宽带无线接入WiMAX的智能视频监控解决方案

引言

传统的视频监控系统基本都是定点监控， 受制于硬件及传输线路的连接， 不能满足行业的特殊需要。基于无线通信网络的移动监控技术可以很好地满足这一社会需求。目前国内现有的移动通信网络有GSM 网络、GPRS 网络、CDMA 1X 网络，利用无线信道传输话音、数据和视频己经可以实现，但是普遍存在传输速率不高、传输图像不稳定和传输的信息存在安全漏洞等问题。本文主要研究了基于WiMAX 的无线视频监控系统的组网与应用，WiMAX 具有良好的非视距特性和高带宽， 可以满足复杂城市环境中的传输要求， 能够很好地解决对环境要求比较苛刻、不易敷设线缆地方的视频监控的问题，比如旅游景点等。

1 WiMAX 系统概述及网络体系结构

在市场和技术的共同驱动下， 无线通信系统在最近几十年经历了几次巨大跨越， 从2G 到3G,无线移动通信系统解放了有线的束缚， 成为人们必不可少的通信手段。WiMAX 是一项基于IEEE 802.16空中接口标准的宽带无线接入城域网（BWAMAN）技术。2007 年10 月，国际电信联盟（ITU）已批准WiMAX 宽带无线接入技术成为移动设备的全球标准。WiMAX 成为继WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA后全球第四个3G 标准。

WiMAX 系统的通信实体包括移动用户台（MSS）、接入服务网络（ASN）、连接服务网络（CSN）和应用服务提供商（ASP）网络或者Internet.有关非漫游模式端到端参考模型如图1 所示。

图1 基于802.16 的非漫游模式端到端参考模型

ASN 由基站（BS） 和ASN 网关（ASN GW） 构成， 作为一个逻辑实体， 它的功能是管理IEEE802.16 空中接口， 为WiMAX 用户提供无线接入。

ASN 网关是BS 和CSN 通信的管理通信实体。ASN作为WiMAX 系统的接入网，为WiMAX 用户提供无线接入。

CSN 是一套网络功能的组合，为WiMAX 用户提供IP 连接。CSN 包含许多功能实体，如路由器、AAA 代理或者服务器、用户数据库、互联网关等。

协议接口位于两组功能之间， 两组功能则分别位于协议接口两侧的功能实体中， 协议接口两侧的网络实体通过标准的协议接口上的协议实现互操作。图1 包含了非漫游模式端到端模型定义的主要接口。

2 WiMAX 系统采用的关键技术

WiMAX 技术是新一代宽带无线接入技术，通过接入核心网从而提供业务。与之前的宽带无线接入系统相比， 它的优势于所采用的空中接口技术，其技术优势可简要概括为以下几点：a）传输距离远，WiMAX 的无线信号传输距离最远可达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、便携和全移动多种场景。d）基站对信道资源进行集中管理，实现了空口的QoS 管理。

2.1 正交频分复用（OFDM）技术

OFDM 是一种多载波传输技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送，这是最朴素的实现宽带传输的方法。在数字信号处理技术FFT 发展的推动下， 允许将各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性，从而有效避免了子载波之间的干扰。由于相同的带宽内容纳了更多的子载波， 部分重叠的子载波可以大大提高频谱效率[3].OFDM 技术成为新一代无线通信的核心技术，是由于它具有以下优点： 频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配、实现OFDM 技术较简单。

2.2 多进多出（MIMO）技术

MIMO 技术可以在不消耗额外空口资源的基础上成倍地提高系统容量和频谱效率。

MIMO 系统是指在发射机/ 接收机采用多天线发送/ 接收的系统，MIMO 系统之所以可以在不消耗额外时间和频率资源的基础上大大提高系统容量，是因为它利用了第三种资源---空间。不同的天线只要相隔一定距离， 它们就可以拥有不同的多径衰落信道，从而可以实现"空间分集".利用这种空间分集，就可以改变信道的性质，变为多进多出信道。

通信理论证明，MIMO 信道的容量可以成倍地高于单进单出信道。

2.3 自适应调制编码（AMC）技术

AMC 的原理是根据用户瞬时信道质量状况和当前资源，选择最合适的下行链路调制和编码方式。

靠近基站的用户接收信号功率强， 采用高阶调制方式（如16QAM 或64QAM）和高速率信道编码（3/4编码速率）使用户获得尽量高的数据吞吐率；当信号较差时，则选取低阶调制方式（如QPSK）和低速率信道编码（1/4 编码速率） 来保证通信质量。

WiMAX 采用AMC 作为基本的链路自适应技术对调制编码速率进行选择。

3 WiMAX 在视频监控中的实际应用

WiMAX 技术提供了灵活的QoS 机制，可以根据不同的业务需求和特性配置不同的QoS 策略，包括语音、视频及互联网接入等，既保证了网络带宽的稳定性，同时又可以有效地利用网络资源。WiMAX网络承载包括两部分：无线承载和IP 传输承载。无线承载通过IEEE 802.16 机制提供端到端的QoS服务，IP 传输承载则采用DiffServ 和多协议标识交换（MPLS）等IP 网络的技术来保证QoS.

典型的IP 智能监控解决方案拓扑结构如图2所示。

图2 无线接入视频监控解决这群组网图

在实际组网中，根据视频监控点分布的位置，结合可安装WiMAX 无线接入基站的机房资源、数据网络节点的分布情况以及可用频率资源情况， 选择合适的站址设立WiMAX 中心站（基站）。各监控点作为无线接入的远端站， 通过和基站间的空中链路实现与中心基站的连接， 中心基站通过100Mbit/s端口接入IP 承载网， 这样各监控点的数据通过WiMAX 无线接入的方式经过中心机房汇聚后接入监控中心。

WiMAX 无线视频监控系统主要由视频采集前端系统、无线传输系统、监控中心和远程监控四个部分组成。

3.1 视频采集前端系统

由摄像头、监听头、对讲设备、报警探头和编解码器等组成， 其中的编解码器采用的是H3C 的设备。当前端到中心的带宽足够、允许中心存储时，前端配置EC 编码器；当带宽有限、无法中心存储时，采用支持前端存储的ECR 编码器；当前端需要解码还原图像时， 通过加装的DC 解码器实现图像的现场查看。

EC 编码器支持接入摄像头和监听的视音频信号， 并将其转换压缩为数字信号通过空间链路传送到监控中心。EC 支持移动侦测报警， 支持通过RS485 口对云台、球机的控制，支持接入对讲设备和报警输入输出设备，满足视频监听、云台控制、对讲和报警接收联动的基本需求。同时支持本地缓存，当网络故障时可以保存图像信息。

ECR 编码器同样支持接入摄像头和监听的视音频信号， 并将其转换压缩为数字信号传送到监控中心。ECR 支持通过RS485 口对云台、球机的控制，支持接入对讲设备和报警输入输出设备。内置最大8 个盘位和支持RAID5 的NAS 盘阵， 可以提供高可靠的本地存储。ECR 还可以为局域网环境下的其他EC 编码器提供NAS 存储服务，通过EC 编码器扩展ECR 的编码能力。

DC 编码器用于接收中心指令， 将系统中任何一路编码的图像解码还原成模拟的视音频信号，接入到现场电视机或者其它影像设备， 用于展示实时视频信息或视频指挥。

所有编解码器都可以被监控中心的集成监控中心主机统一配置、认证和网管。

3.2 无线传输系统

通过WiMAX 的远端站CPE（客户端设备），将前端系统采集到的视频等数字信号处理为射频信号后发往基站， 再由基站通过以太网或光纤传输到视频监控中心统一监视、管理。

由于无线传输信道的开放性，使得WiMAX 系统必须具有很好的安全机制来保证网络的安全性。

WiMAX 安全规范的核心基于MAC 层协议栈的安全子层， 大部分的算法和安全机制都以MAC 控制信息的形式存在于此。WiMAX 可以自由地选取工作在7 层模型中更高层（如网络层、传输层、会话层等）上的安全机制，这些机制包括IP 安全（IPSec）协议、传输层安全（TLS） 协议和无线传输层安全（WTLS）协议。该子层提供接入控制，通过电子签名的双向设备认证机制， 并且应用密钥变换进行加密以保证数据传输的机密性。当两个设备建立连接，协议就发挥了确保机密性和认证设备的作用。

3.3 监控中心

监控中心的核心设备包括集成监控中心主机和集成监控中心辅机。作为整个系统的核心管理服务器， 可以对前端和中心所有的编解码器进行统一配置、认证和网管，对所有用户访问进行统一认证，对报警、云台控制、解码输出控制的输出指令进行接收、转发和联动处理。主机内置防火墙功能可以杜绝恶意入侵，保障系统信息安全。

集成监控中心主机作为整个系统的Web 服务器为用户提供Web 客户端访问服务， 通过Web 客户端可以实现对前端编解码器的统一配置和网管，还可以接收解码前端编码器传输过来的数字视音频信号，实现图像语音监视监听、图像查询回放、报警接收等功能。Web 客户端还可以通过主机发送指令给中心解码器解码输出视频信号上电视墙， 实现数字矩阵的功能。集成监控中心主机配合辅机可以作为NVR 网络视频录像机使用， 主机和辅机均可以接收指定编码器传送上来的视频存储流， 内置的8个盘位NAS 存储空间可以提供高质量的存储服务，同时提供RAID5 保护。

主机内置了丰富的人机界面接口， 可以接入显示器、监视器、专业键盘和鼠标，方便监控中心操作人员直接在主机上监视、控制远程图像，并通过中心的视音频采集通道和对讲通道实现和现场人员的可视对讲、广播。

3.4 远程监控

远程监控中心可以通过Web 客户端访问控制中心的主机，在授权范围内实现基本视频功能，同时还可以通过远程监控中心配置实现二级监控。

4 结束语

与传统有线视频监控系统相比， 采用IEEE802.16 技术标准，基于WiMAX 宽带无线接入的视频监控系统具有高带宽、非视距、覆盖范围广等优点，突破了传统视频监控系统中有线传输的限制，实现了"最后一公里"的无线接入，有利于在光纤不易敷设的地方快速架设、组网。