APM移動視頻解決方案及模擬實驗
北京電鐵通信信號勘測設(shè)計院 公茂進 高大綱 2008/06/24
寬帶移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成及特點
1.系統(tǒng)組成
移動視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要包括前端設(shè)備、后端設(shè)備和傳輸設(shè)備組成。前端設(shè)備主要指圖像攝取設(shè)備（如各種類型的攝像機），后端設(shè)備主要指圖像顯示、圖像錄制、系統(tǒng)控制等設(shè)備，前后端需要通過傳輸系統(tǒng)連接。為了支持系統(tǒng)的移動功能，傳輸環(huán)節(jié)中至少有一部分是無線傳輸系統(tǒng)。APM移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖1所示。
2.系統(tǒng)要求
寬帶移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)要求有四個方面。
①寬帶寬
為了保證移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的圖像清晰度和實時性質(zhì)量，視頻信號在傳輸過程帶寬要足夠?qū)挘@就要求移動視頻傳輸環(huán)節(jié)有足夠?qū)挼膫鬏攷挕?br />
②低延時
視頻的實時性要求有嚴(yán)格的端到端時延要求，對延遲非常敏感。為了滿足移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求，整個系統(tǒng)要求從圖像攝取、圖像編碼、視頻傳輸、圖像解碼、圖像顯示各個環(huán)節(jié)有良好的實時性，這就需要移動視頻傳輸環(huán)節(jié)的延時要低。
③低丟幀率
為了保證移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，視頻信號在傳輸過程中應(yīng)當(dāng)盡力避免數(shù)據(jù)幀的丟失，這就要求移動視頻傳輸環(huán)節(jié)有足夠低的丟幀率。
④無縫覆蓋及平滑漫游
為了保證在移動的情況下圖像能夠保持連續(xù)實時，就要求視頻信號無線傳輸系統(tǒng)全程連續(xù)無縫的覆蓋，并能平滑漫游，以保證監(jiān)視畫面的流暢。
3.系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
由于無線信道具有時變性，視頻信息具有實時性，以下技術(shù)成為寬帶移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案中的關(guān)鍵技術(shù)。
①端到端QoS
為了保證整個系統(tǒng)的QoS，需要采用端到端策略：既要保證無線信道的帶寬，又要保證端到端的時延控制。
②無縫切換
為了保證移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的圖像清晰度和實時性質(zhì)量，就要控制跨AP切換時的丟包率、切換延遲和傳輸抖動等，減少切換對QoS的影響。
③自適應(yīng)編碼
為了適應(yīng)無線信道的時變性，視頻編碼壓縮率需要根據(jù)無線信道特性的改變及對視頻編碼速率和幀速率進行自適應(yīng)的調(diào)整。
實驗步驟及實驗系統(tǒng)的組成
從以上分析可以看出，影響移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體性能的主要環(huán)節(jié)可以分為兩個層面：第一，視頻編碼器、無線網(wǎng)絡(luò)本身的性能；第二，視頻編碼器、無線網(wǎng)絡(luò)間的配合。
為了保證APM移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，筆者就APM系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)和視頻編碼器的各自性能，進行了實驗。本次實驗采用兩個步驟，即實驗室測試和現(xiàn)場模擬實驗測試，并在實驗室測試的基礎(chǔ)上，對無線網(wǎng)絡(luò)和視頻編碼器間的初步配合進行現(xiàn)場實驗測試。現(xiàn)場的實驗系統(tǒng)組成如圖2所示。
為了達到APM系統(tǒng)最終的目標(biāo)，我們通過實驗室選出了幾款單系統(tǒng)性能比較出色的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和視頻編碼器產(chǎn)品。在現(xiàn)場實驗中，我們又對遴選出的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和視頻編碼產(chǎn)品，根據(jù)圖2的模式，進行了不同組合的現(xiàn)場實驗測試。
根據(jù)測試結(jié)果，我們初步選定了無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和視頻編碼設(shè)備，分別是CISCO1300（IEEE802.11g）和BOSCHVIPX2（MPEG-4）。
實驗過程中我們對無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備CISCO1300進行了軟件調(diào)整和參數(shù)設(shè)置，軟件調(diào)整后為70～90ms，與BOSCHVIPX2配合使用，觀察2Mbit/s速率、25幀的圖像傳輸，基本感覺不到圖像的抖動，即圖像是連續(xù)的，感覺不到切換。
本次實驗達到了預(yù)期目標(biāo)，下一步我們將針對無線傳輸和視頻編碼間的密切配合，進行相應(yīng)的深入研究和二次開發(fā)，并進行進一步地測試和實驗。
我們以后的研究重點將是以下幾個方面。
1.無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整
鑒于軌道交通的服務(wù)區(qū)域成明顯的帶狀結(jié)構(gòu)，無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要針對特性進行研究。
2.視頻編解碼器的改進
采用帶外部控制的自適應(yīng)編碼器，可以根據(jù)外部條件對視頻編碼的碼速率、幀速率進行自適應(yīng)調(diào)整，滿足不同情況下的要求。
3.路由策略的選擇
根據(jù)軌道交通線性特點，對路由選擇上進行簡化。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，我們將采用同一網(wǎng)段，并通過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(jù)無線信道的變化，我們將對信道編碼和信源編碼作相應(yīng)的調(diào)整，使得在傳輸條件受到限制的情況下，保證系統(tǒng)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，能將無線信道的變化反饋到系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，達到系統(tǒng)各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)聯(lián)動。
6.漫游切換策略的選擇
根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們將采用預(yù)認(rèn)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月新投入運營的北京首都機場3號航站樓的APM系統(tǒng)。
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