基于WiMAX技術的武警部隊無線視頻監控系統

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技術優勢和體系結構,結合武警部隊執勤戰備的通信需求,提出以WiMAX為通信基礎的無線視頻監控系統的設計方案,論述了系統的功能組成與工作原理,同時分析了系統建設的注意事項。該方案不僅可以應用于武警部隊,也可為其他視頻監控系統所借鑒。

關鍵詞:WiMAX;IEEE 802.16;視頻監控;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

視頻監控系統已廣泛用于武警部隊,有力提升了武警部隊的執勤備戰能力。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,監控點分散且與監控中心距離較遠,利用傳統有線網絡的視頻監控往往成本高且難以實現,其次實時視頻監控的需求越來越多,對同一套系統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控體現出了不可替代的優勢。無線局域網和無線寬帶接入技術,可以將多個監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控網絡。

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、帶寬高等優點,可以保證視頻流的傳輸質量,同時使監控系統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控系統設計方案,也適用于其他應急狀態下組建監控網絡,并給出了系統建設中注意事項。

1 WiMAX技術特點和優勢

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(Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network,BWAMAN),能提供面向互聯網的高速連接。WiMAX技術具有較高的數據傳輸速率,最高可達到75 Mb/s;傳輸距離遠,最大傳輸半徑50 km,其網絡覆蓋面積是3G基站的10倍[2,3]。

1.1 WiMAX系統組成

WiMAX網絡體系結構如圖1所示[4],其由核心網絡、基站、用戶基站、接力站、用戶終端設備及網管組成。通常的WiMAX系統包括一個基站和多個用戶基站,也可以根據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。

核心網絡:WiMAX連接的核心網絡通常為傳統交換網或因特網。WiMAX提供核心網絡與基站間的連接接口。

基站:提供用戶基站與核心網絡間的連接,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,并根據用戶群體狀況不斷升級擴展網絡。

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,例如視頻監控。

網管系統:用于監視和控制網內所有的基站和用戶基站,提供查詢、狀態監控、軟件下載、系統參數配置等功能。

圖1 WiMAX網絡體系結構

1.2 WiMAX技術用于的武警部隊無線視頻監控系統的優勢

武警部隊所使用的視頻監控系統,一般數百米內設一個監控點,具有覆蓋范圍廣,覆蓋點多、質量要求高等特點。而目前無線監控系統多使用基于Wi-Fi的IP無線監控技術,其采用IEEE 802.11作為無線傳輸標準,傳輸距離僅幾百米[5],其數據傳輸率較低,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設置的監控點。同時,WiMAX具有非視距傳輸的特性,可以滿足復雜環境中的傳輸要求。WiMAX還可以作為有線網絡接入(Cable、DSL)的無線擴展[5],方便地實現邊遠地區的網絡連接。

WiMAX采用面向連接方式,定義了完整的QoS機制。其MAC層支持4種業務[6]:非請求的寬帶分配業務、實時輪詢業務、非實時輪詢業務、盡力傳輸業務,向用戶提供具有QoS性能的數據、視頻和語音服務,能夠滿足視頻監控所需的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控要求[7];按照每個監控點1 Mb/s帶寬需求,單個WiMAX基站可支持10個左右的監控點視頻傳輸需求。

2 基于WiMAX技術的武警部隊無線監控系統

本系統由前端視頻采集、網絡傳輸以及視頻信息管理三個子系統組成。前端視頻采集子系統主要用于信息監控。網絡傳輸子系統以無線和有線方式完成監控中心和前端視頻采集的數據交換。視頻信息管理子系統主要完成視頻信息的存儲、轉換、加密等。系統的整體結構如圖2所示。

圖2 系統整體結構圖

2.1 前端視頻采集子系統

前端視頻采集子系統位于監控點,主要進行監控數據的采集,包括無線攝像機、云臺、解碼器等設備。前端系統的傳輸接入必須采用數字接入方式,在前端就將圖像轉化成數字信號再傳遞到監控中心,以減少傳輸帶寬[8]。

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

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后,只要鎖定調整狀態就可以了。電動云臺適用于對大范圍進行掃描監視,它可以擴大攝像機的監視范圍,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議都各不相同,解碼器主要用于中轉控制端發出的數字信號。

2.2 網絡傳輸子系統

網絡傳輸子系統由WiMAX CPE、無線基站和IP承載網組成。WiMAX CPE作為WiMAX網絡的無線客戶終端,布設于監控點,使用小波束角定向天線,完成與基站的數據相互交換。無線基站主要接入多個WiMAX CPE設備,同時完成與IP承載網的數據交換。單WiMAX扇區站下可支持多CPE,每個CPE負責接入一個或多個視頻監控前端,CPE的射頻模塊將信號變頻到適宜的頻率經天線發送到WiMAX基站[9],實現對多個監控點視頻信號的匯聚。

2.3 視頻信息管理子系統

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

當視頻信息傳送到監控中心后,監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控信息,如果是則將其轉發至指定用戶,例如電視墻或者網內其他用戶,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,監控管理服務器接收管理人員的管理指令,并將指令發送至指定的CPE設備,進行監控點參數配置等工作,如圖3所示。

圖3 視頻信息管理子系統

3 系統建設的注意事項

系統在建設和使用過程中還需要注意以下四點,確保系統的順利應用。

基站選址 應根據業務分布實際情況,選擇業務密集區中心的制高點(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]。

無線系統抗干擾能力 地面無線接入系統往往受到來自于其他扇區的鄰頻或同頻干擾。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,其次必須合理網絡規劃,選擇基站位置和用戶端天線位置、方向等,以確保系統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[7],可充分保證系統大容量數據傳輸支持能力和無線鏈路的可靠性。

頻率規劃和負載均衡[11,12] 系統規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。系統開通后,仍需對各基站各扇區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。如一扇區按照10 Mb/s的容量進行設計,經觀測發現,該扇區的需求量明顯小于10 Mb/s,則從該扇區將多余的載波到移到其他流量需求大的扇區使用,以提高整系統的頻率利用率,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節約50%左右的傳出碼流,可以大大減小傳輸的數據,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控系統,具有監控范圍廣、安裝方便、靈活性強等優點,適合于武警部隊進行大規模臨時場所,需要快速構建監控系統或邊緣地區不易進行有線接入的地方應用,對提高武警部隊戰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控系統中發揮重要的作用。

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