基于WiMAX的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

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1、2009年 第3期0引言傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本都是定點(diǎn)監(jiān)控，受制于硬件及傳輸線路的連接，不能滿足行業(yè)的特殊需要?；跓o線通信網(wǎng)絡(luò)的移動監(jiān)控技術(shù)可以很好地滿足這一社會需求。目前國內(nèi)現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)有GSM網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)，利用無線信道傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但是普遍存在傳輸速率不高、傳輸圖像不穩(wěn)定和傳輸?shù)男畔⒋嬖诎踩┒吹葐栴}1。本文主要研究了基于WiMAX的 無 線 視 頻 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 組 網(wǎng) 與 應(yīng) 用，WiMAX具有良好的非視距特性和高帶寬，可以滿足復(fù)雜城市環(huán)境中的傳輸要求，能夠很好地解決對環(huán)境要求比較苛刻、不易敷設(shè)線纜地方的視頻監(jiān)控的問題，比如旅

2、游景點(diǎn)等。1WiMAX系統(tǒng)概述及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在市場和技術(shù)的共同驅(qū)動下，無線通信系統(tǒng)在最近幾十年經(jīng)歷了幾次巨大跨越，從2G到3G，無線移動通信系統(tǒng)解放了有線的束縛，成為人們必不可少的通信手段。WiMAX是一項(xiàng)基于IEEE 802.16空中接口標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)（BWAMAN）技術(shù)。2007年10月，國際電信聯(lián)盟（ITU）已批準(zhǔn)WiMAX寬帶無線接入技術(shù)成為移動設(shè)備的全球標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX成 為 繼WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA后全球第四個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX系 統(tǒng) 的 通 信 實(shí) 體 包 括 移 動 用 戶 臺（MSS）、接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（ASN）、連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CSN）和應(yīng)用服

3、務(wù)提供商（ASP）網(wǎng)絡(luò)或者Internet。有關(guān)非漫游模式端到端參考模型如圖1所示2。ASN由基站（BS）和ASN網(wǎng)關(guān)（ASN GW）構(gòu)成，作為一個(gè)邏輯實(shí)體，它的功能是管理IEEE802.16空中接口，為WiMAX用戶提供無線接入。ASN網(wǎng)關(guān)是BS和CSN通信的管理通信實(shí)體。ASN作為WiMAX系統(tǒng)的接入網(wǎng)，為WiMAX用戶提供無線接入。CSN是一套網(wǎng)絡(luò)功能的組合，為WiMAX用戶提供IP連接。CSN包含許多功能實(shí)體，如路由器、AAA代理或者服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等。協(xié)議接口位于兩組功能之間，兩組功能則分別位于協(xié)議接口兩側(cè)的功能實(shí)體中，協(xié)議接口兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口上的協(xié)議實(shí)現(xiàn)

4、互操作。圖1包含了非漫游模式端到端模型定義的主要基于 WiMAX 的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)李攀，周鳳星（武漢科技大學(xué)冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北省武漢市430081）摘要平安工程中的視頻監(jiān)控點(diǎn)分布在城市的各個(gè)角落，部分地區(qū)無法實(shí)現(xiàn)光纜的埋地敷設(shè)，必然會遇到“最后一公里”的接入難題，采用無線技術(shù)進(jìn)行視頻監(jiān)控信號的傳輸就成為一種很好的選擇。文章介紹了寬帶無線接入WiMAX系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析了其具有的關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于IP交換、視頻、存儲等多技術(shù)融合的智能監(jiān)控解決方案。關(guān)鍵詞全球微波接入互操作性（WiMAX）；IEEE 802.16；正交頻分復(fù)用（OFDM）；無線視頻監(jiān)控圖1基于802

5、.16的非漫游模式端到端參考模型論 文 選 粹332009年 第3期接口。2WiMAX系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)WiMAX技術(shù)是新一代寬帶無線接入技術(shù)，通過接入核心網(wǎng)從而提供業(yè)務(wù)。與之前的寬帶無線接入系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢來源于所采用的空中接口技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢可簡要概括為以下幾點(diǎn)：a）傳輸距離遠(yuǎn)，WiMAX的無線信號傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)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、便攜和全移動多種場景。d）基站對信道資源進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)了空口的QoS管理。2.1正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)OFDM是一種多載波傳輸技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波

6、）進(jìn)行并行發(fā)送，這是最樸素的實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒?。在?shù)字信號處理技術(shù)FFT發(fā)展的推動下，允許將各個(gè)子載波重疊排列，同時(shí)保持子載波之間的正交性，從而有效避免了子載波之間的干擾。由于相同的帶寬內(nèi)容納了更多的子載波，部分重疊的子載波可以大大提高頻譜效率3。OFDM技術(shù)成為新一代無線通信的核心技術(shù)，是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配、實(shí)現(xiàn)OFDM技術(shù)較簡單。2.2多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)MIMO技術(shù)可以在不消耗額外空口資源的基礎(chǔ)上成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。MIMO系統(tǒng)是指在發(fā)射機(jī)/接收機(jī)采用多天線發(fā)送/接收的系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)之所以可以在不消耗額外時(shí)間和頻率

7、資源的基礎(chǔ)上大大提高系統(tǒng)容量，是因?yàn)樗昧说谌N資源空間。不同的天線只要相隔一定距離，它們就可以擁有不同的多徑衰落信道，從而可以實(shí)現(xiàn)“空間分集”。利用這種空間分集，就可以改變信道的性質(zhì)，變?yōu)槎噙M(jìn)多出信道。通信理論證明，MIMO信道的容量可以成倍地高于單進(jìn)單出信道。2.3自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)AMC的原理是根據(jù)用戶瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況和當(dāng)前資源，選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式?？拷镜挠脩艚邮招盘柟β蕪?qiáng)，采用高階調(diào)制方式（如16QAM或64QAM）和高速率信道編碼（3/4編碼速率）使用戶獲得盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率；當(dāng)信號較差時(shí)，則選取低階調(diào)制方式（如QPSK）和低速率信 道 編 碼（1/4

8、編 碼 速 率）來 保 證 通 信 質(zhì) 量4。WiMAX采用AMC作為基本的鏈路自適應(yīng)技術(shù)對調(diào)制編碼速率進(jìn)行選擇。3WiMAX在視頻監(jiān)控中的實(shí)際應(yīng)用WiMAX技術(shù)提供了靈活的QoS機(jī)制，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和特性配置不同的QoS策略，包括語音、視頻及互聯(lián)網(wǎng)接入等，既保證了網(wǎng)絡(luò)帶寬的穩(wěn)定性，同時(shí)又可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。WiMAX網(wǎng)絡(luò)承載包括兩部分：無線承載和IP傳輸承載。無線承載通過IEEE 802.16機(jī)制提供端到端的QoS服務(wù)，IP傳輸承載則采用DiffServ和多協(xié)議標(biāo)識交換（MPLS）等IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)來保證QoS。典型的IP智能監(jiān)控解決方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。在實(shí)際組網(wǎng)中，根據(jù)視頻監(jiān)

9、控點(diǎn)分布的位置，結(jié)合可安裝WiMAX無線接入基站的機(jī)房資源、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布情況以及可用頻率資源情況，選擇合適的站址設(shè)立WiMAX中心站（基站）。各監(jiān)控點(diǎn)作為無線接入的遠(yuǎn)端站，通過和基站間的空中鏈路實(shí)現(xiàn)與中心基站的連接，中心基站通過100Mbit/s端口接入IP承載網(wǎng)，這樣各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過WiMAX無線接入的方式經(jīng)過中心機(jī)房匯聚后接入監(jiān)控中心。WiMAX無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻采集前端系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控四個(gè)部分組成。3.1視頻采集前端系統(tǒng)由攝像頭、監(jiān)聽頭、對講設(shè)備、報(bào)警探頭和編解碼器等組成，其中的編解碼器采用的是H3C的設(shè)備。當(dāng)前端到中心的帶寬足夠、允許中心存儲時(shí)，前

10、端配置EC編碼器；當(dāng)帶寬有限、無法中心存儲時(shí)，采用支持前端存儲的ECR編碼器；當(dāng)前端需要解碼還原圖像時(shí)，通過加裝的DC解碼器實(shí)現(xiàn)圖像的現(xiàn)場查看。EC編碼器支持接入攝像頭和監(jiān)聽的視音頻信號，并將其轉(zhuǎn)換壓縮為數(shù)字信號通過空間鏈路傳送到監(jiān)控中心。EC支持移動偵測報(bào)警，支持通過RS485口對云臺、球機(jī)的控制，支持接入對講設(shè)備和報(bào)警輸入輸出設(shè)備，滿足視頻監(jiān)聽、云臺控制、對講和報(bào)警接收聯(lián)動的基本需求。同時(shí)支持本地緩存，當(dāng)論 文 選 粹342009年 第3期網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可以保存圖像信息。ECR編碼器同樣支持接入攝像頭和監(jiān)聽的視音頻信號，并將其轉(zhuǎn)換壓縮為數(shù)字信號傳送到監(jiān)控中心。ECR支持通過RS485口對云臺、

11、球機(jī)的控制，支持接入對講設(shè)備和報(bào)警輸入輸出設(shè)備。內(nèi)置最大8個(gè)盤位和支持RAID5的NAS盤陣，可以提供高可靠的本地存儲。ECR還可以為局域網(wǎng)環(huán)境下的其他EC編碼器提供NAS存儲服務(wù)，通過EC編碼器擴(kuò)展ECR的編碼能力。DC編碼器用于接收中心指令，將系統(tǒng)中任何一路編碼的圖像解碼還原成模擬的視音頻信號，接入到現(xiàn)場電視機(jī)或者其它影像設(shè)備，用于展示實(shí)時(shí)視頻信息或視頻指揮。所有編解碼器都可以被監(jiān)控中心的集成監(jiān)控中心主機(jī)統(tǒng)一配置、認(rèn)證和網(wǎng)管。3.2無線傳輸系統(tǒng)通過WiMAX的遠(yuǎn)端站CPE（客戶端設(shè)備），將前端系統(tǒng)采集到的視頻等數(shù)字信號處理為射頻信號后發(fā)往基站，再由基站通過以太網(wǎng)或光纖傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控中心統(tǒng)一

12、監(jiān)視、管理。由于無線傳輸信道的開放性，使得WiMAX系統(tǒng)必須具有很好的安全機(jī)制來保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。WiMAX安全規(guī)范的核心基于MAC層協(xié)議棧的安全子層，大部分的算法和安全機(jī)制都以MAC控制信息的形式存在于此。WiMAX可以自由地選取工作在7層模型中更高層（如網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層等）上的安全機(jī)制，這些機(jī)制包括IP安全（IPSec）協(xié)議、傳輸層安全（TLS）協(xié)議和無線傳輸層安全（WTLS）協(xié)議。該子層提供接入控制，通過電子簽名的雙向設(shè)備認(rèn)證機(jī)制，并且應(yīng)用密鑰變換進(jìn)行加密以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備建立連接，協(xié)議就發(fā)揮了確保機(jī)密性和認(rèn)證設(shè)備的作用。3.3監(jiān)控中心監(jiān)控中心的核心設(shè)備包括集成監(jiān)控

13、中心主機(jī)和集成監(jiān)控中心輔機(jī)。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心管理服務(wù)器，可以對前端和中心所有的編解碼器進(jìn)行統(tǒng)一配置、認(rèn)證和網(wǎng)管，對所有用戶訪問進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)證，對報(bào)警、云臺控制、解碼輸出控制的輸出指令進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)發(fā)和聯(lián)動處理。主機(jī)內(nèi)置防火墻功能可以杜絕惡意入侵，保障系統(tǒng)信息安全。集成監(jiān)控中心主機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的Web服務(wù)器為用戶提供Web客戶端訪問服務(wù)，通過Web客戶端可以實(shí)現(xiàn)對前端編解碼器的統(tǒng)一配置和網(wǎng)管，還可以接收解碼前端編碼器傳輸過來的數(shù)字視音頻信號，實(shí)現(xiàn)圖像語音監(jiān)視監(jiān)聽、圖像查詢回放、報(bào)警接收等功能。Web客戶端還可以通過主機(jī)發(fā)送指令給中心解碼器解碼輸出視頻信號上電視墻，實(shí)現(xiàn)數(shù)字矩陣的功能。集成監(jiān)控中心主

14、機(jī)配合輔機(jī)可以作為NVR網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)使用，主機(jī)和輔機(jī)均可以接收指定編碼器傳送上來的視頻存儲流，內(nèi)置的8個(gè)盤位NAS存儲空間可以提供高質(zhì)量的存儲服務(wù)，同時(shí)提供RAID5保護(hù)。主機(jī)內(nèi)置了豐富的人機(jī)界面接口，可以接入顯示器、監(jiān)視器、專業(yè)鍵盤和鼠標(biāo)，方便監(jiān)控中心操作人員直接在主機(jī)上監(jiān)視、控制遠(yuǎn)程圖像，并通過中心的視音頻采集通道和對講通道實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場人員的可視對講、廣播。（下轉(zhuǎn)第41頁）圖2無線接入視頻監(jiān)控解決方案組網(wǎng)圖論 文 選 粹352009年 第3期（上接第35頁）3.4遠(yuǎn)程監(jiān)控遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以通過Web客戶端訪問控制中心的主機(jī)，在授權(quán)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基本視頻功能，同時(shí)還可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心配置實(shí)現(xiàn)二級

15、監(jiān)控。4結(jié)束語與傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，采用IEEE802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于WiMAX寬帶無線接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有高帶寬、非視距、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有線傳輸?shù)南拗?，?shí)現(xiàn)了“最后一公里”的無線接入，有利于在光纖不易敷設(shè)的地方快速架設(shè)、組網(wǎng)。參考文獻(xiàn)1李蓉.基于無線局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)化方案J.信息與電子工程，2008（6）：237240.2郎為民，劉波.WiMAX技術(shù)原理與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3張智江，李正茂，王兵,等.寬帶無線接入系統(tǒng)WiMAX及工程建設(shè)M.北京：人民郵電出版社，2007.4劉波，安娜，黃旭林.WiMAX技術(shù)與應(yīng)用詳解M.北京

16、：人民郵電出版社，2007.李攀（1981），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信。收稿日期：2008-11-14邊緣設(shè)備又是IPSec隧道的端點(diǎn)。MPLS與IPSec的實(shí)現(xiàn)均由充當(dāng)PE設(shè)備的HA和FA完成，CE路由器不需要知道任何VPN的信息，在PE上配置VRF、IPSec策略，兩種VPN參數(shù)的對應(yīng)情況以及到CE的路由協(xié)議。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于可擴(kuò)展性，由于MPLS完成了VPN的內(nèi)部聯(lián)系，IPSec隧道也與此VPN對應(yīng)。因此當(dāng)IPSec用戶不斷增加時(shí)，不需要對設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容。但這種方案在安全性上還是存在隱患，IPSec保護(hù)距離較短，在節(jié)點(diǎn)到PE間沒有保護(hù)。PE承受的壓力較大，需要同時(shí)使

17、用兩種技術(shù)，使得配置復(fù)雜，成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。第二種方案顯然是將IPSec隧道延伸到CE，使CE成為IPSec網(wǎng)關(guān)。這種方案的關(guān)鍵在于PE要能識別新的IP頭信息，尤其是在隧道模式中原IP包頭被拆分的情況下。PE要根據(jù)新的IP信息給加密的數(shù)據(jù)包綁定標(biāo)簽配置VRF。這種方案的安全性比第一種方案大大增強(qiáng)，但每個(gè)IPSec設(shè)備都要與其他用戶建立隧道。在整個(gè)VPN網(wǎng)絡(luò)貫穿加密認(rèn)證手段必然增加網(wǎng)絡(luò)延遲和用戶開銷，因此在QoS方面不如第一種方案。4結(jié)束語本文針對移動IP網(wǎng)絡(luò)中的QoS及安全問題，提出了采用主流IP VPN技術(shù)結(jié)合到移動IP網(wǎng)絡(luò)中的模型，并考慮將兩種VPN技術(shù)結(jié)合。在兩個(gè)結(jié)合方案中，前一種重在QoS

18、，后一種安全性能更高。因此在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合具體情況來選擇方案。參考文獻(xiàn)1Matteo Berioli,Francesco Trotta.IP Mobility Supportfor IPsec-based Virtual Private Networks:an architec-turalsolution.inGlobalTelecommunicationsConfer-ence,20032Bhagavathula R.Mobile IP and Virtual Private Net-works.in Vehicular Technology Conference,20023Namhi

19、Kang.Efficient application of IPsec VPNs inwirelessnetworks.inWirelessPervasiveComputing,20064Xue Jian-sheng.The research and practice of Mobile IPposition management based on Virtual Private Network.in Wireless Communications,Networking andMobileComputing,20065周賢偉.移動IP與安全.北京：國防工業(yè)出版社，2005.顧瑋奇（1983），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)安全。收稿日期：2008-11-12圖3基于CE的MPLS IPSec集成方案!論 文 選 粹41