0 引言
傳統的視頻監控系統基本都是定點監控， 受制于硬件及傳輸線路的連接，不能滿足行業的特殊需要。基于無線通信網絡的移動監控技術可以很好地滿足這一社會需求。目前國內現有的移動通信網絡有GSM 網絡、GPRS 網絡、CDMA 1X 網絡，利用無線信道傳輸話音、數據和視頻己經可以實現，但是普遍存在傳輸速率不高、傳輸圖像不穩定和傳輸的信息存在安全漏洞等問題。本文主要研究了基于WiMAX 的無線視頻監控系統的組網與應用，WiMAX 具有良好的非視距特性和高帶寬， 可以滿足復雜城市環境中的傳輸要求，能夠很好地解決對環境要求比較苛刻、不易敷設線纜地方的視頻監控的問題，比如旅游景點等。
1 WiMAX 系統概述及網絡體系結構
在市場和技術的共同驅動下， 無線通信系統在最近幾十年經歷了幾次巨大跨越， 從2G 到3G,無線移動通信系統解放了有線的束縛，成為人們必不可少的通信手段。WiMAX 是一項基于IEEE 802.16空中接口標準的寬帶無線接入城域網（BWAMAN）技術。2007 年10 月，國際電信聯盟（ITU）已批準WiMAX 寬帶無線接入技術成為移動設備的全球標準。WiMAX 成為繼WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA后全球第四個3G 標準。
WiMAX 系統的通信實體包括移動用戶臺（MSS）、接入服務網絡（ASN）、連接服務網絡（CSN）和應用服務提供商（ASP）網絡或者Internet.有關非漫游模式端到端參考模型如圖1 所示。
圖1 基于802.16 的非漫游模式端到端參考模型
ASN 由基站（BS） 和ASN 網關（ASN GW） 構成， 作為一個邏輯實體， 它的功能是管理IEEE802.16 空中接口，為WiMAX 用戶提供無線接入。
ASN 網關是BS 和CSN 通信的管理通信實體。ASN作為WiMAX 系統的接入網，為WiMAX 用戶提供無線接入。
CSN 是一套網絡功能的組合，為WiMAX 用戶提供IP 連接。CSN 包含許多功能實體，如路由器、AAA 代理或者服務器、用戶數據庫、互聯網關等。
協議接口位于兩組功能之間， 兩組功能則分別位于協議接口兩側的功能實體中，協議接口兩側的網絡實體通過標準的協議接口上的協議實現互操作。圖1 包含了非漫游模式端到端模型定義的主要接口。
2 WiMAX 系統采用的關鍵技術
WiMAX 技術是新一代寬帶無線接入技術，通過接入核心網從而提供業務。與之前的寬帶無線接入系統相比，它的優勢來源于所采用的空中接口技術，其技術優勢可簡要概括為以下幾點：
a）傳輸距離遠，WiMAX 的無線信號傳輸距離最遠可達50km.
b） 接入速率高，WiMAX 所能提供的最高接入速率是70Mbit/s.c）支持固定、游牧、便攜和全移動多種場景。
d）基站對信道資源進行集中管理，實現了空口的QoS 管理。
2.1 正交頻分復用（OFDM）技術
OFDM 是一種多載波傳輸技術，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進行并行發送，這是最樸素的實現寬帶傳輸的方法。在數字信號處理技術FFT 發展的推動下，允許將各個子載波重疊排列，同時保持子載波之間的正交性，從而有效避免了子載波之間的干擾。由于相同的帶寬內容納了更多的子載波，部分重疊的子載波可以大大提高頻譜效率[3].OFDM 技術成為新一代無線通信的核心技術，是由于它具有以下優點：頻譜效率高、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配、實現OFDM 技術較簡單。
2.2 多進多出（MIMO）技術
MIMO 技術可以在不消耗額外空口資源的基礎上成倍地提高系統容量和頻譜效率。
MIMO 系統是指在發射機/ 接收機采用多天線發送/ 接收的系統，MIMO 系統之所以可以在不消耗額外時間和頻率資源的基礎上大大提高系統容量，是因為它利用了第三種資源---空間。不同的天線只要相隔一定距離，它們就可以擁有不同的多徑衰落信道，從而可以實現"空間分集".利用這種空間分集，就可以改變信道的性質，變為多進多出信道。
通信理論證明，MIMO 信道的容量可以成倍地高于單進單出信道。
2.3 自適應調制編碼（AMC）技術
AMC 的原理是根據用戶瞬時信道質量狀況和當前資源，選擇最合適的下行鏈路調制和編碼方式。
靠近基站的用戶接收信號功率強， 采用高階調制方式（如16QAM 或64QAM）和高速率信道編碼（3/4編碼速率）使用戶獲得盡量高的數據吞吐率；當信號較差時，則選取低階調制方式（如QPSK）和低速率信道編碼（1/4 編碼速率） 來保證通信質量。
WiMAX 采用AMC 作為基本的鏈路自適應技術對調制編碼速率進行選擇。
3 WiMAX 在視頻監控中的實際應用
WiMAX 技術提供了靈活的QoS 機制，可以根據不同的業務需求和特性配置不同的QoS 策略，包括語音、視頻及互聯網接入等，既保證了網絡帶寬的穩定性，同時又可以有效地利用網絡資源。WiMAX網絡承載包括兩部分：無線承載和IP 傳輸承載。無線承載通過IEEE 802.16 機制提供端到端的QoS服務，IP 傳輸承載則采用DiffServ 和多協議標識交換（MPLS）等IP 網絡的技術來保證QoS.
典型的IP 智能監控解決方案拓撲結構如圖2所示。
圖2 無線接入視頻監控解決這群組網圖
在實際組網中，根據視頻監控點分布的位置，結合可安裝WiMAX 無線接入基站的機房資源、數據網絡節點的分布情況以及可用頻率資源情況，選擇合適的站址設立WiMAX 中心站（基站）。各監控點作為無線接入的遠端站， 通過和基站間的空中鏈路實現與中心基站的連接，中心基站通過100Mbit/s端口接入IP 承載網， 這樣各監控點的數據通過WiMAX 無線接入的方式經過中心機房匯聚后接入監控中心。
WiMAX 無線視頻監控系統主要由視頻采集前端系統、無線傳輸系統、監控中心和遠程監控四個部分組成。
3.1 視頻采集前端系統
由攝像頭、監聽頭、對講設備、報警探頭和編解碼器等組成， 其中的編解碼器采用的是H3C 的設備。當前端到中心的帶寬足夠、允許中心存儲時，前端配置EC 編碼器；當帶寬有限、無法中心存儲時，采用支持前端存儲的ECR 編碼器；當前端需要解碼還原圖像時， 通過加裝的DC 解碼器實現圖像的現場查看。
EC 編碼器支持接入攝像頭和監聽的視音頻信號， 并將其轉換壓縮為數字信號通過空間鏈路傳送到監控中心。EC 支持移動偵測報警，支持通過RS485 口對云臺、球機的控制，支持接入對講設備和報警輸入輸出設備，滿足視頻監聽、云臺控制、對講和報警接收聯動的基本需求。同時支持本地緩存，當網絡故障時可以保存圖像信息。
ECR 編碼器同樣支持接入攝像頭和監聽的視音頻信號， 并將其轉換壓縮為數字信號傳送到監控中心。ECR 支持通過RS485 口對云臺、球機的控制，支持接入對講設備和報警輸入輸出設備。內置最大8 個盤位和支持RAID5 的NAS 盤陣，可以提供高可靠的本地存儲。ECR 還可以為局域網環境下的其他EC 編碼器提供NAS 存儲服務，通過EC 編碼器擴展ECR 的編碼能力。
DC 編碼器用于接收中心指令， 將系統中任何一路編碼的圖像解碼還原成模擬的視音頻信號，接入到現場電視機或者其它影像設備，用于展示實時視頻信息或視頻指揮。
所有編解碼器都可以被監控中心的集成監控中心主機統一配置、認證和網管。
3.2 無線傳輸系統
通過WiMAX 的遠端站CPE（客戶端設備），將前端系統采集到的視頻等數字信號處理為射頻信號后發往基站，再由基站通過以太網或光纖傳輸到視頻監控中心統一監視、管理。
由于無線傳輸信道的開放性，使得WiMAX 系統必須具有很好的安全機制來保證網絡的安全性。
WiMAX 安全規范的核心基于MAC 層協議棧的安全子層， 大部分的算法和安全機制都以MAC 控制信息的形式存在于此。WiMAX 可以自由地選取工作在7 層模型中更高層（如網絡層、傳輸層、會話層等）上的安全機制，這些機制包括IP 安全（IPSec）協議、傳輸層安全（TLS）協議和無線傳輸層安全（WTLS）協議。該子層提供接入控制，通過電子簽名的雙向設備認證機制，并且應用密鑰變換進行加密以保證數據傳輸的機密性。當兩個設備建立連接，協議就發揮了確保機密性和認證設備的作用。
3.3 監控中心
監控中心的核心設備包括集成監控中心主機和集成監控中心輔機。作為整個系統的核心管理服務器，可以對前端和中心所有的編解碼器進行統一配置、認證和網管，對所有用戶訪問進行統一認證，對報警、云臺控制、解碼輸出控制的輸出指令進行接收、轉發和聯動處理。主機內置防火墻功能可以杜絕惡意入侵，保障系統信息安全。
集成監控中心主機作為整個系統的Web 服務器為用戶提供Web 客戶端訪問服務， 通過Web 客戶端可以實現對前端編解碼器的統一配置和網管，還可以接收解碼前端編碼器傳輸過來的數字視音頻信號，實現圖像語音監視監聽、圖像查詢回放、報警接收等功能。Web 客戶端還可以通過主機發送指令給中心解碼器解碼輸出視頻信號上電視墻， 實現數字矩陣的功能。集成監控中心主機配合輔機可以作為NVR 網絡視頻錄像機使用， 主機和輔機均可以接收指定編碼器傳送上來的視頻存儲流， 內置的8個盤位NAS 存儲空間可以提供高質量的存儲服務，同時提供RAID5 保護。
主機內置了豐富的人機界面接口，可以接入顯示器、監視器、專業鍵盤和鼠標，方便監控中心操作人員直接在主機上監視、控制遠程圖像，并通過中心的視音頻采集通道和對講通道實現和現場人員的可視對講、廣播。
3.4 遠程監控
遠程監控中心可以通過Web 客戶端訪問控制中心的主機，在授權范圍內實現基本視頻功能，同時還可以通過遠程監控中心配置實現二級監控。
4 結束語
與傳統有線視頻監控系統相比， 采用IEEE802.16 技術標準，基于WiMAX 寬帶無線接入的視頻監控系統具有高帶寬、非視距、覆蓋范圍廣等優點，突破了傳統視頻監控系統中有線傳輸的限制，實現了"最后一公里"的無線接入，有利于在光纖不易敷設的地方快速架設、組網。
