深谈LTE广域无线视频监控

众所周知，3G之后的演进是4G——基于LTE无线技术。本文详细介绍了LTE无线网络技术的基础知识和优点，以及现存的3G无线网络视频监控的缺点和不足，LTE无线网络技术在未来应用前景。希望对大家有所帮助。

一、 引言
随着社会和技术的发展，视频监控系统得到了极大地发展。视频监控可以分为有线视频监控和无线视频监控两种。其中，无线视频监控由于不受布放线缆的限制，得到了越来越广泛应用，甚至有逐渐取代有线视频监控的趋势。2008年8月，中国移动北京公司以TD-SCDMA技术为北京市公交集团提供奥运专线安全保障视频监控系统。2009年4月，中国移动北京公司同样以TD-SCDMA技术为北京急救中心“120”提供无线视频监控系统。目前以上监控系统运转正常，取得了很好的社会效益和经济效益。

但基于3G技术的无线视频监控系统仍受到不同程度的限制，例如：3G的无线容量小、传输速率不高以及时延长等问题。因此我们需要一种完全满足广域无线视频监控的新技术，而 LTE技术正可以解决以上问题。

二、 现有无线视频监控系统存在的问题

现有的无线视频监控系统存在如下问题：

（1）采用TD-SCDMA、CDMAEVDO、WCDMA等3G技术接入方式，存在无线带宽容量有限、接入用户有限、时延长等劣势。在多用户共享的情况下，难以保证无线视频监控的速率和时延要求。

（2）采用WIFI、微波等无线接入技术方式，传输距离小，灵活性差，广域覆盖的成本高，因此不具备广域视频监控的能力。

（3）对于银行、交通、安保、矿业等有视频监控需求的行业，由于他们无专用无线频段的使用权限，因此也无法有效应用无线视频监控系统。

（4）采用公共频段的无线视频监控系统无法达到电信级的保障水平，故障率高、维护水平低。

LTE技术作为3G技术演进标准，是几乎所有主流移动通信运营商一致支持的标准，是后3G时代最重要的无线接入技术。LTE具有带宽大、传输速率高、系统传输时延低以及覆盖广泛的特点，几乎可以保证用户“永远在线”。2009年，美国Verizon Wireless、欧洲TeliaSonera、日本NTT DoCoMo和KDDI等公司都宣布在2010年商业性推出LTE基础设施。作为2010上海世博会的赞助商，中国移动也承诺为上海世博会提供TD-LTE服务。可以预见在LTE时代，无线视频监控必将得到更好的网络支持。

三、 LTE广域无线视频监控优势的系统结构

长期演进LTE（Long Term Evolution）在3GPP R7中定义，它定义了全新的具有更高频谱效率的无线接入技术及平滑的IP核心网络，相比于2G/3G的移动网络，网络性能获得大幅度的提高，并明显降低了网络的运营成本。LTE 支持LTE FDD 和LTE TDD两种双工方式，其中LTE TDD作为TD-SCDMA向4G的演进方式，是中国移动必然的选择。

(一) LTE系统架构

图1   LTE系统架构

LTE是一个全IP的网络，整个系统呈现扁平化特性。整个LTE系统由核心网络（EPC）、无线网络（E-UTRAN）和用户设备（UE）3部分组成，见图1。与UMTS网络相比，LTE E-UTRAN去掉了RNC，也没有CS（电路交换）域，而只是由若干个eNodeB组成。eNodeB集成了UMTS RNC的功能如无线网络资源的管理、切换管理、流量汇集等，进一步降低了传输处理时延，加强了网络运行的灵活度。在LTE系统中，eNodeB是一个综合的功能强大的接入网节点。RNC功能被分散到了E-Node B和接入网关中。

(二) LTE广域无线视频监控优势的关键技术

LTE采用了OFDM(正交频分复用技术)、MIMO(多输入多输出)、64QAM高阶调制等关键技术，使得LTE可以提供更快的接入速率、更低的时延，这对提高无线视频监控系统的可靠性和视频质量尤其重要。

LTE有以下优势：

1、带宽和上下行速率可灵活配置

LTE支持成对或非成对频谱，可灵活支持1.4M、2.5M、5M、10M、15M、20M系统带宽，在20MHz频谱带宽下可提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率。该速率可以满足多监控终端的数据传输需求，彻底解决无线视频传输速率的瓶颈。

2、更低的系统时延

用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms。更低的时延有利于保证无线视频监控的实时性。

3、支持100Km半径的小区覆盖，能够为350Km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务。这可满足大部分移动设备的监控需求，对LTE广域无线视频监控具有重要意义。

四、 基于LTE广域无线视频监控系统的方案

(一) 广域无线视频监控系统结构

广域无线视频监控系统可以分为视频采集、网络传输以及视频监控中心（或监控台）三个子系统。视频采集子系统主要用于信息收集；网络传输子系统以无线和有线方式完成监控中心和视频采集的数据交换；视频监控中心系统主要完成视频信息的展现、存储、转换等。广域无线视频监控系统的整体结构如图2。

图2   广域无线视频监控系统结构

以下对三个子系统分别进行介绍：

(二) 视频采集子系统

视频采集子系统包括无线摄像机以及安装附属部件，负责对监控现场的视频采集并转换（视频压缩）成为可供传递的数字信号。其最主要设备为内置了无线传输模块的视频采集器，如无线摄像机、无线摄像头等。它不一定是固定在某个局限区域内，而是可以放置在任何可接收LTE信号的移动设备上面。

无线摄像机需要集成镜头、光学过滤器、影像感应器、视频压缩卡、无线上网模块等设备。网络远端监控平台可以根据每台无线摄像机无线上网模块的号码地址确定视频数据来自的具体位置。
无线摄像机的视频数据非常庞大，必须压缩后才能进行传输。正确选择压缩标准能够保证视频清楚度并且传输流畅。这也是我们在设计系统是需要考虑的重要因素。

（三）网络传输子系统

网络传输子系统是负责传输视频数据的通道，它的作用是保证良好的传输速率和时延水平。
在LTE广域无线视频监控系统中，无线传输采用LTE系统可以很好的保证无线传输速率和时延要求。视频数据通过无线传输后就会进入有线传输通道。有线传输通道包括运营商的IP传输网络、服务网关、PDN网关、防火墙、Internet以及到达视频监控中心的有线传输通道。视频数据通过网络传输子系统后，视频监控中心可以对视频数据进行下载、处理并存储于硬盘中。

（四）视频监控中心（监控台）

通过Internet、以太网的互联，视频监控中心可以拥有多个物理地址。视频监控中心负责视频信息的存储、管理、查询和实时监控等任务，主要包括视频存储服务器和监控管理服务器。
当视频数据传输到监控中心后，监控管理服务器首先对视频数据进行分析，判断是否是授权用户所需要实时浏览的监控数据，如果是则将其转发至特定用户，例如电视墙或者网内其他计算机，同时将视频数据传送至视频存储服务器进行归档和备份。同时，监控管理服务器接受管理人员的管理指令，按照管理人员的指令进行监控地点的配置。

图3   监控中心子系统（监控台）