無線網橋在視頻監控中的研究與應用

摘 要：為滿足在惡劣條件下對基建現場進行視頻監控的需求，采用了5.8 GHz頻段高速無線以太網橋對無線局域網與有線局域網進行系統組網，通過點對點傳輸技術及MPEG-4視頻圖像壓縮技術實現遠端視頻監控功能，并利用有線對等加密算法對視頻信號進行128 b加密，保證了視頻信號傳輸的流暢度、清晰度及安全性，并對該系統的硬件實現進行了詳細說明。經過實際測試，該系統具備移動靈活、易于組建、高速率、高穩定性等特點。

關鍵詞：無線網橋； 視頻監控； 有線局域網； 無線寬帶

中圖分類號：TN92-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0047-04

Research and Application of Wireless Bridge in Video Surveillance

ZHANG Wei， XIAO Wen-bin， YAN Li

(Shanxi Electric Power Company， Taiyuan 030001， China)

Abstract： To meet the video surveillance demand of capital scene in bad condition， a method of connecting wired LAN to wireless LAN by using wireless bridge worked in 5.8GHz is introduced， the far end video monitor is realized by using the peer-to-peer transmission technology and video compression code standard MPEG-4， the wired equivalent privacy algorithm is used to encrypt video signal by 128 bit to ensure the transmission of video data with fluency， high definition and safety. At last， the hardware implementation of the system is discussed. The results of simulation and testing indicate that the system has advantages such as flexible movement， high speed， high stability and so on.

Keywords： wireless bridge; video surveillance; wired LAN; WLAN

0 引 言

目前電力系統基建項目繁多，除了加強組織措施管理外，利用先進的技術手段，實現作業現場的視頻監控，更有效地發揮指導監督的作用，是當前安全管理工作的緊迫任務。

基建站點在初期建設時，通常由于現場條件比較惡劣，數據傳輸通道條件不具備，從而導致傳統視頻監控設備無法使用。5.8 GHz無線寬帶接入方式可以很好地解決這一難題，它設備成本低、安裝容易、空間接入速率高，完全能夠滿足圖像、數據同時傳送的要求，為此，設計了5.8 GHz無線系統來滿足基建現場視頻監控需求，一方面將無線接入作為有線接入的重要補充和應急備份，另一方面也想以此為試點，為基建站點大規模推廣應用并完成原實際物理通道方式向可移動、無線方式轉變的數字化進程提供實踐經驗。

目前，基于城域網標準IEEE 802.11a開發的無線寬帶接入技術日趨成熟，工作在5.8 GHz頻段的高速無線以太網橋支持點對點和點對多點的網絡結構，空中速率高達108 Mb/s，通信距離可達50 km，完全能夠滿足一般圖像、數據的傳輸要求［1］。由于采用專用加密技術和多種調制選擇，信號具有抗干擾能力強、保密性強和穩定性好的優點。此外，它還融合了無線接入與骨干網連接的功能，可通過Web界面進行遠程管理。本文介紹的無線系統正是工作在5.8 GHz頻段的高速無線以太網橋，它為實現基建現場視頻監控的數字化和網絡化提供了無線橋梁，通過將先進的MPEG-4視頻圖像壓縮技術與無線技術結合，在基建現場開發了無線圖像監控系統，實現了視頻的高速無線傳輸。

1 無線網橋基本概念

從作用上來理解無線網橋，它是一個將無線局域網段與有線局域網段聯結起來的MAC層互連設備，可以用于連接兩個或多個獨立的網段，這些獨立的網段通常位于相距幾百米到幾十千米之內不同的建筑或地點［2］。無線網橋主要用途有以下幾個方面:

擴展網絡 若兩個網絡受到地理位置的影響而被隔離開來，這個距離如果在無線網橋的傳輸范圍之內，可以考慮使用無線網橋將這兩個局域網連接起來。

提高網絡的安全性 通過對網橋進行配置，建立不同的安全級別的用戶可以防止未授權的用戶訪問網絡，從未而提高網絡通信的安全性。

提高網絡的通信性能 局域網或者廣域網的性能將隨著網絡設備數目的增加而降低，如果使用網橋將無線局域網分段，限制某些網段的信息流量，可以防止有缺陷的站點不斷輸出無用的信息流，通過調整局域網的網內通信量和網外通信量，可以減少不必要的網絡擁塞。

無線網橋有三種工作方式，點對點、點對多點、中繼連接，特別適用于城市中的遠距離通信。同時，根據協議不同，無線網橋又可以分為2.4 GHz頻段的802.11b或802.11G以及采用5.8 GHz頻段的802.11a無線網橋。無線網橋通常用于室外，在無高大障礙(山峰或建筑)阻隔的條件下，適用于速組網和野外作業的臨時組網。無線網橋具有功率大，傳輸距離遠(最大可達約50 km)，抗干擾能力強等特點，一般不自帶天線，配備拋物面天線實現長距離的點對點連接，作用距離取決于環境和天線，一對27 dBi的定向天線可以實現10 km的點對點互連，12 dBi的定向天線可以實現2 km的點對點互連［3-4］。

無線網橋是無線射頻技術和有線技術相結合的產物，無線網橋可以無縫地將相隔遠至數十千米的局域網絡連接在一起，創建統一的網絡系統，相對于傳統的有線網絡連接，無線網橋具備了諸多優勢，主要體現在以下幾個方面：

(1) 架設無線網絡無需架線挖溝，線路開通速度快。可以隨時架設，隨時增加鏈路，安裝、擴容方便。而有線網絡鋪設須挖溝，受地勢影響，不能任意鋪設，且建設工期長。在電力系統基建工程現場，此優勢體現的尤其明顯。

(2) 一般有線網絡連接的質量會隨著線路的擴展而急劇下降，而對于點對點的無線橋接方式，數十千米內幾乎沒有影響。

(3) 無線網絡連接方式可根據需求靈活定制。

(4) 有線鏈路的維護需沿線路檢查，出現故障時，一般很難及時找出故障點，而無線橋接通信只需維護無線網橋設備，出現故障時則能快速找出原因，恢復線路正常運行。

(5) 無線橋接網絡可以迅速(數十分鐘內)組建起通信鏈路，實現臨時、應急、抗災通信的目的，而有線網絡連接則需要較長的時間。

綜上所述，無線橋接通信在可靠性、可用性和抗毀性等很多方面超出了傳統的有線網絡連接方式，尤其在一些特殊的地理環境下，更是體現出了其優越性。

2 無線局域網與有線局域網互連的系統結構

目前，局域網正朝著兩個方向發展：一是提高傳輸速率。在此基礎上，FDDI光纖分布式數據接口、快速以太網、ATM局域網等方向的快速發展極大地滿足了高速率的需求。另一個發展方向就是支持網絡終端的可移動性，即發展具有移動計算能力的無線局域網。所謂移動計算，指網絡中的站點可以在網中漫游同時保持與網絡通信。由于采用的是無線電或紅外線作為傳輸媒體，無線局域網除了保持現有局域網高速率的特點之外，還具有可移動性、組網方便靈活等優點［5］。在實際的應用中往往需要實現有線局域網與無線局域網之間的互連，從而將有線局域網高速可靠的優點與無線局域網的可移動性的優點結合起來。為了實現這種互連，就需要一個網橋，以完成兩種局域網之間的數據包的轉發與協議轉換的功能。

圖1給出了無線局域網與有線局域網之間互連的系統結構。其中無線局域網是由多個無線移動終端構成的，其網絡的拓撲結構為無中心對等式(Peer to Peer)結構。無中心拓撲結構網絡中的任意兩個站點均可直接通信，其媒體訪問控制協議MAC為IEEE 802.11中規定的基于分布方式的無線媒體訪問控制協議DFWMAC［6］。在信道上的調制方式為直接序列擴頻，速率為2 Mb/s。為了組成無線局域網，各個移動的網絡終端配備有無線網絡適配卡。

圖1中的有線網為一般的以太局域網。其拓撲結構為總線式，采用IEEE 802.3所描述的CSMA/CD總線式媒體訪問控制協議。為了實現無線局域網與有線局域網之間的互連，在該以太網上，連接有作為網橋的無線接入點AP(Access Point)。它是裝有特殊的網絡適配卡的網絡終端，該網絡適配卡由有線網絡適配卡和無線網絡適配卡組合而成，也就是說，它既能夠作為無線局域網的一個網絡節點，按照IEEE 802.11協議與無線局域網中的其他無線節點進行通信，同時又作為一個以太網的節點按照IEEE 802.3協議與以太網中的其他節點進行通信［7］。AP在MAC層上對兩個局域網的MAC幀進行變換和轉發；在功能上，AP作為一個網橋將無線LAN與有線LAN互連起來。一方面，AP接收到無線移動終端的數據包并對該數據包按照有線LAN協議進行封裝后轉發到有線LAN上。同樣，它可以將有線LAN上的數據包按照無線LAN的協議要求進行重新封裝而轉發到無線LAN中。而以太網上的其他節點，作為以太網上的一般網絡節點只裝有普通的以太網卡。AP的設置位置及數量與系統的實際需要有關，如每個視頻監控接入點可以設置一個AP，以負責該區域內的移動節點的接入［8］。

在該系統中，無線局域網LAN中的各個無線移動終端之間可以直接相互通信，而不需要中心站的轉接，同時有線LAN中的各個網絡節點也可以相互通信。無線LAN與有線LAN之間的聯系則是通過連接在有線LAN上的作為無線網橋的AP來實現的。當無線終端需要與有線LAN中的某個節點進行通信或者當有線LAN中的某個節點需要與無線終端進行通信時，需要AP參與來實現數據包的轉發。

3 基建現場視頻監控設計

視頻監控系統目前在電力系統變電站應用越來越廣泛，在遠程監控、調度、防盜、防火等方面發揮了重大作用。但若在基建工程現場采用有線方式進行視頻監控系統的組建，常常會遇到施工條件不具備，需深挖溝，工期長，工作量大等困難，而無線方式相對靈活，只需在高處架設無線設備就可實現圖像的采集與傳輸。

基建現場視頻監控系統通過在某變電站施工現場臨時架構的一套視頻監控系統，利用高分辨率一體化攝像機光學套裝組件，采用低照度(Low-Light)技術，達到在惡劣的環境下也可以生成高質量的視頻圖像，其中最重要的是可通過5.8 GHz頻段的802.11a無線網橋設備，將現有視頻監控網絡與現場視頻監控主機相連，實現了實時現場圖像監控、遠程控制、視頻錄像存儲、權限分級、日志管理等功能，使領導不用頻繁疲憊的往來于各個基建工程現場，通過在電腦上利用簡單的Web頁面瀏覽便能快速實時了解工程現場的安全生產情況，足不出戶就能掌握現場的一切信息；若事故發生，通過視頻監控可以快速有效地指導現場的相關工作，實時對變電站施工環境和工作情況進行督導、綜合監控、分析查看，有效增強了工程現場綜合管理。具體設計如圖2所示。

3.1 無線網橋

本系統無線網橋選用Karlnet 5800系列室外無線網橋，Karlnet 5800現場站點、遠端站點的設備均由室內單元和室外單元組成。從室內到室外采用一根射頻電纜連接，收發并用。現場站點設備Karlnet 5800提供一個10/100 Mb/s網絡IP接口，通過網線與視頻監控工作站相連。遠端站點同樣采用10/100 Mb/s網絡IP接口與骨干網相連，實現相互通信。Karlnet 5800室外無線網橋是工作在5.1～5.8 GHz頻段上的高速無線以太網橋(Wireless Ethernet Bridge)，支持點對點(PTP)和點對多點(PTMP)的網絡結構。Karlnet 5800無線網橋的空中速率高達54 Mb/s，相當于以太網36 Mb/s的單向速率；捆綁信道空中速率可達108 Mb/s。具備天線校準功能和自我診斷能力，有效地解決了無線網絡安裝中最困難的安裝配置問題，使其安裝和維護簡便易行。Karlnet 5800無線網橋具有抗鄰區(inter-cell)互擾能力及雙向自適應調制能力，能夠在8種調制方法中(從BPSK到64QAM)依次調節無線鏈路質量，不僅優化了頻譜利用率，還解決了既定網絡環境下的信號衰減問題，從而保證了最高的數據吞吐量，迎合環境的挑戰［9］。

3.2 視頻部分

由于無線傳輸信道帶寬有限，為了提高信道利用率，對圖像基帶信號采用符合MPEG-4壓縮標準的視頻壓縮技術，減小信號帶寬，節省無線資源。由于基建環境惡劣、灰塵多，要求系統結構簡單，能長期穩定可靠地工作，為此選用了帕爾高SpectraR IV SE室外型高速球形攝像機及深圳鐵越工業級視頻處理單元完成模數轉換和壓縮，并采用MPEG-4編碼方式保證高速率傳輸。通過同軸電纜，前端攝像頭將視頻圖像以模擬方式傳送到視頻編碼器，在編碼器內部采用MPEG-4編碼方式進行視頻壓縮，通過信號壓縮將模擬信號轉換成數字信號，再通過以太網傳送到無線網橋傳輸子系統中。

3.3 網絡管理

系統的網絡管理采用基于PC平臺的本地網管系統，它可直接通過數據網與基建現場相連，及時完成對系統的視頻監控、操作維護、性能監測、錄像查看等功能，主要用于系統測試、開通及現場查看，可在本地或遠端對設備進行管理。通過Karlnet 5800無線網橋專用網管軟件及鐵越視頻處理單元網管軟件IVP4006/S，將無線接入網與數據骨干網連接，可通過Web界面進行遠程管理，真正實現系統的多功能性與高效性。

3.4 網絡安全

網絡安全涉及信息資源的保護、防止丟失、破壞和盜用。此套無線網絡系統的安全解決方案采用了一種無線局域網數據流的安全方法，即有線對等加密(WEP)技術。WEP是一種對稱加密算法，加密和解密的密鑰及算法相同。WEP的工作原理如下:

(1) 接入控制:通過檢驗WEP密鑰防止未授權用戶接入網絡；

(2) 加密:通過只允許有正確WEP密鑰的用戶解密來解析數據流。

在這次系統設計中，根據網絡設計，采用WEP128位加密方式，進一步提高了視頻信號的安全性。

4 結 語

由于基建現場在工程建設期間環境惡劣，在不適合敷設通信線纜的條件下，本文提出的采用無線網橋方式進行現場視頻監控，可以節省大量建設和維護費用，而且移動靈活，能快速滿足省視頻監控系統對圖像及數據傳輸的需求，經測試，此套系統無線傳輸帶寬可達到26 MHz，信號增益可達到20 dB以上，很好地滿足了各項需求。無線技術作為有線技術的有益補充，代表了寬帶技術新的不可忽視的發展趨勢。它在市場需求的驅動下正在日益走向成熟，相信在不久的將來會得到更廣泛的應用。

參 考 文 獻

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［10］鄒海亮.無線網橋技術在電力高壓線路監測中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2010(15):210-212.

作者簡介：

張 巍 男，1983年出生，山西太原人，助理工程師。主要研究方向為通信網絡等。

肖文斌 男，1957年出生，山西太原人，高級工程師。主要研究方向為通信工程等。

閻 立 男，1975年出生，山西太原人，工程師。主要研究方向為通信網絡等。