0 引言
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本都是定點監(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。基于無線通信網(wǎng)絡的移動監(jiān)控技術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)絡有GSM 網(wǎng)絡、GPRS 網(wǎng)絡、CDMA 1X 網(wǎng)絡，利用無線信道傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻己經(jīng)可以實現(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)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">信息存在安全漏洞等問題。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)與應用，WiMAX 具有良好的非視距特性和高帶寬， 可以滿足復雜城市環(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、不易敷設線纜地方的視頻監(jiān)控的問題，比如旅游景點等。
1 WiMAX 系統(tǒng)概述及網(wǎng)絡體系結構
在市場和技術的共同驅(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 是一項基于IEEE 802.16空中接口標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)（BWAMAN）技術。2007 年10 月，國際電信聯(lián)盟（ITU）已批準WiMAX 寬帶無線接入技術成為移動設備的全球標準。WiMAX 成為繼WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA后全球第四個3G 標準。
WiMAX 系統(tǒng)的通信實體包括移動用戶臺（MSS）、接入服務網(wǎng)絡（ASN）、連接服務網(wǎng)絡（CSN）和應用服務提供商（ASP）網(wǎng)絡或者Internet.有關非漫游模式端到端參考模型如圖1 所示。
圖1 基于802.16 的非漫游模式端到端參考模型
ASN 由基站（BS） 和ASN 網(wǎng)關（ASN GW） 構成， 作為一個邏輯實體， 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)關是BS 和CSN 通信的管理通信實體。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)絡功能的組合，為WiMAX 用戶提供IP 連接。CSN 包含許多功能實體，如路由器、AAA 代理或者服務器、用戶數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)關等。
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)的功能實體中， 協(xié)議接口兩側(cè)的網(wǎng)絡實體通過標準的協(xié)議接口上的協(xié)議實現(xiàn)互操作。圖1 包含了非漫游模式端到端模型定義的主要接口。
2 WiMAX 系統(tǒng)采用的關鍵技術
WiMAX 技術是新一代寬帶無線接入技術，通過接入核心網(wǎng)從而提供業(yè)務。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，其技術優(yōu)勢可簡要概括為以下幾點：a）傳輸距離遠，WiMAX 的無線信號傳輸距離最遠可達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）基站對信道資源進行集中管理，實現(xiàn)了空口的QoS 管理。
2.1 正交頻分復用（OFDM）技術
OFDM 是一種多載波傳輸技術，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進行并行發(fā)送，這是最樸素的實現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒āＴ跀?shù)字信號處理技術FFT 發(fā)展的推動下， 允許將各個子載波重疊排列，同時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 技術成為新一代無線通信的核心技術，是由于它具有以下優(yōu)點： 頻譜效率高、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配、實現(xiàn)OFDM 技術較簡單。
2.2 多進多出（MIMO）技術
MIMO 技術可以在不消耗額外空口資源的基礎上成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。
MIMO 系統(tǒng)是指在發(fā)射機/ 接收機采用多天線發(fā)送/ 接收的系統(tǒng)，MIMO 系統(tǒng)之所以可以在不消耗額外時間和頻率資源的基礎上大大提高系統(tǒng)容量，是因為它利用了第三種資源---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單出信道。
2.3 自適應調(diào)制編碼（AMC）技術
AMC 的原理是根據(jù)用戶瞬時信道質(zhì)量狀況和當前資源，選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式。
靠近基站的用戶接收信號功率強， 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；當信號較差時，則選取低階調(diào)制方式（如QPSK）和低速率信道編碼（1/4 編碼速率） 來保證通信質(zhì)量。
WiMAX 采用AMC 作為基本的鏈路自適應技術對調(diào)制編碼速率進行選擇。
3 WiMAX 在視頻監(jiān)控中的實際應用
WiMAX 技術提供了靈活的QoS 機制，可以根據(jù)不同的業(yè)務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)絡帶寬的穩(wěn)定性，同時又可以有效地利用網(wǎng)絡資源。WiMAX網(wǎng)絡承載包括兩部分：無線承載和IP 傳輸承載。無線承載通過IEEE 802.16 機制提供端到端的QoS服務，IP 傳輸承載則采用DiffServ 和多協(xié)議標識交換（MPLS）等IP 網(wǎng)絡的技術來保證QoS.
典型的IP 智能監(jiān)控解決方案拓撲結構如圖2所示。
圖2 無線接入視頻監(jiān)控解決這群組網(wǎng)圖
在實際組網(wǎng)中，根據(jù)視頻監(jiān)控點分布的位置，結合可安裝WiMAX 無線接入基站的機房資源、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的分布情況以及可用頻率資源情況， 選擇合適的站址設立WiMAX 中心站（基站）。各監(jiān)控點作為無線接入的遠端站， 通過和基站間的空中鏈路實現(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)控點的數(shù)據(jù)通過WiMAX 無線接入的方式經(jīng)過中心機房匯聚后接入監(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)控中心和遠程監(jiān)控四個部分組成。
3.1 視頻采集前端系統(tǒng)
由攝像頭、監(jiān)聽頭、對講設備、報警探頭和編解碼器等組成， 其中的編解碼器采用的是H3C 的設備。當前端到中心的帶寬足夠、允許中心存儲時，前端配置EC 編碼器；當帶寬有限、無法中心存儲時，采用支持前端存儲的ECR 編碼器；當前端需要解碼還原圖像時， 通過加裝的DC 解碼器實現(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 支持移動偵測報警， 支持通過RS485 口對云臺、球機的控制，支持接入對講設備和報警輸入輸出設備，滿足視頻監(jiān)聽、云臺控制、對講和報警接收聯(lián)動的基本需求。同時支持本地緩存，當網(wǎng)絡故障時可以保存圖像信息。
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、球機的控制，支持接入對講設備和報警輸入輸出設備。內(nèi)置最大8 個盤位和支持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，通過EC 編碼器擴展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)場電視機或者其它影像設備， 用于展示實時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)控中心主機統(tǒng)一配置、認證和網(wǎng)管。
3.2 無線傳輸系統(tǒng)
通過WiMAX 的遠端站CPE（客戶端設備），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制來保證網(wǎng)絡的安全性。
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)絡層、傳輸層、會話層等）上的安全機制，這些機制包括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備認證機制， 并且應用密鑰變換進行加密以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性。當兩個設備建立連接，協(xié)議就發(fā)揮了確保機密性和認證設備的作用。
3.3 監(jiān)控中心
監(jiān)控中心的核心設備包括集成監(jiān)控中心主機和集成監(jiān)控中心輔機。作為整個系統(tǒng)的核心管理服務器， 可以對前端和中心所有的編解碼器進行統(tǒng)一配置、認證和網(wǎng)管，對所有用戶訪問進行統(tǒng)一認證，對報警、云臺控制、解碼輸出控制的輸出指令進行接收、轉(zhuǎn)發(fā)和聯(lián)動處理。主機內(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)控中心主機作為整個系統(tǒng)的Web 服務器為用戶提供Web 客戶端訪問服務， 通過Web 客戶端可以實現(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，實現(xiàn)圖像語音監(jiān)視監(jiān)聽、圖像查詢回放、報警接收等功能。Web 客戶端還可以通過主機發(fā)送指令給中心解碼器解碼輸出視頻信號上電視墻， 實現(xiàn)數(shù)字矩陣的功能。集成監(jiān)控中心主機配合輔機可以作為NVR 網(wǎng)絡視頻錄像機使用， 主機和輔機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個盤位NAS 存儲空間可以提供高質(zhì)量的存儲服務，同時提供RAID5 保護。
主機內(nèi)置了豐富的人機界面接口， 可以接入顯示器、監(jiān)視器、專業(yè)鍵盤和鼠標，方便監(jiān)控中心操作人員直接在主機上監(jiān)視、控制遠程圖像，并通過中心的視音頻采集通道和對講通道實現(xiàn)和現(xiàn)場人員的可視對講、廣播。
3.4 遠程監(jiān)控
遠程監(jiān)控中心可以通過Web 客戶端訪問控制中心的主機，在授權范圍內(nèi)實現(xiàn)基本視頻功能，同時還可以通過遠程監(jiān)控中心配置實現(xiàn)二級監(jiān)控。
4 結束語
與傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比， 采用IEEE802.16 技術標準，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，突破了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有線傳輸?shù)南拗疲瑢崿F(xiàn)了"最后一公里"的無線接入，有利于在光纖不易敷設的地方快速架設、組網(wǎng)。
