4G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)在車(chē)載監控中的應用

4G在車(chē)載監控的應用現狀

　　車(chē)載監控是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要標桿技術(shù)，在百度百科對車(chē)聯(lián)網(wǎng)有如下定義：車(chē)聯(lián)網(wǎng)是以車(chē)內網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)和車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎，按照約定的通信協(xié)議和數據交互標準，在車(chē)-X(X：車(chē)、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等)之間，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊和信息交換的大系統網(wǎng)絡(luò )，是能夠實(shí)現智能化交通管理、智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)和車(chē)輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò )，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統領(lǐng)域的典型應用。而無(wú)線(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為數據傳輸的承載系統，傳輸來(lái)自車(chē)載監控系統的全部應用數據，及時(shí)有效的回傳至管理中心。通過(guò)后臺系統對音頻、視頻、圖片、衛星定位、車(chē)速、油耗、門(mén)狀態(tài)、溫度、濕度、甚至是人臉抓拍、人數清點(diǎn)等數據進(jìn)行綜合分析及有效呈現，提供一系列供管理者使用的運營(yíng)、監控、管理、指揮功能，提升了管理效率，最終實(shí)現對人、車(chē)、物的管理要求。

　　在早期的車(chē)載監控領(lǐng)域除衛星定位技術(shù)外，視頻圖像的大規模傳輸的并未涉及。原因有二：一是利用運營(yíng)商無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸的代價(jià)昂貴。從網(wǎng)上可查到2007年5月前后，在WAP全面轉向GPRS上網(wǎng)方式，50元只包50兆流量，對每小時(shí)需上百兆存儲空間的車(chē)載監控錄像來(lái)說(shuō)，如需實(shí)時(shí)回傳，無(wú)疑是杯水車(chē)薪的;二是早期的無(wú)線(xiàn)技術(shù)不足100kbps的帶寬，對需要高帶寬的車(chē)載監控視頻難以提供有效的帶寬支撐，只作為不具備市場(chǎng)效益的車(chē)載監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(wú)線(xiàn)技術(shù)在中國得到迅猛發(fā)展。國內三大運營(yíng)商大規模部署其各自3G網(wǎng)絡(luò )(中國移動(dòng)TD-SCDMA，截至2014.7月約52萬(wàn)個(gè)基站，C114中國通信網(wǎng)數據)、(中國聯(lián)通WCDMA，截至2014.11月約43萬(wàn)個(gè)基站，C114中國通信網(wǎng)數據)、(中國電信EVDO，截至2012.2月約20萬(wàn)個(gè)基站，通信世界網(wǎng)數據)，得益于3G網(wǎng)絡(luò )的大規模部署，車(chē)載監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備硬盤(pán)內的主流車(chē)載監控方案。

　　再者，2013年12月4日，工信部向三大運營(yíng)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(guò)70萬(wàn)個(gè)，超過(guò)500款4G手機，數十款MiFi 4G終端，和面向行業(yè)(如車(chē)載監控領(lǐng)域)的4G模組產(chǎn)品得到市場(chǎng)應用和檢驗。有人比喻3G是高速公路，4G是磁懸浮，上下行速率理論值達到的50/100筆者也進(jìn)行了4G速率的實(shí)際測試(測試地點(diǎn)北京豐臺體育館西1KM、4G信號強度-70～-115dBm<顯示2～4格>測試軟件Speedtest、測試手機iPhone6 plus、手機制式TD-LTE)。

　　測試結果：下行速率平均值17.678Mbps，上行速率平均值2.614Mbps,當信號為-70dBm<顯示4格>，上行速率可達到7.78Mbps。見(jiàn)圖1紅色框內，當關(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測試對比表

　　從以上測試數據可以看出，4G無(wú)線(xiàn)技術(shù)的速率提升、巨大帶寬將為車(chē)載監控實(shí)現回傳高質(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(wú)線(xiàn)技術(shù)為管理者提供更豐富、全面、完整的綜合數據，提升管理效率，最終降低管理的成本。

　　隨著(zhù)4G(TD-LTE)牌照發(fā)放，4G網(wǎng)絡(luò )正式商用(FDD-LTE實(shí)驗網(wǎng)如火如荼建設，三大運營(yíng)商都將拿到牌照并進(jìn)行混合組網(wǎng))。同時(shí)，市場(chǎng)主流車(chē)載監控廠(chǎng)商也陸續推出各自特點(diǎn)的4G車(chē)載監控產(chǎn)品，提供更豐富功能，讓車(chē)載移動(dòng)監控系統在4G技術(shù)的推動(dòng)下，開(kāi)闊車(chē)載領(lǐng)域新的紀元并獲得更廣闊的發(fā)展空間。

　　從目前廠(chǎng)商反饋的數據看，在4G信號覆蓋強度-70～-80dBm(3～4格信號)，平均車(chē)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(yǔ)音、實(shí)時(shí)衛星定位等條件下，在監控中心能夠得到遠程實(shí)時(shí)監控良好體驗。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(wú)線(xiàn)技術(shù)在傳輸速率上的巨大差距(見(jiàn)圖2)。

圖2 無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)展MAP

　　4G無(wú)線(xiàn)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(cháng)期演進(jìn))由3GPP組織制定，得到國際電信聯(lián)盟通過(guò)的全球標準。兩個(gè)模式實(shí)質(zhì)上只存在較小差異，相似度達90%。其中LTE-TDD，國內亦稱(chēng)TD-LTE(Time Division Long Term Evolution 分時(shí)長(cháng)期演進(jìn))，采用非成對頻譜。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頻分雙工相對應。

圖3 4G兩種制式控制機制

　　如圖3，FDD是在分離的兩個(gè)對稱(chēng)頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護頻段來(lái)分離接收和發(fā)送信道。 FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來(lái)區分上下行鏈路，在支持對稱(chēng)業(yè)務(wù)時(shí)，充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱(chēng)業(yè)務(wù)時(shí)，FDD頻譜利用率將大大降低。該模式下，上行數據與下行數據在同一對稱(chēng)頻率上，需要同時(shí)傳輸，優(yōu)勢在于頻率寬度大，數據傳輸速度快。但如果遇到非對稱(chēng)業(yè)務(wù)，下行數據遠大于上行，則上行數據頻率信道會(huì )被占用，最終導致傳輸效率較低。

　　TDD用時(shí)間來(lái)分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動(dòng)通信系統中，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)送信號給移動(dòng)臺，另外時(shí)間由移動(dòng)臺發(fā)送信號給基站，基站和移動(dòng)臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。由于該技術(shù)上下行數據在同一時(shí)間里面并不需要一起傳輸，因此其可以根據上下行的數據大小動(dòng)態(tài)進(jìn)行分配，對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)區域覆蓋，而FDD速度快;適合在城市外圍等區域進(jìn)行廣域覆蓋。

　　4G與3G區別及各自?xún)?yōu)勢

　　3G稱(chēng)為第三代移動(dòng)通信技術(shù)，有三個(gè)國際標準，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，在國內由聯(lián)通(WCDMA)、電信(CDMA2000)、移動(dòng)(TD-SCDMA)分別運營(yíng)。車(chē)載監控目前主要采用WCDMA與CDMA2000兩種技術(shù)，市場(chǎng)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據回傳的帶寬，TD-SCDMA則因低速(上行最高僅128Kbps)無(wú)法滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)技術(shù)，在接入方式和多址方案、調制與編碼技術(shù)、高性能接收機、智能天線(xiàn)技術(shù)、MIMO技術(shù)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、基于IP的核心網(wǎng)、多用戶(hù)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(zhù)重大飛躍，另外，WCDMA能通過(guò)長(cháng)期演進(jìn)，平滑升級至FDD-LTE網(wǎng)絡(luò )。另外的兩種3G技術(shù)則無(wú)法長(cháng)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(hù)數、大數據量下質(zhì)的提升。

　　費用低：系統部署費用低，導致未來(lái)用戶(hù)通信費用額的減少。

　　在圖4中可看出，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信速率的提升，為城市客運(公交、出租等)、長(cháng)途運輸、城市綜合管理(如城管、交警等)領(lǐng)域倍增的海量數據傳輸，甚至交互式高清視頻(720P、1080P、2K、4K)奠定了堅實(shí)基礎，也是未來(lái)幾年內運營(yíng)商部署更多4G高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，提供更豐富無(wú)線(xiàn)應用承載鏈路的動(dòng)力。

　　4G在車(chē)載監控領(lǐng)域的技術(shù)應用探討

　　目前車(chē)載監控市場(chǎng)主流產(chǎn)品為標清(D1)方案，在4G網(wǎng)絡(luò )下，由于視頻的傳輸得到更高帶寬的支持(前述測試案例得知，在-80dBm信號強度下，達到驚人的7Mbps上行速率)。根據實(shí)際的測試和用戶(hù)使用經(jīng)驗，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，當然，也可以根據實(shí)際情況調節配置參數。

　　根據中國移動(dòng)的4G網(wǎng)絡(luò )建設規劃：TD-LTE網(wǎng)絡(luò )建設分為三期，一二期是城區覆蓋，三期是對城區熱點(diǎn)地區容量進(jìn)行擴充，以及邊遠地區的連接和覆蓋。那么，需要根據車(chē)載監控系統的實(shí)際需求，深入測試行車(chē)區域的網(wǎng)絡(luò )覆蓋狀況，比如：在每一個(gè)有明顯差異(信號相差-5dBm)的網(wǎng)絡(luò )信號覆蓋范圍內，進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò )速率測試(可使用較專(zhuān)業(yè)手機端測試工具，如：Speedtest)，并保存當時(shí)信號強度、上行速率等重要參數，同時(shí)，依據測試數據，調整視頻參數并紀錄，與遠程管理中心配合，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻回傳效果測試，中心做實(shí)時(shí)監控，以及錄像保存(推薦DV錄像機等外錄像方案較為恰當，可觀(guān)察實(shí)際視頻的播放質(zhì)量、流暢性等)，當發(fā)現卡頓、馬賽克、黑屏等問(wèn)題，需重新調整配置并再次測試，城市道路推薦車(chē)速40～60km，測試方案建議重復2～3次，可取得較理想音視頻配置參數，滿(mǎn)足系統在90%環(huán)境下的可靠運行要求。對于長(cháng)途客貨運輸車(chē)載監控系統，大部分情況下不允許跟車(chē)測試，建議通過(guò)遠程查詢(xún)錄像資料，得到行車(chē)沿途的4G信號強度(在錄像畫(huà)面中有字符疊加)，當然，如果有獨立的信號強度記錄 方案，并通過(guò)用戶(hù)的反饋來(lái)優(yōu)化系統配置，最終將能提供清晰、流暢的視頻，滿(mǎn)足用戶(hù)的應用需求。

　　4G在車(chē)載監控應用中的瓶頸及解決方案

　　由于4G牌照發(fā)放剛過(guò)一年，網(wǎng)絡(luò )建設遠未達到市場(chǎng)需要，目前車(chē)載監控主要瓶頸在于信號覆蓋不均勻，某些區域視頻和數據實(shí)時(shí)回傳效果好，但信號不佳或無(wú)信號區域無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)回傳。其次，資費貴，各大運營(yíng)商給出的流量資費政策中，套餐內提供流量遠遠無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)回傳視頻和數據的要求，對動(dòng)輒10GB的錄像資料，費用太昂貴。

　　通過(guò)技術(shù)的深入研究和開(kāi)發(fā)，并在不斷的實(shí)踐中我們發(fā)現，采用多網(wǎng)支持，動(dòng)靜結合的綜合方案，如：運營(yíng)商4G/3G網(wǎng)與停車(chē)場(chǎng)自建Wi-Fi網(wǎng)相結合，將行車(chē)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數據回傳與回站定時(shí)定點(diǎn)數據回傳結合、將在途緊急狀態(tài)數據回傳與回站自動(dòng)數據上傳相結合、將標清視頻在途實(shí)時(shí)回傳與高清視頻回站實(shí)時(shí)回傳結合等一系列技術(shù)在車(chē)載監控中整合，有效的解決了4G信號覆蓋不佳、資費昂貴的難題。

　　2013年，作為產(chǎn)品和系統方案負責人筆者有幸參與浙江玉環(huán)城市公交車(chē)載監控系統的建設，該系統即采用3G/4G+Wi-Fi綜合的無(wú)線(xiàn)技術(shù)方案(見(jiàn)圖5)：

圖5 浙江玉環(huán)公交車(chē)載監控系統

　　車(chē)輛行使途中，利用4G/3G網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)回傳車(chē)輛監控數據，同時(shí)，在車(chē)載監控設備內保存錄像資料(錄像方案：每車(chē)4路攝像機，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(chē)場(chǎng)部署Wi-Fi系統，車(chē)輛回站后，自動(dòng)通過(guò)Wi-Fi上傳錄像數據至后端車(chē)載監控平臺系統內，通過(guò)集中存儲方案降低了因數據丟失導致重要線(xiàn)索無(wú)法查詢(xún)的風(fēng)險;同時(shí)，車(chē)輛回站即自動(dòng)上傳數據，不再需要超大容量存儲空間，可將其更換為低容量SD閃存卡(目前市售產(chǎn)品，容量也達到64G)進(jìn)行存儲，一是改變了機械硬盤(pán)因車(chē)輛路途顛簸導致的不可逆損壞，二是SD閃存卡的使用，使終端存儲投資降低。這套綜合無(wú)線(xiàn)車(chē)載監控方案為玉環(huán)公交管理系統極大的降低了建設費用，減少了管理成本(人員、時(shí)間)，最終贏(yíng)得用戶(hù)高度認可。

　　4G無(wú)線(xiàn)技術(shù)在車(chē)載監控應用的未來(lái)

　　當前的4G(TD-LTE、FDD-LTE)，在嚴格意義上，應該稱(chēng)之為3.9G(LTE：Long Term Evolution長(cháng)期演進(jìn))，而LTE-Advanced是國際電信聯(lián)盟承認的4G技術(shù)，當前國內三大運營(yíng)商積極部署4G網(wǎng)絡(luò )，作為高速率、高帶寬、低資費、低投資的新技術(shù)，也作為可持續發(fā)展的國際標準，其未來(lái)前景非常廣闊。同時(shí)，具有研發(fā)能力的廠(chǎng)商從2004年就密切關(guān)注4G技術(shù)發(fā)展并同時(shí)積極開(kāi)展研發(fā)工作，從上游芯片廠(chǎng)商，模組廠(chǎng)商、到下游終端產(chǎn)品廠(chǎng)商，均在2013年開(kāi)始陸續推出相關(guān)產(chǎn)品，在車(chē)載監控領(lǐng)域，主流廠(chǎng)商也推出了模塊化多模無(wú)線(xiàn)技術(shù)的系列產(chǎn)品，并得到規?；纳虡I(yè)應用，積累了豐富的4G網(wǎng)絡(luò )應用經(jīng)驗(見(jiàn)圖6)。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò )可支持的應用

　　車(chē)載安防監控是一個(gè)由應用端來(lái)推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的行業(yè)，通信技術(shù)與車(chē)載安防監控技術(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，“內容”占據應用制高點(diǎn)時(shí))，二者都將用戶(hù)的良好應用體驗作為其技術(shù)發(fā)展的核心推動(dòng)力。在不遠的將來(lái)，將會(huì )真正實(shí)現車(chē)聯(lián)網(wǎng)這個(gè)終極目標，讓我們?yōu)榇寺N首以待，并為此歡欣鼓舞吧!