基于WiMAX技术的远程移动视频监视系统

王现兵

(重庆大学，重庆 400030)

基于WiMAX技术的远程移动视频监视系统

王现兵

(重庆大学，重庆 400030)

监视网络普及带动监视网络的发展。随着用户的增多单独监视网络的布置与设计，使得资源重复布置的现象非常严重。基于WiMAX技术的城域网，采用先进的数据传输技术和天线技术，解决了移动宽带无线接入问题。以WiMAX技术为基础的城域网是一种可高效传输话音、数据、图像和视频等信息，集各种宽带多媒体业务于一体的综合宽带网络。WiMAX技术可以提供中、高速移动情况下高速数据传输业务。从WiMAX技术的特点来看，该技术能够很好地支持移动视频监视工作。

视频监视系统；移动用户；WiMAX技术；城域网；宽带接入；OFDM技术；QoS机制；压缩技术

1 引言

视频监视越来越广泛地应用于各种环境，如超市、各种营业厅、工厂车间、住宅小区、家庭等。监视系统和网络的种类多种多样，有的单独设计网络，如银行等的营业厅、住宅小区、超市等；有的利用其他网络，如家庭监视可以使用互联网、电话网、广播电视网络等。随着监视场所的增加，单独设计监视网络会造成大量资源的浪费，并且增加用户成本，同时灵活性差，不易于系统转移。借助互联网的监视系统，传输图像速度慢，两端都不能移动，这对于监视场所不固定的用户来说难以实现，如公交公司对公交车上的情况进行监视，移动用户对家庭或工厂等的监视。因此，监视系统需要有一个新的网络载体。WiMAX技术发展和应用能够有效地解决监视系统移动性等问题，让监视移动起来。

2 WiMAX技术支持远程移动视频监视系统

以WiMAX技术为基础的城域网是一种可高效传输话音、数据、图像和视频等信息，集各种宽带多媒体业务于一体的综合宽带网络，目前，WiMAX技术拥有两个标准：IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。WiMAX技术以IP技术和ATM技术为基础，且WiMAX技术比3G技术更具有优势，可以提供高速的数据接入。

WiMAX技术的主要优点有：

（1）网络覆盖范围大。WiMAX技术采用先进的拓扑网络、OFDM技术和天线技术（波束成形技术、天线分集技术和多扇区技术）。WiMAX技术还采用Mesh、Beam-Forming、MIMO等先进技术改善非视距性能，系统增益提供了更强的远距离穿透能力。WiMAX技术基站覆盖半径最大可达50公里。

（2）数据传输率高。WiMAX技术具有足够的带宽，数据传输速率可高达75Mbit/s。

（3）支持TCP/IP协议。WiMAX技术支持TCP/IP协议，满足TCP/IP协议对信道传输质量的要求。WiMAX技术在链路层加入ARQ机制，减少数据传输过程中的数据差错，大大提高系统的业务容量。

（4）系统容量的可升级性。WiMAX信道带宽规划灵活，适用于多种频率分配情况，新增扇区容易。运营商可以根据用户的多少扩展网络，WiMAX技术可以同时容纳超过60个T1级别的商业用户和上百个DSL数据速率的家庭用户接入网络。

3 基于WiMAX技术监视系统的结构

基于WiMAX技术的移动视频监视系统结构如图1所示。

图1 基于WiMAX技术的移动视频监视系统

上图中摄像头用于监控现场，并将拍摄的视频信息传送给计算机，由计算机进行视频信号的处理。计算机采用视频压缩技术将视频信号压缩并编码成某种文件类型，如MPEG-2格式的视频文件，MPEG-2分为不同的等级如下表1所示：

表1 MPEG-2数据速率表

WiMAX技术支持的最大数据传输率为75Mbps，因此可以支持MPEG-2等多种视频编码格式数据的传输。计算机将处理好的视频文件通过WiMAX网卡（IEEE 802.16e卡）传到WiMAX BS，由基站传给另一终端；或者WiMAX基站利用热点回传方式将文件传给其他基站，再由其他基站将文件发送给终端；或者WiMAX基站利用骨干网进行传输，如Internet或电信网络等。

3.1 远程移动视频监视系统中WiMAX的关键技术

WiMAX技术主要基于两个标准：IEEE 802.16d适用于固定宽带无线接入网络和IEEE 802.16e适用于移动和固定宽带无线接入网络。因此，IEEE 802.16标准的关键技术依赖于WiMAX技术视频监视系统的关键技术。由于计算机网络的OSI参考模型的第三层及以上的层可以供城域网使用，WiMAX技术主要面向的是物理层和数据链路层的开发。WiMAX技术主要定义了物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）。WiMAX技术监视系统关键技术包括：MAC层协议、带宽动态分配技术、OFDM/OFDMA技术、混合自动重传（H-ARQ）技术、自适应编码调制（AMC）技术、多进多出阵列（MIMO）、切换技术和QoS机制等。

3.1.1 物理层关键技术

1）信道编码。WiMAX技术支持多种类型的信道编码，适用于不同业务的服务质量和传输速率。具体编码类型如下表2所示：

表2 WiMAX技术的信道编码类型表

2）链路自适应技术。WiMAX技术采用多种链路自适应技术。

a.子信道技术：上下行信道可以使用多种子信道模式，包括部分使用子信道、完全使用子信道和自适应调制编码。这些信道的使用具有更大的灵活性，并且有利于实现频率分集；

b.自适应调制编码技术（AMC）：AMC根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式。AMC能提供可变化的调制编码方案，WiMAX的基站根据用户信道状况等条件自动地调整针对该用户的调制和编码方式；

c.混合自动重传技术（H-ARQ）：H-ARQ技术利用前向纠错和自动检错重发的优点，提高了频谱的利用率，因而提高了数据传输的可靠性和系统的吞吐量，所以间接扩大了系统的覆盖范围。该技术自动适应信道的瞬时变化，对时延和误差不敏感；

d.测探技术：WiMAX技术标准引入测探机制，上报信道质量。测探机制可以有效地克服TDD系统反馈式闭环发射分集中反馈信道占用较多空中接口的缺点。测探机制让移动终端在上行信道中发射特定的测探信号序列，使基站能够有效地上传信道系数。

（3）多天线技术：WiMAX技术支持多进多出（MIMO）天线和自适应天线阵 （AAS）两种不同的多天线实现方式。MIMO模式既包括收发两端均采用多天线的实现方式，也包括传统的发射分集方式。WiMAX技术支持的MIMO模式分为3种：空时发射分集（STTD）模式、空间复用（SM）模式和分集与复用相结合额混合（STTD&SM）模式。应用MIMO技术可以大幅提高通信系统容量、频谱利用率和数据传输速率。AAS技术可以采用多波束选择的方式实现，也可以采用自适应的方式实现。采用AAS技术可以提高系统容量，扩大覆盖范围，提高通信的可靠性和降低运营成本等。

（4）OFDM技术：OFDM技术是一种高速数据传输技术，是宽带无线接入的关键技术。采用OFDM技术，有抗衰落、抗多经、频谱效率更高等优点，码速最高可达100Mbps。在WiMAX网络中，OFDM技术为物理层技术，主要有两种方式：OFDM物理层和OFDMA物理层。无线城域网OFDM物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流；支持TDD和FDD双工方式；上行链路采用TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式；可以采用空时编码、发射分集和自适应天线等先进技术。OFDM方式通过打开和关闭某些子信道的方式防止信道衰落；OFDM方式采用的频率分集复用技术可以有效解决多径干扰。OFDMA物理层采用OFDMA多址接入方式，和OFDM物理层一样采用OFDM调制；支持TDD和FDD双工方式；可以采用空时编码、发射分集和自适应天线技术。可以有效抑制多径效应和减少码间干扰。

3.1.2 MAC层关键技术

WiMAX技术加强了MAC层的定义。MAC层采用时分多址方式，保证数据传输时延，支持面向链接的业务，这是系统提供QoS、差异化服务和带宽动态分配的基础。

（1）QoS机制：WiMAX的MAC层定义了较为完整的QoS机制。WiMAX技术定义的QoS参数是针对空中接口的，MAC层针对不同的链接分别设置不同的QoS参数，如速率、时延等参数。

（2）带宽动态分配技术：WiMAX技术工作在TDMA方式下，可以按用户需要动态分配带宽，在多用户多业务的情况下提高了频谱利用率。在TDD双工模式下工作的WiMAX技术，可以根据上下行业务的实际带宽需要动态非对称地分配上下行带宽，以提高频谱利用率。

4 结语

远程移动视频监视系统还取决于视频压缩技术和数据传输技术。采用视频压缩技术能让视频文件适合于网络传输，未经压缩的视频文件数据量非常大，如一个普通的CIF视频文件在没有压缩的情况下，码速为30MMbps以上。而一个高清电视视频文件，码速在1Gbps以上。目前没有任何一个网络可以满足这样的速率要求，因此视频文件必须经过压缩才能在网上传输。在网络选择上，基于WiMAX技术的城域网比目前的3G网络在覆盖范围和网速上更具有优势，基站覆盖范围大，则网络切换减少，并且基站需求较少，节约成本。且WiMAX技术的网速可达75MMbps能够满足大部分视频文件对数据速率的要求。由于WiMAX技术支持移动性，也能使用户扩展视频范围更加方便。

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Mobile Watching System Based on WiMAX

WANG Xianbing
(Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Watching systems are used widely,and watching technology are developed.Based on WiMAX technology,MAN adopts advanced data transmission technology,antenna technology.Mobile wideband wireless access technology can be carride out.This is a integrated wideband network.

video watching system;mobile user;WiMAX technology;MAN;wideband access;OFDM technology;QoS;compressing technology

TP39

A

1674－5787（2010）02－0162－03

2010-01-08

王现兵(1981—)，男，重庆市人，重庆大学研究生，重庆交通大学教师，主要从事通信与信息系统、海上通信等方向的教学与研究工作。

责任编辑 王荣辉