基于WiMAX技術(shù)的遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)

王現(xiàn)兵

(重慶大學(xué)，重慶 400030)

基于WiMAX技術(shù)的遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)

王現(xiàn)兵

(重慶大學(xué)，重慶 400030)

監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)普及帶動(dòng)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。隨著用戶的增多單獨(dú)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的布置與設(shè)計(jì)，使得資源重復(fù)布置的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。基于WiMAX技術(shù)的城域網(wǎng)，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和天線技術(shù)，解決了移動(dòng)寬帶無線接入問題。以WiMAX技術(shù)為基礎(chǔ)的城域網(wǎng)是一種可高效傳輸話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等信息，集各種寬帶多媒體業(yè)務(wù)于一體的綜合寬帶網(wǎng)絡(luò)。WiMAX技術(shù)可以提供中、高速移動(dòng)情況下高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。從WiMAX技術(shù)的特點(diǎn)來看，該技術(shù)能夠很好地支持移動(dòng)視頻監(jiān)視工作。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)；移動(dòng)用戶；WiMAX技術(shù)；城域網(wǎng)；寬帶接入；OFDM技術(shù)；QoS機(jī)制；壓縮技術(shù)

1 引言

視頻監(jiān)視越來越廣泛地應(yīng)用于各種環(huán)境，如超市、各種營業(yè)廳、工廠車間、住宅小區(qū)、家庭等。監(jiān)視系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的種類多種多樣，有的單獨(dú)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，如銀行等的營業(yè)廳、住宅小區(qū)、超市等；有的利用其他網(wǎng)絡(luò)，如家庭監(jiān)視可以使用互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)等。隨著監(jiān)視場所的增加，單獨(dú)設(shè)計(jì)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)會(huì)造成大量資源的浪費(fèi)，并且增加用戶成本，同時(shí)靈活性差，不易于系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。借助互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)視系統(tǒng)，傳輸圖像速度慢，兩端都不能移動(dòng)，這對于監(jiān)視場所不固定的用戶來說難以實(shí)現(xiàn)，如公交公司對公交車上的情況進(jìn)行監(jiān)視，移動(dòng)用戶對家庭或工廠等的監(jiān)視。因此，監(jiān)視系統(tǒng)需要有一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)載體。WiMAX技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用能夠有效地解決監(jiān)視系統(tǒng)移動(dòng)性等問題，讓監(jiān)視移動(dòng)起來。

2 WiMAX技術(shù)支持遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)

以WiMAX技術(shù)為基礎(chǔ)的城域網(wǎng)是一種可高效傳輸話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等信息，集各種寬帶多媒體業(yè)務(wù)于一體的綜合寬帶網(wǎng)絡(luò)，目前，WiMAX技術(shù)擁有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。WiMAX技術(shù)以IP技術(shù)和ATM技術(shù)為基礎(chǔ)，且WiMAX技術(shù)比3G技術(shù)更具有優(yōu)勢，可以提供高速的數(shù)據(jù)接入。

WiMAX技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大。WiMAX技術(shù)采用先進(jìn)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、OFDM技術(shù)和天線技術(shù)（波束成形技術(shù)、天線分集技術(shù)和多扇區(qū)技術(shù)）。WiMAX技術(shù)還采用Mesh、Beam-Forming、MIMO等先進(jìn)技術(shù)改善非視距性能，系統(tǒng)增益提供了更強(qiáng)的遠(yuǎn)距離穿透能力。WiMAX技術(shù)基站覆蓋半徑最大可達(dá)50公里。

（2）數(shù)據(jù)傳輸率高。WiMAX技術(shù)具有足夠的帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)75Mbit/s。

（3）支持TCP/IP協(xié)議。WiMAX技術(shù)支持TCP/IP協(xié)議，滿足TCP/IP協(xié)議對信道傳輸質(zhì)量的要求。WiMAX技術(shù)在鏈路層加入ARQ機(jī)制，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)差錯(cuò)，大大提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量。

（4）系統(tǒng)容量的可升級性。WiMAX信道帶寬規(guī)劃靈活，適用于多種頻率分配情況，新增扇區(qū)容易。運(yùn)營商可以根據(jù)用戶的多少擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，WiMAX技術(shù)可以同時(shí)容納超過60個(gè)T1級別的商業(yè)用戶和上百個(gè)DSL數(shù)據(jù)速率的家庭用戶接入網(wǎng)絡(luò)。

3 基于WiMAX技術(shù)監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于WiMAX技術(shù)的移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于WiMAX技術(shù)的移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)

上圖中攝像頭用于監(jiān)控現(xiàn)場，并將拍攝的視頻信息傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行視頻信號的處理。計(jì)算機(jī)采用視頻壓縮技術(shù)將視頻信號壓縮并編碼成某種文件類型，如MPEG-2格式的視頻文件，MPEG-2分為不同的等級如下表1所示：

表1 MPEG-2數(shù)據(jù)速率表

WiMAX技術(shù)支持的最大數(shù)據(jù)傳輸率為75Mbps，因此可以支持MPEG-2等多種視頻編碼格式數(shù)據(jù)的傳輸。計(jì)算機(jī)將處理好的視頻文件通過WiMAX網(wǎng)卡（IEEE 802.16e卡）傳到WiMAX BS，由基站傳給另一終端；或者WiMAX基站利用熱點(diǎn)回傳方式將文件傳給其他基站，再由其他基站將文件發(fā)送給終端；或者WiMAX基站利用骨干網(wǎng)進(jìn)行傳輸，如Internet或電信網(wǎng)絡(luò)等。

3.1 遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)中WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)

WiMAX技術(shù)主要基于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.16d適用于固定寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.16e適用于移動(dòng)和固定寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)。因此，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)依賴于WiMAX技術(shù)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的OSI參考模型的第三層及以上的層可以供城域網(wǎng)使用，WiMAX技術(shù)主要面向的是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的開發(fā)。WiMAX技術(shù)主要定義了物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC）。WiMAX技術(shù)監(jiān)視系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括：MAC層協(xié)議、帶寬動(dòng)態(tài)分配技術(shù)、OFDM/OFDMA技術(shù)、混合自動(dòng)重傳（H-ARQ）技術(shù)、自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）技術(shù)、多進(jìn)多出陣列（MIMO）、切換技術(shù)和QoS機(jī)制等。

3.1.1 物理層關(guān)鍵技術(shù)

1）信道編碼。WiMAX技術(shù)支持多種類型的信道編碼，適用于不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和傳輸速率。具體編碼類型如下表2所示：

表2 WiMAX技術(shù)的信道編碼類型表

2）鏈路自適應(yīng)技術(shù)。WiMAX技術(shù)采用多種鏈路自適應(yīng)技術(shù)。

a.子信道技術(shù)：上下行信道可以使用多種子信道模式，包括部分使用子信道、完全使用子信道和自適應(yīng)調(diào)制編碼。這些信道的使用具有更大的靈活性，并且有利于實(shí)現(xiàn)頻率分集；

b.自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)（AMC）：AMC根據(jù)信道的情況確定當(dāng)前信道的容量，根據(jù)容量確定合適的編碼調(diào)制方式。AMC能提供可變化的調(diào)制編碼方案，WiMAX的基站根據(jù)用戶信道狀況等條件自動(dòng)地調(diào)整針對該用戶的調(diào)制和編碼方式；

c.混合自動(dòng)重傳技術(shù)（H-ARQ）：H-ARQ技術(shù)利用前向糾錯(cuò)和自動(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，提高了頻譜的利用率，因而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的吞吐量，所以間接擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。該技術(shù)自動(dòng)適應(yīng)信道的瞬時(shí)變化，對時(shí)延和誤差不敏感；

d.測探技術(shù)：WiMAX技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)引入測探機(jī)制，上報(bào)信道質(zhì)量。測探機(jī)制可以有效地克服TDD系統(tǒng)反饋式閉環(huán)發(fā)射分集中反饋信道占用較多空中接口的缺點(diǎn)。測探機(jī)制讓移動(dòng)終端在上行信道中發(fā)射特定的測探信號序列，使基站能夠有效地上傳信道系數(shù)。

（3）多天線技術(shù)：WiMAX技術(shù)支持多進(jìn)多出（MIMO）天線和自適應(yīng)天線陣 （AAS）兩種不同的多天線實(shí)現(xiàn)方式。MIMO模式既包括收發(fā)兩端均采用多天線的實(shí)現(xiàn)方式，也包括傳統(tǒng)的發(fā)射分集方式。WiMAX技術(shù)支持的MIMO模式分為3種：空時(shí)發(fā)射分集（STTD）模式、空間復(fù)用（SM）模式和分集與復(fù)用相結(jié)合額混合（STTD&SM）模式。應(yīng)用MIMO技術(shù)可以大幅提高通信系統(tǒng)容量、頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率。AAS技術(shù)可以采用多波束選擇的方式實(shí)現(xiàn)，也可以采用自適應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)。采用AAS技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量，擴(kuò)大覆蓋范圍，提高通信的可靠性和降低運(yùn)營成本等。

（4）OFDM技術(shù)：OFDM技術(shù)是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是寬帶無線接入的關(guān)鍵技術(shù)。采用OFDM技術(shù)，有抗衰落、抗多經(jīng)、頻譜效率更高等優(yōu)點(diǎn)，碼速最高可達(dá)100Mbps。在WiMAX網(wǎng)絡(luò)中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，主要有兩種方式：OFDM物理層和OFDMA物理層。無線城域網(wǎng)OFDM物理層采用OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用戶并行傳送數(shù)據(jù)流；支持TDD和FDD雙工方式；上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復(fù)用方式；可以采用空時(shí)編碼、發(fā)射分集和自適應(yīng)天線等先進(jìn)技術(shù)。OFDM方式通過打開和關(guān)閉某些子信道的方式防止信道衰落；OFDM方式采用的頻率分集復(fù)用技術(shù)可以有效解決多徑干擾。OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，和OFDM物理層一樣采用OFDM調(diào)制；支持TDD和FDD雙工方式；可以采用空時(shí)編碼、發(fā)射分集和自適應(yīng)天線技術(shù)?？梢杂行б种贫鄰叫?yīng)和減少碼間干擾。

3.1.2 MAC層關(guān)鍵技術(shù)

WiMAX技術(shù)加強(qiáng)了MAC層的定義。MAC層采用時(shí)分多址方式，保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，支持面向鏈接的業(yè)務(wù)，這是系統(tǒng)提供QoS、差異化服務(wù)和帶寬動(dòng)態(tài)分配的基礎(chǔ)。

（1）QoS機(jī)制：WiMAX的MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制。WiMAX技術(shù)定義的QoS參數(shù)是針對空中接口的，MAC層針對不同的鏈接分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，如速率、時(shí)延等參數(shù)。

（2）帶寬動(dòng)態(tài)分配技術(shù)：WiMAX技術(shù)工作在TDMA方式下，可以按用戶需要?jiǎng)討B(tài)分配帶寬，在多用戶多業(yè)務(wù)的情況下提高了頻譜利用率。在TDD雙工模式下工作的WiMAX技術(shù)，可以根據(jù)上下行業(yè)務(wù)的實(shí)際帶寬需要?jiǎng)討B(tài)非對稱地分配上下行帶寬，以提高頻譜利用率。

4 結(jié)語

遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)還取決于視頻壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。采用視頻壓縮技術(shù)能讓視頻文件適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸，未經(jīng)壓縮的視頻文件數(shù)據(jù)量非常大，如一個(gè)普通的CIF視頻文件在沒有壓縮的情況下，碼速為30MMbps以上。而一個(gè)高清電視視頻文件，碼速在1Gbps以上。目前沒有任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以滿足這樣的速率要求，因此視頻文件必須經(jīng)過壓縮才能在網(wǎng)上傳輸。在網(wǎng)絡(luò)選擇上，基于WiMAX技術(shù)的城域網(wǎng)比目前的3G網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍和網(wǎng)速上更具有優(yōu)勢，基站覆蓋范圍大，則網(wǎng)絡(luò)切換減少，并且基站需求較少，節(jié)約成本。且WiMAX技術(shù)的網(wǎng)速可達(dá)75MMbps能夠滿足大部分視頻文件對數(shù)據(jù)速率的要求。由于WiMAX技術(shù)支持移動(dòng)性，也能使用戶擴(kuò)展視頻范圍更加方便。

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Mobile Watching System Based on WiMAX

WANG Xianbing
(Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Watching systems are used widely,and watching technology are developed.Based on WiMAX technology,MAN adopts advanced data transmission technology,antenna technology.Mobile wideband wireless access technology can be carride out.This is a integrated wideband network.

video watching system;mobile user;WiMAX technology;MAN;wideband access;OFDM technology;QoS;compressing technology

TP39

A

1674－5787（2010）02－0162－03

2010-01-08

王現(xiàn)兵(1981—)，男，重慶市人，重慶大學(xué)研究生，重慶交通大學(xué)教師，主要從事通信與信息系統(tǒng)、海上通信等方向的教學(xué)與研究工作。

責(zé)任編輯 王榮輝