基于WiMAx技術(shù)的武警部隊(duì)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于WiMAx技術(shù)的武警部隊(duì)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛用于武警部隊(duì)，有力提升了武警部隊(duì)的執(zhí)勤備戰(zhàn)能力。但武警部隊(duì)駐扎范圍廣，如水壩、重要倉(cāng)庫(kù)、礦產(chǎn)資源基地、橋梁、隧道等，監(jiān)控點(diǎn)分散且與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，利用傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控往往成本高且難以實(shí)現(xiàn)，其次實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的需求越來(lái)越多，對(duì)同一套系統(tǒng)的覆蓋面和實(shí)施距離也提出了更高的要求。在這些情況下，基于多種無(wú)線傳輸手段的移動(dòng)視頻監(jiān)控體現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線寬帶接入技術(shù)，可以將多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)和遠(yuǎn)端控制中心連接起來(lái)，可以在最短的時(shí)間內(nèi)快速建立起無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

　　目前常用的無(wú)線接入技術(shù)包括Wi-Fi、微波以及WiMAX等。與其他技術(shù)相比，WiMAX具有傳輸距離遠(yuǎn)、接入速率高、帶寬高等優(yōu)點(diǎn)，可以保證視頻流的傳輸質(zhì)量，同時(shí)使監(jiān)控系統(tǒng)在接入層的部署更為快速、簡(jiǎn)便。本文結(jié)合武警部隊(duì)特點(diǎn)，提出了一種基于WiMAX無(wú)線寬帶接入技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，也適用于其他應(yīng)急狀態(tài)下組建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并給出了系統(tǒng)建設(shè)中注意事項(xiàng)。

1 WiMAX技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

　　WiMAX是一項(xiàng)新型的無(wú)線通信技術(shù)，全名為微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Micro-wave Access)，是基于IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)(Broadband Wireless Access MetropolitanArea Network，BWAMAN)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。WiMAX技術(shù)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)到75 Mb／s；傳輸距離遠(yuǎn)，最大傳輸半徑50 km，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積是3G基站的10倍。

1．1 WiMAX系統(tǒng)組成

　　WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由核心網(wǎng)絡(luò)、基站、用戶基站、接力站、用戶終端設(shè)備及網(wǎng)管組成。通常的WiMAX系統(tǒng)包括一個(gè)基站和多個(gè)用戶基站，也可以根據(jù)需要設(shè)置若干個(gè)接力站，形成單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。

　　核心網(wǎng)絡(luò)：WiMAx連接的核心網(wǎng)絡(luò)通常為傳統(tǒng)交換網(wǎng)或因特網(wǎng)。WiMAX提供核心網(wǎng)絡(luò)與基站間的連接接口。

　　基站：提供用戶基站與核心網(wǎng)絡(luò)間的連接，通常采用扇形天線或全向天線，可提供靈活的子信道部署與配置功能，并根據(jù)用戶群體狀況不斷升級(jí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

　　用戶基站：屬于基站的一種，提供基站與用戶終端設(shè)備間的中繼連接，通常采用固定天線，并被安裝在屋頂上?；九c用戶基站間采用動(dòng)態(tài)適應(yīng)性信號(hào)調(diào)制模式。

　　接力站：通常用于提高基站的覆蓋能力，即充當(dāng)一個(gè)基站和若干個(gè)用戶基站(或用戶終端設(shè)備)間信息的中繼站。

　　用戶終端設(shè)備：完成具體的應(yīng)用功能，例如視頻監(jiān)控。

　　網(wǎng)管系統(tǒng)：用于監(jiān)視和控制網(wǎng)內(nèi)所有的基站和用戶基站，提供查詢、狀態(tài)監(jiān)控、軟件下載、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。

1．2 WiMAX技術(shù)用于的武警部隊(duì)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

　　武警部隊(duì)所使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，一般數(shù)百米內(nèi)設(shè)一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，具有覆蓋范圍廣，覆蓋點(diǎn)多、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。而目前無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)多使用基于Wi-Fi的IP無(wú)線監(jiān)控技術(shù)，其采用IEEE 802．11作為無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離僅幾百米，其數(shù)據(jù)傳輸率較低，QoS機(jī)制不夠完整，這都限制其在武警部隊(duì)中的應(yīng)用。

WiMAX的覆蓋能力完全滿足視頻監(jiān)控點(diǎn)的分布特點(diǎn)，在一個(gè)WiMAX基站覆蓋范圍內(nèi)可存在多個(gè)連續(xù)設(shè)置的監(jiān)控點(diǎn)。同時(shí)，WiMAX具有非視距傳輸?shù)奶匦?，可以滿足復(fù)雜環(huán)境中的傳輸要求。WiMAX還可以作為有線網(wǎng)絡(luò)接入(Cable、DSL)的無(wú)線擴(kuò)展，方便地實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接。

　　WiMAX采用面向連接方式，定義了完整的QoS機(jī)制。其MAC層支持4種業(yè)務(wù)：非請(qǐng)求的寬帶分配業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)、盡力傳輸業(yè)務(wù)，向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻和語(yǔ)音服務(wù)，能夠滿足視頻監(jiān)控所需的QoS要求。

　　采用802．16d標(biāo)準(zhǔn)工作在頻分雙工模式(即FDD模式)上的WiMAX，占用一對(duì)3．5 MHz頻點(diǎn)，一個(gè)扇區(qū)可提供的上、下行總帶寬超過15 Mb／s；每個(gè)WiMAX客戶端(即WiMAX CPE——Client Produce Equipment，用戶端設(shè)備產(chǎn)品)可提供最大10 Mb／s的吞吐量，能夠滿足各種帶寬需求的監(jiān)控要求；按照每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)1 Mb／s帶寬需求，單個(gè)WiMAX基站可支持10個(gè)左右的監(jiān)控點(diǎn)視頻傳輸需求。

2 基于WiMAX技術(shù)的武警部隊(duì)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)由前端視頻采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及視頻信息管理三個(gè)子系統(tǒng)組成。前端視頻采集子系統(tǒng)主要用于信息監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)以無(wú)線和有線方式完成監(jiān)控中心和前端視頻采集的數(shù)據(jù)交換。視頻信息管理子系統(tǒng)主要完成視頻信息的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、加密等。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 前端視頻采集子系統(tǒng)

　　前端視頻采集子系統(tǒng)位于監(jiān)控點(diǎn)，主要進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，包括無(wú)線攝像機(jī)、云臺(tái)、解碼器等設(shè)備。前端系統(tǒng)的傳輸接入必須采用數(shù)字接入方式，在前端就將圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)再傳遞到監(jiān)控中心，以減少傳輸帶寬。

　　該系統(tǒng)選用的無(wú)線攝像機(jī)是一種集視頻壓縮技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式等多種先進(jìn)技術(shù)于一體的數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備。集成了鏡頭、光學(xué)過濾器、影像感應(yīng)器、視頻壓縮卡、無(wú)線網(wǎng)卡等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻采集、視頻壓縮以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)戎T多功能，這樣無(wú)需計(jì)算機(jī)的協(xié)助便可獨(dú)立完成監(jiān)控點(diǎn)的工作。無(wú)線攝像機(jī)有自己獨(dú)立的IP地址，這樣監(jiān)控中心以及城域網(wǎng)上的用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以根據(jù)IP地址對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行訪問、觀看實(shí)時(shí)圖像和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；授權(quán)用戶可以通過網(wǎng)管系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)和云臺(tái)鏡頭的動(dòng)作或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行配置，從而可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位的監(jiān)控。

　　云臺(tái)是安裝和支撐攝像頭的設(shè)備，分為兩種固定云臺(tái)和電動(dòng)云臺(tái)。固定云臺(tái)適用于監(jiān)視范圍不大的情況，在固定云臺(tái)上安裝好攝像機(jī)后可調(diào)整攝像機(jī)的水平和俯仰的角度，達(dá)到最好的工作姿態(tài)后，只要鎖定調(diào)整狀態(tài)就可以了。電動(dòng)云臺(tái)適用于對(duì)大范圍進(jìn)行掃描監(jiān)視，它可以擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍，通過接收來(lái)自控制器的信號(hào)精確地運(yùn)行定位。由于不同廠家的云臺(tái)和控制設(shè)備所使用的協(xié)議都各不相同，解碼器主要用于中轉(zhuǎn)控制端發(fā)出的數(shù)字信號(hào)。

2．2 網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)由WiMAx　CPE、無(wú)線基站和IP承載網(wǎng)組成。WiMAX　CPE作為WiMAX網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線客戶終端，布設(shè)于監(jiān)控點(diǎn)，使用小波束角定向天線，完成與基站的數(shù)據(jù)相互交換。無(wú)線基站主要接入多個(gè)WiMAX　CPE設(shè)備，同時(shí)完成與IP承載網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。單WiMAX扇區(qū)站下可支持多CPE，每個(gè)CPE負(fù)責(zé)接入一個(gè)或多個(gè)視頻監(jiān)控前端，CPE的射頻模塊將信號(hào)變頻到適宜的頻率經(jīng)天線發(fā)送到WiMAx基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)視頻信號(hào)的匯聚。

2．3 視頻信息管理子系統(tǒng)

視頻信息管理子系統(tǒng)設(shè)在監(jiān)控中心，主要由視頻存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)控管理服務(wù)器組成，完成視頻信息的存儲(chǔ)、管理、查詢、系統(tǒng)配置和實(shí)時(shí)監(jiān)控等任務(wù)。監(jiān)控管理服務(wù)器為整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)邏輯控制，完成監(jiān)控中心的視頻圖像切換或分發(fā)，對(duì)WiMAX CPE進(jìn)行參數(shù)配置、實(shí)時(shí)查看指定點(diǎn)監(jiān)控信息，是視頻監(jiān)控的核心業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器完成視頻監(jiān)控信息的存儲(chǔ)、管理與備份，并為局域網(wǎng)的其他服務(wù)器和授權(quán)用戶提供歷史數(shù)據(jù)瀏覽、檢索等服務(wù)。

　　當(dāng)視頻信息傳送到監(jiān)控中心后，監(jiān)控管理服務(wù)器首先對(duì)視頻信息進(jìn)行分析，判斷是否是授權(quán)用戶所需要實(shí)時(shí)瀏覽的監(jiān)控信息，如果是則將其轉(zhuǎn)發(fā)至指定用戶，例如電視墻或者網(wǎng)內(nèi)其他用戶，同時(shí)將視頻信息傳送至視頻存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行歸檔管理。同時(shí)，監(jiān)控管理服務(wù)器接收管理人員的管理指令，并將指令發(fā)送至指定的CPE設(shè)備，進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)配置等工作，如圖3所示。

3 系統(tǒng)建設(shè)的注意事項(xiàng)

　　系統(tǒng)在建設(shè)和使用過程中還需要注意以下四點(diǎn)，確保系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

　　基站選址應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)分布實(shí)際情況，選擇業(yè)務(wù)密集區(qū)中心的制高點(diǎn)(某鐵塔上或山頂)作為中心基站的站址，盡量提高無(wú)線鏈路的可靠性，避免因地形及遮擋物等不良因素，保證視頻信息傳輸質(zhì)量。

　　無(wú)線系統(tǒng)抗干擾能力 地面無(wú)線接入系統(tǒng)往往受到來(lái)自于其他扇區(qū)的鄰頻或同頻干擾。要想有效克服干擾的影響，首先在施工中盡可能選用具有抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)備，其次必須合理網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，選擇基站位置和用戶端天線位置、方向等，以確保系統(tǒng)內(nèi)各用戶終端間的相互干擾降低到最低限度。在工程中選用具有BIT／SK，QPSK，16QAM，64QAM等多種調(diào)制方式自適應(yīng)切換技術(shù)的系統(tǒng)，可充分保證系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)傳輸支持能力和無(wú)線鏈路的可靠性。

　　頻率規(guī)劃和負(fù)載均衡系統(tǒng)規(guī)劃之初要在已有頻率的基礎(chǔ)上，充分考慮天線配置的靈活性和熱點(diǎn)分布特點(diǎn)，在滿足覆蓋和容量的前提下高效的使用頻率。系統(tǒng)開通后，仍需對(duì)各基站各扇區(qū)的流量進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整修正與實(shí)際容量不相適應(yīng)的扇區(qū)。如一扇區(qū)按照10 Mb／s的容量進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該扇區(qū)的需求量明顯小于10 Mb／s，則從該扇區(qū)將多余的載波到移到其他流量需求大的扇區(qū)使用，以提高整系統(tǒng)的頻率利用率，保持負(fù)載均衡。

　　視頻圖像壓縮技術(shù) 視頻圖像信息量龐大，而無(wú)線信道帶寬相對(duì)有限，正確選擇壓縮標(biāo)準(zhǔn)能夠保證視頻信息流暢地傳輸。建議選用H．264技術(shù)，比H．263節(jié)約50％左右的傳出碼流，可以大大減小傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，很好地解決圖像信息和帶寬之間的突出矛盾。

4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出了基于WiMAX無(wú)線寬帶接入技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具有監(jiān)控范圍廣、安裝方便、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于武警部隊(duì)進(jìn)行大規(guī)模臨時(shí)場(chǎng)所，需要快速構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)或邊緣地區(qū)不易進(jìn)行有線接入的地方應(yīng)用，對(duì)提高武警部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有著實(shí)際的意義。隨著WiMAX技術(shù)的日趨成熟，它的應(yīng)用將在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。