无线视频传输系统（精选十篇）
无线视频传输系统 篇1
地铁无线视频传输系统是提供车辆与车站、控制中心之间的视频传输通道的系统。负责提供电视监控系统、旅客信息系统的车地之间的无线传输通道。
无线视频传输系统为电视监视系统、旅客信息系统提供网络通道, 该通道用来传输从OCC控制中心到各车站、车辆段、列车的各种数据信息、视频信息和控制信息。
2 系统组成
无线视频传输系统包括传输网络、车地无线双向实时传输系统以及车载局域网三个部分。
2.1 传输系统网络
传输系统是通信系统的骨干, 为无线视频传输系统提供由控制中心至各车站的以太网传输通道。
2.2 车地无线双向实时传输系统
车地无线双向实时传输系统作为传输网络的延伸, 提供地面与列车之间的通信, 无线视频传输系统车地无线通信能够保证列车在高速行驶的情况下, 以有效带宽不低于15Mbps的速率在列车和运营控制中心服务器间双向传输视频影像, 并能保证最低的延迟, 同时保证车载AP同轨旁AP切换时做到“0”丢包, 包括在车辆段和沿轨道设置的无线接入点 (AP) 、分控制中心的无线控制器, 以及车载的无线单元和天线。分控制中心无线控制器通过传输网络实现与轨道无线接入点相连, 在列车上设置车载无线网桥, 以达到在全线范围内实时无缝的传递列车与地面间的图像和数据, 并实现快速切换。
在区间和站台根据无线信号覆盖的要求设置分布式数据接入交换单元, 实现与车载数据控制单元之间的无线数据通信。各轨旁AP通过光纤收发器, 以100M光纤与车站交换机相连接, 经车站数据控制器对数据进行处理后, 通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。在各个车站和控制中心提供与PIS、电视监视的接口。
2.3 车载局域网
车载局域网络中, 车载无线AP在车头和车尾接到无线视频传输系统的工业以太网交换机上, 列车内电视监控系统和旅客信息系统通过各自的车载交换机实现互联。车载无线网桥提供移动列车与轨旁AP的实时无缝连接, 用以实现车载视频设备 (含监控) 与控制中心和车站的连接。
在每列车的车头、车尾各设置1套车载数据控制器和车载无线单元, 2套车载数据控制器之间利用工业以太网交换机构建贯穿整节列车的百兆以太网进行连接。在车头、车尾可提供与PIS、电视监视的接口。
2.4 车辆段和停车场
1) 车辆段无线信号干扰分析
通过结合业务需求及实际工程测试分析, 地铁车辆段及停车库无线使用环境属于高密覆盖、高容量需求。在现有环境里:
(1) 轨旁AP采用八木天线为高增益, 车辆段两端其信号可见度高;
(2) 列车间停靠间距小, 车载MR之间信号可见度高;
(3) 每辆列车需要同时下载广告, 而无线系统最高带宽为15Mbit;
从无线空口环境分析, 其整个车辆段 (由于其信号可见度高) , 几乎可看成为1个冲突域, 其干扰程度非常大。在无线802.11协议下, 其CSMA/CA机制, 可用资源已成为瓶颈。解决车辆段CCTV/PIS系统便用问题其核心目标为尽可能缩小无线信号冲突域, 相当于将整个车辆段分成不同的小无线区间。如图1所示。
2) 轨旁AP布点
由于停车线已固定车载MR可调整范围非常小, 调整车载MR同时会影响整条正线运行的效果, 所以通过调整车辆段轨旁AP的部署以实现轨旁信号的全覆盖。
在车辆段两端各部署四个AP, 两条轨道中间区域安装4个轨旁 (1、3覆盖左边列车, 2、4覆盖右边列车) , 按照每个轨旁AP覆盖三辆车进行部署, 工程安装位置可根据情况实际调整, 着重关注天线的安装位置。
天线采用垂直向下安装方式, 采用轨旁AP天线的旁瓣进行覆盖, 天线安装位置在四辆车头中心附近。
3系统设计
3.1车地无线双向数据传输方案设计
1) 网络链路分析
轨旁AP与车载AP之间无线使用IEEE 802.11g用于覆盖列车运行沿线。
电视监控系统和旅客信息系统功能需求无线传输网络提供≥12Mbps的有效带宽。无线视频传输系统功能需求带宽计算:
●无线视频传输系统下传:
1路6M PIS视频流, 由控制中心经车站至分布式数据接入交换单元通过无线信号传至列车。
4路1M监控流, 从车站站台摄像机经车站交换机至分布式数据接入交换单元通过无线信号传至列车。
●无线视频传输系统上传:
2路1M监控流, 从列车通过无线信号至分布式数据接入交换单元再经车站上传至控制中心。
因此, 无线视频传输系统上、下行带宽最小为12Mbps。
无线传输网络必须提供满足系统功能需求, 并留有需求带宽25%以上的冗余量, 根据以上带宽计算分析, 总带宽需求为12Mbps+3Mbps=15Mbps, 因此, 车地无线双向数据传输网必须提供15Mbps的有效带宽。
2) 无线传播模型分析
无线AP的覆盖方案如图2所示。
就电波空间传播损耗来说, 2.4G频段的电磁波近似的路径传播损耗公式为:
其中, D为传播路径, n为衰减因子。对不同的无线环境, 衰减因子n的取值有所不同, 在自由空间中, 路径衰减与距离的平方成正比, 即衰减因子为2。在建筑物内, 距离对路径损耗的影响将明显大于自由空间。一般来说, 对于全开放环境下n的取值为2.0~2.5;对于隧道空间为1.8~2.0。
针对隧道空间, n的取值采用2.0 (具体在实际工程折合多少还要根据实际测试情况再确定) , 这样150m的Pathloss值为96d B;从无线网络规划的角度出发, 一般的情况无线链路预算时, 会预留10d B的富裕度。
预留富裕度:10d B;
连接器损耗:0.5d B;
功分器损耗:3d B;
馈线损耗 (轨旁10m、车载5m) :2d B;
假定玻璃钢 (车载天线前的障碍物) 的损耗:6d B;
轨旁AP发射功率:18d Bm;
轨旁天线增益:15d Bi
车载AP的发射功率:18d Bm;
车载天线增益:9d Bi;
150m处的信号强度为:
轨旁AP发射功率+轨旁天线增益+车载天线增益-连接器损耗×6-功分器损耗-馈线损耗-玻璃的损耗-预留富裕度
AP的接收灵敏度:
在此情况下, 在150m处空口速率为36Mbit/s, 根据经验值, 此时的带宽为18M, 满足业务系统要求的15Mbps且留有一定的预留度。
3) 无线传输网络结构
车地无线双向数据传输网络是整个宽带传输网的重要组成部分, 无线双向数据传输网络采用瘦AP架构组网方案, 主要组成包括无线管理交换机、无线管理工作站、铺设在轨旁及车辆段的无线基站 (AP) 和天线、车载无线网桥及天线以及车载交换机等部分, 符合WLAN 802.11a/b/g标准。无线双向数据传输网络中无线系统硬件包括AP和无线管理交换机。无线管理交换机和AP之间不需直接互联, 可以透过IP网络 (可由交换机、路由器或其他网络设备组成) 互通。无线双向传输系统网络结构图如图3所示。
4) 无线安全设计
WPA采用了802.1х和TKIP来实现WLAN的访问控制、密钥管理与数据加密。802.1х是一种基于端口的访问控制标准, 用户必须通过了认证并获得授权之后, 才能通过端口使用网络资源。TKIP虽然与WEP同样都是基于RC4加密算法, 但却引入了4个新算法:
●扩展的48位初始化向量 (IV) 和IV顺序规则 (IV Sequencing Rules) ;
●每包密钥构建机制 (per-packet key construction) ;
●Michael (Message Integrity Code, MIC) 消息完整性代码;
●密钥重新获取和分发机制。
WPA系统在工作的时候, 先由AP向外公布自身对WPA的支持, 在Beacons、Probe Response等报文中使用新定义的WPA信息元素 (Information Element) , 这些信息元素中包含了AP的安全配置信息 (包括加密算法和安全配置等信息) 。STA根据收到的信息选择相应的安全配置, 并将所选择的安全配置表示在其发出的Association Request和Re-Association Request报文中。WPA通过这种方式来实现STA与AP (或者AC) 之间的加密算法以及密钥管理方式的协商。
5) 越区切换设计
由于无线网络承载的是视频信号, 视频显示不能出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等, 音频播放不能出现明显噪音、滑码等, 故要求列车即使在高速运行下, 也要保持无线链路不能中断。当车载AP从一个轨旁AP的覆盖范围移动到下一个轨旁AP的覆盖范围时, 将发生切换。小区之间的无线切换操作是自动的, 并且对于列车操作来说是透明的。越区切换设计流程如图4所示。
通常, 802.11g/11a的越区切换时间在500ms~2s之间 (包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销) , 在切换期间, 车载AP可能与轨旁AP失去连接 (也就是通信中断) 。这对于列车运行, 特别是高速列车运行是不能接受的 (按照最高时速120km/h估算, 最坏情况下, 列车在大约65m的运行范围内可能与路边失去联系) 。为达到零切换时间 (避免切换过程中任何可能的数据丢失) , 新越区切换技术, WLAN基于预测的切换技术 (简称, WHFT) 。
WHFT算法与标准802.11g/11a切换算法的不同在于:WHFT允许车载AP在与旧AP (如APn) 脱离前与新AP (如APn+1) 建立连接, 即在中断前连接 (connection-before-break) 。再加上相邻AP彼此重叠足够的区域, 就能够实现零切换时间。
6) 组播方案设计
由于流媒体承载需要组播支持, 而车地无线处于2层, 需要支持IGMP Snooping。
车地无线通信具有单播与组播二种切换”0”丢包的功能, 主要针对组播切换”0”丢包说明, 针对单播切换”0”丢包的实现功能机制类似, 具体如图5所示。
其中:AP1为新并联的AP, AP2为旧关联的AP。
(1) 在用户漫游切换流程中的认证通过之后, AC (即无线控制器) 将此车载AP的单播与组播的PTK、GTK下发到AP2之上;
(2) 车载AP设备上启动igmp-snooping功能, 已经获系统后面具有哪些组播节点, 当切换成功之后, 立即对代替后端网络发起组播加入功能;
(3) 发起IGMP加入功能, 针对各个组发一个加入, 轨旁AP1将此报文转发给上行的LSW (AP1上没有此组播源的输入, 如果具有则不用转发, 直接执行组播加入的处理) ;
(4) LSW收入组播加入请求报文, 执行组播加入处理;
(5) 车载AP等新入端口的组播流下来, 如果有一个组播组的流下来, 针对原来的AP1所对应的端口发起此组播组的离开请求报文;
(6) AP接到此报文, 将此报文进行转发到LSW之上, LSW接收到此报文之后, 则执行离开处理, 即将此端口将组播转发表项删除掉.
从上面的流程可以看出, 达成的目标:实现”0”丢包的功能, 主要由于功能的实现不完全依赖标准的协议处理, 而将标准协议与应用进行关联处理。
7) 免维护
轨旁和车载AP目前采用的是0配置、免维护的理念进行设计, 具体的系统开工流程如图6所示。
通过无线控制器, 可以集中实现对所有轨旁和车载AP进行设备软件版本下载、配置批量下发等, 不必人工现场维护。
8) 无线视频传输系统和信号系统互不干扰方案
如果信号系统和无线视频传输系统车地无线通信都采用2.4GHz 802.11G, 解决方案如下:
由于802.11G具有3个不重叠频点—1、6、11, 信号系统需要占用2个频点, WLAN系统单独使用1个频点。
3.2 Qo S规划
在无线系统中, WLAN部分非常重要的就是Qo S。而对于涉及到语音、视频业务的无线系统, 通信质量尤为重要, 是事关系统质量的关键指标。Qo S的总体思想就是保证实时语音等业务在最高的优先级。
如图7所示, 在无线控制器和AP之间是通过隧道通信, 不同的无线控制器之间也是通过隧道通信, 业务的Qo S保证是在两个层次内完成的, 有无线和有线的Qo S保证。
●应用层数据与WLAN优先级的映射;
●基于Diff Serv的Qo S映射;
●AP进行WMM与COS/TOS之间映射。
3.3 网络管理系统设计
地铁无线视频传输系统是一个涉及多个厂家、多种类型设备的复杂系统, 作为整个系统的承载层, 必须具备良好的可维护性。
智能管理中心基于SOA架构, 采用B/S平台以及分布式、组件化、跨平台的开放体系结构, 根据不同的业务需求选择安装不同的业务组件, 可以实现设备管理、拓扑管理、告警管理、性能管理、软件升级管理、配置文件管理、VPN监视与部署等多种管理功能。在本次工程中配置管理平台组件以及对无线双向数据传输网管理的无线业务组件系统。
采用B/S架构, 能更方便的通过远程方式对网络的状态进行监控和维护, 如网管服务器系统部署OCC控制中心, 无线视频传输控制中心的运维人员可以采用IE浏览器, 通过用户名/密码远程登录系统进行维护, 同时, 还可以实现用户分权限、设备分组的管理, 不同的级别管理人员可对设备进行各种类型的操作, 而且还可以限制可以管理的设备。
工程中配置的WSM无线业务管理组件可以提供对车地无线双向数据传输网络的监控和全网无线网络设备的配置管理功能, 同时还拥有丰富的业务运营管理功能, 用以满足无线网管从部署、监控到运营、优化的全过程综合管理功能。
4 结束语
无线视频监控系统发展趋势 篇2
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。其主流应用之一是便利、灵活的无线实时视频监控系统，如无线家庭防盗、汽车监控等。基于多种无线传输手段的移动视频监控以其特有的灵活性已成为视频监控新的发展方向。
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。
无线监控和传统的监控方案相比，能够避免大量的布线工作，节省施工费用，重定位能力强，灵活性高，具体地说有以下优点：（1）综合成本低，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便的优点。（2）组网灵活，可扩展性好，使用时能灵活挪动终端设备。（3）改造方便，维护费用低。
二、无线视频监控系统涉及的关键技术
1．高效率、抗干扰的视频编解码机制
当今的视频压缩标准有MPEG和H.26X两大系列。MPEG-4目前已应用于Internet流媒体领域，为了尽量减轻MPEG-4视频流对误码的敏感性，以保证压缩视频解压后的恢复质量，MPEG-4提供了多种抗误码工具，承载流媒体业务的实时网络传输层及底层移动通信系统也可以进一步改善流媒体传输的抗误码性能。MPEG-7是针对存储形式或流形式的应用而制定的，不仅仅用于多媒体信息的检索，更能广泛地用于其他与多媒体信息内容管理相关的领域，并且可以在实时和非实时环境中操作。
ITU-T颁布的H.261标准，用于可视电话和会议电视。H.263标准是ITU组织为了满足码率低于64kb/s的应用而提出的一个低码率视频压缩编码建议；它能够在较低码率的情况下达到较好的图像质量，因此广泛应用于远程监控、电视会议以及可视电话等领域，尤其在视频监控领域，它已经可以在嵌入式系统中达
到实时、稳定的压缩效果，是应用较多的视频压缩算法。目前大多数视频监控产品都支持MPEG-4和H.263标准。
作为目前最新的视频编码技术H.264，在安防行业的应用有着非常大的前景。H.264标准采用了高精度、多模式预测技术用来提高压缩比以降低码流。H.264标准针对网络传输的需要设计了视频编码层VCL和网络提取层NAL结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。H.264标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，从而保证了视频传输的有效性。支持H.264标准的无线视频监控产品目前也已上市。
为了能在时变、带宽有限、误码率较高、缺乏QoS保证的无线信道上传输视频数据,视频编码算法必须满足以下要求:（1）高效的视频压缩比；（2）较高的传输实时性：更短的传输时延，更快的编码速度；（3）较强的视频传输鲁棒性：更好地适应传输信道的误比特干扰。因此，研究在无线视频监控应用中的编解码机制，重点在于进一步提高编解码效率及抗干扰能力。
2．无线视频传输网络链路及组网技术
对于无线视频监控而言，无线网络传输链路的选取主要取决于用户需求和系统工作的具体环境，目前已投入使用的无线视频监控系统主要有基于移动通信网络的和基于无线局域网的两种类型。但在对音视频质量要求不高的应用中，也可以采用低端的无线数据传输网络。
在中国目前移动通信网络的两大运营商中，中国联通采用基于码分多址的CDMA20001x制式，最高下载速度可达153kbit/s，现网实测可达100kbit/s左右。中国移动采用GPRS技术，是基于GSM网络发展而来的新型分组交换数据应用业务，带宽理论最高可达171.2kbit/s，中国移动现网测试也可达到35kbit/s左右。在目前的网络带宽下，普通用户可以采用彩e传输视频文件，不少厂家也推出了基于2.5G移动公网的视频监控系统，作为对有线网络监控系统的有力补充。
基于无线局域网络（WLAN）的多媒体信息传输，是解决建筑物内灵活视频监控的主要手段，基于802.11协议族。IEEE802.11a规定的频点为5GHz，适合于室内及移动环境，传输速度为1到2Mbps。IEEE802.11b（Wi-Fi）工作于2.4GHz频点，当信噪比低于某个门限值时，其传输速率可从11Mb/s自动降至5.5Mb/s，或者再降至直接序列扩频技术的2Mb/s及1Mb/s速率。IEEE802.11e及IEEE802.11g是下一代无线LAN标
准，被称为无线LAN标准方式IEEE802.11的扩展标准，是在现有的802.11b及802.11a的MAC层追加了QOS功能及安全功能的标准，为其上可靠的视频信息传输奠定了基础。
随着WiMAX技术和3G技术的日趋成熟，基于WiMax和3G的无线视频监控也成为研究热点。
WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)是近年来出现的一种无线宽带接入技术。WiMAX采用多载波调制技术，能够提供高速的数据业务，并且具有频谱资源利用率高，覆盖范围大（传输距离可达数十公里）等特点。无线城域网（WMAN）采用了WiMax技术，组网采用的802.16协议族。与现有的移动通信技术相比，WiMAX技术可以提供更高的数据速率，更强的数据业务能力。
多媒体业务是3G数据业务的重点，其传输速率要求为：高速移动时能够达到144kbps，慢速移动时为384kbps，静止状态为2Mbps。3G的带宽非常适合无线视频监控的应用。相信随着3G的商用，无线视频监控必将蓬勃发展。
CDMA或OFDM作为点到多点或点到点图像、视频信息传输的关键技术手段，其频谱利用率高、支持高速率的多媒体服务、系统容量、抗多径信道干扰能力强。CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术，OFDM技术属于多载波调制技术。预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。
在无线实时视频监控系统中，控制协议决定了整个系统的效率、兼容性、安全性等诸多重要问题，是系统运转的指挥中心。控制协议尤其是无线实时监控系统的控制协议，不但要求能够快速稳定的建立连接，而且要求对该连接具有一定的控制能力。会话启动协议SIP（sessioninitiationprotocol）是IETF的MMUSIC（multipartymultimediasessioncontrol）工作组制定的多媒体通信框架应用层信令协议，设计理念和协议结构完全符合NGN的特性和要求，得到了越来越多业内人士的认可，国内外许多知名企业都开始从事SIP的研究与开发工作。Nokia和Ericsson已经开发出了基于SIP的端到端的网络多媒体系统，3GPP和3GPP2分别在R5和Phase2阶段引入了基于SIP的IMS（IP多媒体子系统）。基于SIP的多媒体通信已经成为新的主流发展方向。
3．数据管理与数据安全
视频监控系统中保护数据不因偶然和恶意的原因而遭到破坏、更改和显露是非常必要的。通过无线网络或Internet传输的数据很有可能会遭到截取。这会给敏感数据带来巨大风险。对于一些网上黑客或恶意
员工而言，为数据处理系统建立和采取技术和管理上的安全保护是不够的。对此，就很有必要对数据采取加密技术。
随着监控点的增多、应用行业的日益普遍化、监控时间周期的延长和视频清晰度的提升，视频数据容量也在飞速发展。即使按照一定的标准以压缩形式存储这些数据，仍然有成百TB直至上千TB的数据需要归档、存储，并且需要高速传输。针对这些情况，优化视频存储、归档解决方案及设备选择已经是很多用户的一个现实考虑。
一般来说，从应用需求来看，设计的系统必须具有以下的要求：保障具备长时间无故障运行的能力；能够远程实时传递高清晰图像，并实现回放；具备灵活存储图像资料的能力，存储保留时间达到一定要求；图像传输必须具备防窃取功能，图像资料具备防篡改功能；设备操作必须具有安全的管理和控制手段。基于不同网络的无线视频监控系统
1．基于公众移动通信网络的无线视频监控系统
中国移动和中国联通各自都已拥有遍布全国的2.5G移动通信网络。可在掌上电脑、PDA手机上进行远程视频采集与传输，只要有网络信号的地方就可以实现视频的无线传输，真正实现移动监控。
很多公司都推出了自己的基于移动公网的无线视频监控产品。如2005年6月，北京九为安泰科技有限公司推出的新一代CDMA移动视频监控系统；06年12月，北京世纪乐图数字技术公司研究开发了
“LOTOOi-Patrol”，整合了CDMA、GPS、非硬盘的本地存储介质（Flash），能很好地应用在多种场合。当前的2.5G技术都关注了同TCP/IP协议的融合，使得移动网络易于和现有因特网技术及应用平台整合。IP技术与与移动通信技术的完美结合将能够为用户提供各种高速高质的移动数据通信业务。
2．基于无线局域网的无线视频监控应用
基于WLAN的无线视频监控的方案，一般是在无线网状网覆盖区域架设支持WLAN接入的无线视频前端设备（如支持WLAN的IP摄像机或IP视频服务器加模拟摄像机），然后通过无线网状网将采集的IP视频信号回传到网络中心的监控处理平台。通常在网络中心配置支持多通道的网络视频录像机和大容量的存储
系统，用于监控视频录像和存储，同时为一个或多个网络监控终端提供实时的监控图像，还可通过安全的网络连接（如VPN），从远端视频监控终端上实现远程监控和管理。
WLAN技术已经相当成熟，各种无线产品也很丰富，所以基于WLAN的无线视频监控在实际工作中的很多场合得到了应用。
3．基于无线城域网的无线视频监控应用
无线城域网的WiMAX技术覆盖范围达几十千米，多被使用在户外，例如高速公路沿线、学校校区、码头等地，可以为用户提供便利、优良的移动多媒体宽带服务和高速的无线数据传输。通过WiMAX技术承载流媒体业务是一种更为经济灵活的手段。许多运行商认为在WiMAX网络上开展移动流媒体业务，将是WiMAX技术应用的潜在市场。
2006年10月16日，互联网周刊报道：上海市的嘉定区目前正在实施一项规模宏大的信息化工程：建设中国内地第一个“无线城市”项目。随着建立无线城域网的城市日益增多，基于无线城域网的无线视频监控系统必将成为另一个研究热点。将WiMAX导入安全监控领域，将是厂商拓展市场最有效的方法之一。随着WiMAX技术的成熟和产品的上市，具有WiMAX传输技术的无线安全监控系统，距离普及之日已不遥远。
4．基于3G的无线视频监控应用
为了保证视频文件的传输就必须有足够的网络带宽，不同的流媒体文件对网络带宽的要求各不相同，为了达到更好的视频质量，网络带宽就更为重要。当前市场上常见的利用公众移动通信网络进行监控传输的产品基本上只能传输窄带视频。伴随着3G在全球商用步伐的加快，3G无线网络技术也在加速创新，3G无线接入设备在功能和性能方面也取得了较大提升。
日本作为全球最早提供3G业务的国家，其3G手机的服务覆盖区域已接近2G。在中国台湾，3G的传输优势让新一代智能手机有了更多用武之地，使用者可以直接透过3G手机对家庭情况进行监控。
在我国，随着3G移动通信系统走向实用，高至2MHz的带宽将为无线视频监控提供更加强有力的支持，此时视频的质量将会有极大的改善。此外，未来的3G系统也将考虑公众移动通信网络与WLAN系统的融合，用户将有可能真正实现“任何时间、任何地点、任何终端”的无缝式无线视频监控。
5．基于无线数据通信网络的低成本无线监控应用
基于Zigbee的语音通信和基于无线数传电台的低端应用主要是用来传输低速数据和语音，但是在视频实时性要求不高的情况下，也可以用来传输低质量的视频。
四、无线视频监控系统的应用及展望
随着各种无线通信技术的发展，无线视频监控的应用也会随之发生变化。各种无线视频监控方案必将互相补充、互相渗透。
无线视频传输系统 篇3
关键词：3G无线网络；视频监控；Opencv
中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02
传统的视频监控系统必须依赖于有线环境，因此在一些需要临时布控有线网络或者干脆无法布控有线网络的应用场合如矿井油田，电力线路和交通工具等，传统有线视频监控系统是无法适用的。目前为了解决这一问题，监控领域研究的热点和重点已经转移到对无线视频监控系统的研究上来。虽然基于无线局域网的视频监控方案能够很好地解决有线视频监控携带不便的缺点，但依然摆脱不了在进行远程监控时有线网络覆盖和传输距离的限制。在对视频进行压缩方面，广泛使用的MPEG-4算法的压缩率仍然不能适应无线视频监控的要求。在这种情况下，笔者结合多年实际工程经验，提出一种基于3G无线网络是视频监控系统。使用Opencv采集视频数据，大大提高了系统稳定性和执行效率。通过采用具备更高压缩率的H.264算法对视频进行压缩，大大降低了视频帧的数据量，有效地解决了3G带宽资源有限的问题，具备显著的实际应用价值。在可覆盖性方面，采用3G无线网络比无线局域网效果更好。
一、监控系统的硬件设计
监控系统的硬件部分组成模块包括主控制板模块，视频采集模块和视频传输模块。USB摄像头构成系统的视频采集模块，根据控制指令对视频进行采集编码，然后将经过编码后的图像传输给主控制模块。系统主控制模块将从摄像头采集到的视频信息进行压缩编码处理，然后将视频流封装成RTP帧。系统3G传输模块负责传输封装好的视频数据。系统硬件架构如图1所示
为了提高系统的性价比和便携性，有别于一般视频监控系统采用的DPS&ARM架构，本系统采用高性能的ARM架构作为主控制模块。采用S3C6410作为主控制板模块的核心处理器。该处理器是三星公司在第二代ARM内核基础上开发的一个高性能处理器，广泛应用于多媒体信息处理，其运行频率高达667MHz。正是因为S3C6410具有如此优越的性能，使用该处理器可以高效地实现基于H.264算法的视频编解码，避免额外搭建用于视频编解码的硬件电路，因此大大降低了开发成本，提高了系统可靠性。
二、监控系统的软件设计
（一）搭建操作系统平台
基本的嵌入式运行环境是由设备驱动程序，Linux内核以及U-boot引导程序构成的，视频的采集，编码还有传输由系统的应用层负责。系统总体软件结构如图2所示。
图2 软件层次结构
内核和根文件系统是嵌入式操作系统平台的主要组成部分。本系统采用Linux2.6.32作为内核，作为一种应用广泛的开源操作系统，Linux具备裁剪方便和可移植性强等优点。只需适当裁剪和配置源代码，然后创建镜像文件将其下载到硬件平台就可以了。本系统的根文件系统是cramfs，作为一种简单的，可压缩的只读文件系统，它能大大节省内存空间，还能通过挂载yaffs文件系统实现写操作。
（二）采集视频数据
V4L是大多数传统嵌入式视频采集的主要方式，V4L方式的可靠性和采集效率都不高，因此本系统采用Opencv方式采集视频数据。Opencv(Open Source Computer Vision Library)是一种跨平台的计算机视觉库，广泛应用于数字图像处理，经BSD许可证授权发行，由英特尔微处理器研究实验室开发。可移植性强，稳定性高，开源高效是该视觉库的显著特点。因此采用Opencv进行视频数据采集就能够大大提高系统可靠性，节约开发成本和缩短开发周期。本系统使用Opencv采集到的视频图像都是RGB格式的，需要将其进行YUV格式的转换，然后进行压缩编码。
（三）压缩视频数据
H.264视频压缩标准是由MPEG（国际化标准组织运动图像专家组）和VCEG（国际电信联合会ITU视频编码专家组）共同组合的JVT（联合视频组）联合制定的。和其他视频压缩标准相比，H.264具备更优秀的图像质量和更高的压缩效率，因此其应用前景异常广阔，具备巨大的研究价值，是目前最流行的视频处理协议。
目前主要存在几种基于H.264的开源解码軟件，分别是中国的T264，法国的编解码器x264和德国的测试软件JM。通过对这三种编码软件进行比较，发现x264具备更高的实用性，能够显著降低编码的重负计算复杂度而不致使编码性能显著降低，去除了H.264标准中的那些计算复杂度高但编码性能低的新特性。考虑到本系统的操作系统平台是嵌入式平台，因此选择高效轻巧的x264方案。
（四）视频传输
传输压缩后的视频数据是通过3G网络连接因特网实现的。实时传输网络视频数据对于时延和传输丢包的要求比较高，因此需要通过配合使用实时传输协议（RTP）和实时传输控制协议（RTCP），以期同时提供Qos和实时传输数据服务。RTP作为一种实时传输协议，位于UDP和TCP协议之上，具备提供端到端传输服务的能力，在通过点播和组播实现实时数据的传输方面具有无可比拟的优越性。视频传输模块的主要功能是封装经过H.264算法压缩的视频流为RPT数据包，并通过周期性地接受和发送RTCP包进行反馈控制。封装单独的NAL单元是本系统采用的封装方案。首先，将视频流封装成RTP数据包，接着继续封装成UDP数据包，最后一步再封装成IP数据包，以期实现在网络中的传输。然后通过3G网将IP数据包传送到接收端。IP数据包到达接收端之后，接收端提取IP数据包中的视频流数据和RTP报头，以RTP报头含有的序列号为依据，在接收端缓存中存入视频流数据，以供解码器进行解码输出。具体的传输步骤如图3所示。
本系统RTP/RTCP视频传输的实现依赖于JRTPLIB库，这是一个开源的面向对象的RTP/RTCP协议栈。视频数据的高速传输可以通过该库提供的相应借口实现，能够大大缩短开发周期。下载JRTPLIB3.4.0代码，然后将其移植到Linux上，即可编码实现PC机和ARM之间的视频数据传输。主要实现步骤为初始化，发送数据，接受数据。
三、性能分析
本文进行的实验是在三星公司的S3C6410开发板上进行的，将应用程序烧写进开发板并运行，开发监控终端测试是在远程PC机上的Visual C平台上完成的，程序运行结果良好。
在实际应用中，通过测试不同格式图像的实际传输帧速，结果如表1所示。由表1可以看出，即使使用经典的CIF分辨率，在3G网络环境一般的条件下其传输帧速也能达到19FPS上下，实验结果满足视频监控的实际应用需求。
四、结论
本文设计了一个基于3G无线网络的嵌入式视频监控系统，采用H.264编码标准。该系统使用高性能的ARM2代处理器为自己的核心，以对采集到的视频数据进行控制，实现H.264编码，最后在3G网络中采用RTP协议实现H.264视频流的稳定和实时传输。经过实验测试，该方案的可行性比较高，处理后的视频质量较好。该系统能适应森林防火监控，移动平台和电力线路等多个应用领域，市场前景广阔，具备较大应用价值。
参考文献：
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[2]任守华,王胜华,刘士雷,蒋习旺.基于3G和H.264技术的无线视频监控系统[J].计算机应用研究,2010,4
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[4]赵胜男.3G无线视频监控业务发展状况及策略分析[J].电信科学,2010,9
[5]高成,周飞,周东翔,蔡宣平.基于3G网络的移动视频监控系统服务器端的设计[J].计算机工程与设计,2011,6
[6]申超,周兵.基于H.264的监控系统中手机客户端的設计[J].微计算机信息,2009,9
[7]沈海军,顾豪,朱春颖.H.264标准在实时监控系统中的应用研究[J].青春岁月,2011,6
远程无线视频监控系统设计 篇4
1系统工作原理与结构
系统在整体上由前端采集模块、无线传输链路、监控中心三部分组成,如图1。前端嵌入式采集设备将由USB摄像头采集到的视频数据经过压缩编码以后,通过3G无线模块发送到3G无线网络,经过无线传输链路送至远程监控中心。传输至监控中心的视频数据流经过解码以后,能通过监控终端进行实时查看。监控中心采用客户机/服务器结构,服务器接收视频图像后进行视频解码,客户机连入局域网访问服务器,进行图像的监控。无线传输链路与后端监控连接方法有两种:一种是通过3G无线网络直接与远程无线监控终端端,一种是经过3G无线网络与Internet传送至远程视频服务器。本文采用第二种方案。
2系统硬件组成
前端嵌入式视频采集设备的核心采用基于ARMv5E的Xscale核心的芯片PXA255,连接如图2。PXA255在嵌入式开放领域应用非常广泛,具有功耗小、性能高、高效率的特点。集成了64 Mbytes SDRAM,32 Mbytes Flash,同时它具有丰富的外围接口,如UART串口、USB HOST接口、SD卡接口、JTAG接口、LCD控制器等。数字摄像头通过USB口与芯片相连,UART串口与无线通讯模块相连,负责将信号发送至3G无线网络。
3系统软件设计
3.1系统软件组成
嵌入式Linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改,使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。嵌入式Linux既继承了Interlnet上无限的开放源代码资源,又具有嵌入式操作系统的特性。它被广泛应用在移动电话、个人数字助理(PDA)、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中,它具有内核小、代码开放的优点。本系统所有软件设计都是基于嵌入式Linux操作系统的。Linux经过配置与裁剪后安装入系统。整个软件系统由图像采集模块、图像压缩模块以及数据传输模块构成。图像经过前端采集后进行压缩,传输模块负责将数据发送至无线网络。视频流解码后在监视中心能进行实时查看。
3.2图像采集模块
图像采集模块负责采集前端视频采集模块获得的数据。前端视频采集使用的是数字摄像头,免去了将模拟视频信号转为数字的的过程,提高了工作效率,节省了成本。采集到的视频数据以文件的形式存于缓冲区内,供其他模块使用。Linux下的V4L(video for Linux)是进行视频音频数据采集、文字电视广播、VBI数据等的API接口。图像采集模块使用了基于V4L的编程。获取视频的流程一般包括:启动设备、获取设备及图像信息、设备图像格式化、关闭设备。视频采集流程图如图3所示。
3.3图像压缩模块
USB摄像头获取的视频信号必须经过压缩编码以后才适合在无线网络上进行传输。本系统没有采用专用硬件芯片,而是使用软件对图像进行压缩编码。采用MEPG-4标准。MPEG-4提供高压缩率,采用分层可扩展性编码,可以根据不同的带宽调整质量,根据需要进行模块的添加,支持多种多媒体应用。MPEG-4提供的码率控制技术符合无线信道带宽窄且不停变化的特性[2]。
3.4数据传输模块
TCP与UDP传输难以支持实时传输和QOS等问题[4]。为实现视频压缩数据在IP上实时传输,需要对数据进行RTP封包。RTP提供端到端的服务,支持在单目标广播和多目标广播网络中传输实时数据。RTP本身不能保证数据传输的次序、及时性和服务质量,要与RTCP一起使用。在RTP会话期间,发端周期性的向收端发送RTCP控制信息包,用来监视服务质量[5]。视频数据封装在RTP信息包中,每个包封装在UDP消息段中,然后封装在IP数据包中进行传输。如图4。
3.5远程监控模块
远程监控端系统模块基于Socket编程实现,采用多线程方式以进行合理分配资源。监控中心服务器拥有一个固定IP地址,连接入Internet。前端采集模块启动后就自动请求与监控中心IP建立连接。服务器实时监听经由无线网络传来的数据,选择性的接受连接请求,并分配接收数据和解码线程。服务器通过共享端口向各个监控客户端发送数据。
4小结
本文设计了一种基于3G网络的嵌入式远程无线视频监控系统。目前,该系统正在试用中,监测结果较好,不过仍然需要进一步完善。系统通过搭建好的无线平台和Internet实现远程视频监控,无论身在何地,只需一台固定IP的电脑,便可实现对现场的实时监控。该系统具有视频压缩比高、传输质量好、组建方便灵活的特点。随着3G网络的覆盖在全国范围内不断扩展,该系统的适应性及实用性将有更多的体现。
参考文献
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[5]张溢华.3G视频监控系统传输部分的设计[J].电视技术,2009,33(2):61-62.
隧道无线视频监控方案 篇5
1.行业背景
在全国范围内的加强基础交通建设的大背景下，高速铁路及高速公路发展不断提速，越来越多的铁路线和公路线建设陆续开工。在发展道路建设不可避免地会遇到诸如山区和丘陵等复杂的地理环境，开掘隧道是在上述地区铁路和公路建设经常会遇到的问题。隧道建设方案作为最直接，也是采用最多的穿行方案，可以有效地发挥缩短行车里程，提高线型标准、保障运营安全，保护生态环境等特点。现实情况看，隧道建设是一项艰苦、危险性较高的工程，如何高效率得在保证施工安全前提下，提高隧道掘进的质量和速度，越来越多的工程建设单位通过建立监控系统来降低和保障工程的安全性，尤其是近两年快速获得应用的先进的数字无线监控正在隧道建设中发挥越来越重要的作用。随着隧道的广泛应用，对施工过程中的建设安全情况进行第一手的掌握，及项目建成后对路况的实时监控情况成为重点关注的对象。
在隧道行业的监控系统应用中，以目前无线监控系统为代表的方案更具实用性和高效性。针对隧道无线监控解决方案中，紧密结合隧道建设过程和监控运营管理的多方面应用需求，在保证适应各种隧道内部复杂环境的基础上，采用当前最成熟的微波通讯产品——高带宽数字无线传输设备，该方案采用先进的无线网络传输系统和领先的视频技术实现了专业的隧道安防系统，实现了各级主管对现场的及时掌控，是远在千里之外的施工现场、进度、人员状况，在项目部、公司总部办公室，以及主管人员的移动终端（手机、IPAD）等及时准确的显示出来。随时随地可以掌控不同现场的进度情况。在管理方面提高了工作效率，节约了到处巡回查看现场的差旅费用、车船费用等。带来的不仅是管理效率的改变，长远来说也是对管理成本的节约。
为保障各个无线监控点的有效带宽和整个无线链路的稳定性，我们根据现场具体情况采用不同的设计，这样就很好的保证了复杂情况下网络的带宽，一体化的设计又为安装带来了方便。在隧道无线监控系统中，隧道建设和管理部门可以高效率地提高安全生产的指数，可以在诸如隧道建设阶段的挖掘车掘进、铺顶车安全性，以及后期的交通监控、环境监控、通风控制、照明控制、电视、视频监控、火灾报警、横通道门监控、中央监控等环节上为管理部门提供巨大的帮助。
2.需求分析
实现在项目部、总部、手持终端看到现场掌控面作业情况
实现在项目部、总部、手持终端看到现场全局的作业情况
实现在项目部、总部、手持终端了解到作业洞口的具体情况
在监控中心实现大屏拼接，可观看到不同项目部的实时画面
可以远程调取不同项目部的录像信息
可实现远端、项目部、移动手持终端对现场动点摄像机的控制
可实现分级管理，不同级别的工作人员具备不同的操作权限
3.系统总体设计
3.1.设和依据计原则
为了确保隧道工程综合监控系统顺利实施，我们根据现场状况，针对性的制定了一个详细的无线集中监控方案，本方案将会满足相关部门的各种监控需求。3.1.1.方案的设计原则
本方案遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。并综合考虑施工、维护操作因素，并对以后的发展、扩建、改造、移动等因素留有扩充的余地。具有以下原则：(1)先进性与适用性
本系统采用纯数字高压缩低带宽高清视频信号传输，利用高带宽数字无线调制技术共同配合实现了在复杂的施工环境下的链路传送，避免了大型机械对线路造成的损伤。(2)经济性与便捷性
充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据客户需要，针对不同位置单独设计不同的组合与电气组合，无需大规模布线，同时具备可复制和可重复利用，在一个工地施工完毕可继续在下一个工地继续使用。
(3)可靠性与安全性
系统的设计充分考虑到现场电路和作业环境，每一个地方都做了直流稳压处理，可保证在大型电器、电弧焊等作业时产生电涌情况下对设备不造成损伤。同时，在配电柜内我们设计了直流备用电源UPS，在现场突然断电情况下，可保证设备连续5个小时的工作时间，以保证系统的运行安全。(4)开放性
所有系统传输以TCP/IP协议为基础，是不同的设备可借助我们搭建的网络平台进行数据的传递，例如门禁、定位、传感等。
(5)可扩充性
系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后该工程的实际要求扩展系统功能，同时，本方案在设计中留有冗余，以满足今后的发展要求。3.1.2.方案设计的依据
根据国家有关法规的要求，我们经过认真研究、分析设计本系统方案。该系统具有性能先进、质量可靠、经济实用等特点，而且该系统具有方便扩展、与其它信息系统实现无缝连接的能力，为实现安防系统的可视化管理奠定了基础。
3.2.系统整体组网方案（以隧道现场为例）
上图为隧道的大概施工分布情况
隧道总长6.4km，分为5个作业面，进口位置与1#斜井都是单项作业面，现场作业有一分部负责。出口位置与2#斜井由二分部负责，2#斜井采用双向作业。
上图为进口与1#斜井传输到项目部的图示
1#斜井最前端作业面摄像机采用一个移动点全方位高清云台摄像机（水平360度旋转，上下+90~-90度调整，可实现对前端作业面各个角度的观察），一个相对固定点高清红外球机（安装在挂布台车上，可随着台车位置的变动而向前移动）。前端移动点位置不确定，所以设计为全向天线，与挂布台车上的设备一起传给二衬台车作为1对2的接收（挂布台车与二衬台车距离会随着进度不断向前推进，虽然两个台车距离很近，但是由于设备很重，在向前推进过程当中如果受力不均担心造成对线路的破坏，所以此处的摄像机也采用无线的方式传给二衬台车）。二衬台车位置再用另外一台无线设备向洞口交叉处传递，在洞口交叉处到1#斜井之间有一很明显的弯道，所以在他们中间加了一对中继设备，洞口的摄像机采用固定安装方式。由于1#斜井无法与项目部直视，那么此处利用一分部搅拌站和附近村民水塔（红色房子）做了两次中继传输到一分部项目部。
隧道进口内部前端和1#斜井配置相同，只是在二衬台车与隧道洞口位置加了一次中继，洞口可以直接与一分部传输。
所有的安装位置，我们均考虑了直流稳压保护和直流监控专用不间断供电电源。所有中继位置处均考虑有工业级监控专用交换机进行对接。（实际安装时会统一放置在一个定制的防水防尘箱内，采用集中供电的方式，利于系统的稳定也便于现场的维护。
上图为2#井与出口位置传输到二分部的整体示意图，基本思路与上述相同，只是在2#斜井处为双向施工，多了一个作业面，那么最前端作业面的设计思路是相同的，只是在洞口交叉处需要做一次整合，统一传输到洞口处。2#斜井洞口与项目部之间有一座土山阻隔，而且上面有大概150~200米的一个不同坡度的平面。所以此处需要多加一次中继，由于现场无法供电，所以采用风光互补的方式在这里进行供电。然后在传递到二分部。五星坪隧道出口处可以直接与二分部可视所以此处直接传输到二分部。
一分部和二分部本地各有一台数字网络视频存储转发主机，现场配置一台22寸专业视频监视器。并配备一台接入层交换机与项目部网络进行连接，通过项目部的宽带网络与中心相连（为确保传输的质量，项目部至少需要10M以上的上行网络）
中心平台为整个运营的交换枢纽，为了保证各级用户，各个操作系统人员的不同位置操作需求，我们在运营中心建立一套专业的无线视频传输综合管理平台。包括：
目录服务器 流媒体转发服务器 管理控制中心服务器 网络数字矩阵服务器 网络视频转发服务器 三维数字矩阵键盘 汇聚层中心交换机
55寸窄边拼接屏（四块55寸，有高亮和普亮两种规格）
高清视频管理平台是一套基于标准 H.264 的中央监控管理平台，安装在一台标准的PC或服务器中。支持高清网络摄像机、高清编解码器、NVR 以及模拟摄像机+视频服务器模式的集中认证和管理。它专为复杂多变的高清网络监控系统设计，采用全新的数据引擎，模块化的组件设计，包括目录管理、报警服务、数字矩阵切换、流媒体转发、网络视频存储等组件，此外还可集成联动门禁、巡更、车牌识别等系统，是集中监控项目的最佳选择。
才茂监控设备的应用领域
平安城市系统高清网络视频监控
金融银行业高清视频联网监控
机场、海关、边防安检高清视频网络监控
水利电力、移动基站系统无人值守高清视频网络监控
排污、环保监测、森林防火减灾高清视频网络监控
大中型连锁超市卖场联网监控
校园、工业园区、医院联网监控
才茂通信特色功能 模块化组件
管理中心端各个功能都可以细分为不同的模块实现(如：目录服务器、管理控制中心、网络报警电子地图服务器、网络视频存储服务器、网络数字矩阵服务器、网络解码服务器，流媒体转发服务器、网络代理服务器等)。采用不同的模块组合以适用于不同规模的监控系统。多用户核心认证管理
基于多用户认证管理技术，对某用户在网络中对任何设备的浏览、控制、管理权限和优先级的集中授权配置；在复杂网络条件下可实现多用户优先级和冲突检测。而以用户为核心更有利于用户在系统中的任意节点建立临时指挥中心，从容处理应对应急突发事件。
优先级和冲突检测;完善的集中用户认证管理模式和合理的优先级及冲突检测机制，所有用户通过认证服务器管理，实现集中的用户优先级，浏览控制权限集中配置管理。
统一编号;摄像机、报警设备和服务器统一授权编号及优先级管理，支持自动检索和批量添加。多种显示方式;支持物理设备浏览和虚拟分组浏览、支持双码流预览；支持局部放大；支持高清视频预览和电子变倍。
ePTZ：支持电子云台ePTZ控制、画中画、视频云台、鼠标变焦、触摸屏控制。
集中控制：云镜优先级控制，预置点、扫描线的调用；预置点巡航控制；云台控制锁定；远程重启及关机；远程手动启动录像。
远程管理;远程调用修改前端设备参数；提供远程软件自动升级服务；远程录像资料检索及备份；集中详细日志管理系统、查询和打印。
状态监测;通过心跳包检测对下属设备工作状态、网络连接等状态进行巡检监测并生成报表。集中电视墙管理;支持硬件和软件解码电视墙；支持对多台解码服务器主机的集中控制。
网络数字矩阵：支持拼接墙仿真模拟；支持前端任意通道图像的轮巡和组切调用、解码显示；支持模糊查询和检索；支持CCTV键盘控制和调用图像及报警。
多级管理：管理中心可级联，按级授权管理控制；支持客户端、IE和管理中心多种浏览控制方式。
实时对讲：管理中心、DVR/NVS主机和分控端双向语音（或文字）对讲及群呼。
报警和电子地图管理：多级电子地图显示；支持鹰眼地图；支持摄像机快速检索和地图定位；远程报警布、撤防；报警应答、联动预定义；多种声、光信号警示；提供报警联动其它系统和设备的接口。
流媒体视频转发：基于标准H.264的流媒体转发和多码流等技术，可以解决多用户多通道的交叉访问带来的网络带宽和中心系统负荷问题，最大限度保证系统运行稳定。
网络视频的分布存储/集中管理：支持录像资料的分布存储和集中管理，支持多机冗余备份，支持海量资料的智能检索备份。
支持异构网络：支持能够承载IP数据的各种网络（互联网、数据专线、卫星、无线微波等），支持跨路由器的远程监控；支持多播功能
多种功能联动接口：支持门禁、对讲、巡更、报警主机等多种接口整体联动 灵活的数据库管理：支持Access和SQL Server数据库，支持数据库备份及导入导出 双机热备：目录服务器和存储服务器均支持双机热备和冗余备份功能
视频无线一手抓 篇6
我们收到的ARCHOS 605 WiFi容量为30GB，还有一个80GB版本，除了硬盘容量外两者的配置与功能完全相同，只是价格有所区别：30GB的605WiFi市场价格为3670元，虽然80GB的版本销售价未定。但我们不认为它能与30GB产品售价接近，因此如果你能自己动手更换硬盘而且不担心由此失去保修的话，购买一个30GB版本回家自己扩充硬盘容量是个比较经济的做法。
作为一款手持设备，恰当的体积大小相当重要，若不方便随身携带则会先吓走不少准用户；但若体积太小则注定屏幕尺寸先天不足，纵然分辨率再高看起来也劳神费力。ARCHOS 605 WiFi选择了4.3英寸显示屏幕，但采用窄边框设计，因此整体尺寸仍然控制在122×82×20毫米的范围内(30GB版本厚度为15毫米)，而重量则不超过260克(30GB版本为190克)，它的体积与一只钱包相似，我们不认为会给随身携带造成什么不便。
ARCHOS 605 WiFi屏幕品质相比以往ARCHOS的任何一款PMP播放器都有明显提升，其分辨率达到了800x480，因此像素间距非常小，可以精确细致的还原视频、图像的细节部分，而我们之前所看到的4英寸PMP产品显示屏分辨率绝大多数为480×272甚至320x240，因此ARCHOS 605 WiFi可以更好的显示图像、视频的细节。除了分辨率的提高外这块显示屏在色彩与可视角度上的表现也相当出色，可以说在正常使用状态下，不会出现因可视角度而影响观看的状况。
ARCHOS 605 WiFi的视频播放能力相对以往的产品也有了大幅提升，现在不仅可以支持原生AVI、Divx／Xvid等格式的视频，而且增加了对H.264格式以及Real格式的支持，而且分辨率提也提升到了720x576，与DVD影碟分辨率相当。虽然现在还无法完全提供高清视频的支持，但由于叩开了H.264格式的大门，今后ARCHOS下一代产品提供高清播放能力将会非常方便。
强大的互动能力是ARCHOS 605WiFi值得称赞的地方。它内置了802.11g规格的无线网卡，并集成了0pera浏览器，现在ARCHOS 505 WiFi允许你访问互联网上的各类网站，例如Youtube、Google等，单就访问互联网而言它甚至比手机或掌上电脑表现出了更高的可用性。当然ARCHOS 605 WiFi不仅能使用无线网络上网，而且可以通过无线网络传输视频，例如你可以直接在ARCHOS605 WiFi上播放计算机上的文件。最后ARCHOS 605 WWi还会为用户提供部分可由自己安装的软件程序，有兴趣的用户可以自行去www.archos.com上下载。
自从ARCHOS 404时代开始，所有ARcHOS的产品都采用了模块化设计，ARCHOS 605 WiFi不例外，而所谓模块化设计就是除了本机视频、音频、图片播放等功能外，其他诸如视频输出、输入等功能都要安装额外的功能模块实现，不需要某些功能的用户可以不必为累赘功能埋单。当然ARCHOS 605 WiFi的扩展模块接口与之前产品的扩展接口相兼容，若是你以前购买了额外的功能模块现在仍然可以继续使用。
ARCHOS的操作方式变得很人性化，用一个大拇指就可以完成对机器的所有操作，除固定的操作按钮外，ARCHOS 605 WiFi还支持触摸操作，而值得一提是它也支持多点触摸操作方式，你可以像翻阅真正的相册一样来观看点电子照片，例如前后翻页就在屏幕上左右划过，旋转则上下滑动即可，虽然与苹果iPhone的多点触摸方式相比还有一定差距，但操作也十分方便了。
无线视频传输系统 篇7
关键词：地铁,无线视频传输系统WLAN,AP天线
1 研究背景
2006年6月，天津地铁1号线正式开通试运营。2008年8月为配合北京奥运会的安全召开地铁公司在车厢内加装了相应的电视监视系统，但是根据实际需要，指挥行车的调度员无法在线实时观看到列车内的图像信息，在车厢内出现问题时无法第一时间掌握现场情况，这就迫切要求天津地铁1号线采取无线视频传输技术将图像传送到控制中心，为指挥行车提供可靠的安全保障。
2 基于AP天线的WLAN性能方案
2.1 系统功能及轨旁AP布设策略
无线视频传输系统即WLAN系统是实时传输系统作为传输网络的延伸，为天津地铁1号线提供地面与列车之间的通信，无线视频传输系统车地无线通信能够保证列车在高速行驶的情况下，能够以有效带宽不低于10Mbps的速率在列车和运营控制中心服务器间双向传输视频影像，同时保证车载AP同轨旁AP切换时做到“0”丢包。
目前基于WLAN在隧道内的覆盖方式有两种：一种是AP的信号通过漏缆进行传输，还有一种是AP信号通过天线进行无线传播，本次研究的是采用信号通过天线进行无线传播的方式。在沿轨道设置无线接入点（AP）、设置控制中心的无线控制器，以及车载的无线单元和天线。控制中心无线控制器通过传输网络实现与轨道无线接入点相连，在列车上设置车载无线网桥，以达到在全线范围内实时无缝的列车与地面间的图像和数据传递，并实现快速切换。
在区间和站台根据无线信号覆盖的要求设置分布式数据接入交换单元，实现与车载数据控制单元之间的无线数据通信。各轨旁AP通过光纤收发器，以100M光纤与车站交换机相连接，经车站数据控制器对数据进行处理后，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。
2.2 无线传输网络结构
车地无线双向数据传输网络是整个宽带传输网重要组成部分，无线双向数据传输网络采用AP架构组网方案，主要组成包括有无线管理交换机、无线管理工作站、铺设在轨旁及车辆段的无线基站（AP）和天线、车载无线网桥及天线以及车载交换机等部分，方案符合WLAN 802.11a标准。无线双向数据传输网络中无线系统硬件包括有AP和无线管理交换机。无线管理交换机和AP之间不需直接互联，可以透过IP网络（可由交换机、路由器或其它网络设备组成）互通。
轨旁AP在直线隧道一般每间隔200米布设一个，在弯道或地面根据实际情况采用每间隔50米、100米布设一个，AP采用定向天线，双向无线双向数据传输网络的无线系统采用标准为802.11a。
2.3 车载局域网
车载局域网络由车载无线单元、车载交换机组成，车载视频控制器、车载监控设备等接入该网络。车载无线单元提供移动列车与轨旁AP的实时无缝连接，用以实现车载视频设备与控制中心和车站的连接。车载交换机采用工业交换机，实现各节车厢互联，每趟列车车头车尾分别设置无线网桥，同轨旁AP实现互相冗余的车地无线通信。
在地铁列车车头、车尾分别安装一台10端口工业以太网交换机，与车辆提供的以太网接口构成列车内小型局域网，为车载信息显示及车载图像监控提供传输通道。车载局域网采用链网结构，在车头、车尾设置两套独立的无线接收装置，保证在局域网发生断点故障时顺利切换。
3 技术难点分析
3.1 网络链路分析
轨旁AP与车载AP之间无线使用802.11a用于覆盖列车运行沿线。12路1M监控流，从列车通过无线信号至分布式数据接入交换单元再经车站上传至控制中心。同时无线传输网络必须提供满足系统功能需求，并留有需求带宽25%以上的冗余量，根据以上带宽计算分析，总带宽需求为12Mbps+3Mbps=15Mbps，因此，车地无线双向数据传输网必须提供15Mbps的有效带宽。
3.2 越区切换要求
由于无线网络承载的是视频信号，视频显示不能出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等，故要求列车即使在高速运行下，也要保持无线链路不能中断。当车载AP从一个轨旁AP的覆盖范围移动到下一个轨旁AP的覆盖范围时，将发生切换。小区之间的无线切换操作是自动的，并且对于列车操作来说是透明的。
通常802.11a的越区切换时间在500ms到2s之间（包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销），在切换期间，车载AP可能与轨旁AP失去连接（也就是说，通信中断）。为达到零切换时间，采用WLAN基于预测的切换技术（简称，WHFT）。WHFT算法与标准802.11a切换算法的不同在于：WHFT允许车载AP在与旧AP（如APn）脱离前与新AP（如APn+1）建立连接，即在中断前连接。再加上相邻AP彼此重叠足够的区域，就能够实现零切换时间。所有与切换有关的处理，在列车运行在相邻AP重叠区域内都会完成，而重叠区域的大小应该按照列车全速运行来设计，最快切换时延可以小于5ms，可以做到“0”丢包切换。
3.3 无线网络抗干扰能力分析
由于无线信号在传播过程中会存在多个通过不同路径到达接收点的信号分量，使得到达接收点的信号分量在相位和幅度上发生了变化。当所有在接收点的信号分量叠加后，合成信号的幅度就会减小或增加，同时导致严重的符号间干扰，其结果是产生多径衰落，造成通信的不稳定。而地铁沿线很容易产生多径信道。IEEE 802.11a要求采用正交频分复用（OFDM）的技术，将高速数据流分配到数十个相互正交的子载波上，而在每个子载波上是窄带调制，使得信号传输对于多径效应具有选择性衰落。其次，在高速移动环境中，由于发送机与接收机之间的相对运动，会导致接收信号的频率偏移，出现误码。根据理论计算，2.4GHz的802.11a应用频段所引起的频偏在±250Hz以内，这就要求提供的系统频率容量达到±1kHz即可正常使用。
结语
通过在地铁隧道内设置AP天线，在列车内设置相应的交换设备，可以构建成天津地铁1号线无线视频传输系统，实现系统的可用性。对于需要传输15M带宽以及具有抗干扰能力的的需求，需要在软件上采用正交频分复用，确保系统的可靠性。
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浅谈几种无线视频传输技术 篇8
1 Intel Wireless Display
Intel的移动平台, 是现在笔记本电脑的主流配置, 下面首先介绍Intel公司的Wi Di技术。
Intel Wi Di是英特尔推出的基于802.11n通信协议的无线高清技术, Wi Di (Intel Wireless Display) 全称为无线高清技术, 它是通过Wi Fi信号来实现电脑和显示设备的无线连接, 该技术使用处理器进行压缩, 主要原理是利用CPU对视频信号进行编码并通过Wi Fi发送到接收器, 再传输到显示器或电视机上。想要实现Wi Di功能, 需要一套Arrandale/Clarkdale/Sandy Bridge/Ivy Bridge平台、一个英特尔无线网卡, 以及一个符合Wi Di标准的信号接收器或支持该功能的电视机。Wi Di的实现原理是:笔记本通过无线网卡发出无线信号, 电视端无线接收装置接收Wi Fi信号, 无线接收装置通过HDMI或A/V线缆把信号传输到显示设备。
Wi Di技术在新发布的3.5版本中加入了USB设备无线连接支持, 接收器上会配置有USB接口, 用户可以通过该USB接口连接鼠标、键盘甚至游戏手柄等设备, 实现与主机无线连接。除此之外, WiDi 3.5还对Wi Fi联盟提出的Miracast规范实现了部分支持, 虽然未能实现该规范的全部功能, 但在Miracast接收器上同样可以实现Wi Di功能。
2 Air Play
随着i Phone手机的世界性风靡, 苹果公司在短短几年内颠覆了整个科技行业, 智能设备再一次被重新定义。苹果公司的多项创新技术引导了整个科技行业的发展。下面介绍苹果公司的Air Play技术。
Air Play是由美国苹果公司于2010年推出的无线技术, Air Play初期命名为Air Tunes, 苹果公司在2004年发布, 意在将i Tunes上的流音频文件通过无线技术传输至扬声器 (扬声器与Air Port Express连接) 。2010年苹果公司将Air Tunes更名为Air Play。当时苹果已为Air Play扩展了播放视频/相片流的功能, 并将其整合到Apple TV中。虽然i Tunes已经可以在Apple TV上重播流音频和视频文件, 但还是无法从其他应用上获取音、视频流。
2010年11月苹果公司发布全面支持Air Play无线技术的i Tunes 10.1软件, 几周后, 苹果公司正式发布的i OS更新版本i OS 4.2中加入了Air Play播放技术。2012年7月, 苹果公司正式发售的新一代操作系统OS X Mountain Lion (美洲狮) 中也加入了该播放技术。现在这项技术已经预置在所有新出厂的i OS及Mac OS设备中。
Air Play技术在最初的i Tunes 10.1中, 允许用户在许可的扬声器底座、影音接收器和立体声系统等设备上使用整个i Tunes资料库无线同步播放音乐。
伴随着i OS 4.2的更新, Air Play无疑是一项重要的功能, 通过Air Play, 用户可以将i Phone、i Pad和i Pod touch上的数字流媒体内容无线传送到支持Air Play的产品上播放。
Air Play功能的使用很简单, 一台苹果智能设备, 一台兼容Air Play的接收设备 (如苹果公司的Apple TV和智能网络机顶盒等) , 然后将它们连接至同一个Wi-Fi (802.11a/g/n) 网络环境。通过几个简单操作, 就可以借助Air Play在显示器或投影仪上播放从i OS设备上的不同位置 (如照片、音乐软件、视频软件、浏览器等) 流化的视频、音乐或照片, 如图1所示。
虽然Air Play功能可以轻松地将移动设备中的音乐、照片和视频等进行无线传输投送, 但只能投送上述几种多媒体文件, 功能比较单一, 达不到日常工作的需要, 如会议或汇报过程中幻灯片文件的播放。2011年10月, 苹果公司发布的i OS 5系统中新增了Air Play Mirroring (Air Play镜像) 功能, 在AirPlay功能的进出上进行了增强功能, 可以将i OS设备的整个系统镜像输出到其他显示终端上。
通过Air Play Mirroring功能, 可以将移动设备的屏幕内容完整地镜像到显示设备上, 不再受文件类型的限制, 简单地说, 就是将移动设备的屏幕复制到其他显示设备上, 如图2所示。
3 Miracast
谈到苹果的i OS系统, 就不能不提智能终端的另一大阵营———Android系统。提到i OS的Air Play功能, 就不能不提Android系统的Miracast功能。Miracast具有类似Air Play的镜像功能, 弥补了DL-NA功能的不足。另外, 在微软公司发布的最新一版Windows 8.1系统中, 也内嵌了Miracast功能。
Miracast是Wi-Fi Alliance于2012年9月19日宣布启动的Wi-Fi CERTIFIED Miracast认证项目。Miracast设备提供简化发现和设置, 用户可以迅速在设备间传输视频。该技术与认证项目由Wi-Fi联盟中的移动与消费性电子设备制造商及芯片厂商共同制定。Miracast用户可以尽情地在大屏电视上浏览智能手机拍下的照片, 通过会议室投影仪实时共享笔记本屏幕, 或者在平板电脑上收看家庭电视机顶盒的直播节目。Miracast通过Wi-Fi CERTIFIED Wi-Fi Direct形成连接, 因此无需接入任何Wi-Fi网络———Miracast认证设备内部具备连接功能。
当使用者希望在设备间无线分享设备的画面内容时, 无需再透过繁复的手续连接传输线或进行设定, 即可彼此识别、连结, 并能管理链接, 根据设备的功能与网络条件, 协调合适的影音传输格式, 使影音画面能在不同的装置间串流分享。除此之外, 智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机等设备不再需要设计各种连接接口, 就能与其他的输出设备 (如电视机、机顶盒 (STB) 、投影仪、音响、耳机等) 连接, 将多媒体与应用服务的内容在远程影音设备上播放。
Miracast建立在其他几项Wi-Fi联盟所发展的基础技术之上, 包括无线传输技术802.11n (兼容于未来其他传输规格, 如802.11ac) 、点对点连接技术的Wi-Fi Direct与TDLS (Tunneled Direct Link Setup) 、安全性方面的WPA2 (Wi-Fi Protected Access2) 加密、提供服务质量 (Qo S) 及流量管理的WMM (Wi-Fi Multimedia) 技术、省电相关机制的WMM Power Save技术, 以及方便用户配置网络的WPS (Wi-Fi Protected Setup) 技术。
在Miracast规格中, 将设备分为两类, 一类称为传送端 (Source) , 另一类称为接收端 (Sink) 。接收端又分为主接收端 (Primary Sink) 及次接收端 (Secondary Sink) , 差别在于主接收端能支持影像或声音的数据输出;而次接收端只支持声音的数据输出, 区别在于由Miracast提出配对接收端 (Coupled Sink) 的操作架构, 使用者可选择将影音分流至不同设备并同时呈现影音信息。
Miracast的操作程序:Miracast定义了服务搜寻功能 (选择性的) , 会以Wi-Fi Direct寻找附近的Miracast装置, 将寻找的讯息传达给用户。使用者可以从寻找到或先前联机过的装置中选择想要连接的装置, 建立好无线联机后, 两边的装置会进行设备功能与网络条件的协调, 以选择适合的影音传输格式。建立影音串流的联机协议 (Session) 后, 是一连串的实时串流协议 (RTSP) 控制命令, 以控制影音串流的播放及终止。
Miracast规格中也有提到建议的流量控制方式。在网络传输不稳定时, 可透过改变压缩率、略过画面或聚集区块以及改变影音编码格式等方法达到流量的控制, 以维持影音播放的流畅性。
4 结束语
以上几种无线传输技术覆盖了个人计算机、平板电脑、手机甚至是数码相机、随身听等智能设备, 原理和功能效果也不尽相同。无线视频传输技术已经深入到我们身边的每一处。
无线视频传输技术除基本的小屏幕镜像到大屏幕的影音多媒体应用外, 镜像技术还可发展出许多种不同的变形应用, 如可以扩展到一对多的应用, 会议中可将简报传送到其他与会者的个人装置, 也可把文件分享整合, 让与会者能同时在文件上进行协作编辑, 会议结束后能将纪录储存于与会者的个人装置。在教学的应用环境中, 教学者能将画面传送到学生的装置, 或是将教学者或特定学生的画面传送到电子黑板上。
无线视频传输系统 篇9
无线视频网络主要由以下部分组成:传输内容(视频图像)、编码器、射频发送设备、服务器、接收设备等。典型的无线视频传输系统如图1所示[1,2]。
视频业务数据量大,对误比特率要求高,无线信道又具有易错、时变和带限的特点,因此无线视频系统在实用化进程中面临着许多问题。本文重点解决如何在低速率无线信道中有效地降低码率并且保证较好的图像质量。
2 码率降低问题的考虑
对于码率的降低,有如下几种解决方案[3,4]:1)跳帧,即减少编码帧,但这样画面不连贯、时延严重,影响观看效果;2)加大量化步长,它的缺点是加大了图像的方块效应,同样影响观看效果;3)对编码图像进行下采样(即抽取),解码时进行上采样(即内插)。由于图像尺寸变小,很明显,码率会降低。由于解码时要上采样,因此增加了解码复杂度,但对于低速率无线信道,瓶颈问题是信道带宽的问题,而不是编解码复杂度问题,因此,本文将着重讨论第3种方法。
2.1 抽取(下采样)
如果要将一幅数字图像f(m,n)的抽样率降为原来的1/(C×D),即
这样,简单地在m方向每C个抽样点取一个,在n方向上每D个抽样点取一个,其他抽样点都丢弃掉,从而实现抽样率降低为原来的1/(C×D)。为了看清楚降低抽样率的影响,将式(1)进行离散空间傅立叶变换(DSFT),并设g↓(m,n)的傅氏变换为G↓(U,V),f(m,n)的傅氏变换为F(U,V),则
整理式(2)结果,得到
由此可以看出,对图像进行下采样会使其DSFT在U方向上扩展了C倍,在V方向上扩展了D倍。这是由于图像在空间域上被抽取的结果。这里下采样造成了F(U/C,V/D)的频谱复制叠加,也就是产生了混叠。
会产生混叠。为了避免这种情况,需要在f(m,n)进行下采样前对其进行前置滤波,即预滤波。该前置滤波器频谱为
相对应的脉冲响应为
因为该滤波器有很大的旁瓣及慢衰落,从而会在图像边界产生振铃现象,也就是Gibb's现象。为避免这种现象发生,可以用窗口函数来改进该滤波器。实际应用中,通常把每个C×D单元内的样值做平均处理,或者用高斯滤波器。
2.2 上采样(内插)
如果要将一幅图像f(m,n)的采样速率增加C×D倍,可以在m方向上在每2个采样点间插入C-1个0,在n方向上每2个采样点间插入D-1个0,即
其DSFT变换为
即
在频谱域上,上采样使其在U方向上压缩了C倍,在V方向上压缩了D倍。由于没有信息丢失,上采样不会产生混叠。DSFT后的G↑(U,V)是周期为1/C×1/D的周期函数。为了得到一幅过采样C×D倍的图像,需要滤除基带复制外的频率,这样就需要用一个理想的低通滤波器对内插后的图像滤波。在频域,此过程可以表示为
对应的空域表达式为
由于sinc滤波器需要庞大的运算量,因此没有广泛应用于图像内插中。一般实现中可采用线性滤波或者模板处理的方法来代替sinc滤波器的功能。
2.3 滤波器的选择
1)抽取时的滤波器
根据上面的理论分析,为了减少抽取时引起混叠失真,本文采取的策略是:把每个3×3单元内的样值做平均处理。这里用模板实现平均处理功能,模板的选择引用文献[1]中JPEG塔形结构分层编码的采样模板,即
2)内插时的滤波器
在图像显示阶段,要把小图像内插到大图像,舍弃了简单的像素复制法。像素复制法通常也被称为最近邻点插值法或者零阶插值法。虽然它实现简单,但容易产生图像失真。本文采用双线性内插法。
2.4 结果测试
下面对CIF(352×288)格式图像进行上述测试。
用式(11)所示模板对细节性较强的mobile.cif序列进行下采样测试(以第9帧为例,帧号从0开始),测试结果如图2~图4。
从图3和图4可以看出,对于直接丢弃行列的图3而言,混叠失真明显,日历上的日期数字有残缺或少点现象。图4虽然整体图案稍模糊,但数字却是完整显示。
对图4分别进行像素复制法内插和双线性内插,结果分别如图5、图6。
比较图5和图6,可以看到,双线性内插法所得图中的日历上的数字可以读出,而像素复制法方块效应明显,特别是红色球和火车的边缘锯齿现象严重,日历上数字也已经变得粗糙。像素复制法插值图像的PSNR值为19.952 dB,而双线性内插得到的图像PSNR值为22.074 dB,与像素复制法插值图像相比,PSNR值增加了2.122 dB。由此可见,双线性内插法无论是主观质量还是客观质量,都明显优于像素复制法。
视频输入图像在经过前处理后,再将图像送往编码器编码。下面是将标准CIF序列经过前处理的图像和不经过前处理的图像分别送编码器测得的输出的码率大小和平均P帧大小,如表1、表2所示。编码速率25 f/s(帧/秒),量化参数QP=8,无码率控制,编码20帧。
由表1、表2的测试结果可以看出,经过抽取(无论是否采用模板滤波)后,编码器输出的码率明显低于没有抽取前的输出码率,这是很显然的,因为图像变小(从CIF变为QCIF),码率当然变小。同时注意到,抽取前经过了模板滤波操作的视频,其编码器输出的码率也明显低于没有经过模板滤波的编码器输出码率。这说明经过模板滤波后,视频中很多高频成分被滤除掉了(其中很多是混迭噪声),这时再经过编码,输出的码率和平均帧的比特数就会降低。如在GPRS和CDMA网络上传送视频信息,既提高了带宽的利用率,又能把更好的视频质量传送给用户。在接收端,则可以通过双线性内插来获取原始序列大小的视频[5,6]。
3 码率控制的考虑
本文选择的编码标准为H.263,所以把经过模板滤波再抽取的QCIF序列(以claire为例,设经过模板滤波再抽取的QCIF序列名称为claire1.qcif)分别应用TMN5和TMN8的码率控制来进行比较。
现设定目标码率为38 400 bit/s,输入图像的帧频为25 Hz,初始QP=13,编码100帧,量化步长的变化都不限制。统计出的数据见表3。
再比较一下两者对于缓存的控制,如图7所示。
从图7可以看出,TMN8码率控制策略明显优于TMN5,它不仅使缓存的充盈度保持平稳的状态,而且使缓存中的数据量比较小,从而保证了实时视频传输的较小时延。
因此,对于低速率无线信道,当编码器能力足够时,应该采用TMN8的码率控制措施。它能够随时对缓存容量进行调整,可以采用较小容量的缓存器,将编码延时降到最低,而且它对宏块层的控制也很精细,能够精确地控制码率。
4 结论
针对无线信道带宽较窄而且不稳定的特点,结合视频传输的质量要求,提出了编解码时转换视频分辨率并结合TMN8的码率控制措施。编码前先对视频进行前处理滤波以减少混叠,接着进行下采样,然后采用TMN8码率控制进行编码;在解码端,采用双线性内插的方法进行上采样,恢复出原始图像的大小,从而有效地降低了码率,保证了图像质量。
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无线视频传输系统 篇10
第三代合作伙伴计划长期演进(3GPP LTE)是一种新的无线接入技术,它通过提供更高的峰值数据传输速率、全面的分组交换核心网络以及支持多媒体应用多样化的服务质量(QoS)要求,改善了系统的性能。在下行链路,3GPP LTE采用了正交频分多址接入(OFDMA)技术,OFDMA能够抵抗无线信道的频率选择性衰落,对码间干扰也有一定的稳健性。3GPP LTE无线网络结构中,在用户与核心网之间只有一个被称为eNodeB的节点,该节点负责执行所有的无线资源管理(RRM)功能。分组调度是RRM功能之一,为了高效地利用无线资源并满足用户的QoS要求,它负责智能地选择用户并传输它们的数据包。
视频流是需要3GPP LTE系统支持的实时(RT)应用之一。为了确保满足视频流用户的QoS要求,其丢包率在保持低于某阈值的前提下,必须最小。视频流用户的数据包应该在该用户的时延阈值内接收到,否则将被丢弃,并视为丢失的数据包。
已经有很多分组调度算法在多载波的无线系统中支持RT业务。如文献[1,2,3]提出的算法将著名的最大权重时延优先(M-LWDF)算法[4]扩展到了OFDMA系统中。 M-LWDF算法利用瞬时下行信道条件(如信噪比)、平均吞吐量以及数据包信息,被认为是单载波无线系统中适用于RT业务的最好的分组调度算法。文献[5,6]提出了多载波无线系统中适用于RT业务的分组调度算法,该算法将数据包调度分解为资源调整(resource allocation)和资源分配(resource assignment)技术。资源调整技术确定分配给每个用户的无线资源的数量,而资源分配技术将可用的无线资源映射给用户。
虽然前面讨论的分组调度算法,在多载波无线系统中支持RT业务方面已经实现了良好的性能,但是它们不能直接应用到下行3GPP LTE系统中以支持视频流的应用,原因如下:1)视频流应用对丢包非常敏感;2)下行3GPP LTE系统中的数据包调度在1 ms的时间间隔内(传输时间间隔TTI)执行,并且提供给用户之间共享的无线资源是由作为资源块(RB)的子载波组组成的[7,8,9,10,11,12]。因此,本文提出了下行3GPP LTE系统中支持视频流应用的一种新的分组调度算法,称为时延优先比例公平调度(DF-PFS)。 DF-PFS算法通过利用每个用户的数据包延迟信息和瞬时下行信噪比(SNR),在保证用户间公平性的前提下,满足了视频业务的QoS要求。
1 系统模型
这里主要研究单蜂窝LTE系统下行链路的多用户调度问题。场景中包括1个基站(eNodeB)和K个用户设备(UE)。每一个UE都对应一个独立的缓冲区。基站通过主干网接收来自流媒体服务器已预先编码好的视频流,假设主干网络带宽很高,不存在丢包现象,视频序列通过H.264编码器进行编码。
eNodeB在接收到UE的视频发送请求后,调度器在每一个传输时隙(TTI)基于某种调度策略,选择优先权最高的用户进行调度,然后进行调制编码,发送视频流。
2 时延优先比例公平调度
视频流应用要求丢包率保持低于某个阈值。通过监测每个用户的HOL数据包时延值并调度接近该时延阈值的数据包,可以达到该要求。在数据包调度中,除数据包时延信息(HOL数据包时延和时延阈值)外,瞬时下行信噪比也发挥了重要的作用。根据文献[8],当需要作出调度决策时,如果分组调度能利用当前瞬时下行信道条件,那么就可以充分利用无线资源。
现有的其他分组调度算法在选择用户时除了基于数据包时延信息外,还考虑其他的调度准则(如瞬时下行信道条件、平均吞吐量、丢包率等),当与这些算法进行比较时,由于DF-PFS算法在每个TTI选择用户时,仅考虑数据包时延信息,因此复杂度很低。DF-PFS算法可分为以下3个步骤。
第1步,在每个TTI开始时,为每个用户计算HOL数据包时延与时延阈值之差,得出剩余时间为
dk(t)=Tk-Wk(t),k∈{1,2,…,K} (1)
式中: K是总的用户数;Tk是用户k的时延阈值;Wk(t)是用户k在第t个TTI的HOL数据包时延。
第2步,选择具有最小dk(t)的用户k,即
d=arg min dk(t),k∈{1,2,…,K} (2)
第3步,从一系列可用的RB中为该用户k选择最好的RB(由该用户报告的具有最高瞬时下行SNR值的RB)传输该用户的数据包,然后从用户集合中删除用户k,并更新剩余用户的dk(t)。最后从可用RB列表中删除已被选择的RB。重复以上步骤,直到可用RB的列表为空。
图1是DF-PFS算法的调度流程图,该算法在LTE系统下行链路的广义模型如图2所示。在每个TTI,基于在每个用户缓冲区获得的数据包时延信息,包调度程序确定即将被调度的用户。利用由用户报告的瞬时下行SNR值,确定使用哪个RB来进行数据包传输。该算法中,在每个TTI,每个用户至少会分配到一个RB。这样在一定程度上确保了用户间的公平性。
3 实验仿真环境
在系统中,对于所有可用的下行子信道,用户在每个TTI估计接收到的下行参考信号的信干噪比(SINR)值。然后,用户将这些值映射为一组CQI反馈,并使用上行信道将其报告给相应的基站(eNodeB)。如文献[7]中所述,为了保证误块率(BLER)值低于10%,CQI值由估计的SINR值量化得到。通过BLER-SINR曲线可以得出SINR值与CQI值之间的映射关系[7]。
在确定完调度策略后,分组调度器为某个即将调度的UE在下行链路选择合适的调制编码方案(MCS)。eNodeB通过使用指数有效SINR映射方法[7]为该用户指定一种MCS。
在相应的eNodeB中,为每个用户分配一个缓冲区。到达该eNodeB的每个用户的数据包都被盖上时间戳,并基于先进先出(FIFO)准则在其缓冲区排队以等待传输。对于eNodeB缓冲区队列中的每个数据包,计算出队头(HOL)数据包时延(当前时间与数据包到达时间之差)。如果HOL数据包时延超过了时延阈值,那么该包就被丢弃。下面详细介绍仿真中使用的系统参数和性能指标。
1) 系统参数
这里使用的蜂窝小区带宽是5 MHz,25个RB,2 GHz载波频率。服务的eNodeB固定在小区的中心位置,并控制所有可用的RB。这些RB由小区内的所有用户共享。小区中有K(10和15)个视频流用户,它们均匀分布在相应的eNodeB周围。用户以3 km/h的速度以随机方向不断地移动。本文中3GPP LTE系统下行链路使用的参数如表1所示。
由于时间限制以及为了降低系统仿真的复杂度,本文做了几个假设。假设每个用户在每个TTI都会向相应的eNodeB报告其在每个RB上的瞬时下行SNR值,并假设该报告是没有差错和延迟的。另外,也假设在每个RB上等量分配下行发射功率。
使用Lk,Sk,n,Tk和Mk,n(t)来确定信道增益[7],从而确定在每个TTI,每个用户在每个RB上的瞬时下行SNR值。在第t个TTI,用户k在第j个RB上的信道增益为
式中:Lk和Sk,n分别是用户k在第t个TTI的路径损耗(以dB为单位)和阴影衰落(以dB为单位);Tk是穿透损耗(以dB为单位);Mk,n(t)是用户k在第t个TTI,在RB上的多径衰落(以dB为单位)。从计算出来的信道增益,可以使用文献[7]提出的方法计算第t个TTI,用户k在RBj 的瞬时下行SNR值为
式中:Ptotal是eNodeB总的下行发射功率;N是可用RB数;N0是加性高斯白噪声;I是小区间的干扰。由于仿真中只有一个小区,因此假设小区间干扰是一个常数。
根据文献[7],Lk采用如下模型
Lk=128.1+37.6lgd (5)
式中:d为UE与eNodeB之间的距离,单位是千米(km)。
此外,Tk设置为10 dB ,Sk,n服从均值为0、标准差为8 dB的对数正态分布,Mk,n为瑞利衰落信道模型。
2) 性能指标
基于丢包率PLR和峰值信噪比PSNR对DF-PFS算法进行性能评估。
PLR定义为丢弃的数据包的总大小与进入相应的eNodeB的缓冲区的所有数据包的总大小之比,即
式中:pdiscardk(t)与psizek(t)分别是在第t个TTI,用户k丢弃的数据包的大小和进入用户k的eNodeB缓冲区的所有数据包的总大小;K是总用户数;T是总仿真时间。
峰值信噪比(PSNR)是目前应用最普遍的一种用于评价视频质量的客观指标,其计算式为
式中:MSE为原始图像和目的图像之间的均方误差。
4 实验结果
本节介绍DF-PFS算法的仿真结果,并与M-LWDF算法进行了比较。由于M-LWDF算法是为单载波无线系统开发的,因此,需要做一些修改,这样它就可以支持下行3GPP LTE系统中的数据包调度。
本文中,在每个TTI,M-LWDF算法根据式(8)选择用户,并将所有可用的无线资源分配给选定的用户。
式中:Rk(t)和Wk(t)是用户k在时刻t的平均吞吐量和HOL数据包时延;rk(t-1)是用户k在时刻t-1传输的总比特量。SNRk,j(t)是用户k在时刻t,在RBj上的瞬时下行SNR值,N是可用的RB数量。由于所有的用户都有同样的应用即视频流,所以变量ak设置为1。
1) 丢包率(PLR)
图3和图4比较了当用户数K分别为10和15时,在不同的时延阈值下,DF-PFS算法和M-LWDF算法的PLR变化。对比图3和图4可以发现,随着用户数的增加,由于有更多用户的数据包来不及调度,HOL数据包时延超过时延阈值而被丢弃,因此PLR会增大。从图中可以看出,随着时延阈值的增加,PLR降低,原因是有更多的数据包在HOL数据包时延达到时延阈值前被调度。由于在每个TTI,M-LWDF算法只调度一个用户,导致其他用户HOL数据包时延的增加超过时延阈值而被丢弃,因此与M-LWDF算法相比,DF-PFS算法具有更好的PLR性能。
2) 峰值信噪比
图5和图6比较了当用户数K分别为10和15时,在不同的时延阈值下,DF-PFS算法和M-LWDF算法的PSNR变化。正如理论分析的那样,PSNR随着PLR的降低而增大。从两幅图可以明显地看出,DF-PFS算法要优于M-LWDF算法。
5 结论
本文提出了一种新的分组调度算法称为时延优先比例公平调度,该算法支持3GPP LTE系统的下行链路传输视频业务。DF-PFS算法通过利用每个用户的瞬时下行SNR值和数据包时延信息,旨在满足视频用户QoS要求下最大化系统吞吐量。同时,通过将已经选择完RB的用户从用户集合中删除,避免了接近eNodeB的用户一直占用无线资源,在一定程度上确保了资源分配的公平性。从实验仿真结果中可以看出,当与M-LWDF算法作比较时,DF-PFS算法通过降低PLR和提高接收端视频的PSNR值,大大提高了系统的性能。
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