安防趨勢：視頻監(jiān)控傳輸無線化技術(shù)分析

　　視頻監(jiān)控接入方式由有線轉(zhuǎn)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(qiáng)的靈活性和方便性，基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)運而生。無線視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展已對無線移動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和協(xié)議產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(shù)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(jī)關(guān)、企事業(yè)單位外，如在海上、山地、礦井、地下室等復(fù)雜的環(huán)境而無法實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)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(shù)。

　　目前，市場上無線視頻傳輸技術(shù)大多采用GPRS和CDMA技術(shù)。而GPRS傳輸帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波)，無線局域網(wǎng)(WLAN，802.11(a.b，g))等技術(shù)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(yīng)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(shù)要在監(jiān)控系統(tǒng)中得到充分的發(fā)揮絕對優(yōu)勢，應(yīng)該滿足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)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(zhì)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?qū)㈩l帶很寬的高清晰度視頻進(jìn)行穩(wěn)定的無限視頻傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制優(yōu)化是需要解決的關(guān)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(jī)制的容錯性展開相應(yīng)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(guān)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(chǔ)上進(jìn)一步給出基于帶寬一失真代價最小化準(zhǔn)則的部分重傳錯誤控制機(jī)制，進(jìn)而提高帶寬的利用率，并進(jìn)行相應(yīng)的實驗分析。

　　無線視頻傳輸機(jī)制分析與容錯傳輸技術(shù)

　　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(shù)。這里討論在無線信道上的視頻傳輸機(jī)制，其主要的研究點是容錯傳輸控制。容錯傳輸控制技術(shù)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(shù)、交織打包技術(shù)和優(yōu)化的包調(diào)度機(jī)制等。基于反饋的ARQ技術(shù)包括利用多幀參考機(jī)制的參考幀選擇(Reference Picture Selection，RPS)機(jī)制、混合ARQ(Hybrid，HARQ)機(jī)制和基于ARQ的反饋錯誤跟蹤技術(shù)。由于基于ARQ的容錯傳輸控制技術(shù)具有優(yōu)良的性能，所以在此重點介紹ARQ相關(guān)的傳輸控制技術(shù)，并討論現(xiàn)有視頻容錯傳輸機(jī)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(zhì)量，前向糾錯編碼必須根據(jù)當(dāng)前估計的最差情況來增加冗余校驗比特，這會導(dǎo)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(shù)和前向錯誤控制結(jié)合起來，稱為 HARQ技術(shù)。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(dāng)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(dāng)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(qiáng)的前向糾錯編碼，在錯誤率較低的應(yīng)用場合會導(dǎo)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(jī)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(guān)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(dāng)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(yīng)的具有糾錯能力的校驗碼。當(dāng)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(qiáng)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(shè)計原理，接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，首先進(jìn)行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障)，如果不能糾正且當(dāng)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(fù)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(jié)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(shù)來進(jìn)行錯誤恢復(fù)(第三層錯誤屏障)。可以看出，這種機(jī)制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術(shù)來恢復(fù)錯誤，所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機(jī)制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。

　　由于視頻信號具有較強(qiáng)的時空相關(guān)性，而且編碼端并不能完全去除這種相關(guān)性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關(guān)來恢復(fù)一定質(zhì)量的視頻。恢復(fù)的質(zhì)量還和被恢復(fù)部分的紋理以及運動密切相關(guān)，一般而言，對紋理比較平緩和運動比較單一的部分，恢復(fù)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。