基于WiMAx技术的武警部队无线视频监控系统

0 引 言
    视频监控系统已广泛用于武警部队，有力提升了武警部队的执勤备战能力。但武警部队驻扎范围广，如水坝、重要仓库、矿产资源基地、桥梁、隧道等，监控点分散且与监控中心距离较远，利用传统有线网络的视频监控往往成本高且难以实现，其次实时视频监控的需求越来越多，对同一套系统的覆盖面和实施距离也提出了更高的要求。在这些情况下，基于多种无线传输手段的移动视频监控体现出了不可替代的优势。无线局域网和无线宽带接入技术，可以将多个监控点和远端控制中心连接起来，可以在最短的时间内快速建立起无线监控网络。
    目前常用的无线接入技术包括Wi-Fi、微波以及WiMAX等。与其他技术相比，WiMAX具有传输距离远、接入速率高、带宽高等优点，可以保证视频流的传输质量，同时使监控系统在接入层的部署更为快速、简便。本文结合武警部队特点，提出了一种基于WiMAX无线宽带接入技术的监控系统设计方案，也适用于其他应急状态下组建监控网络，并给出了系统建设中注意事项。

1 WiMAX技术特点和优势
    WiMAX是一项新型的无线通信技术，全名为微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Micro-wave Access)，是基于IEEE 802．16标准的宽带无线接入城域网(Broadband Wireless Access MetropolitanArea Network，BWAMAN)，能提供面向互联网的高速连接。WiMAX技术具有较高的数据传输速率，最高可达到75 Mb／s；传输距离远，最大传输半径50 km，其网络覆盖面积是3G基站的10倍。
1．1 WiMAX系统组成
    WiMAX网络体系结构如图1所示，其由核心网络、基站、用户基站、接力站、用户终端设备及网管组成。通常的WiMAX系统包括一个基站和多个用户基站，也可以根据需要设置若干个接力站，形成单点对多点或多点对多点的体系结构。

    核心网络：WiMAx连接的核心网络通常为传统交换网或因特网。WiMAX提供核心网络与基站间的连接接口。
    基站：提供用户基站与核心网络间的连接，通常采用扇形天线或全向天线，可提供灵活的子信道部署与配置功能，并根据用户群体状况不断升级扩展网络。
    用户基站：属于基站的一种，提供基站与用户终端设备间的中继连接，通常采用固定天线，并被安装在屋顶上。基站与用户基站间采用动态适应性信号调制模式。
    接力站：通常用于提高基站的覆盖能力，即充当一个基站和若干个用户基站(或用户终端设备)间信息的中继站。
    用户终端设备：完成具体的应用功能，例如视频监控。
    网管系统：用于监视和控制网内所有的基站和用户基站，提供查询、状态监控、软件下载、系统参数配置等功能。

1．2 WiMAX技术用于的武警部队无线视频监控系统的优势
    武警部队所使用的视频监控系统，一般数百米内设一个监控点，具有覆盖范围广，覆盖点多、质量要求高等特点。而目前无线监控系统多使用基于Wi-Fi的IP无线监控技术，其采用IEEE 802．11作为无线传输标准，传输距离仅几百米，其数据传输率较低，QoS机制不够完整，这都限制其在武警部队中的应用。
    WiMAX的覆盖能力完全满足视频监控点的分布特点，在一个WiMAX基站覆盖范围内可存在多个连续设置的监控点。同时，WiMAX具有非视距传输的特性，可以满足复杂环境中的传输要求。WiMAX还可以作为有线网络接入(Cable、DSL)的无线扩展，方便地实现边远地区的网络连接。
    WiMAX采用面向连接方式，定义了完整的QoS机制。其MAC层支持4种业务：非请求的宽带分配业务、实时轮询业务、非实时轮询业务、尽力传输业务，向用户提供具有QoS性能的数据、视频和语音服务，能够满足视频监控所需的QoS要求。
    采用802．16d标准工作在频分双工模式(即FDD模式)上的WiMAX，占用一对3．5 MHz频点，一个扇区可提供的上、下行总带宽超过15 Mb／s；每个WiMAX客户端(即WiMAX CPE——Client Produce Equipment，用户端设备产品)可提供最大10 Mb／s的吞吐量，能够满足各种带宽需求的监控要求；按照每个监控点1 Mb／s带宽需求，单个WiMAX基站可支持10个左右的监控点视频传输需求。

2 基于WiMAX技术的武警部队无线监控系统
    本系统由前端视频采集、网络传输以及视频信息管理三个子系统组成。前端视频采集子系统主要用于信息监控。网络传输子系统以无线和有线方式完成监控中心和前端视频采集的数据交换。视频信息管理子系统主要完成视频信息的存储、转换、加密等。系统的整体结构如图2所示。

2．1 前端视频采集子系统
    前端视频采集子系统位于监控点，主要进行监控数据的采集，包括无线摄像机、云台、解码器等设备。前端系统的传输接入必须采用数字接入方式，在前端就将图像转化成数字信号再传递到监控中心，以减少传输带宽。
    该系统选用的无线摄像机是一种集视频压缩技术、网络技术、嵌入式等多种先进技术于一体的数字摄像设备。集成了镜头、光学过滤器、影像感应器、视频压缩卡、无线网卡等设备，能够实现视频采集、视频压缩以及无线网络传输等诸多功能，这样无需计算机的协助便可独立完成监控点的工作。无线摄像机有自己独立的IP地址，这样监控中心以及城域网上的用户使用标准的浏览器就可以根据IP地址对网络摄像机进行访问、观看实时图像和监测数据；授权用户可以通过网管系统远程控制摄像机和云台镜头的动作或对系统进行配置，从而可以对目标进行全方位的监控。
    云台是安装和支撑摄像头的设备，分为两种固定云台和电动云台。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后，只要锁定调整状态就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围，通过接收来自控制器的信号精确地运行定位。由于不同厂家的云台和控制设备所使用的协议都各不相同，解码器主要用于中转控制端发出的数字信号。
2．2 网络传输子系统
    网络传输子系统由WiMAx　CPE、无线基站和IP承载网组成。WiMAX　CPE作为WiMAX网络的无线客户终端，布设于监控点，使用小波束角定向天线，完成与基站的数据相互交换。无线基站主要接入多个WiMAX　CPE设备，同时完成与IP承载网的数据交换。单WiMAX扇区站下可支持多CPE，每个CPE负责接入一个或多个视频监控前端，CPE的射频模块将信号变频到适宜的频率经天线发送到WiMAx基站，实现对多个监控点视频信号的汇聚。
2．3 视频信息管理子系统
    视频信息管理子系统设在监控中心，主要由视频存储服务器和监控管理服务器组成，完成视频信息的存储、管理、查询、系统配置和实时监控等任务。监控管理服务器为整个视频监控系统提供业务逻辑控制，完成监控中心的视频图像切换或分发，对WiMAX CPE进行参数配置、实时查看指定点监控信息，是视频监控的核心业务实现平台。数据库服务器完成视频监控信息的存储、管理与备份，并为局域网的其他服务器和授权用户提供历史数据浏览、检索等服务。
    当视频信息传送到监控中心后，监控管理服务器首先对视频信息进行分析，判断是否是授权用户所需要实时浏览的监控信息，如果是则将其转发至指定用户，例如电视墙或者网内其他用户，同时将视频信息传送至视频存储服务器进行归档管理。同时，监控管理服务器接收管理人员的管理指令，并将指令发送至指定的CPE设备，进行监控点参数配置等工作，如图3所示。

3 系统建设的注意事项
    系统在建设和使用过程中还需要注意以下四点，确保系统的顺利应用。
    基站选址应根据业务分布实际情况，选择业务密集区中心的制高点(某铁塔上或山顶)作为中心基站的站址，尽量提高无线链路的可靠性，避免因地形及遮挡物等不良因素，保证视频信息传输质量。
    无线系统抗干扰能力 地面无线接入系统往往受到来自于其他扇区的邻频或同频干扰。要想有效克服干扰的影响，首先在施工中尽可能选用具有抗干扰技术设计的设备，其次必须合理网络规划，选择基站位置和用户端天线位置、方向等，以确保系统内各用户终端间的相互干扰降低到最低限度。在工程中选用具有BIT／SK，QPSK，16QAM，64QAM等多种调制方式自适应切换技术的系统，可充分保证系统大容量数据传输支持能力和无线链路的可靠性。
    频率规划和负载均衡系统规划之初要在已有频率的基础上，充分考虑天线配置的灵活性和热点分布特点，在满足覆盖和容量的前提下高效的使用频率。系统开通后，仍需对各基站各扇区的流量进行长期跟踪观测，实时调整修正与实际容量不相适应的扇区。如一扇区按照10 Mb／s的容量进行设计，经观测发现，该扇区的需求量明显小于10 Mb／s，则从该扇区将多余的载波到移到其他流量需求大的扇区使用，以提高整系统的频率利用率，保持负载均衡。
    视频图像压缩技术 视频图像信息量庞大，而无线信道带宽相对有限，正确选择压缩标准能够保证视频信息流畅地传输。建议选用H．264技术，比H．263节约50％左右的传出码流，可以大大减小传输的数据，很好地解决图像信息和带宽之间的突出矛盾。

4 结 语
    本文提出了基于WiMAX无线宽带接入技术的视频监控系统，具有监控范围广、安装方便、灵活性强等优点，适合于武警部队进行大规模临时场所，需要快速构建监控系统或边缘地区不易进行有线接入的地方应用，对提高武警部队战斗力有着实际的意义。随着WiMAX技术的日趋成熟，它的应用将在实时监控系统中发挥重要的作用。