基于运营商网络的无线视频监控新方法

摘要：随着运营商网络的飞速发展，以及无线传输技术的日益成熟，传统意义上的监控模式已不能满足人们对多元化视频监控的需求，基于运营商网络的无线视频监控油然而生。文章通过初步调查，对现今视频监控业务的需求进行分析，提出了适用于多种场景的无线视频监控模式，加以运营商提供的优质无线网络环境，并对运营商针对监控业务需求方的配合提出了建议。根据无线视频监控对于带宽的要求，分析了目前运营商网络中较为成熟的3G和无线网络分布系统，提出无线网络分布系统将成为其最主要的承载媒介。整套系统既发挥了无线视频监控的主要功能，又提供了除传统PC以外如手机终端等更多元化的访问模式，尽显了基于运营商网络的无线视频监控的技术特点和经济优势。
关键词：无线传输技术；3G；多元化；优质无线网络环境

0 引言
    近年来，随着通信技术的不断进步和发展，视频监控技术越来越多地进入人们的日常生活和工作中。伴随着平安城市理念的出台，相较重大公共领域固定的高端市场，24小时便利店、超市、购物中心、百货店、车辆加油站等都为视频监控的应用提供了更加广阔的平台。针对这类日常生活接触的园区和室内监控场景，是否有一种最为适当便捷的应用模式，可在多场合中提供视频监控，这是一个值得我们探究的课题。

1 视频监控的发展历史
    视频监控制技术的发展大致经历了三个阶段：第一阶段，70年代末到90年代中，这个阶段以闭路电视监控系统为主，也就是第一代模拟电视监控系统。其传输媒介为视频线缆，由控制主机进行模拟处理。主要应用于银行、政府机关等高档场所。第二阶段，90年代中至90年代末，以基于PC机插卡式的视频监控系统为主，此阶段也被称为半数字时代。其传输媒介依然是视频线缆。由多媒体控制主机或硬盘录像主机(DVR)进行数字处理与存储。此阶段应用也多限于对安全度要求较高的场所。第三阶段，90年代末至今，以嵌入式技术为依托，以网络、通信技术为平台，以智能图象分析为特色的网络视频监控系统为主，自此，网络视频监控的发展也进入了数字时代。网络视频监控的应用不再局限于安全防护，逐渐也被用于远程办公、远程医疗、远程教学等领域。

2 视频监控的发展趋势
    伴随着用户市场需求的变化以及相应的计算机技术、编解码技术、网络传输技术的发展，视频监控技术将会呈现以下几方面的发展趋势：
    (1)IP化。随着Internet技术的发展，基于IP的视频监控更能为人们所接受，网络摄像机把压缩的视频信息通过TCP／IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，拥有授权的用户可以随时访问互联网，实现对整个监控系统的指挥、调度、存储、授权控制等功能。
    (2)无线化。当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固定(如出租车、运钞车等)时，利用传统有线网络的视频监控往往成本高且难以实现，而基于多种无线传输手段的移动视频监控则具有不可替代的优势。应该看到，随着无线宽带技术的进一步发展，无线视频监控将以其组网灵活、受地域限制少的优势被越来越多的应用。
    (3)集成化。随着社会的发展进步，视频监控系统将成为全社会的公共资源而趋于共享，目前相关厂家提供的解决方案是面向电信运营商的可运营的平台，实现跨区域的统一监控、统一存储、统一管理、资源共享，同时能够融合IPTV、3G流媒体、可视通讯、会议电视等多媒体业务。
    (4)智能化。智能化是视频监控技术发展比较高级的层次，随着技术的发展，全智能的监控系统将要求事发前能够识别并做出正确的判断，为人们提供最为有效、及时的快速反应措施。

3 适用于多场景视频监控的技术特点
    因此，符合发展趋势，并能适用于多场景的视频监控技术至少具备以上四点条件的前三点，即兼顾IP化、无线化和集成化的视频监控应用模式。
3．1 IP网络视频监控的特点
    所谓IP网络视频监控系统，就是能够将视频信息数字化，并通过有线或无线IP网络进行传输。这使实时监控和录像等功能可以扩展到所有具备网络连接的地方，同时也使这类系统可以方便地与其他安防系统(如门禁系统等)实现无缝对接。IP监控解决方案可以全部由网络摄像机构成，也可以由模拟摄像机加视频服务器构成，或者同时由两者混合构成。与传统的模拟监控系统相比，数字监控系统具有更为强大的功能：1)利用网络可实现远距离高质量信号传输；2)更加安全可靠；3)更加强大的分析处理视频图像的功能；4)升级扩容简单方便。
    IP监控正是由于它系统的安全性、低成本和可扩展性，逐渐巩固了其在现有监视市场的应用地位。
3. 2 无线视频监控的特点
    无疑，IP网络视频监控加以后台软件端的支撑，基本可以做到视频监控IP化和部分的集成化，加以无线通信技术的扩充应能构成最为实用的应用模式。所以不难推论我们所探究的能适用于多场景的视频监控技术必然也包含了无线视频监控的元素。
    随着无线通信技术的日益发展，传输带宽不断提高，通信终端的实时信息处理能力飞速增强，无线多媒体应用日渐成为业内关注的焦点，也成为人们的必然需求。无线化视频监控包括两方面内容：一是监控中心的移动。通常情况下，被监控对象或是摄像机往往是固定的，而作为监控系统的使用者(监控中心)则可以是动态的。二是视频监控网络的无线化。当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固定时，利用传统有线网络的视频监控技术往往成本高且难以实现。无线视频监控的优势体现在：
    (1)综合成本低，只需一次性投资，无需布线，不破坏原有的环境设施，施工周期短，可随时改变监控点位置，最大限度保护用户投资，“一劳永逸”；
    (2)不受地形限制，监控点增减方便灵活，可监控距离长；
    (3)维护费用低，无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统；
    (4)图像质量可控、资料检索方便。
    其中，特别需要提到的是，在很多施工环境下，由于户外破路受限或者室内装修不能破坏的情况下，有线视频监控很难顺利完成。而无线视频监控技术恰恰能很突出地解决这一难题。因此，将无线传输技术融合在IP网络视频监控中的无线视频监控基本能满足在各场合中提供视频监控的需要。
    然而，无线视频监控技术亦不是十全十美的，其本身也存在一定的局限和缺点。其中最为突出的就是无线传输过程中受干扰因素过多。户外天气的变化，室内一扇门、一堵墙等任何隔断都会对无线传输的路径损耗造成相应的影响，降低视频传输质量，甚至出现偶尔的间断。由于这一难点的确在无线传输技术中无法避免，我们只能在寻求更好的无线网络环境上入手。考虑到这一点，运营商的网络环境自然是不二的选择。于是基于运营商网络的无线视频监控应运而生。

4 基于运营商网络的无线视频监控分析
4．1 运营商网络环境对比
    目前运营商主要建设的适用于视频监控的无线环境有WLAN和3G网络。其中3G网络信号覆盖主要分为室外宏站的广域覆盖和室内分布系统的热点覆盖两类。3G网络视频监控是通过在网络摄像头中加置3G模块以将信号编码后通过3G网络传输至IP网络，但由于各家运营商所建3G网络标准不同，而各地区所接收网络信号参差不齐，为其推广带来弊端。虽然3G已经开始应用于无线视频监控，但在传输数据量巨大的视频流时，除了资费问题外，仍然存在一些问题：
    (1)无线网络的带宽与频率资源更为有限。由于公共移动通信网络的单个终端有效带宽相当有限，往往需要同时承载语音、数据等传输业务。目前的3G网络即使用来传输CIF图像，一个基站只能带几个监控点，而且3G网络速度不稳定，只能作为辅助手段；
    (2)无线信道的误码率比较高，特别是当终端设备处于移动状态时，可用带宽和误码率指标有较大幅度下降，可用带宽经常发生波动，高带宽的视频监控数据易发生丢包，可靠性低；
    (3)通信系统为共享信道资源，在应急情况下发生局部性负荷剧增时，有可能造成不可容忍的延时甚至阻塞问题。
    故在目前的大环境下，3G网络视频监控并不成熟，有待发展。而基于WLAN所提供的丰富稳定的带宽，运营商所提供的WLAN热点覆盖的网络建设则为无线网络视频监控的应用提供了更优的平台。
4．2 运营商WLAN分布系统分析
    运营商的WLAN分布系统一般是由该热点或覆盖区域所属的传输机房为中心呈树型结构分布的。比如在园区内，每个子楼中布放相应数量的楼道交换机，由其按需求分配到各楼层设置对应数量的AP，再由AP在其管辖楼层连接若干副天线发射运营商的WLAN信号。而最终由在传输机房内的汇聚交换机对所有楼道交换机进行收敛后上联至传输设备，经由其通过运营商传输平台进入IP网络。对于单栋楼宇亦然，即在多楼层设置一定数量楼层交换机负责该区域的AP，AP下挂天线覆盖，而传输机房内的汇聚交换机对其收敛后向外。
    目前运营商的WLAN主要是依照IEEE802．11g的标准，基于IEEE802．11g的WLAN具有速率高、覆盖范围较大、价格较低、设备的互用性好(WIFI联盟统一认证)且向后兼容IEEE802．11b等优点。已经成为当今WLAN的主流标准。IEEE802．11g的标称数据率最高可达54Mbps。然而在实际使用中，发现基于IEEE802．11g的WLAN传输的净数据率远低于标称值。影响其最主要的因素有：1)成帧效率；2)信道共享效率；3)冲突避免效率。所以实际情况下，一般WLAN的传输净数据率为20Mbps左右。
4．3 基于运营商WLAN分布系统的无线视频监控应用解析
    针对通常情况以本地监控为主的无线视频监控，基于运营商整套无线网络分布系统加以应用，建议向运营商网运单位申请对其分布系统中的交换机划分不同VLAN。令前端监控摄像头采集的视频信息通过编码后由WLAN传至AP后经由数据分流功能以不同的SSID从AP、楼道交换机传至汇聚交换机。并通过与汇聚交换机级联的方式将数据传送到本地监控中心的交换机上，再经由多媒体服务器到监控用PC上，由后端软件提供多路视频监控观看。在无线视频监控系统中，按前端采集点向无线AP传输图像选择D1格式，码流设置为平均传输速率2Mbps。在不妨碍普通用户从其他终端(手机、笔记本电脑等)访问运营商WLAN的使用环境下，每个AP至少能带5路以上视频，基本可以满足一般的视频监控需求。需要指出的是，在此无线视频监控应用中，需将用于视频监控的SSID单独命名后在公共广播中隐藏，避免其他用户干扰。另一方面，鉴于无线信号在传输介质中易受干扰的情况，考虑针对特定重要位置的前端无线网络摄像机配置大容量SD卡以存储当天视频信息，做到前后端分开存储的模式，以确保整个监控系统的安全性。按照每个监控点以D1格式存储1天需要消耗21G(2Mbps／8×3600秒×24小时／1024)，在重要位置的前端采集点可配置32G或64G的SD卡以存储当天信息。
    值得一提的是，此类基于运营商WLAN网络的无线视频监控已有实际运用的经验。笔者有幸在2011年曾接触过一个项目，上海某三甲医院为保障院内人员财产安全，需部署视频监控系统。而其本身有几栋市级保护建筑，历史悠久，对布线带来很大困难。院方一再强调不能破坏建筑内环境，并提出以下要求：1)少量布线即可对医院各个监控点进行全方位实时监控；2)各视频监控点集中管理，数据存储安全可靠；3)系统故障率低、维修方便迅捷，以保证监控的连续性；4)除本地监控外，将来有需要可拓展远程多终端视频观看。针对院方所提的需求进行概括，其本质即在视频监控质量不降的情况下尽可能地减少布线。这为该工程的技术实现带来了不小的挑战，所幸该医院之前已做过上海移动WLAN覆盖工程，在院内进行了少量布线，并在楼道口集中布放了交换机。因此方案团队最终尝试采用无线视频监控模式，并架设在运营商LAN分布系统的基础上。监控点均设置在WLAN分布系统最末端的天线附近，以确保监控点与天线间仅存在自由空间路径损耗，而无门墙等隔挡，能更好地提供信号传输环境。由于整个系统是架设在运营商接入网络中的，所以为后期拓展远程观看服务也提供了基础，很好地满足了业主所提的要求。这一案例为此类新应用提供了扎实的依据和实践数据，其系统网络架构图如下：

    针对远程客户端的视频监控功能，此应用也可以拓展。仅需运营商为监控场所建设一根数据专线，即可通过VPN方式令具有相关权限的用户从远程观看视频。不仅如此，由于此应用基于运营商网络，用户可选择视频监控的终端。依靠现今3G网络的支撑，也可选择以QCIF、QVGA等格式在手机终端上观看。真正做到了无线视频监控的集成化、多元化。可见，无线视频监控一旦以运营商的网络为基础后，在远程观看终端上也将出现革新和突破。
4．4 基于运营商网络无线视频监控的特点
    因此，本视频监控是一种基于运营商网络的无线网络视频监控，必须建立在监控场所已建运营商WLAN网络分布系统的基础上。协调运营商划分原WLAN系统的VLAN，以提供一个新的VLAN用于本地视频监控。并为前端重要位置的无线网络摄像机配置SD卡，以弥补无线传输过程中可能的不稳定因素。此应用亦可通过该场所的外部传输光缆连接运营商大网后提供远程多终端视频观看。在真正意义上达到视频监控应用向集成化发展的目的。具体归纳其特点如下：
    (1)工程布线量最小化，在原有分布系统基础上，几乎零布线；
    (2)无线信号损耗最小化，无线传输部分几乎仅存在自由空间路径损耗；
    (3)频点干扰最小化，AP设置合理，已由运营商覆盖方案全权考虑；
    (4)监控后端布线系统维护安全级别更高，其AP、交换机及馈线等由运营商维护；
    (5)采用前后端分开存储，真正做到视频信息双备份，以弥补无线传输不稳定。
    (6)综合成本最低，大部分需布线处已由运营商前期投资；
    (7)后期护容简便，无线方式仅需考虑供电与带宽，无新增布线量。可灵活增加监控点位。
    (8)后期可根据需求拓展远程观看模式，提供多种终端监控，真正做到集成化、多元化。

5 结语
    综上，伴随各大运营商近年来在“无线城市”概念上的充分诠释，WLAN网络的高密度建设几乎在我们日常接触的园区、商务楼、卖场等公共场所均已完成无线网络覆盖，因此，此视频监控的新应用理应逐渐被用于各种场景。
    视频监控系统的发展一直是以应用的便捷性、技术的先进性为方向。基于运营商网络的无线视频监控无论是应用、技术还是发展环境上都具备独特的魅力和优势，相信不久的将来在监控模式中必将占有一席之地。