运营级无线视频监控系统的应用与优化

 　　1.概述

　　当前无线化已成为视频监控发展的重要趋势，同时无线视频监控系统具有复杂度高、系统设计/集成难度大等特点，本文将针对目前在运营商领域常见的无线视频监控集成相关的技术进行介绍与分析。

　　2.无线视频监控应用现状

　　在有些区域，现场不具备有线网络传输条件，或者建设有线网络成本非常高，则可以通过无线方式进行现场监控点信息采集和远程设备控制。运营商在自有网络建设或第三方ICT项目承建时，经常会采取以下几种无线视频监控系统组网方式。

　　2.1.WIFI

　　进入2011年，三大运营商的3G大战背后，其关于WLAN的暗中较劲也越来越明显。普通手机用户可以明显地感受到，机场、高校、交通枢纽等越来越多的热点地区都有了运营商的WiFi信号，手机套餐中基本都自动赠送了每月数小时的WLAN上网时间，可以很方便地使用手机、笔记本等设备联网。

　　无线互联网的发展带来的是数据业务的猛增，以视频监控为代表的大量业务都需要耗费大量的带宽。相较于给基站扩容或者架设新基站的方式，WiFi接入由于速度快、成本低，已成为分流数据流量的最重要手段。在这样的动力之下，无线城市的概念又再度兴起。

　　WLAN由于在低成本高效地提供大流量、高速率无线数据接入方面具有明显的技术优势，已经成为运营商快速提升无线接入能力，释放3G网络压力的通用手段。三大运营商都把WLAN作为2011年的运营重点。一般的做法是：在城市重点区域加强热点覆盖，比如校园、写字楼、交通枢纽、酒店医院等。由于WiFi信号的穿透能力差，因此把WLAN模式做大的难点在于室内覆盖。视频监控现场常用的WiFi组网方式如下：

　　AP直连交换机：多个呈蜂窝状分布的AP设置成同一个SSID，选择不同频道，接到交换机上，再接路由器进行DHCP；

　　AP接力：通过做WDS网卡方式进行WiFi接力。只需要SSID及加密认证方式一样，同一厂家的AP之间可以做到无缝切换；

　　AC + AP：多个AP连接到同一无线控制器（AC）上，AC再接交换机或路由器；

　　lWiFi漫游：通过WiFi漫游协议进行不同厂家AP组网的无缝切换，需要AP支持该协议。

　　2.2.微波

　　微波是指频率超过1GHz的电磁波，波长范围在毫米～厘米数量级，其波长比普通无线电波更短。无线微波传输类似光线是直线传输，是一种视距范围内的多径接力传输。基于无线微波传输的视频监控业务主要分为以下两类：

　　模拟微波传输：把视频信号直接调制在微波的信道上，通过天线发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，然后再通过微波发射接收一体机解调出原来的视频信号。这种监控方式图像非常清晰、没有延时、没有压缩损耗、造价便宜、施工安装调试简单，适用于一般监控点不是很多、需要中继也不多的情况下使用。

　　数字微波传输：把视频编码压缩，然后通过数字微波信道调制，再通过天线发射出去，接收端则相反，天线接收信号，微波解扩，视频解压缩，最后还原成模拟视频信号，可集中传输多路视频，抗干扰能力比模拟的方式要好些，适用于监控点比较多、需要中继也多的情况下使用。

　　在运营级视频监控系统中，无线网桥接入方案可以采用数字微波传输方式，可用于连接两个或多个独立的网络段，这些独立的网络段通常位于不同的建筑内，相距几百米到几十公里，可以广泛应用在不同建筑物间的互联。

　　根据协议不同，无线网桥又可以分为2.4GHz频段的802.11b或802.11g，以及采用5.8GHz频段的 802.11a无线网桥。无线网桥有三种工作方式：点对点、点对多点、中继连接，特别适用于城市中的远距离通讯。在无高大障碍（山峰或建筑）的条件下，一对速组网和野外作业的临时组网，其作用距离取决于环境和天线：一对27dbi的定向天线可以实现10km的点对点微波互连，12dbi的定向天线可以实现2km的点对点微波互连。

　　无线网桥通常是用于室外，主要用于连接两个网络，使用的无线网桥必须有两个以上，而AP可以单独使用。无线网桥功率大、传输距离远（最大可达约50km）、抗干扰能力强、不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接，常用于承建城市建筑工地监控等业务。

　　基于无线网桥网络传输的无线视频监控系统总体架构示意图如下：
 

　　基于无线网桥网络传输的无线视频监控系统前端设备连接示意图如下（监控设备假定为模拟摄像机 + 编码器，其他方式类同）：
 

　　2.3.3G

　　虽然运营商目前的3G网络不够成熟，不过，目前国内三大运营商基本上都已经推出了基于各自标准的手机视频采集和监控业务，包括中国电信的全球眼、中国联通的宽视界、中国移动的千里眼。其中，中国电信已经率先推出了《全球眼手机浏览能力开放接口规范》，定义了全球眼手机浏览全部功能的开放接口，行业手机客户端具有全球眼手机浏览的登录、视频播放、云镜控制、截图、录像等基础能力，完成各自的行业应用需求；中国联通则精选了15项主流行业应用，进行集团级行业应用战略合作伙伴招募，包括基于手机视频监控业务的智能公交、环保监控、驻车监控行业应用，以及基于手机视频采集业务的移动警务、移动城管、移动采编、移动保险等行业应用。基于目前国内运营商的3G网络，手机视频采集和监控的上下行带宽一般在100Kbps左右。

　　3.无线视频监控面临的问题及解决方案

　　3.1.面临的问题

　　为了建立起基于无线网络、规范标准、大规模、低成本、可运营的视频监控系统，推动视频监控相关产业链快速形成，引领无线视频监控产业发展，需要解决以下关键技术问题：

　　端到端QoS保障：相比有线网，无线网络带宽窄、抖动大、迟延长，端到端图像质量难保障，业务质量较难满足用户需求；

　　lNAT穿越：无线网络与用户局域网之间往往存在异构网络的NAT穿越问题；

　　3.2.解决方案

　　3.2.1.端到端QoS保障

　　针对端到端QoS保障出现的问题，一般可以采取以下解决方案：

　　无线视频监控终端产品研发：为提高网络上行速率，研发融合具备更大上行速率网络模块的新颖监控产品；

　　自适应编码优化：根据网络抖动状况，通过对分辨率、帧率、图像质量等图像编码参数进行优化，对输出码流进行网络自适应调整，降低丢包率；

　　自适应传输优化：针对无线网络抖动，优化传输模块算法，优化冗余传输及丢包重传机制，降低丢包对视频质量的影响；

　　相比3G网络，WiFi具备提供大流量、高速率无线数据接入方面明显的技术优势，微波传输一般针对项目进行点对点带宽设计，目前，WiFi和微波传输暂时不存在实际使用中网络上行速率的瓶颈。在3G网络，特别是在TD-SCDMA制式下，研发融合具备更大上行速率网络模块的无线视频监控终端产品，具备现实的意义。如采用下一章的多流技术或通过以下多种方式将HSUPA芯片集成到视频采集设备中，包括：

　　B2B接口；

　　mini PCI-E接口，如下图所示；

　　邮票孔（36管脚）接口；

　　USB接口；

　　自适应编码优化

　　自适应编码优化处理流程如上图所示：
 

　　媒体服务器向编码器动态反馈接收到的码率，编码器根据链路情况动态调整输出的码流；

　　编码器对输出流量进行整形，减少突发；

　　媒体服务器对接收的报文进行乱序重整，减少抖动；

　　客户端向媒体服务器动态反馈接收到的码率，媒体服务器根据链路情况进行拥塞避免；

　　媒体服务器对输出流量进行整形，减少突发；

　　客户端对接收的报文进行乱序重整，减少抖动；

　　自适应传输优化

　　报文组丢失数据可通过RS算法恢复时，则直接恢复；报文组丢失数据无法通过RS恢复时，则通过Selective ARQ机制请求发送端重传，主要针对UDP传输模式，TCP自带重传机制。

　　3.2.2.NAT穿越

　　用户NAT种类多样、配置复杂，如何解决NAT穿越问题，保障视频监控业务的顺利使用，是无线视频监控系统实施时需要认真考虑的问题，解决NAT穿越问题的主要方案包括：

　　方案1：服务器中转信令与媒体

　　方案描述：服务器中转方案中，监控前端与客户端设备分别与监控平台建立连接，由平台对视频流进行调度转发。

　　优点：

　　可以解决前端、客户端的任何NAT类型；

　　可以简单实现组播、广播等应用场景。

　　缺点：

　　服务器中转业务流不能满足部分客户需求；

　　服务器中转带来迟延增加，体验降低。

　　方案2：客户端与前端点对点媒体传输方案

　　方案描述：旨在解决市场需求中客户端与前端直接建立媒体通道的要求，设立NAT中转服务器，通过它令客户端、前端了解自身网络环境状态，以便于双方建立媒体链接。

　　优点：

　　无需平台中转，避免数据泄漏等业务风险；

　　点对点媒体传输，传输迟延缩短；

　　缺点：

　　无法穿越对称型NAT；

　　常见无线视频监控系统NAT穿越主要解决方案如下表所示：
 

4.无线视频监控传输优化

　　随着3G技术的发展，数据业务对网络带宽提出了更高的需求，普通的3G峰值速率已经不能满足用户对于无线带宽的需求，尤其TD-SCDMA技术，由于载波带宽的限制，  在2：4的时隙配比下，网络仅能提供上行256kbps、下行1.68Mbps的峰值速率，即使引入HSUPA技术，也仅能提供上行560kbps的峰值速率，远远不能满足TD-SCDMA业务发展的需要。

　　针对TD-SCDMA带宽不足的问题，目前业界尚无很好的解决办法，主要的尝试包括：

　　推出用于视频监控业务的双卡终端：期望两张SIM卡同时为一个用户服务。该解决方案的缺陷在于：缺乏与网络侧的沟通机制，网络侧可能将该终端的两张SIM卡分配于同一载波上，如此则不会带来容量的提升；

　　双载波捆绑技术：由于芯片技术尚不成熟，短期内无法引入。

　　4.1.方案设计

　　无线视频监控终端侧通过数据整合、分解模块，将发送的数据分解为多个数据流，网络侧采用多流调度机制，不同数据流采用不同载波承载，网络侧接收信号后将分解的多流数据进行整合。

　　5.无线视频监控系统设计及发展趋势

　　5.1.设计思路

　　无线视频监控系统的设计思路主要包括：

　　细分客户需求，分级业务质量管理：根据用户不同的应用场景及业务质量要求，按照网络带宽、图像质量两个维度，对用户需求进行聚类分级工作，指导视频监控分级产品体系的研发工作；

　　研发分级产品，提高差异化竞争力：针对用户的分级业务质量需求，研发对应的业务指标序列，在满足客户关键需求的基础上，降低业务网络消耗及终端成本，提高业务性价比，建立业务分级能力体系，提升产品差异化竞争能力。

　　5.2.设计方法

　　无线视频监控系统的设计方法主要包括：

　　建立分级质量指标体系：从视频连续度、清晰度、迟延等视频监控关键体验因子入手，对用户需求进行聚类分析，通过技术研发及业务测试，得出各级质量标准对应的网络、业务质量指标体系；

　　进行分级业务优化：

　　分级编解码算法：按照分级业务质量体系，针对性开发编解码算法，实现覆盖不同带宽区间的视频解决方案；

　　多形态终端设计：按照分级业务质量体系，开发多种形态的视频采集及编解码设备；

　　业务平台分级控制策略：按照分级业务质量体系，针对不同级别的视频数据流，业务平台采用不同的业务控制策略，优化平台消耗。

　　5.3.发展趋势

　　5.3.1.WiFi

　　自1997年IEEE802.11标准实施以来，先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e等标准制定。但是WLAN依然面临带宽不足、系统不安全，以及没有杀手级应用等问题。这也成为IEEE制定下一代无线传输标准的初衷。

　　据悉，早在2008年上半年，802.11ac就已经启动，当时被称为“Very High Throughput”（甚高吞吐量），目标直指1Gbps。到2008年下半年，该项目分为两部分：

　　802.11ac，工作在6GHz以下，用于中短距离无线通信，正式定为802.11n的继任者，设计传输速率可达到3.2Gbps；

　　802.11ad，工作在60GHz，主要面向家庭娱乐设备，设计传输速率可达到6.7Gbps，主要面向视频应用，是对现有有线视频设备的替代。

　　5.3.2.LTE

　　虽然基于HSUPA类载波捆绑多流技术能够在一定程度上提高上行速率，但运营商还是把更多精力倾注在LTE技术上，希望能充分结合LTE提供的高速上行带宽，实现成熟可靠的无线视频监控业务，其中以下地方在推进过程中需要予以重点关注：

　　推动mini PCI-E接口通信模块尽快成熟：目前，该接口模块发热量过大，稳定性需进一步提高；

　　LTE网络环境下，带宽仍然是稀缺资源，需处理高位带宽抖动问题（当视频监控QCI在LTE中定义为GBR时，带宽可得到保障；当视频监控QCI在LTE中定义为MBR时，带宽将会高位抖动）。

　　6.结语

　　运营商，作为视频监控领域的集大成者，其优异的网络建设和运营服务能力，将业界领入了跨区域统一监控的新发展阶段。无线视频监控系统，作为目前视频监控领域极具活力和发展前景的一股新生力量，更是需要运营商这个业界强者的大力扶持和推动。运营商可以考虑根据用户需求和自身发展规划，继续发挥自身无线视频监控方案咨询、设计、设备供应、安装、网络建设、维护和租赁等端到端一站式服务优势，积极推动远程监控和远程数据采集相关业务发展，完善大楼内无线覆盖，率先在应急通信、机动/车载等移动领域推动无线监控技术的发展，为广大民众和各行各业带来无所不在、随时随地的视频监控新体验。
 

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