安防趨勢：視頻監(jiān)控傳輸無線化技術分析

　　視頻監(jiān)控接入方式由有線轉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，具有更強的靈活性和方便性，基于無線網(wǎng)絡的視頻監(jiān)視系統(tǒng)應運而生。無線視頻傳輸技術的發(fā)展已對無線移動網(wǎng)絡的架構和協(xié)議產生了深遠的影響，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，除集中地黨政機關、企事業(yè)單位外，如在海上、山地、礦井、地下室等復雜的環(huán)境而無法實現(xiàn)有線網(wǎng)絡架設的地方。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。

　　目前，市場上無線視頻傳輸技術大多采用GPRS和CDMA技術。而GPRS傳輸帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應急事件時容易出現(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)的實時應用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴頻微波)，無線局域網(wǎng)(WLAN，802.11(a.b，g))等技術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查取證的需要。因此，無線傳輸技術要在監(jiān)控系統(tǒng)中得到充分的發(fā)揮絕對優(yōu)勢，應該滿足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應用;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，研制能夠將頻帶很寬的高清晰度視頻進行穩(wěn)定的無限視頻傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸機制優(yōu)化是需要解決的關鍵問題之一，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)傳輸機制的容錯性展開相應的研究，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)。在此基礎上進一步給出基于帶寬一失真代價最小化準則的部分重傳錯誤控制機制，進而提高帶寬的利用率，并進行相應的實驗分析。

　　無線視頻傳輸機制分析與容錯傳輸技術

　　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。這里討論在無線信道上的視頻傳輸機制，其主要的研究點是容錯傳輸控制。容錯傳輸控制技術根據(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、交織打包技術和優(yōu)化的包調度機制等?；诜答伒腁RQ技術包括利用多幀參考機制的參考幀選擇(Reference Picture Selection，RPS)機制、混合ARQ(Hybrid，HARQ)機制和基于ARQ的反饋錯誤跟蹤技術。由于基于ARQ的容錯傳輸控制技術具有優(yōu)良的性能，所以在此重點介紹ARQ相關的傳輸控制技術，并討論現(xiàn)有視頻容錯傳輸機制存在的不足。

　　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量，前向糾錯編碼必須根據(jù)當前估計的最差情況來增加冗余校驗比特，這會導致帶寬資源的浪費。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技術和前向錯誤控制結合起來，稱為 HARQ技術。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需要較強的前向糾錯編碼，在錯誤率較低的應用場合會導致帶寬資源的浪費，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)對應的具有糾錯能力的校驗碼。當接收端收到后，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)送更強糾錯能力的校驗碼，具體因控制策略不同可有所調整。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的設計原理，接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，首先進行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障)，如果不能糾正且當前系統(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來進行錯誤恢復(第三層錯誤屏障)。可以看出，這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術來恢復錯誤，所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。

　　由于視頻信號具有較強的時空相關性，而且編碼端并不能完全去除這種相關性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關來恢復一定質量的視頻?；謴偷馁|量還和被恢復部分的紋理以及運動密切相關，一般而言，對紋理比較平緩和運動比較單一的部分，恢復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。