基于WiMAX技術的武警部隊無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

周蓉蓉

摘 要:寬帶無線接入技術WiMAX具有傳輸速率高、傳輸距離遠、覆蓋半徑大等特點。介紹WiMAX技術優(yōu)勢和體系結構,結合武警部隊執(zhí)勤戰(zhàn)備的通信需求,提出以WiMAX為通信基礎的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案,論述了系統(tǒng)的功能組成與工作原理,同時分析了系統(tǒng)建設的注意事項。該方案不僅可以應用于武警部隊,也可為其他視頻監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒。

關鍵詞:WiMAX;IEEE 802.16;視頻監(jiān)控;無線接入技術

中圖分類號:TN915文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-017-03

Video Supervision System of People′s Armed Police Based on WiMAX Technique

ZHOU Rongrong

(Fire Department of Shaanxi Province,Xi′an,710018,China)

Abstract:Broadband wireless access technology WiMAX has such features as high transmission rate,long transmission distance and wide cover.The advantage and architecture of WiMAX are described,the design scheme of video supervision system based on WiMAX technique is introduced combined with the requirements of the People′s Armed Police.Then,functional component and working principle are discussed.Finally the important factors that affected engineering construction are analyzed.The scheme not only can be used in People′s Armed Police,but can be used in other place.

Keywords:WiMAX;IEEE 802.16;video supervision;wireless access technology

0 引 言

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

目前常用的無線接入技術包括Wi-Fi、微波以及WiMAX等。與其他技術相比,WiMAX具有傳輸距離遠、接入速率高、帶寬高等優(yōu)點,可以保證視頻流的傳輸質量,同時使監(jiān)控系統(tǒng)在接入層的部署更為快速、簡便[1]。本文結合武警部隊特點,提出了一種基于WiMAX無線寬帶接入技術的監(jiān)控系統(tǒng)設計方案,也適用于其他應急狀態(tài)下組建監(jiān)控網(wǎng)絡,并給出了系統(tǒng)建設中注意事項。

1 WiMAX技術特點和優(yōu)勢

WiMAX是一項新型的無線通信技術,全名為微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access),是基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)(Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network,BWAMAN),能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。WiMAX技術具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,最高可達到75 Mb/s;傳輸距離遠,最大傳輸半徑50 km,其網(wǎng)絡覆蓋面積是3G基站的10倍[2,3]。

1.1 WiMAX系統(tǒng)組成

WiMAX網(wǎng)絡體系結構如圖1所示[4],其由核心網(wǎng)絡、基站、用戶基站、接力站、用戶終端設備及網(wǎng)管組成。通常的WiMAX系統(tǒng)包括一個基站和多個用戶基站,也可以根據(jù)需要設置若干個接力站,形成單點對多點或多點對多點的體系結構。

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

基站:提供用戶基站與核心網(wǎng)絡間的連接,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擴展網(wǎng)絡。

用戶基站:屬于基站的一種,提供基站與用戶終端設備間的中繼連接,通常采用固定天線,并被安裝在屋頂上。基站與用戶基站間采用動態(tài)適應性信號調制模式。

接力站:通常用于提高基站的覆蓋能力,即充當一個基站和若干個用戶基站(或用戶終端設備)間信息的中繼站。

用戶終端設備:完成具體的應用功能,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。

圖1 WiMAX網(wǎng)絡體系結構

1.2 WiMAX技術用于的武警部隊無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

武警部隊所使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng),一般數(shù)百米內設一個監(jiān)控點,具有覆蓋范圍廣,覆蓋點多、質量要求高等特點。而目前無線監(jiān)控系統(tǒng)多使用基于Wi-Fi的IP無線監(jiān)控技術,其采用IEEE 802.11作為無線傳輸標準,傳輸距離僅幾百米[5],其數(shù)據(jù)傳輸率較低,QoS機制不夠完整,這都限制其在武警部隊中的應用。

WiMAX的覆蓋能力完全滿足視頻監(jiān)控點的分布特點,在一個WiMAX基站覆蓋范圍內可存在多個連續(xù)設置的監(jiān)控點。同時,WiMAX具有非視距傳輸?shù)奶匦?可以滿足復雜環(huán)境中的傳輸要求。WiMAX還可以作為有線網(wǎng)絡接入(Cable、DSL)的無線擴展[5],方便地實現(xiàn)邊遠地區(qū)的網(wǎng)絡連接。

WiMAX采用面向連接方式,定義了完整的QoS機制。其MAC層支持4種業(yè)務[6]:非請求的寬帶分配業(yè)務、實時輪詢業(yè)務、非實時輪詢業(yè)務、盡力傳輸業(yè)務,向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻和語音服務,能夠滿足視頻監(jiān)控所需的QoS要求。

采用802.16d標準工作在頻分雙工模式(即FDD模式)上的WiMAX,占用一對3.5 MHz頻點,一個扇區(qū)可提供的上、下行總帶寬超過15 Mb/s;每個WiMAX客戶端(即WiMAX CPE——Client Produce Equipment,用戶端設備產品)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[7];按照每個監(jiān)控點1 Mb/s帶寬需求,單個WiMAX基站可支持10個左右的監(jiān)控點視頻傳輸需求。

2 基于WiMAX技術的武警部隊無線監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)由前端視頻采集、網(wǎng)絡傳輸以及視頻信息管理三個子系統(tǒng)組成。前端視頻采集子系統(tǒng)主要用于信息監(jiān)控。網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)以無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、轉換、加密等。系統(tǒng)的整體結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結構圖

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,主要進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集,包括無線攝像機、云臺、解碼器等設備。前端系統(tǒng)的傳輸接入必須采用數(shù)字接入方式,在前端就將圖像轉化成數(shù)字信號再傳遞到監(jiān)控中心,以減少傳輸帶寬[8]。

該系統(tǒng)選用的無線攝像機是一種集視頻壓縮技術、網(wǎng)絡技術、嵌入式等多種先進技術于一體的數(shù)字攝像設備。集成了鏡頭、光學過濾器、影像感應器、視頻壓縮卡、無線網(wǎng)卡等設備,能夠實現(xiàn)視頻采集、視頻壓縮以及無線網(wǎng)絡傳輸?shù)戎T多功能,這樣無需計算機的協(xié)助便可獨立完成監(jiān)控點的工作。無線攝像機有自己獨立的IP 地址,這樣監(jiān)控中心以及城域網(wǎng)上的用戶使用標準的瀏覽器就可以根據(jù)IP 地址對網(wǎng)絡攝像機進行訪問、觀看實時圖像和監(jiān)測數(shù)據(jù);授權用戶可以通過網(wǎng)管系統(tǒng)遠程控制攝像機和云臺鏡頭的動作或對系統(tǒng)進行配置,從而可以對目標進行全方位的監(jiān)控。

云臺是安裝和支撐攝像頭的設備,分為兩種固定云臺和電動云臺。固定云臺適用于監(jiān)視范圍不大的情況,在固定云臺上安裝好攝像機后可調整攝像機的水平和俯仰的角度,達到最好的工作姿態(tài)后,只要鎖定調整狀態(tài)就可以了。電動云臺適用于對大范圍進行掃描監(jiān)視,它可以擴大攝像機的監(jiān)視范圍,通過接收來自控制器的信號精確地運行定位。

由于不同廠家的云臺和控制設備所使用的協(xié)議都各不相同,解碼器主要用于中轉控制端發(fā)出的數(shù)字信號。

2.2 網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)

網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)由WiMAX CPE、無線基站和IP承載網(wǎng)組成。WiMAX CPE作為WiMAX網(wǎng)絡的無線客戶終端,布設于監(jiān)控點,使用小波束角定向天線,完成與基站的數(shù)據(jù)相互交換。無線基站主要接入多個WiMAX CPE設備,同時完成與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CPE負責接入一個或多個視頻監(jiān)控前端,CPE的射頻模塊將信號變頻到適宜的頻率經(jīng)天線發(fā)送到WiMAX基站[9],實現(xiàn)對多個監(jiān)控點視頻信號的匯聚。

2.3 視頻信息管理子系統(tǒng)

視頻信息管理子系統(tǒng)設在監(jiān)控中心,主要由視頻存儲服務器和監(jiān)控管理服務器組成,完成視頻信息的存儲、管理、查詢、系統(tǒng)配置和實時監(jiān)控等任務。監(jiān)控管理服務器為整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供業(yè)務邏輯控制,完成監(jiān)控中心的視頻圖像切換或分發(fā),對WiMAX CPE進行參數(shù)配置、實時查看指定點監(jiān)控信息,是視頻監(jiān)控的核心業(yè)務實現(xiàn)平臺。數(shù)據(jù)庫服務器完成視頻監(jiān)控信息的存儲、管理與備份,并為局域網(wǎng)的其他服務器和授權用戶提供歷史數(shù)據(jù)瀏覽、檢索等服務。

當視頻信息傳送到監(jiān)控中心后,監(jiān)控管理服務器首先對視頻信息進行分析,判斷是否是授權用戶所需要實時瀏覽的監(jiān)控信息,如果是則將其轉發(fā)至指定用戶,例如電視墻或者網(wǎng)內其他用戶,同時將視頻信息傳送至視頻存儲服務器進行歸檔管理。同時,監(jiān)控管理服務器接收管理人員的管理指令,并將指令發(fā)送至指定的CPE設備,進行監(jiān)控點參數(shù)配置等工作,如圖3所示。

圖3 視頻信息管理子系統(tǒng)

3 系統(tǒng)建設的注意事項

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

基站選址 應根據(jù)業(yè)務分布實際情況,選擇業(yè)務密集區(qū)中心的制高點(某鐵塔上或山頂)作為中心基站的站址,盡量提高無線鏈路的可靠性,避免因地形及遮擋物等不良因素,保證視頻信息傳輸質量[10]。

無線系統(tǒng)抗干擾能力 地面無線接入系統(tǒng)往往受到來自于其他扇區(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設計的設備,其次必須合理網(wǎng)絡規(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等多種調制方式自適應切換技術的系統(tǒng)[7],可充分保證系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)傳輸支持能力和無線鏈路的可靠性。

頻率規(guī)劃和負載均衡[11,12] 系統(tǒng)規(guī)劃之初要在已有頻率的基礎上,充分考慮天線配置的靈活性和熱點分布特點,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,仍需對各基站各扇區(qū)的流量進行長期跟蹤觀測,實時調整修正與實際容量不相適應的扇區(qū)。如一扇區(qū)按照10 Mb/s的容量進行設計,經(jīng)觀測發(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,保持負載均衡。

視頻圖像壓縮技術 視頻圖像信息量龐大,而無線信道帶寬相對有限,正確選擇壓縮標準能夠保證視頻信息流暢地傳輸。建議選用H.264技術,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 語

本文提出了基于WiMAX無線寬帶接入技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng),具有監(jiān)控范圍廣、安裝方便、靈活性強等優(yōu)點,適合于武警部隊進行大規(guī)模臨時場所,需要快速構建監(jiān)控系統(tǒng)或邊緣地區(qū)不易進行有線接入的地方應用,對提高武警部隊戰(zhàn)斗力有著實際的意義。隨著WiMAX技術的日趨成熟,它的應用將在實時監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

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