跃度服务类型总长度标识标志偏移生存时间协议头校验和源i p 地址目的i p 地址选项和填充图2 - 2 - 3ip 头结构版本号：长度为4 比特，指出此i p 报文所使用的ip 协议的版本号。在处理i p 分组前，i p 软件都由检查i p 分组的版本字段，以保证分组格式与软件期待的一致。i p 版本4 ( i p v4 ) 是当前广泛使用的版本。头长度：长度为4 比特，指出整个i p 分组报文头的长度，单位是3 2 比特，接收端通过此域可以知道报文头在何处结束及读数据的开始处。服务类型：长度为8 比特，用于指明i p 分组所希望得到的有关优先级、可靠性、吞吐量、时延等方面的服务质量要求。总长度：长度为1 6 比特，指出报文的以字节为单位的总长度，包括分组头和数据区的长度。利用分组头长度字段和总长度字段，就可以知道口分组中数据内容的起始位置和长度。报文的总长度不能超过6 5 5 3 5 个字节，否则接收方认为报文遭到破坏。标识：长度为1 6 比特，和源i p 地址、目的i p 地址、用户协议一起唯一地标识主机发送的每一个分组。假如多于一个报文( 几乎不可避免) ，这个域用于标识出报文位置，分段的报文保持最初的id 号。标志：长度为3 比特，第一个标志如果被设置，将被忽略：假如d f ( o on o tf r a g m e n t ，不分段) 标志设置，则报文不能被分段。假如m f ( m o r e f r a g m e n t ，段未完) 标志被置( 1 ) ，说明有报文段将要到达，最后一个段的标志置0 。偏移：此域为1 3 比特，以8 字节为单位，用于指明当前分组在原始分组中的位置，这是分段和重组所必需的。四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用生存时间：长度为8 比特，用于指明i p 分组在网络中传输的最长时间，生存时间的初始值由源主机设置( 通常为3 2 或6 4 ) ，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去i 。当该字段的值为0 时，该分组被丢弃，并发送i c m p 消息通知源主机。这是为了保证i p 分组不会在网络中出错时无休止的传输。协议：长度为8 比特，指出处理此报文的高层协议号。高层协议的号码由t c p i p 权威管理机构统一分配。校验和：长度为1 6 比特，作为头数据有效性的校验。只对i p 分组头计算校验和。计算方法：该字段初始值为0 ，然后对i p 分组头以1 6 位为单位进行求异或，并将结果求反，便得到校验和。源i p 地址：长度为3 2 比特，指出发送i p 分组的源主机的i p 地址。目的i p 地址：长度为3 2 比特，指出接收i p 分组的目的主机的i p 地址。选项：选项域是可选的，如果使用，此域包括一些编码，此编码指出安全，严格源路由、松源路由，路由记录及时戳( t i mes ta m p i n g ) 等选项的使用。填充：用于保证i p 头长度是3 2 比特的正数倍，用0 填充。2 3 无线通信在城市安全防范智能化系统中，本地数据信息的传送要充分考虑施工简便的要求，所以选择低功率的短距离无线通信。其中，图像信息的传输频率为2 4 g h z ，防火、防盗、防燃气泄漏的状态信息的传输频率为4 3 3 m h z 。及时把报警信息通知到用户是城市安全防范智能化系统的基本要求之一。移动通信很符合用户的位置不断变化情况下的通信需求，而且具有现实的应用基础。在城市安全防范智能化系统中选择公用移动通信网作为传输报警信息的无线信道是很合适的。2 3 1 电磁波传播特性控制电磁波传播的机制是复杂而且多样的，一般是由四种最基本的传播机制引起的：直射、反射、绕射和散射。如图2 - 3 1 所示。文献 2 0 1四j i l 火学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用，：一，图2 - 3 1 电磁波传播示意图当发射天线和接收点之间无阻挡满足视距传输条件时，一部分电磁波能量以直线路径由发射天线直接到达接收点的无线电波传播方式称为直射。当电磁波入射到一个尺寸远大于无线电波波长的障碍物上对，有一部分电磁波能量从该障碍物上反射而到达接收点，这就是电磁波的反射传播方式。从地球表面和建筑物上产生的反射波是最常见的。当发射天线和接收点之间的无线路径被一个非穿透性物体阻挡时，有一部分电磁波能量能够到达阻挡物的后面，这样的电磁波传播方式称为绕射。根据蕙更斯原理，即使在发射天线和接收点之间不满足视距传播条件，也将在障碍物的后面产生二次波。绕射使得电磁波能在没有视距路径的城市和乡村环境传播，使得无线通信的应用变得很广泛。当在无线信道中障碍物的尺寸近似于或小于传送电磁波波长时，有一部分电磁波能量的传播会变得杂乱无章，发生散射。和绕射的物理原理样，散射使的从发射天线出来的电磁能量向各个方向传播。f接收天线收到直射波，还收到来自各物体或地面的反射波、散射波。此外，还由于接收天线的快速移动带来多普勒效应。这些使得接收天线接收到的信号的振幅和相位随时间( m s 级) 发生急剧变化，称此现象为快衰落，或短期衰落。设天线发射的信号为：ts o ( f ) = a oe x p j ( c o o ，+ 丸) 】经n 条路径到达接收天线，则收到信号为：nns ( r ) = s ( r ) = 日，e x p j ( m 。f + 钒- k v t c o s 0 ，+ 以) 】j = lf 一1其中a ，为第i 条路径到达接收天线的信号和振幅棚伍殳池列竹“。移常数( 肛孥) ，v 为移动台移动速度。肘为位移，臼，为反射波或散射波与移动黧搋黧象蔷鬻景黧嚣嚣篡僦机进。一币皇主篙收孽蓉墨譬套窑冀嚣警兰茎蓄冀蕞蓑主蒜：菁妥善茎翥蕃薹某曩要曩羹坚。耋毳喜霉墨要? 鸶二；言鬟塞誓警銎薹篓嚣军凳盖了兰喜芝篙鬈耄凳耄夸竺霎裹：萎嚣：套雾季釜亲喜鍪爰芋爱薹柔_ o 由磊磊磊；的差值定义为衰落裕量。衰落裕鼠决定了，通信i j 罪崖。厘越术出“旧1镀刊碧挈簇黧淼纂搿耋慧震兹嚣耋曩冀动黧漂然筹嚣冀磬篇翟鬻蓑淼篓、鬈燃震赢嚣嚣2 - 3 - 2 篡茹戮机、交换控制设备和移动终端设备。图是哭型阴辉呙侈训“旧4 “。蝴寸 蟹妻s 越飘j亟匡兰霉含r惴黧霎篙慧黧篡瑟瑟鬻众通信网互联。移动通信网包括交换系统、基站分糸犰利兀虽矽训朋8 1 四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用2 3 2 1 数字移动通信主要技术多址连接在移动通信系统内，各用户通过在射频波道上的复用，从而建立各自信道，以实现双边通信的连接称为多址连接。目前在移动通信中应用的多址方式有：频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 以及它门的混合应用。频分多址以频率来划分信道，如图2 2 3 所示。图2 - 3 - 3 频分多址示意图f其中b 为移动通信频带宽度；f i 、f 2 、f n 为载波频率，代表n 个互不重迭的波道；为频道间隔。基站通过载波频率来识别发射地址，从而完成多址连接。n 个波道在频率轴上严格分割，但在时间和空间上重叠的时分多址是在一个无线频道上，按时问分割为若干个时隙，每个业务信道占用一个时隙，在规定的时隙内收发信号的多址连接方式。如图2 2 4 所一f不。图2 - 3 - 4 时分多址示意图在码分多址方式中，发射载波大都受到两种调制，一种是地址码的调制，另一种是基带数字信号调制。发射信号往往占有极宽的有时甚至是移动通信频段的全部带宽。接收时，对某一地址，只有与之相应的接收机才能检测出信号，而其它接收机检测的却是呈现为类似高斯过程的宽带噪声。这种每个四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用用户具有特定的地址码，利用公共频道传输信息的多址连接方式称为码分多址。图2 - 3 5 示出了伪随机码扩频多址方式的原理。图中f o 是被调载波，伪随机( p n ) 码是地址码。基带数字信号在模2 加法器中对p n 码进行调制，再利用已调制的p n 码序列对f o 进行p s k 调制。由于p n 码的码元速率远大于基带数字信号的码元速率，故已调p n 的带宽远梨叶匿弱堰p 盱懂昔梨p n千扰pn大于基带数字信号带宽，扩展频谱的名称由此得来。模2 加法器起到扩频调制器的作用。话音编码1 9 8 8 年制定的泛欧g s m1 3 k b i t s 规则脉冲激励长期预测( r p e l t p ) 线性预测编码方案，以及1 9 8 9 年美国电子工业协会制定的矢量和激励线性预测( v s e l p ) 编码方案，是目前世界上主要的两种数字移动通信话音编码方案。窄带数字调制移动通信的频带资源十分有限，要求调制信号功率谱占有窄的带宽。为了在有限的波道间隔( 通常为2 5 k h z ) 中尽量传送更高速率的码元，并且不要有过多的带外功率侵入相邻频道，数字移动通信系统大多采用窄带数字调制技术。即在限定带宽中具有尽可能大传输码率而带外功率辐射又尽可能低的调制方式。应用于数字移动通信系统的窄带数字调制方案分为两大类：线性调制和恒包络调制。恒包络调制技术有2 f s k 、n y q u i s t 4 电平f m 、m s k 、g m s k 、t f m 和g t f m 。线性调制技术有q p s k 、j i 4 q p s k 、m p s k 和m q a m 。信道编码数字移动通信系统中，为了改善由于信道的传输特性不理想及各种干扰和噪声影响而产生的传输错误，提高系统的可靠性，大多采用信道编码技术。移动通信信道属于变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究及应用发错误。在数字移动通信系统中，几乎都采用前向纠错的差错控制方式，按对信源序列处理方式的不同，可以分为分组码和卷积码。在编码器复杂度相同的情况下。卷积码纠错性能优于分组码，所以数字移动通信系统中信道编码多采用卷积码。交织技术移动通信信道的干扰、衰落等往往产生较长的突发误码，采用交织技术的目的是使误码离散化，使突发差错信道变为离散差错信道，接收端纠正随机离散差错，能够改善整个数据序列传输质量。交织技术的原理是将编码器输出的由1 2 0 比特组成码字存放到一个( n o i ) 即1 1 0 行i 列的块交织矩阵中，其后按矩阵列输出序列。这样1 2 0 个连续编码比特在读出串行序列中被( j 一1 ) 个比特相间，成为离散编码比特分布。分集接收分集技术是克服多径衰落的一个有效方法。分集接收是利用系统接收两个或多个输入信号，这些信号具有互不相关的随机衰落特性，通过接收处理以后达到克服瑞利衰落的目的。由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集和空间分集。空间分集：空间设立距离为d 的两付天线，接收的两个信号，由于其传播环境及衰落不相同，具有不相干或相干性很小的特点，采用分集合并技术使输出较强的有用信号，降低了传播因素的影响。；频率分集：移动无线传播理论指出，当f l 和f 2 两个信号的频率差f 垃一f lf大于相干带宽b 。时，这两个信号将分别衰落，互不相关。为了取得满意的频率分集接收效果，b 。的取值要满足抑制频率选择性衰落的频率间隔要求。时间分集：在不同时隙发射相同的信息，在接收端产生两个非相关的衰落信号。时间分集是在多信道场合减小互调的良好方式。2 3 3 抗干扰设计2 3 3 1 频率选择本地状态信息无线传送选用4 3 3 m h z 的i s m 频段，并采用低功率发射，高灵敏度接收的设计。该频段主要用于小型无线数据传输，无线遥控、遥测，四川大学硕士学位论文城市安全防范智能化研究驶应用工业无线数据采集，家电遥控等数传应用，使用时无须申请许可证。而且使用该频段可以避免来自使用其他频率( 如9 0 0 m h z 的手机，8 0 0 m h z 的无绳电话) 的电子设备的干扰。本地图象信息无线传送选用2 4 g h z ，可以防止调频电台和短波通信的干扰。由于有无线通信的存在，不可避免的会带来距离相隔很近的多个用户之间的通信干扰。为了消除这种干扰给系统带来的影响，无线图像通信设计有四个收发频率可供选择，相邻的用户选择不同的工作频率，同时降低发射功率，可以满足相邻用户的应用要求。2 3 3 2 通信方式各探测器与无线智能报警主机之间采用半双工通信模式进行双向通信，确保探测器发出的告警信号被无线智能报警主机收到，增加了系统的可靠性。在通信过程中，采用安全编码来保证对码的准确，可以避免来自同样频道的无线电干扰。同时，采