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3G技术携手监控,助力安防

随着3G牌照的发放,标志着3G时代的到来。3G技术具有2G、2.5G所无法企及的优势,传输流量大,更重要的是,它支持流媒体业务功能。相较其它无线技术来说,它也有着很大的优势:在国家的支持推动下,拥有着广阔的信号覆盖区域,可以做到全国乃至全球的无缝连接,并实现了视频的实时传输,这些,都造就了3G与安防的不解之缘。3G为何如此得到安防行业的宠爱?请看本文解密。
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  1995年,只能进行语音通话的第一代模拟制式手机(1G)问世。

  1996-1997年,出现了可接收数据功能(如接收电子邮件或网页)的第二代GSM、TDMA等数字制式手机(2G)。

  2000年5月,国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准,我国提交的TD-SCDMA正式成为国际标准,与欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000成为3G时代最主流的三大技术。

  2009年1月7日下午,工业和信息化部确认国内3G牌照并发放给三家运营商,由此,2009年成为我国的3G元年。

  这是通讯技术的三级发展历程,从最初的语音通话功能到现在高速的流媒体传输能力,表现出了通信技术强劲的发展动力和无限的应用能力,尤其是3G技术标准向民用领域的开放化,更是加快了通信技术的前进的步伐。

  3G,即第三代移动通信技术(英语:3rd-generation,3G),是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音(通话)及数据信息(电子邮件、即时通信等)。3G的代表特征是提供高速数据业务,速率一般在几百kbps以上。3G规范是由国际电信联盟(ITU)所制定的IMT-2000(国际移动通信-2000)规范的最终发展结果。

  3G无线通讯技术是在原通信技术基础上发展而来的,不但继承了原有通信技术语音通话、数据接收的功能,还大大提升了数据传输的速率。通过接收终端(如手机)可在线观看视频、玩网络游戏,还可进行数据大流量的实时传输。这是1G、2G通信技术所无法比拟的。3G通信技术的最大优点在于它可高速实时传输流媒体,这很好地满足了大众及时了解信息的需求。

  安防监控领域由于自身的特殊性,从成本、监控项目技术难度、后期维护、传输距离等因素考虑,常常会遇到一些棘手的问题,比如出现监控难度大,在线方式无法实现;需要远距离传输;有移动监控需求等一种或多种监控诉求。在目前技术环境下,能同时解决这些问题的技术较少,3G技术的商用化,正好可以弥补这一缺陷。3G技术正是在这样特殊的应用需求下,逐步进入安防视频监控领域。

  北京携远天成技术有限公司产品部副总工程师林海军说:“3G技术在安防行业和3G新业务的应用是它的一个新热点,目前呈现出异常火爆的局面,一些依托于无线研发和生产的厂家这两年也随着3G技术的应用得到了蓬勃的发展。个人认为,3G无线视频监控还处于一个初级阶段,各种应用刚起步不久,市场潜力巨大。”

  三大标准共存发展

  3G视频监控技术是基于3G通信技术基础上发展而来,在分析3G视频监控技术之前,笔者先为大家介绍一下3G通信技术。成都诚泰拓天实业有限公司总经理邱建平认为,3G通信技术在3G视频监控系统中扮演的角色是立体信道,通过3G的无线和带宽优势完成监控图像的传输作用。

  3G能够在全球范围内更好地实现无线漫游,并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。目前,全世界有四大主流3G标准技术,他们分别是我国独自制定的TD-SCDMA、美国的CDMA-2000、欧洲的WCDMA以及2007年10月通过的WiMax。我国根据自己的国情,同时在国内启用了除WiMax外的3个主流3G标准。其中,中国移动的3G标准为TD-SCDMA,电信为CDMA2000,中国联通为W-CDMA,三家运营商共同分享着中国3G市场。

  TD-SCDMA

  全称为Time Division - Synchronous CDMA(时分同步CDMA),该标准是由中国大陆独自制定的3G标准,具有辐射低的特点,被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中,在频谱利用率、业务支持的灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势。该标准提出不经过2.5代的中间环节,直接向3G过渡,非常适用于GSM系统向3G升级。军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务。

  CDMA-2000

  CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术,也称为CDMA Multi-Carrier,它是由美国高通北美公司为主导提出,现在韩国成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的,可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G,建设成本低廉。该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术,通过采用三载波使带宽提高。目前中国电信正在采用这一方案向3G过渡,并已建成了CDMA IS95网络。[nextpage]

  W-CDMA

  也称为WCDMA,全称为Wideband CDMA,也称为CDMA Direct Spread,意为宽频分码多重存取。这是基于GSM网发展出来的3G技术规范,能够架设在现有的GSM网络上,对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。

  以上3种3G技术都是基于CDMA技术发展而来,与GSM系统相比(见表1),频谱利用率大有提高。但它们的标准不同,各有优劣。从技术的成熟度来说,欧洲提出的W-CDMA最成熟,它经受了长时间的测试和商用考验,是目前全球范围内应用最广的3G标准。CDMA-2000建设成本低廉,是目前各标准研发技术中进度最快的。TD-SCDMA是中国自有的3G标准,通过时间晚,是多种先进技术的融合,其采用的TDD时分双工方式,具有更高的频谱利用率和应用的灵活性;但普及率不高,目前依靠拥有庞大客户群的中国移动在国内推动,而且,其1880-1920MHz频段被小灵通和军用雷达使用,频谱资源达不到155MHz。

表1  3G系统与GSM系统的技术比较

  三大标准同台竞技,平分秋色,TD-SCDMA的市场占有率在国家支持下略占优势。它们所能提供的视频传输监控功能却要根据实际的网络环境进行选择,不能一概而论谁优谁劣。

  “黄金双枪”:挺起3G视频监控

  3G技术是构成视频监控的基本技术保障,但却不是唯一。3G无线视频监控系统是众多技术的大融合,在众多的技术中,有两个技术对3G无线视频监控的影响极大,一个是涉及到带宽的3G传输技术;另一个是关系到视频文件质量和大小的编解码技术。在现有3G网络环境下,共同撑起3G视频监控走进千家万户的重任。

  传输:监控流畅的保证

  3G技术是一种传输手段,它能够进行流媒体传输,包括音频、视频、图像等。更重要的是,它能进行实时视频传输,可以提供视频会议、远程对讲等特色服务,3G视频监控利用的正是这一优势。

  3G视频监控需要实时地将前端设备采集的数据传送到后端平台,以便于后端管理人员对监控现场情况的了解,进而制定处理措施。它与固定监控的不同点在于,数据采集点和后端监控点并不是固定不变的,有可能都处于移动之中,从而提高了实时传输的难度。

  现行的三个3G制式的传输速率不一,从表1中我们知道,TD-SCDMA的传输速率最高,达到16.8Mbps,联通的W-CDMA有14.4Mbps,CDMA-2000的值最小,也有3.1Mbps。以最小传输速率的CDMA-2000为例,3.1Mbps的速率在不考虑损耗、分流等降低码率的因素时,可进行720P/25fps清晰图像的实时传输。当然,这仅是理论值,实际传输肯定会有所降低。因此,对3G无线网络的带宽要求很高,必须要时刻保证所提供的各种服务能够顺畅进行。一般,在室内、步行/室外到室内和快速行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度,才能完成大流量的传输工作。因此,凭借3G技术良好的带宽,基本可以满足实时传输的需求。[nextpage]

  在3G传输中,QoS(Quality of Service,即服务质量)在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量,从而保证监控视频传输的实时性,增强移动通信数据通道的稳定和可靠,使视频传输更流畅、更清晰。

  在现阶段,3G网络还处于建设的起步期,可能会对3G网络的传输造成一些不利影响,在网络传输性能不强时,可通过降低视频的帧率、切换更低带宽需求的视频流格式等来达到实时监控的目的。

  3G技术的视频传输易受实际带宽的限制,一般只能传输标清图像,而标清图像很难对一些特殊监控需求清晰识别,比如人脸。为使能进行实时监控,又能在特殊情况下对图像进行清晰识别,业内提出了双码流输出的技术方案,即采用3G无线技术传输标清图像,本地存储高清视频图像,当监控人员发现有异常情况需要清晰辨识场景时,再调出本地存储的高清视频监看。此种双码流输出技术适合于公交、运钞车等既需要实时监控又需要清晰图像查看的领域应用。

  编解码:传输的瘦身法宝

  “理论上3G技术的带宽是挺宽的,但还是有限的;况且,它还是一种共享的传输技术,所以在实际使用中,带宽很难达到理论带宽的高度。”北京蛙视通信技术有限责任公司产品经理肖可伟介绍说。3G的网络带宽是固定的,传输的码率最高也不能超过其峰值,否则将会给3G网络带来阻塞。所以说,3G网络带宽再大也不可能无节制地使用。

  3G视频监控一方面需要接入到共享网络中,必会受到共享资源利用率的影响;另一方面,随着安防IP化、高清化应用需求不断高涨,一些较高分辨率格式的清晰视频也成为传输的内容之一。在这种带宽不变,码率大涨的情况下,势必会对视频监控的实时性提出挑战。

  对此,我们可以通过编解码技术在前端对数据进行压缩处理,当数据到达后端后再进行解压显示。在保持图像清晰度不变的前提下,最大限度地降低码率,通过对带宽的低占用率来实现高效传输,从而可以更好地满足实时监控需求。金鹏电子信息机器有限公司城市安全事业部总经理姚卓说:“3G视频监控的发展取决于编码器的发展,编码格式和算法的进步,可传输更低的码流和更清晰的图像。”目前用得最多的编码格式是H.264,它是由ITU-T和ISO/IEC再次联手开发的最新一代视频编码标准。它其它标准在设计结构、实现功能上作了进一步改进,使得在同等视频质量条件下,能够节省50%的码率,且提高了视频传输质量的可控性,并具有较强的差错处理能力,适用范围更广。

  视频编码技术是不断发展的,H.264编辑码技术对现有的3G网络环境,尤其是3G用户的增多已显得力不从心,众厂家仍继续探寻更适合于3G无线传输的编解码技术,诚泰拓天的邱建平说:“在图像压缩上,无损压缩JPEG-2000提上日程,采用该压缩格式得出图像的质量将更高。”针对新的应用需求, JPEG-2000将被设计成可以满足各类应用需求的标准,包括国际互联网、彩色传真、印刷、扫描、数字摄影、遥感、移动通讯应用、医用影像、数字图书库和电子商务等。

  传输和编解码技术是3G视频监控的两大关键技术,它们之间是相辅相成的关系,缺一不可。视频传输技术解决了带宽以及传输过程中异常的问题,确保视频传输的高效和流畅。传输技术做好了,可以提升实际的网络带宽接近理论值,并在传输过程中减少丢帧、阻塞等问题,可弥补编解码技术的压缩不到位的问题。编解码则很好地将数据量很大的视频流压缩到最低限度,减少对带宽的占用,增强数据传输的实时性,缓解带宽压力;同时,还确保了数据解压后能够做到良好地还原。

  这两种技术的互补为3G无线视频监控不断扩大空间。当然,3G无线视频监控系统并不是仅依靠这两种技术就可实现的,还需要其它的技术共同完成,比如解决视频输入降噪、视频输出流量控制的图像预处理和后处理技术;解决移动用户如何查看移动通信终端的多媒体处理技术等。3G视频监控是一个整体,3G技术改变了视频传输的方式,增强了监控管理的实时性。

  监控新宠初长成

  从3G拍照发放那一刻起,就备受安防界的关注,困扰安防监控多年的技术难题有望得到解决。将3G技术引入安防监控,为安防事业注入了新血液,是安防监控发展的一大跨越,加速了其对民用、国防等领域的应用发展,3G技术的优势很明显,总的来说,有如下几点。

  · 移动性强:北京中盛安泰科技有限公司项目经理李春豹说:“3G最大的优势就是解决了监控点的移动问题,使用更方便。”3G通信技术可以做到远距离的无线传输,在强大的网络覆盖环境下,对任何移动的监控点都可以做到无线监控,比如城市公交,跨区域长途运输车、运钞车等,这种全国性视频移动监控的优越性是其它技术所无法比拟的,能够在大范围内实现无缝漫游;[nextpage]

  · 实时性好:深圳安防集团股份有限公司项目经理凌运宏介绍道:“3G Camera最大的优势是用户永远在线,一旦有警情,摄像机会自动回拨设定的3G手机号码,您只要按一个接听键,任何情况都尽收眼底。利用视频电话的音频通道,3G Camera还可以实现现场监听的功能,便于了解监控现场的情况。”3G视频监控的可以随时随地了解监控点的情况,可为后端管理人员提供及时有效的信息,对迅速做出决策起到了极其重要的作用;最重要的是,跟2G、2.5G网络相比,3G实现了流媒体的实时传送,这是传输、监控技术的一大跨越;

  · 部署简易:3G无线视频监控的筹建无需布线,只要建设监控所用的硬件,并配备好相应软件即可。 3G通信的建设已由运营商规划好,3G视频监控系统建设好后,连到3G网络即可使用,发挥了项目实施部署周期短的优势;

  · 部署范围广:目前,3G的网络遍布了大、中、小城市,对一些乡镇也有部署,并正在向范围更广的农村覆盖,以3G网络强劲的建设势头,不久将覆盖全国。届时,3G视频将实现全国范围的实时监控管理。

  3G技术的引入,可在很多安防应用领域发挥其重要作用,弥补人们对现有监控系统的不足,可应用于:

  · 家庭看护:针对家中有老人、小孩、病人或经常出差而家中无人看守的家庭;

  · 商铺管家:店主可以用手机随时监控几家连锁店中的情况;

  · 物流运输:可远程实时监控运输车辆,了解被运送物品及车辆的安全情况;

  · 国家安全:可应用于基站防盗/防火、森林防盗/防火、城管执法监控、电力系统监控、应急指挥等;

  · 其它:还可应用在不便布线的危险区域等场所。

  3G技术在视频监控应用领域中,应用十分广泛,但毕竟还处于成长期,从3G牌照发放至今刚满两年,很多技术和应用都还在探索之中。在目前的应用中总会出现一些有碍3G视频监控发展的因素存在。

  网络覆盖不足

  3G视频监控依赖于3G网络,截至去年年底,中国联通3G基站累计达到16.7万个;中国移动正在加快3G网络扩容,到2010年年底,其3G基站总数有望超过20万个;中国电信也在加紧建设步伐,已累计建设3G基站20.7万个(数据分别来自:通信世界网、中国新闻网、工信部网站)。虽然从数字上看,3G基站建设力度很大,但我国地域广大,在偏远地区、郊外、农村等仍没有得到3G网络的全面覆盖。即使在大中城市,3G网络的稳定性也无法得到保障,这给3G监控的建设带来很大困扰。尤其是移动监控,当监控点进入信号盲区时,监控将会中断。

  带宽不足

  3G网络的带宽理论值可达几兆乃至十几兆一秒,但在实际使用中,由于网络信号和共享用户多等问题,很难达到实时传输的监控需求。另外,“3G网络分上行带宽和下行带宽,下行带宽比较高,但上行带宽比较低,设备发送的数据易受上行带宽的限制。”福建星网锐捷网络有限公司产品经理余永健指出。此次所有的采访对象一致认为,3G制式的上行带宽较窄,在实际应用中,无法达到实时传输最低要求的现象时有发生。

  延时性大

  前端采集到的视频数据需先经过压缩,如果压缩算法有欠缺,可能会造成延时;然后才能传送到后端;数据到后端后还需要解压等图像处理程序,“这就考验到后端解码的容错、纠错能力:在出现网络丢包、网络延时的时候,解码端能否判别异常情况,进行容错、纠错,给用户一个尽可能连续、清晰的图像显示效果。”杭州海康威视的产品经理林万彬说。产生延时的原因有两个:网络和编解码算法。但“网络延时不会对监控造成决定性的影响,而在于视频的压缩和解压缩,图像的编解码算法才是造成延时最核心的部分。”北京蛙视通信技术有限责任公司产品经理肖可伟指出。编解码算法的改进可降低误码率和带宽码率,提高编解码速率和图像清晰度,这是未来3G视频监控编解码算法的发展方向。目前可通过降帧、降低分辨率等方法来降低延时性。

  资费高

  我国的3家运营商都有提供3G服务,虽然资费不同,但差异不大,都是将资费跟流量捆绑来为客户提供服务。“3G应用还无法普及的主要原因之一就是资费问题,现在3G应用的费用还相当高,运营商一般采用包月或包流量的方式来运作。如果24小时 不间断实时传输CIF分辨率的视频流,需求的流量在5-6GB,一个月的流量的费用就是一笔惊人的数目。极大地抑制了3G无线传输技术在安防领域的应用。”恒业国际集团中国区营销中心的研发部经理钱伟介绍到。[nextpage]

  业务单一

  当前,运营商所能提供的3G服务业务还很单一,仅局限于视频、音频、图像、网页等服务,缺乏多面化发展。携远天成林海军说:“3G的技术标准已发展到较成熟阶段,但应用上尚未成熟,其业务目前主要局限在手机3G上网、视频、移动视频监控、公交车/长途车的视频监控等。”业务量太少限制了3G技术的优势在安防领域的发挥。不过,3G视频传输技术还处于起步阶段,业务单一也在情理之中,随着需求的增大,其业务必将多样化。

  虽然3G无线视频监控仍存在一些不足,可喜的是,它正在茁壮成长,在安防监控中的应用更是成为3G应用的一个发展热点,在实践中自我不断得到完善,一些技术难点也将会不断得到突破。

  路在何方

  3G技术在移动视频监控中起到了很好的传输作用,它连接着视频监控的前端与后端,使之形成一个完整的系统。3G技术的融入,不仅仅是在传输上,还在于视频监控的每一个环节,都要做相应的改进来与之相适应。对其显示终端,为更好地显示低分辨率格式的图像,还要开发出更直观的监控平台和硬件设备。

  3G安防监控与3G技术一起成长,都还处于起步阶段,对它们未来能发展到一个什么的程度却“仁者见仁智者见智”了。鉴于目前3G存在的缺陷,有人提出了将WiMax、4G等具有更广覆盖面、更高传输速率的技术标准投入到实际应用中来。深圳市锐明视讯技术有限公司车载监控事业部孙总认为:“3G技术本身应该只算是过渡,往4G发展是必然的,随着带宽的大幅增加,无线移动视频监控的前景将更加广阔。随着WiFi、WiMax、WBMA等各种宽带无线接入技术和短距离无线技术的成熟,3G将与他们呈现融合发展的态势,未来移动监控应用方式将更多样、灵活。”海康威视的林万彬、恒业国际的钱伟等业内人士也持此观点。但另一部分业内人士则认为,WiMax、4G等技术还为时尚早,“3G技术还处于起步阶段,潜力很大,随着它们的慢慢成熟,对安防行业来说,应用都不是问题。”北京蛙视通信的肖可伟指出。从现有采访对象来说,对这两种观点的支持者势均力敌,但无论怎样,他们都是在为促进无线视频监控的发展而努力。

  移动WiMax与HSPA/1x EV-DO系统的比较如表2所示,其中,TD-SCDMAD“下行峰值速率”仅列出单载波HSDPA数据(表1、表2中数据来源:高鹏、赵培、陈庆涛编著的《3G技术问答》)。

表2  移动WiMax与HSPA/1x EV-DO系统的比较

  3G无线视频监控能走多远?是完善还是过渡?这不是一时半会所能说清的,3G视频监控的应用更不是说出来的,即使它只是一个过渡阶段,也还是需要众多的行业人士来促进其发展。正在壮大的3G视频监控将走向何方?我们静观其变。[nextpage]

图1  手机3G监控拓扑图(资料来源:杭州海康威视股份有限公司)[nextpage]

图2  3G视频监控网络架构(资料来源:恒业国际集团)[nextpage]

图3  警用车载指挥调度平台结构图(资料来源:深圳市锐明视讯技术有限公司)[nextpage]

图4  系统联网组网模式架构图(资料来源:北京蛙视通信技术有限责任公司)

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