安防趨勢：視頻監控傳輸無(wú)線(xiàn)化技術(shù)分析

　　視頻監控接入方式由有線(xiàn)轉入無(wú)線(xiàn)是一種必然趨勢。視頻圖像傳輸無(wú)線(xiàn)化打破了傳統同軸電纜和光纖圖像監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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的視頻監視系統應運而生。無(wú)線(xiàn)視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展已對無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的架構和協(xié)議產(chǎn)生了深遠的影響，但由于無(wú)線(xiàn)信道帶寬資源有限，干擾因素多，而視頻信號數據量大，實(shí)時(shí)性要求高等問(wèn)題。

　　無(wú)線(xiàn)視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展現狀

　　隨著(zhù)信息社會(huì )的發(fā)展，人們對安防監控的要求越來(lái)越高，除集中地黨政機關(guān)、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(wú)法實(shí)現有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架設的地方。都需要實(shí)現安防視頻監控，這就需要用到無(wú)線(xiàn)視頻傳輸技術(shù)。

　　目前，市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)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，且出現應急事件時(shí)容易出現斷點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)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(shí)現。由于圖像只有幾幀，以抓圖的形式來(lái)傳輸，并且為小畫(huà)面尺寸。顯然，這樣不能夠滿(mǎn)足視頻監控系統的實(shí)時(shí)應用需求。對于微波(數字微波、擴頻微波)，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN，802.11(a.b，g))等技術(shù)的其他較高的無(wú)線(xiàn)傳輸方案，其實(shí)現視頻編碼以MPEG-2/4，H.264等為主。但它們大多都存在共同的問(wèn)題，即只能做到通視傳輸、定向傳輸，并且難以支持移動(dòng)傳輸，從而限制了在視頻監控系統的應用。

　　監控系統一般采用低傳輸幀率而保證傳輸的清晰度，因為只有MPEG-4的CIF以上的圖像清晰度才可以滿(mǎn)足調查取證的需要。因此，無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)要在監控系統中得到充分的發(fā)揮絕對優(yōu)勢，應該滿(mǎn)足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應用;適于高速移動(dòng)中無(wú)線(xiàn)傳輸實(shí)時(shí)圖像;適于傳輸高帶寬、高碼流、高畫(huà)質(zhì)的音視頻; 有優(yōu)異的抗干擾、抗衰落能力。實(shí)際中，無(wú)線(xiàn)視頻實(shí)時(shí)傳輸主要有兩個(gè)概念：一是移動(dòng)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(jìn)行穩定的無(wú)限視頻傳輸系統，數據傳輸機制優(yōu)化是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，無(wú)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尤為明顯。在此，針對無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統中數據傳輸機制的容錯性展開(kāi)相應的研究，旨在解決無(wú)線(xiàn)視頻傳輸中帶寬資源有限和視頻數據量大這一矛盾，充分利用視頻信號的時(shí)空相關(guān)性來(lái)節省由于不必要的重傳而帶來(lái)的帶寬資源浪費。通過(guò)利用帶寬一失真代價(jià)函數的概念來(lái)評價(jià)無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統。在此基礎上進(jìn)一步給出基于帶寬一失真代價(jià)最小化準則的部分重傳錯誤控制機制，進(jìn)而提高帶寬的利用率，并進(jìn)行相應的實(shí)驗分析。

　　無(wú)線(xiàn)視頻傳輸機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(diǎn)則是充分利用帶寬資源來(lái)實(shí)現可靠傳輸，即容錯傳輸技術(shù)。這里討論在無(wú)線(xiàn)信道上的視頻傳輸機制，其主要的研究點(diǎn)是容錯傳輸控制。容錯傳輸控制技術(shù)根據其控制方式的不同可以分為三大類(lèi)：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，FEC)包括信道糾錯編碼技術(shù)、交織打包技術(shù)和優(yōu)化的包調度機制等?；诜答伒腁RQ技術(shù)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A(yíng)RQ的反饋錯誤跟蹤技術(shù)。由于基于A(yíng)RQ的容錯傳輸控制技術(shù)具有優(yōu)良的性能，所以在此重點(diǎn)介紹ARQ相關(guān)的傳輸控制技術(shù)，并討論現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(lái)克服信道錯誤。在信道出錯概率波動(dòng)比較劇烈的情況下(如現有的移動(dòng)信道)，為了獲得一定的傳輸質(zhì)量，前向糾錯編碼必須根據當前估計的最差情況來(lái)增加冗余校驗比特，這會(huì )導致帶寬資源的浪費。對帶寬資源本來(lái)就有限的無(wú)線(xiàn)信道而言，顯然是不能滿(mǎn)足要求的。為此，考慮把ARQ技術(shù)和前向錯誤控制結合起來(lái)，稱(chēng)為 HARQ技術(shù)。HARQ分為兩類(lèi)：I類(lèi)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)現錯誤后，首先利用前向糾錯編碼來(lái)糾正錯誤。如果錯誤被糾正，則向發(fā)送端傳送一個(gè)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，則繼續發(fā)送下一個(gè)數據包，否則，則重發(fā)出錯的數據包。由此可見(jiàn)I類(lèi)ARQ需要較強的前向糾錯編碼，在錯誤率較低的應用場(chǎng)合會(huì )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(lèi)型ARQ機制更好的吞吐效率。Ⅱ類(lèi)ARQ中只要求前向糾錯編碼具有檢錯能力即可，根據關(guān)于信道編碼糾錯能力的理論可知，這可以起到節約帶寬的作用。當接收端發(fā)現錯誤后，發(fā)送重傳請求;發(fā)送端只傳送出錯數據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，則繼續發(fā)送重傳請求，發(fā)送端可以選擇重傳整體出錯數據和校驗碼，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(wú)線(xiàn)信道錯誤率高，具有反饋信道的無(wú)線(xiàn)傳輸通常采用HARQ-I。圖2顯示了采用HARQ-I的無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統，圖中虛線(xiàn)框代表了傳輸中錯誤控制的流程。根據HARQ-I的設計原理，接收端發(fā)現錯誤后，首先進(jìn)行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障)，如果不能糾正且當前系統滿(mǎn)足時(shí)延限制，則發(fā)送ACK請求來(lái)讓發(fā)送端重傳出錯部分的數據(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據或者重傳延遲超出系統時(shí)延限制為止。如果重傳結束后仍然不能得到正確的數據包，在接收端就會(huì )用錯誤隱藏技術(shù)來(lái)進(jìn)行錯誤恢復(第三層錯誤屏障)?？梢钥闯?，這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術(shù)來(lái)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(shí)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(lái)恢復一定質(zhì)量的視頻?；謴偷馁|(zhì)量還和被恢復部分的紋理以及運動(dòng)密切相關(guān)，一般而言，對紋理比較平緩和運動(dòng)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(lái)重傳這部分視頻，顯然會(huì )造成帶寬上的浪費。