視頻監(jiān)控傳輸無線化技術分析

視頻監(jiān)控接入方式由有線轉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)絡的視頻監(jiān)視系統(tǒng)應運而生。無線視頻傳輸技術的發(fā)展已對無線移動網(wǎng)絡的架構和協(xié)議產(chǎn)生了深遠的影響，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、企事業(yè)單位外，如在海上、山地、礦井、地下室等復雜的環(huán)境而無法實現(xiàn)有線網(wǎng)絡架設的地方。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。

　　目前，市場上無線視頻傳輸技術大多采用GPRS和CDMA技術。而GPRS傳輸帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應急事件時容易出現(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)的實時應用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴頻微波)，無線局域網(wǎng)(WLAN，802.11(a.b，g))等技術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)的應用。

　　監(jiān)控系統(tǒng)一般采用低傳輸幀率而保證傳輸?shù)那逦?，因為只有MPEG-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，無線傳輸技術要在監(jiān)控系統(tǒng)中得到充分的發(fā)揮絕對優(yōu)勢，應該滿足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應用;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，研制能夠將頻帶很寬的高清晰度視頻進行穩(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)。在此基礎上進一步給出基于帶寬一失真代價最小化準則的部分重傳錯誤控制機制，進而提高帶寬的利用率，并進行相應的實驗分析。

　　無線視頻傳輸機制分析與容錯傳輸技術

　　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。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、交織打包技術和優(yōu)化的包調(diào)度機制等?；诜答伒腁RQ技術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。由于基于ARQ的容錯傳輸控制技術具有優(yōu)良的性能，所以在此重點介紹ARQ相關的傳輸控制技術，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量，前向糾錯編碼必須根據(jù)當前估計的最差情況來增加冗余校驗比特，這會導致帶寬資源的浪費。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技術和前向錯誤控制結合起來，稱為 HARQ技術。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，在錯誤率較低的應用場合會導致帶寬資源的浪費，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)對應的具有糾錯能力的校驗碼。當接收端收到后，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的設計原理，接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，首先進行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障)，如果不能糾正且當前系統(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來進行錯誤恢復(第三層錯誤屏障)?？梢钥闯觯@種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術來恢復錯誤，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性，而且編碼端并不能完全去除這種相關性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關來恢復一定質量的視頻。恢復的質量還和被恢復部分的紋理以及運動密切相關，一般而言，對紋理比較平緩和運動比較單一的部分，恢復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，在實際應用中，由于信道的錯誤率和重傳次數(shù)有密切的關系，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?？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，而且還和信道的錯誤率(丟包率)以及終端錯誤恢復技術相關。將其作為衡量視頻包是否應當予以重傳的準則。在此基礎上，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)當前信道狀況和解碼端所采用的錯誤隱藏算法，預先判定每一部分的出錯恢復模式，解碼端根據(jù)這個模式信息來決定采取ARQ還是錯誤恢復。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)絡視頻監(jiān)控業(yè)務運營實踐、無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控技術的發(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，筆者認為，今后國內(nèi)無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控業(yè)務的發(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)控應用為主的行業(yè)典型應用階段

　　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，不僅包括了有線側圖像能夠實時看得清、錄像存得好、云臺控制等指令響應得快等，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用要求。

　　由于當前能夠實現(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)控主要的應用領域，無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控與具體行業(yè)的深度融合將成為網(wǎng)絡視頻監(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)新性應用為主和部分家庭推廣的小眾化應用階段

　　中小型商業(yè)用戶不僅是傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控業(yè)務的另一個潛在的大規(guī)模用戶群，也是無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控應用的另一重要領域。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、教育機構等。由于用戶具有移動性、遠程移動接入及對工作效率高要求等特點，無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控業(yè)務在該類應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)務需求除了移動視頻查看等基礎的監(jiān)控業(yè)務需求外，往往還需要監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)的業(yè)務系統(tǒng)相結合，比如醫(yī)療有可能會利用視頻監(jiān)控平臺開展移動遠程醫(yī)療服務(如救護車上的應急診斷與救護)、銀行會利用運鈔車的移動視頻監(jiān)控進行管控、學校會利用監(jiān)控平臺進行無線電化教學、無線電子監(jiān)考等應用。

　　對商業(yè)用戶來說，與自身業(yè)務結合良好的無線視頻監(jiān)控平臺是很好的擴展業(yè)務的手段，因此運營商對商業(yè)客戶的引導策略應該是搭建平臺，尋找廣泛的集成商共同開發(fā)面向客戶的商業(yè)應用。如果電信運營商積極引導開發(fā)適應商業(yè)用戶的殺手級監(jiān)控應用，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用、商業(yè)和

行業(yè)應用全面開花，無線視頻監(jiān)控與視頻的其它應用如IPTV、視頻會議和語音業(yè)務等應用相融合的大眾化普遍應用階段。

　　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)控服務的市場需求逐步增加，未來數(shù)字家庭的家庭網(wǎng)絡，可以提供通信信息、家庭娛樂、安全監(jiān)控、生活服務等方面的應用，全方位滿足人們信息化的家居生活需求。