寬帶無線接入WiMAX的智能視頻監(jiān)控解決方案

引言

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本都是定點監(jiān)控， 受制于硬件及傳輸線路的連接， 不能滿足行業(yè)的特殊需要。基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的移動監(jiān)控技術(shù)可以很好地滿足這一社會需求。目前國內(nèi)現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)有GSM 網(wǎng)絡(luò)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)、CDMA 1X 網(wǎng)絡(luò)，利用無線信道傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻己經(jīng)可以實現(xiàn)，但是普遍存在傳輸速率不高、傳輸圖像不穩(wěn)定和傳輸?shù)?a target="_blank">信息存在安全漏洞等問題。本文主要研究了基于WiMAX 的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)與應(yīng)用，WiMAX 具有良好的非視距特性和高帶寬， 可以滿足復(fù)雜城市環(huán)境中的傳輸要求， 能夠很好地解決對環(huán)境要求比較苛刻、不易敷設(shè)線纜地方的視頻監(jiān)控的問題，比如旅游景點等。

1 WiMAX 系統(tǒng)概述及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在市場和技術(shù)的共同驅(qū)動下， 無線通信系統(tǒng)在最近幾十年經(jīng)歷了幾次巨大跨越， 從2G 到3G,無線移動通信系統(tǒng)解放了有線的束縛， 成為人們必不可少的通信手段。WiMAX 是一項基于IEEE 802.16空中接口標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)（BWAMAN）技術(shù)。2007 年10 月，國際電信聯(lián)盟（ITU）已批準(zhǔn)WiMAX 寬帶無線接入技術(shù)成為移動設(shè)備的全球標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX 成為繼WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA后全球第四個3G 標(biāo)準(zhǔn)。

WiMAX 系統(tǒng)的通信實體包括移動用戶臺（MSS）、接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（ASN）、連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CSN）和應(yīng)用服務(wù)提供商（ASP）網(wǎng)絡(luò)或者Internet.有關(guān)非漫游模式端到端參考模型如圖1 所示。

圖1 基于802.16 的非漫游模式端到端參考模型

ASN 由基站（BS） 和ASN 網(wǎng)關(guān)（ASN GW） 構(gòu)成， 作為一個邏輯實體， 它的功能是管理IEEE802.16 空中接口， 為WiMAX 用戶提供無線接入。

ASN 網(wǎng)關(guān)是BS 和CSN 通信的管理通信實體。ASN作為WiMAX 系統(tǒng)的接入網(wǎng)，為WiMAX 用戶提供無線接入。

CSN 是一套網(wǎng)絡(luò)功能的組合，為WiMAX 用戶提供IP 連接。CSN 包含許多功能實體，如路由器、AAA 代理或者服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等。

協(xié)議接口位于兩組功能之間， 兩組功能則分別位于協(xié)議接口兩側(cè)的功能實體中， 協(xié)議接口兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)實體通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口上的協(xié)議實現(xiàn)互操作。圖1 包含了非漫游模式端到端模型定義的主要接口。

2 WiMAX 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

WiMAX 技術(shù)是新一代寬帶無線接入技術(shù)，通過接入核心網(wǎng)從而提供業(yè)務(wù)。與之前的寬帶無線接入系統(tǒng)相比， 它的優(yōu)勢于所采用的空中接口技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢可簡要概括為以下幾點：a）傳輸距離遠，WiMAX 的無線信號傳輸距離最遠可達50km.

b） 接入速率高，WiMAX 所能提供的最高接入速率是70Mbit/s.c）支持固定、游牧、便攜和全移動多種場景。d）基站對信道資源進行集中管理，實現(xiàn)了空口的QoS 管理。

2.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

OFDM 是一種多載波傳輸技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進行并行發(fā)送，這是最樸素的實現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒?。?a target="_blank">數(shù)字信號處理技術(shù)FFT 發(fā)展的推動下， 允許將各個子載波重疊排列，同時保持子載波之間的正交性，從而有效避免了子載波之間的干擾。由于相同的帶寬內(nèi)容納了更多的子載波， 部分重疊的子載波可以大大提高頻譜效率[3].OFDM 技術(shù)成為新一代無線通信的核心技術(shù)，是由于它具有以下優(yōu)點： 頻譜效率高、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配、實現(xiàn)OFDM 技術(shù)較簡單。

2.2 多進多出（MIMO）技術(shù)

MIMO 技術(shù)可以在不消耗額外空口資源的基礎(chǔ)上成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。

MIMO 系統(tǒng)是指在發(fā)射機/ 接收機采用多天線發(fā)送/ 接收的系統(tǒng)，MIMO 系統(tǒng)之所以可以在不消耗額外時間和頻率資源的基礎(chǔ)上大大提高系統(tǒng)容量，是因為它利用了第三種資源---空間。不同的天線只要相隔一定距離， 它們就可以擁有不同的多徑衰落信道，從而可以實現(xiàn)"空間分集".利用這種空間分集，就可以改變信道的性質(zhì)，變?yōu)槎噙M多出信道。

通信理論證明，MIMO 信道的容量可以成倍地高于單進單出信道。

2.3 自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)

AMC 的原理是根據(jù)用戶瞬時信道質(zhì)量狀況和當(dāng)前資源，選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式。

靠近基站的用戶接收信號功率強， 采用高階調(diào)制方式（如16QAM 或64QAM）和高速率信道編碼（3/4編碼速率）使用戶獲得盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率；當(dāng)信號較差時，則選取低階調(diào)制方式（如QPSK）和低速率信道編碼（1/4 編碼速率） 來保證通信質(zhì)量。

WiMAX 采用AMC 作為基本的鏈路自適應(yīng)技術(shù)對調(diào)制編碼速率進行選擇。

3 WiMAX 在視頻監(jiān)控中的實際應(yīng)用

WiMAX 技術(shù)提供了靈活的QoS 機制，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和特性配置不同的QoS 策略，包括語音、視頻及互聯(lián)網(wǎng)接入等，既保證了網(wǎng)絡(luò)帶寬的穩(wěn)定性，同時又可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。WiMAX網(wǎng)絡(luò)承載包括兩部分：無線承載和IP 傳輸承載。無線承載通過IEEE 802.16 機制提供端到端的QoS服務(wù)，IP 傳輸承載則采用DiffServ 和多協(xié)議標(biāo)識交換（MPLS）等IP 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)來保證QoS.

典型的IP 智能監(jiān)控解決方案拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線接入視頻監(jiān)控解決這群組網(wǎng)圖

在實際組網(wǎng)中，根據(jù)視頻監(jiān)控點分布的位置，結(jié)合可安裝WiMAX 無線接入基站的機房資源、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布情況以及可用頻率資源情況， 選擇合適的站址設(shè)立WiMAX 中心站（基站）。各監(jiān)控點作為無線接入的遠端站， 通過和基站間的空中鏈路實現(xiàn)與中心基站的連接， 中心基站通過100Mbit/s端口接入IP 承載網(wǎng)， 這樣各監(jiān)控點的數(shù)據(jù)通過WiMAX 無線接入的方式經(jīng)過中心機房匯聚后接入監(jiān)控中心。

WiMAX 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻采集前端系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心和遠程監(jiān)控四個部分組成。

3.1 視頻采集前端系統(tǒng)

由攝像頭、監(jiān)聽頭、對講設(shè)備、報警探頭和編解碼器等組成， 其中的編解碼器采用的是H3C 的設(shè)備。當(dāng)前端到中心的帶寬足夠、允許中心存儲時，前端配置EC 編碼器；當(dāng)帶寬有限、無法中心存儲時，采用支持前端存儲的ECR 編碼器；當(dāng)前端需要解碼還原圖像時， 通過加裝的DC 解碼器實現(xiàn)圖像的現(xiàn)場查看。

EC 編碼器支持接入攝像頭和監(jiān)聽的視音頻信號， 并將其轉(zhuǎn)換壓縮為數(shù)字信號通過空間鏈路傳送到監(jiān)控中心。EC 支持移動偵測報警， 支持通過RS485 口對云臺、球機的控制，支持接入對講設(shè)備和報警輸入輸出設(shè)備，滿足視頻監(jiān)聽、云臺控制、對講和報警接收聯(lián)動的基本需求。同時支持本地緩存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時可以保存圖像信息。

ECR 編碼器同樣支持接入攝像頭和監(jiān)聽的視音頻信號， 并將其轉(zhuǎn)換壓縮為數(shù)字信號傳送到監(jiān)控中心。ECR 支持通過RS485 口對云臺、球機的控制，支持接入對講設(shè)備和報警輸入輸出設(shè)備。內(nèi)置最大8 個盤位和支持RAID5 的NAS 盤陣， 可以提供高可靠的本地存儲。ECR 還可以為局域網(wǎng)環(huán)境下的其他EC 編碼器提供NAS 存儲服務(wù)，通過EC 編碼器擴展ECR 的編碼能力。

DC 編碼器用于接收中心指令， 將系統(tǒng)中任何一路編碼的圖像解碼還原成模擬的視音頻信號，接入到現(xiàn)場電視機或者其它影像設(shè)備， 用于展示實時視頻信息或視頻指揮。

所有編解碼器都可以被監(jiān)控中心的集成監(jiān)控中心主機統(tǒng)一配置、認證和網(wǎng)管。

3.2 無線傳輸系統(tǒng)

通過WiMAX 的遠端站CPE（客戶端設(shè)備），將前端系統(tǒng)采集到的視頻等數(shù)字信號處理為射頻信號后發(fā)往基站， 再由基站通過以太網(wǎng)或光纖傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控中心統(tǒng)一監(jiān)視、管理。

由于無線傳輸信道的開放性，使得WiMAX 系統(tǒng)必須具有很好的安全機制來保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

WiMAX 安全規(guī)范的核心基于MAC 層協(xié)議棧的安全子層， 大部分的算法和安全機制都以MAC 控制信息的形式存在于此。WiMAX 可以自由地選取工作在7 層模型中更高層（如網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層等）上的安全機制，這些機制包括IP 安全（IPSec）協(xié)議、傳輸層安全（TLS） 協(xié)議和無線傳輸層安全（WTLS）協(xié)議。該子層提供接入控制，通過電子簽名的雙向設(shè)備認證機制， 并且應(yīng)用密鑰變換進行加密以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性。當(dāng)兩個設(shè)備建立連接，協(xié)議就發(fā)揮了確保機密性和認證設(shè)備的作用。

3.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的核心設(shè)備包括集成監(jiān)控中心主機和集成監(jiān)控中心輔機。作為整個系統(tǒng)的核心管理服務(wù)器， 可以對前端和中心所有的編解碼器進行統(tǒng)一配置、認證和網(wǎng)管，對所有用戶訪問進行統(tǒng)一認證，對報警、云臺控制、解碼輸出控制的輸出指令進行接收、轉(zhuǎn)發(fā)和聯(lián)動處理。主機內(nèi)置防火墻功能可以杜絕惡意入侵，保障系統(tǒng)信息安全。

集成監(jiān)控中心主機作為整個系統(tǒng)的Web 服務(wù)器為用戶提供Web 客戶端訪問服務(wù)， 通過Web 客戶端可以實現(xiàn)對前端編解碼器的統(tǒng)一配置和網(wǎng)管，還可以接收解碼前端編碼器傳輸過來的數(shù)字視音頻信號，實現(xiàn)圖像語音監(jiān)視監(jiān)聽、圖像查詢回放、報警接收等功能。Web 客戶端還可以通過主機發(fā)送指令給中心解碼器解碼輸出視頻信號上電視墻， 實現(xiàn)數(shù)字矩陣的功能。集成監(jiān)控中心主機配合輔機可以作為NVR 網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機使用， 主機和輔機均可以接收指定編碼器傳送上來的視頻存儲流， 內(nèi)置的8個盤位NAS 存儲空間可以提供高質(zhì)量的存儲服務(wù)，同時提供RAID5 保護。

主機內(nèi)置了豐富的人機界面接口， 可以接入顯示器、監(jiān)視器、專業(yè)鍵盤和鼠標(biāo)，方便監(jiān)控中心操作人員直接在主機上監(jiān)視、控制遠程圖像，并通過中心的視音頻采集通道和對講通道實現(xiàn)和現(xiàn)場人員的可視對講、廣播。

3.4 遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控中心可以通過Web 客戶端訪問控制中心的主機，在授權(quán)范圍內(nèi)實現(xiàn)基本視頻功能，同時還可以通過遠程監(jiān)控中心配置實現(xiàn)二級監(jiān)控。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比， 采用IEEE802.16 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于WiMAX 寬帶無線接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有高帶寬、非視距、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，突破了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有線傳輸?shù)南拗?，實現(xiàn)了"最后一公里"的無線接入，有利于在光纖不易敷設(shè)的地方快速架設(shè)、組網(wǎng)。