安防趨勢：視頻監(jiān)控傳輸無線化技術(shù)分析

     視頻監(jiān)控接入方式由有線轉(zhuǎn)入無線是一種必然趨勢。視頻圖像傳輸無線化打破了傳統(tǒng)同軸電纜和光纖圖像監(jiān)視受制于硬件連接的不利局面，具有更強的靈活性和方便性，基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)運而生。無線視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展已對無線移動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和協(xié)議產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，但由于無線信道帶寬資源有限，干擾因素多，而視頻信號數(shù)據(jù)量大，實時性要求高等問題。

　　  無線視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　  隨著信息社會的發(fā)展，人們對安防監(jiān)控的要求越來越高，除集中地黨政機關(guān)、企事業(yè)單位外，如在海上、山地、礦井、地下室等復(fù)雜的環(huán)境而無法實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)的地方。都需要實現(xiàn)安防視頻監(jiān)控，這就需要用到無線視頻傳輸技術(shù)。

　　  目前，市場上無線視頻傳輸技術(shù)大多采用GPRS和CDMA技術(shù)。而GPRS傳輸帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應(yīng)急事件時容易出現(xiàn)斷點和無線接收的死角。CDMA傳輸同樣存在這樣的缺陷，其下行帶寬是153 kb/s，上行帶寬是70～80 kb/s，因而傳輸流暢的視頻基本上不可能實現(xiàn)。由于圖像只有幾幀，以抓圖的形式來傳輸，并且為小畫面尺寸。顯然，這樣不能夠滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時應(yīng)用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波)，無線局域網(wǎng)(WLAN，802.11(a.b，g))等技術(shù)的其他較高的無線傳輸方案，其實現(xiàn)視頻編碼以MPEG-2/4，H.264等為主。但它們大多都存在共同的問題，即只能做到通視傳輸、定向傳輸，并且難以支持移動傳輸，從而限制了在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　  監(jiān)控系統(tǒng)一般采用低傳輸幀率而保證傳輸?shù)那逦龋驗橹挥蠱PEG-4的CIF以上的圖像清晰度才可以滿足調(diào)查取證的需要。因此，無線傳輸技術(shù)要在監(jiān)控系統(tǒng)中得到充分的發(fā)揮絕對優(yōu)勢，應(yīng)該滿足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用;適于高速移動中無線傳輸實時圖像;適于傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻; 有優(yōu)異的抗干擾、抗衰落能力。實際中，無線視頻實時傳輸主要有兩個概念：一是移動中傳輸;二是寬帶傳輸。因此，研制能夠?qū)㈩l帶很寬的高清晰度視頻進(jìn)行穩(wěn)定的無限視頻傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸機制優(yōu)化是需要解決的關(guān)鍵問題之一，無限鏈路的帶寬資源有限，這種局限性在海量視頻傳世中體現(xiàn)尤為明顯。在此，針對無線視頻傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸機制的容錯性展開相應(yīng)的研究，旨在解決無線視頻傳輸中帶寬資源有限和視頻數(shù)據(jù)量大這一矛盾，充分利用視頻信號的時空相關(guān)性來節(jié)省由于不必要的重傳而帶來的帶寬資源浪費。通過利用帶寬一失真代價函數(shù)的概念來評價無線視頻傳輸系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出基于帶寬一失真代價最小化準(zhǔn)則的部分重傳錯誤控制機制，進(jìn)而提高帶寬的利用率，并進(jìn)行相應(yīng)的實驗分析。

　　  無線視頻傳輸機制分析與容錯傳輸技術(shù)

　　  可靠信道上信號傳輸研究的目的是充分利用信道的帶寬資源;而對于不可靠信道，傳輸中研究的重點則是充分利用帶寬資源來實現(xiàn)可靠傳輸，即容錯傳輸技術(shù)。這里討論在無線信道上的視頻傳輸機制，其主要的研究點是容錯傳輸控制。容錯傳輸控制技術(shù)根據(jù)其控制方式的不同可以分為三大類：即前向錯誤控制、基于反饋的ARQ和信源信道聯(lián)合編碼。前向錯誤控制(Forward Error Control，F(xiàn)EC)包括信道糾錯編碼技術(shù)、交織打包技術(shù)和優(yōu)化的包調(diào)度機制等?；诜答伒腁RQ技術(shù)包括利用多幀參考機制的參考幀選擇(Reference Picture Selection，RPS)機制、混合ARQ(Hybrid，HARQ)機制和基于ARQ的反饋錯誤跟蹤技術(shù)。由于基于ARQ的容錯傳輸控制技術(shù)具有優(yōu)良的性能，所以在此重點介紹ARQ相關(guān)的傳輸控制技術(shù)，并討論現(xiàn)有視頻容錯傳輸機制存在的不足。

　　  前向錯誤控制采用前向糾錯編碼的方式來克服信道錯誤。在信道出錯概率波動比較劇烈的情況下(如現(xiàn)有的移動信道)，為了獲得一定的傳輸質(zhì)量，前向糾錯編碼必須根據(jù)當(dāng)前估計的最差情況來增加冗余校驗比特，這會導(dǎo)致帶寬資源的浪費。對帶寬資源本來就有限的無線信道而言，顯然是不能滿足要求的。為此，考慮把ARQ技術(shù)和前向錯誤控制結(jié)合起來，稱為 HARQ技術(shù)。HARQ分為兩類：I類HARQ中，發(fā)送端的前向編碼要具有一定的糾錯能力，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，首先利用前向糾錯編碼來糾正錯誤。如果錯誤被糾正，則向發(fā)送端傳送一個當(dāng)前包接收成功的反饋信息(ACK)，反之則發(fā)送接收失敗消息(NACK)。發(fā)送端如果收到ACK，則繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則，則重發(fā)出錯的數(shù)據(jù)包。由此可見I類ARQ需要較強的前向糾錯編碼，在錯誤率較低的應(yīng)用場合會導(dǎo)致帶寬資源的浪費，但在錯誤率高的環(huán)境下能夠獲得比其他類型ARQ機制更好的吞吐效率。Ⅱ類ARQ中只要求前向糾錯編碼具有檢錯能力即可，根據(jù)關(guān)于信道編碼糾錯能力的理論可知，這可以起到節(jié)約帶寬的作用。當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，發(fā)送重傳請求;發(fā)送端只傳送出錯數(shù)據(jù)對應(yīng)的具有糾錯能力的校驗碼。當(dāng)接收端收到后，如果仍然不能糾正錯誤，則繼續(xù)發(fā)送重傳請求，發(fā)送端可以選擇重傳整體出錯數(shù)據(jù)和校驗碼，也可以選擇發(fā)送更強糾錯能力的校驗碼，具體因控制策略不同可有所調(diào)整。鑒于無線信道錯誤率高，具有反饋信道的無線傳輸通常采用HARQ-I。圖2顯示了采用HARQ-I的無線視頻傳輸系統(tǒng)，圖中虛線框代表了傳輸中錯誤控制的流程。根據(jù)HARQ-I的設(shè)計原理，接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，首先進(jìn)行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障)，如果不能糾正且當(dāng)前系統(tǒng)滿足時延限制，則發(fā)送ACK請求來讓發(fā)送端重傳出錯部分的數(shù)據(jù)(第二層錯誤屏障)。這樣的重傳可以重復(fù)到接收端收到正確的數(shù)據(jù)或者重傳延遲超出系統(tǒng)時延限制為止。如果重傳結(jié)束后仍然不能得到正確的數(shù)據(jù)包，在接收端就會用錯誤隱藏技術(shù)來進(jìn)行錯誤恢復(fù)(第三層錯誤屏障)?？梢钥闯?，這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術(shù)來恢復(fù)錯誤，所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。

　　  由于視頻信號具有較強的時空相關(guān)性，而且編碼端并不能完全去除這種相關(guān)性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關(guān)來恢復(fù)一定質(zhì)量的視頻?；謴?fù)的質(zhì)量還和被恢復(fù)部分的紋理以及運動密切相關(guān)，一般而言，對紋理比較平緩和運動比較單一的部分，恢復(fù)效果要好于其他情況。在這種情況下，如果利用BEARQ來重傳這部分視頻，顯然會造成帶寬上的浪費。

      為了克服這種帶寬上的浪費，在實際應(yīng)用中，由于信道的錯誤率和重傳次數(shù)有密切的關(guān)系，而每次重傳都要耗費一定帶寬，所以成功傳輸一個數(shù)據(jù)包需要的帶寬和信道錯誤率相關(guān)?？紤]到這個因素，利用帶寬一失真代價函數(shù)的概念，其核心思想是：在一定的丟包率、信道帶寬和傳輸延遲限制條件下，終端視頻的接收質(zhì)量和傳輸中所用的帶寬不僅和視頻信源的率失真性能相關(guān)，而且還和信道的錯誤率(丟包率)以及終端錯誤恢復(fù)技術(shù)相關(guān)。將其作為衡量視頻包是否應(yīng)當(dāng)予以重傳的準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化的端對端傳輸機制，該機制中通過在編碼端根據(jù)當(dāng)前信道狀況和解碼端所采用的錯誤隱藏算法，預(yù)先判定每一部分的出錯恢復(fù)模式，解碼端根據(jù)這個模式信息來決定采取ARQ還是錯誤恢復(fù)。這樣就有效避免了由于不必要重傳而帶來的帶寬資源浪費，提高了系統(tǒng)帶寬使用效率。

　　  在文中提出了有損信道視頻傳輸中的帶寬一失真(Bandwidth-Distortion，B-D)模型，該模型是R-D模型在考慮了信道錯誤后的對偶模型，有著和R-D相近的形式。一個視頻傳輸系統(tǒng)，其性能主要從兩個方面來衡量：吞吐效率和接收端重建失真。

　　  無線視頻監(jiān)控將經(jīng)歷的三個重要階段

　　  根據(jù)近年來網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)運營實踐、無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展及不同用戶群對無線視頻監(jiān)控的需求程度的發(fā)展，筆者認(rèn)為，今后國內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的發(fā)展將會經(jīng)歷以下三個階段：

　　  第一階段：以行業(yè)大客戶無線視頻監(jiān)控應(yīng)用為主的行業(yè)典型應(yīng)用階段

　　  目前，高端行業(yè)用戶的監(jiān)控系統(tǒng)如國內(nèi)的平安工程、交通的道路監(jiān)控、檢驗檢疫的電子監(jiān)管視頻監(jiān)控等，多為大型化的城域性甚至全國性的行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。高端行業(yè)用戶現(xiàn)在大多處在建設(shè)大型視頻監(jiān)控項目的初期，其對監(jiān)控系統(tǒng)的要求很高，不僅包括了有線側(cè)圖像能夠?qū)崟r看得清、錄像存得好、云臺控制等指令響應(yīng)得快等，同時還增加了對無線視頻采集(如交通巡邏、平安城市移動巡邏、城管移動巡邏與執(zhí)法等)及移動視頻觀看和控制的應(yīng)用要求。

　　  由于當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)盈利的運營商視頻監(jiān)控平臺基本都處于第一階段行業(yè)用戶上，政府、金融和電信仍是視頻監(jiān)控主要的應(yīng)用領(lǐng)域，無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控與具體行業(yè)的深度融合將成為網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控市場發(fā)展的必然趨勢。

　　  第二階段：以商業(yè)監(jiān)控的創(chuàng)新性應(yīng)用為主和部分家庭推廣的小眾化應(yīng)用階段

　　  中小型商業(yè)用戶不僅是傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的另一個潛在的大規(guī)模用戶群，也是無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域。這類用戶是指有分布式監(jiān)控訪問要求的小型商店、中等規(guī)模連鎖商業(yè)組織、醫(yī)療、教育機構(gòu)等。由于用戶具有移動性、遠(yuǎn)程移動接入及對工作效率高要求等特點，無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在該類應(yīng)用中的滲透率將有較高的起點和較大的提升空間。

　　  商業(yè)用戶對無線視頻監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求除了移動視頻查看等基礎(chǔ)的監(jiān)控業(yè)務(wù)需求外，往往還需要監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，比如醫(yī)療有可能會利用視頻監(jiān)控平臺開展移動遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)(如救護(hù)車上的應(yīng)急診斷與救護(hù))、銀行會利用運鈔車的移動視頻監(jiān)控進(jìn)行管控、學(xué)校會利用監(jiān)控平臺進(jìn)行無線電化教學(xué)、無線電子監(jiān)考等應(yīng)用。

　　  對商業(yè)用戶來說，與自身業(yè)務(wù)結(jié)合良好的無線視頻監(jiān)控平臺是很好的擴(kuò)展業(yè)務(wù)的手段，因此運營商對商業(yè)客戶的引導(dǎo)策略應(yīng)該是搭建平臺，尋找廣泛的集成商共同開發(fā)面向客戶的商業(yè)應(yīng)用。如果電信運營商積極引導(dǎo)開發(fā)適應(yīng)商業(yè)用戶的殺手級監(jiān)控應(yīng)用，用戶群的規(guī)模將很快得到拓展。

　　  第三階段：以廣泛的個人和家庭應(yīng)用、商業(yè)和行業(yè)應(yīng)用全面開花，無線視頻監(jiān)控與視頻的其它應(yīng)用如IPTV、視頻會議和語音業(yè)務(wù)等應(yīng)用相融合的大眾化普遍應(yīng)用階段。

　　  隨著人民生活水平的提升以及對安防監(jiān)控要求的提高，家庭安防報警及無線視頻監(jiān)控服務(wù)的市場需求逐步增加，未來數(shù)字家庭的家庭網(wǎng)絡(luò)，可以提供通信信息、家庭娛樂、安全監(jiān)控、生活服務(wù)等方面的應(yīng)用，全方位滿足人們信息化的家居生活需求。