APM移動(dòng)視頻解決方案及模擬實(shí)驗
北京電鐵通信信號勘測設計院 公茂進(jìn) 高大綱 2008/06/24
寬帶移動(dòng)視頻監控系統的組成及特點(diǎn)
1.系統組成
移動(dòng)視頻監視系統主要包括前端設備、后端設備和傳輸設備組成。前端設備主要指圖像攝取設備（如各種類(lèi)型的攝像機），后端設備主要指圖像顯示、圖像錄制、系統控制等設備，前后端需要通過(guò)傳輸系統連接。為了支持系統的移動(dòng)功能，傳輸環(huán)節中至少有一部分是無(wú)線(xiàn)傳輸系統。APM移動(dòng)視頻監控系統的組成如圖1所示。
2.系統要求
寬帶移動(dòng)視頻監控系統的主要技術(shù)要求有四個(gè)方面。
①寬帶寬
為了保證移動(dòng)視頻監控系統的圖像清晰度和實(shí)時(shí)性質(zhì)量，視頻信號在傳輸過(guò)程帶寬要足夠寬，這就要求移動(dòng)視頻傳輸環(huán)節有足夠寬的傳輸帶寬。
②低延時(shí)
視頻的實(shí)時(shí)性要求有嚴格的端到端時(shí)延要求，對延遲非常敏感。為了滿(mǎn)足移動(dòng)視頻監控系統的實(shí)時(shí)性要求，整個(gè)系統要求從圖像攝取、圖像編碼、視頻傳輸、圖像解碼、圖像顯示各個(gè)環(huán)節有良好的實(shí)時(shí)性，這就需要移動(dòng)視頻傳輸環(huán)節的延時(shí)要低。
③低丟幀率
為了保證移動(dòng)視頻監控系統的圖像質(zhì)量，視頻信號在傳輸過(guò)程中應當盡力避免數據幀的丟失，這就要求移動(dòng)視頻傳輸環(huán)節有足夠低的丟幀率。
④無(wú)縫覆蓋及平滑漫游
為了保證在移動(dòng)的情況下圖像能夠保持連續實(shí)時(shí)，就要求視頻信號無(wú)線(xiàn)傳輸系統全程連續無(wú)縫的覆蓋，并能平滑漫游，以保證監視畫(huà)面的流暢。
3.系統關(guān)鍵技術(shù)
由于無(wú)線(xiàn)信道具有時(shí)變性，視頻信息具有實(shí)時(shí)性，以下技術(shù)成為寬帶移動(dòng)視頻監控系統解決方案中的關(guān)鍵技術(shù)。
①端到端QoS
為了保證整個(gè)系統的QoS，需要采用端到端策略：既要保證無(wú)線(xiàn)信道的帶寬，又要保證端到端的時(shí)延控制。
②無(wú)縫切換
為了保證移動(dòng)視頻監控系統的圖像清晰度和實(shí)時(shí)性質(zhì)量，就要控制跨AP切換時(shí)的丟包率、切換延遲和傳輸抖動(dòng)等，減少切換對QoS的影響。
③自適應編碼
為了適應無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變性，視頻編碼壓縮率需要根據無(wú)線(xiàn)信道特性的改變及對視頻編碼速率和幀速率進(jìn)行自適應的調整。
實(shí)驗步驟及實(shí)驗系統的組成
從以上分析可以看出，影響移動(dòng)視頻監控系統整體性能的主要環(huán)節可以分為兩個(gè)層面：第一，視頻編碼器、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )本身的性能；第二，視頻編碼器、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )間的配合。
為了保證APM移動(dòng)視頻監控系統的整體性能，筆者就APM系統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和視頻編碼器的各自性能，進(jìn)行了實(shí)驗。本次實(shí)驗采用兩個(gè)步驟，即實(shí)驗室測試和現場(chǎng)模擬實(shí)驗測試，并在實(shí)驗室測試的基礎上，對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和視頻編碼器間的初步配合進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)驗測試。現場(chǎng)的實(shí)驗系統組成如圖2所示。
為了達到APM系統最終的目標，我們通過(guò)實(shí)驗室選出了幾款單系統性能比較出色的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品和視頻編碼器產(chǎn)品。在現場(chǎng)實(shí)驗中，我們又對遴選出的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品和視頻編碼產(chǎn)品，根據圖2的模式，進(jìn)行了不同組合的現場(chǎng)實(shí)驗測試。
根據測試結果，我們初步選定了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備和視頻編碼設備，分別是CISCO1300（IEEE802.11g）和BOSCHVIPX2（MPEG-4）。
實(shí)驗過(guò)程中我們對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備CISCO1300進(jìn)行了軟件調整和參數設置，軟件調整后為70～90ms，與BOSCHVIPX2配合使用，觀(guān)察2Mbit/s速率、25幀的圖像傳輸，基本感覺(jué)不到圖像的抖動(dòng)，即圖像是連續的，感覺(jué)不到切換。
本次實(shí)驗達到了預期目標，下一步我們將針對無(wú)線(xiàn)傳輸和視頻編碼間的密切配合，進(jìn)行相應的深入研究和二次開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行進(jìn)一步地測試和實(shí)驗。
我們以后的研究重點(diǎn)將是以下幾個(gè)方面。
1.無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構的調整
鑒于軌道交通的服務(wù)區域成明顯的帶狀結構，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構需要針對特性進(jìn)行研究。
2.視頻編解碼器的改進(jìn)
采用帶外部控制的自適應編碼器，可以根據外部條件對視頻編碼的碼速率、幀速率進(jìn)行自適應調整，滿(mǎn)足不同情況下的要求。
3.路由策略的選擇
根據軌道交通線(xiàn)性特點(diǎn)，對路由選擇上進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據網(wǎng)絡(luò )規模，我們將采用同一網(wǎng)段，并通過(guò)三層的路由算法的選擇加以保證。
4.信道信源編碼的配合
根據無(wú)線(xiàn)信道的變化，我們將對信道編碼和信源編碼作相應的調整，使得在傳輸條件受到限制的情況下，保證系統整體性能與首要期望相吻合。
5.全程反饋環(huán)技術(shù)
建立從攝像、信源編碼、信道編碼、信道解碼、信源解碼、后臺顯示的全程的反饋環(huán)機制，能將無(wú)線(xiàn)信道的變化反饋到系統的各個(gè)環(huán)節，達到系統各環(huán)節協(xié)調聯(lián)動(dòng)。
6.漫游切換策略的選擇
根據本系統的網(wǎng)絡(luò )結構，我們將采用預認證、單向切換控制等機制加快漫游切換速度，降低丟包率，并通過(guò)上層協(xié)議及后臺的控制完成切換。
目前本方案已經(jīng)成功運用于今年3月新投入運營(yíng)的北京首都機場(chǎng)3號航站樓的APM系統。
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