4G無線傳輸技術(shù)在車載監(jiān)控中的應(yīng)用

4G在車載監(jiān)控的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　車載監(jiān)控是車聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要標(biāo)桿技術(shù)，在百度百科對(duì)車聯(lián)網(wǎng)有如下定義：車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車-X(X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等)之間，進(jìn)行無線通訊和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化交通管理、智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。而無線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)某休d系統(tǒng)，傳輸來自車載監(jiān)控系統(tǒng)的全部應(yīng)用數(shù)據(jù)，及時(shí)有效的回傳至管理中心。通過后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)音頻、視頻、圖片、衛(wèi)星定位、車速、油耗、門狀態(tài)、溫度、濕度、甚至是人臉抓拍、人數(shù)清點(diǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析及有效呈現(xiàn)，提供一系列供管理者使用的運(yùn)營、監(jiān)控、管理、指揮功能，提升了管理效率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人、車、物的管理要求。

　　在早期的車載監(jiān)控領(lǐng)域除衛(wèi)星定位技術(shù)外，視頻圖像的大規(guī)模傳輸?shù)牟⑽瓷婕?。原因有二：一是利用運(yùn)營商無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鷥r(jià)昂貴。從網(wǎng)上可查到2007年5月前后，在WAP全面轉(zhuǎn)向GPRS上網(wǎng)方式，50元只包50兆流量，對(duì)每小時(shí)需上百兆存儲(chǔ)空間的車載監(jiān)控錄像來說，如需實(shí)時(shí)回傳，無疑是杯水車薪的;二是早期的無線技術(shù)不足100kbps的帶寬，對(duì)需要高帶寬的車載監(jiān)控視頻難以提供有效的帶寬支撐，只作為不具備市場效益的車載監(jiān)控雛形帶給大家新的發(fā)展啟示。

　　其次，2008年12月基于3G牌照發(fā)放，3G無線技術(shù)在中國得到迅猛發(fā)展。國內(nèi)三大運(yùn)營商大規(guī)模部署其各自3G網(wǎng)絡(luò)(中國移動(dòng)TD-SCDMA，截至2014.7月約52萬個(gè)基站，C114中國通信網(wǎng)數(shù)據(jù))、(中國聯(lián)通WCDMA，截至2014.11月約43萬個(gè)基站，C114中國通信網(wǎng)數(shù)據(jù))、(中國電信EVDO，截至2012.2月約20萬個(gè)基站，通信世界網(wǎng)數(shù)據(jù))，得益于3G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，車載監(jiān)控的得到很大程度上的發(fā)展但由于3G帶寬不足(性能最好的WCDMA制式，在單基站下，上行共享帶寬5.76Mbps，實(shí)際應(yīng)用測試，平均僅128～256Kbps)，且受到網(wǎng)絡(luò)其他因素影響，因此，在行業(yè)中采用的是緊急情況下視音頻圖像低碼流、非實(shí)時(shí)回傳，大量音視頻錄像保存在設(shè)備硬盤內(nèi)的主流車載監(jiān)控方案。

　　再者，2013年12月4日，工信部向三大運(yùn)營商正式發(fā)放4G TD-LTE牌照至今一年有余，中國移動(dòng)的TD-LTE基站在全國超過70萬個(gè)，超過500款4G手機(jī)，數(shù)十款MiFi 4G終端，和面向行業(yè)(如車載監(jiān)控領(lǐng)域)的4G模組產(chǎn)品得到市場應(yīng)用和檢驗(yàn)。有人比喻3G是高速公路，4G是磁懸浮，上下行速率理論值達(dá)到的50/100筆者也進(jìn)行了4G速率的實(shí)際測試(測試地點(diǎn)北京豐臺(tái)體育館西1KM、4G信號(hào)強(qiáng)度-70～-115dBm<顯示2～4格>測試軟件Speedtest、測試手機(jī)iPhone6 plus、手機(jī)制式TD-LTE)。

　　測試結(jié)果：下行速率平均值17.678Mbps，上行速率平均值2.614Mbps,當(dāng)信號(hào)為-70dBm<顯示4格>，上行速率可達(dá)到7.78Mbps。見圖1紅色框內(nèi)，當(dāng)關(guān)閉4G，使用3G(TD-SCDMA)測試時(shí)，下行速率1.06Mbps，上行速率僅130Kbps。

圖1 Speed test測試對(duì)比表

　　從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，4G無線技術(shù)的速率提升、巨大帶寬將為車載監(jiān)控實(shí)現(xiàn)回傳高質(zhì)量流暢的視頻圖像提供保障，甚至可將720P、1080P高清圖像回傳至中心。4G無線技術(shù)為管理者提供更豐富、全面、完整的綜合數(shù)據(jù)，提升管理效率，最終降低管理的成本。

　　隨著4G(TD-LTE)牌照發(fā)放，4G網(wǎng)絡(luò)正式商用(FDD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)如火如荼建設(shè)，三大運(yùn)營商都將拿到牌照并進(jìn)行混合組網(wǎng))。同時(shí)，市場主流車載監(jiān)控廠商也陸續(xù)推出各自特點(diǎn)的4G車載監(jiān)控產(chǎn)品，提供更豐富功能，讓車載移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在4G技術(shù)的推動(dòng)下，開闊車載領(lǐng)域新的紀(jì)元并獲得更廣闊的發(fā)展空間。

　　從目前廠商反饋的數(shù)據(jù)看，在4G信號(hào)覆蓋強(qiáng)度-70～-80dBm(3～4格信號(hào))，平均車速60～80KM/H，同時(shí)回傳4路視頻(D1分辨率，25fps幀率，512kbps碼流/路)，伴隨1路語音、實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位等條件下，在監(jiān)控中心能夠得到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控良好體驗(yàn)。在3G(WCDMA、EVDO)網(wǎng)絡(luò)下，僅能并發(fā)1路圖像、CIF分辨率、10～12fps幀率、128kbps碼流。由此看出3G與4G無線技術(shù)在傳輸速率上的巨大差距(見圖2)。

圖2 無線技術(shù)發(fā)展MAP

　　4G無線傳輸技術(shù)介紹

　　4G包含兩種技術(shù)：TDD-LTE和FDD-LTE。LTE(Long Term Evolution，長期演進(jìn))由3GPP組織制定，得到國際電信聯(lián)盟通過的全球標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)模式實(shí)質(zhì)上只存在較小差異，相似度達(dá)90%。其中LTE-TDD，國內(nèi)亦稱TD-LTE(Time Division Long Term Evolution 分時(shí)長期演進(jìn))，采用非成對(duì)頻譜。TDD時(shí)分雙工(Time Division Duplexing)是移動(dòng)通信技術(shù)使用的雙工技術(shù)之一，與FDD頻分雙工相對(duì)應(yīng)。

圖3 4G兩種制式控制機(jī)制

　　如圖3，F(xiàn)DD是在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來分離接收和發(fā)送信道。 FDD必須采用成對(duì)的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，充分利用上下行的頻譜，但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，F(xiàn)DD頻譜利用率將大大降低。該模式下，上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)在同一對(duì)稱頻率上，需要同時(shí)傳輸，優(yōu)勢在于頻率寬度大，數(shù)據(jù)傳輸速度快。但如果遇到非對(duì)稱業(yè)務(wù)，下行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于上行，則上行數(shù)據(jù)頻率信道會(huì)被占用，最終導(dǎo)致傳輸效率較低。

　　TDD用時(shí)間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。某個(gè)時(shí)間段由基站發(fā)送信號(hào)給移動(dòng)臺(tái)，另外時(shí)間由移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)給基站，基站和移動(dòng)臺(tái)之間必須協(xié)同一致才能順利工作。由于該技術(shù)上下行數(shù)據(jù)在同一時(shí)間里面并不需要一起傳輸，因此其可以根據(jù)上下行的數(shù)據(jù)大小動(dòng)態(tài)進(jìn)行分配，對(duì)于頻率信道的利用率更好。

　　綜上所述，TD-LTE省資源，適合在城市的熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，而FDD速度快;適合在城市外圍等區(qū)域進(jìn)行廣域覆蓋。

　　4G與3G區(qū)別及各自優(yōu)勢

　　3G稱為第三代移動(dòng)通信技術(shù)，有三個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，分別是：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，在2008年5月，由國際電信聯(lián)盟正式頒布，歐洲主要采用WCDMA制式、美國主要采用CDMA2000，在國內(nèi)由聯(lián)通(WCDMA)、電信(CDMA2000)、移動(dòng)(TD-SCDMA)分別運(yùn)營。車載監(jiān)控目前主要采用WCDMA與CDMA2000兩種技術(shù)，市場產(chǎn)品中甚至有支持雙卡或雙卡以上打包的技術(shù)方案，有效提升了音視頻圖片定位數(shù)據(jù)回傳的帶寬，TD-SCDMA則因低速(上行最高僅128Kbps)無法滿足視頻回傳要求，基本未采用。

　　作為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的4G無線技術(shù)，在接入方式和多址方案、調(diào)制與編碼技術(shù)、高性能接收機(jī)、智能天線技術(shù)、MIMO技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、基于IP的核心網(wǎng)、多用戶檢測技術(shù)等一系列核心技術(shù)上，同3G相比，在技術(shù)有著重大飛躍，另外，WCDMA能通過長期演進(jìn)，平滑升級(jí)至FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)。另外的兩種3G技術(shù)則無法長期演進(jìn)至4G。

　　4G的幾個(gè)重大優(yōu)勢

　　速度快：TD-LTE與FDD-LTE上下行理論值均達(dá)到驚人的50/100Mbps。

　　帶寬高：每信道頻譜寬，帶寬高，若按100M，則是WCDMA網(wǎng)絡(luò)的20倍。

　　通信質(zhì)量好：大用戶數(shù)、大數(shù)據(jù)量下質(zhì)的提升。

　　費(fèi)用低：系統(tǒng)部署費(fèi)用低，導(dǎo)致未來用戶通信費(fèi)用額的減少。

　　在圖4中可看出，無線移動(dòng)通信速率的提升，為城市客運(yùn)(公交、出租等)、長途運(yùn)輸、城市綜合管理(如城管、交警等)領(lǐng)域倍增的海量數(shù)據(jù)傳輸，甚至交互式高清視頻(720P、1080P、2K、4K)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也是未來幾年內(nèi)運(yùn)營商部署更多4G高速無線網(wǎng)絡(luò)，提供更豐富無線應(yīng)用承載鏈路的動(dòng)力。

　　4G在車載監(jiān)控領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用探討

　　目前車載監(jiān)控市場主流產(chǎn)品為標(biāo)清(D1)方案，在4G網(wǎng)絡(luò)下，由于視頻的傳輸?shù)玫礁邘挼闹С?前述測試案例得知，在-80dBm信號(hào)強(qiáng)度下，達(dá)到驚人的7Mbps上行速率)。根據(jù)實(shí)際的測試和用戶使用經(jīng)驗(yàn)，通常推薦配置為單路視頻：1Mbps碼流、25fps幀率、D1分辨率、視頻質(zhì)量中上，當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)配置參數(shù)。

　　根據(jù)中國移動(dòng)的4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃：TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為三期，一二期是城區(qū)覆蓋，三期是對(duì)城區(qū)熱點(diǎn)地區(qū)容量進(jìn)行擴(kuò)充，以及邊遠(yuǎn)地區(qū)的連接和覆蓋。那么，需要根據(jù)車載監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，深入測試行車區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況，比如：在每一個(gè)有明顯差異(信號(hào)相差-5dBm)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)速率測試(可使用較專業(yè)手機(jī)端測試工具，如：Speedtest)，并保存當(dāng)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度、上行速率等重要參數(shù)，同時(shí)，依據(jù)測試數(shù)據(jù)，調(diào)整視頻參數(shù)并紀(jì)錄，與遠(yuǎn)程管理中心配合，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻回傳效果測試，中心做實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及錄像保存(推薦DV錄像機(jī)等外錄像方案較為恰當(dāng)，可觀察實(shí)際視頻的播放質(zhì)量、流暢性等)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)卡頓、馬賽克、黑屏等問題，需重新調(diào)整配置并再次測試，城市道路推薦車速40～60km，測試方案建議重復(fù)2～3次，可取得較理想音視頻配置參數(shù)，滿足系統(tǒng)在90%環(huán)境下的可靠運(yùn)行要求。對(duì)于長途客貨運(yùn)輸車載監(jiān)控系統(tǒng)，大部分情況下不允許跟車測試，建議通過遠(yuǎn)程查詢錄像資料，得到行車沿途的4G信號(hào)強(qiáng)度(在錄像畫面中有字符疊加)，當(dāng)然，如果有獨(dú)立的信號(hào)強(qiáng)度記錄 方案，并通過用戶的反饋來優(yōu)化系統(tǒng)配置，最終將能提供清晰、流暢的視頻，滿足用戶的應(yīng)用需求。

　　4G在車載監(jiān)控應(yīng)用中的瓶頸及解決方案

　　由于4G牌照發(fā)放剛過一年，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)遠(yuǎn)未達(dá)到市場需要，目前車載監(jiān)控主要瓶頸在于信號(hào)覆蓋不均勻，某些區(qū)域視頻和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳效果好，但信號(hào)不佳或無信號(hào)區(qū)域無法進(jìn)行實(shí)時(shí)回傳。其次，資費(fèi)貴，各大運(yùn)營商給出的流量資費(fèi)政策中，套餐內(nèi)提供流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足實(shí)時(shí)回傳視頻和數(shù)據(jù)的要求，對(duì)動(dòng)輒10GB的錄像資料，費(fèi)用太昂貴。

　　通過技術(shù)的深入研究和開發(fā)，并在不斷的實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，采用多網(wǎng)支持，動(dòng)靜結(jié)合的綜合方案，如：運(yùn)營商4G/3G網(wǎng)與停車場自建Wi-Fi網(wǎng)相結(jié)合，將行車動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳與回站定時(shí)定點(diǎn)數(shù)據(jù)回傳結(jié)合、將在途緊急狀態(tài)數(shù)據(jù)回傳與回站自動(dòng)數(shù)據(jù)上傳相結(jié)合、將標(biāo)清視頻在途實(shí)時(shí)回傳與高清視頻回站實(shí)時(shí)回傳結(jié)合等一系列技術(shù)在車載監(jiān)控中整合，有效的解決了4G信號(hào)覆蓋不佳、資費(fèi)昂貴的難題。

　　2013年，作為產(chǎn)品和系統(tǒng)方案負(fù)責(zé)人筆者有幸參與浙江玉環(huán)城市公交車載監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，該系統(tǒng)即采用3G/4G+Wi-Fi綜合的無線技術(shù)方案(見圖5)：

圖5 浙江玉環(huán)公交車載監(jiān)控系統(tǒng)

　　車輛行使途中，利用4G/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)，在車載監(jiān)控設(shè)備內(nèi)保存錄像資料(錄像方案：每車4路攝像機(jī)，每路D1分辨率，碼流512kbps、幀率25fps、每天工作10小時(shí))。同時(shí)，在公交停車場部署Wi-Fi系統(tǒng)，車輛回站后，自動(dòng)通過Wi-Fi上傳錄像數(shù)據(jù)至后端車載監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)，通過集中存儲(chǔ)方案降低了因數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致重要線索無法查詢的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，車輛回站即自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，不再需要超大容量存儲(chǔ)空間，可將其更換為低容量SD閃存卡(目前市售產(chǎn)品，容量也達(dá)到64G)進(jìn)行存儲(chǔ)，一是改變了機(jī)械硬盤因車輛路途顛簸導(dǎo)致的不可逆損壞，二是SD閃存卡的使用，使終端存儲(chǔ)投資降低。這套綜合無線車載監(jiān)控方案為玉環(huán)公交管理系統(tǒng)極大的降低了建設(shè)費(fèi)用，減少了管理成本(人員、時(shí)間)，最終贏得用戶高度認(rèn)可。

　　4G無線技術(shù)在車載監(jiān)控應(yīng)用的未來

　　當(dāng)前的4G(TD-LTE、FDD-LTE)，在嚴(yán)格意義上，應(yīng)該稱之為3.9G(LTE：Long Term Evolution長期演進(jìn))，而LTE-Advanced是國際電信聯(lián)盟承認(rèn)的4G技術(shù)，當(dāng)前國內(nèi)三大運(yùn)營商積極部署4G網(wǎng)絡(luò)，作為高速率、高帶寬、低資費(fèi)、低投資的新技術(shù)，也作為可持續(xù)發(fā)展的國際標(biāo)準(zhǔn)，其未來前景非常廣闊。同時(shí)，具有研發(fā)能力的廠商從2004年就密切關(guān)注4G技術(shù)發(fā)展并同時(shí)積極開展研發(fā)工作，從上游芯片廠商，模組廠商、到下游終端產(chǎn)品廠商，均在2013年開始陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品，在車載監(jiān)控領(lǐng)域，主流廠商也推出了模塊化多模無線技術(shù)的系列產(chǎn)品，并得到規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用，積累了豐富的4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)(見圖6)。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)可支持的應(yīng)用

　　車載安防監(jiān)控是一個(gè)由應(yīng)用端來推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的行業(yè)，通信技術(shù)與車載安防監(jiān)控技術(shù)正在不斷的相互影響，相互推動(dòng)，相互促進(jìn)，相互融合(特別是視頻技術(shù)的不斷發(fā)展，“內(nèi)容”占據(jù)應(yīng)用制高點(diǎn)時(shí))，二者都將用戶的良好應(yīng)用體驗(yàn)作為其技術(shù)發(fā)展的核心推動(dòng)力。在不遠(yuǎn)的將來，將會(huì)真正實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)這個(gè)終極目標(biāo)，讓我們?yōu)榇寺N首以待，并為此歡欣鼓舞吧!