大规模组网无线频监控平台系统建议.docx
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大规模组网无线频监控平台系统建议
大规模组网无线视频监控平台系统建议
根据我们对无线视频监控系统的经验以及以往实施的类似项目，我们针对大规模组网无线视频监控平台有如下建议供您参考，希望对您有一些帮助。
1、混合组网的模式解决传输问题
无线视频监控具体采用哪一种、哪一个频段的无线系统进行传输要根据整体方案性价比和系统扩充冗余来决定。
总的来讲有如下因素：
A、覆盖区域接入站点的数量
现有的接入系统主要包括2.4G（802.11b11Mbps）/5.8G（802.11a54Mbps）两种，具体采用何种方式要根据2个方面来决定。
1）覆盖区域所需的接入带宽，覆盖区域视频监控头的数量以及监控头的压缩比确定整个区域所需的接入带宽。
以alvarion产品为例11M的DS11系统每个中心基站提供的吞吐量为5.5-6Mbps，如果以每条视频链路所需的传输带宽为1Mbps，那么1个11M的无线基站系统可以同时接入4-5路视频。
54M的VL系统每个中心基站设备提供的吞吐量为33Mbps左右，可以同时传输20~30路的视频流媒体数据。
如果一个接入区域的视频监控头数量比较少可以采用2.4G系统，数量较多的话采用5.8G系统解决更为合理。
B、频率资源利用率
大规模无线系统组网除了考虑系统吞吐量的问题以外，还要考虑整体组网的频率资源的利用率。
举例来讲，某区域需要有12个视频监控站点需要接入。
如果采用2.4G/11Mbps系统来解决传输问题，大致需要3套无线中心基站设备来提供接入带宽，也就是说2.4G/11Mbps系统需要3个频点来解决传输。
如果采用5.8G/54Mbps系统来解决传输问题，使用1套无线中心基站设备就可以满足视频系统对带宽的需求，也就是说1个频点就可以解决传输问题。
大规模城市范围内组网时频点的使用有时候显得非常重要。
2.4G系统使用频段从2.4—2.4835GHz共83.5MHz频率资源，每套无线系统工作频点需要22MHz的频率资源，所以2.4GHz无线系统一共只有3个完全不重叠的工作频点。
5.8GHz无线系统使用频段从5.725GHz—5.850GHz共125MHz的频率资源，每套5.8GHz的无线系统工作频点需要20MHz的频率资源，所以5.8GHz无线系统可以有6个完全不重叠的工作频点。
另外一个重要的指标是净吞吐量/MHz。
以alvarion的产品为例，2.4GHz的DS11系统6Mbps/22MHz，5.8GHz的vl系统33Mbps/20MHz。
这些才是衡量无线系统资源利用率和性价比的重要参数。
资源利用率越高，每套无线中心基站接入的远端视频监控点的数量越多，总体的造价和系统频率资源占用的越少。
2、不同监控场所可采用不同的等级的监控设备
对于公安系统来讲应该针对不同的应用场合采用不同监控设备和视频分辨率。
如一些需要监控现场人物面目特征比较重要的监控场所应该采用高分辨率、高清晰度的监控设备，一些只需要监控现场情况的场所我们可以采用普通的分辨率和清晰程度。
这样做有2个目的，其一可以节省系统录像的存储空间资源，其二可以减轻传输系统的传输压力。
3、无线传输系统的基本要求
对于大规模的无线视频系统应该具备如下几个要求，才能够大规模、大数据量的视频流媒体应用需求。
A、室外型的无线系统
无线传输系统首先应该适应工作现场的环境要求，中国国内地域辽阔各个地区的气候条件各不相同、四季分明，温差和湿度各不相同。
这就要求无线传输系统必须要适应当地气候条件，保证稳定的链路传输。
B、满足长距离传输的要求
无线系统的覆盖的距离越长，需要架设的基站数量越少。
决定系统传输距离的主要因素有几个方面：
系统的发射功率、系统不同调制方式的接收灵敏、系统地延时处理机制。
发射功率越高、系统接收灵敏度要求越低，系统的传输距离越远。
换句话讲同样的通讯距离的情况，系统可采用的天馈线系统越小，施工和维护更方便。
发射功率和接收灵敏度是建立无线系统连接的前提条件，真正保证系统稳定传输的条件是系统的延时处理机制。
后面会详细介绍系统的延时处理机制对传输距离的影响。
C、大规模组网的要求
平台级的无线视频传输系统中组网能力也是主要考察的指标。
影响组网能力的主要有如下几个因素。
首先是系统数据的交换方式，无线系统的数据交换方式分为硬件实现和软件实现2类。
在点对点的简单组网中这2种方式对系统的性能影响不大，但是在点对多点的应用中两者的性能差别很大。
主要是点对多点的速率跳水问题。
例如软件交换方式的无线系统在超过3个远端站点的情况下，每个远端点所得到的数据带宽就不是总吞吐量/3的关系，而是远远低于这个数值。
而硬件交换方式的无线系统就不会有这个问题。
这是大规模组网的基本要求。
其次是无线系统的ATPC（自动发射功率控制）功能，这对有区域内远端站点较多和OFDM系统有至关重要的意义。
每个无线远端站点可以根据之间的信号强度来调整设备本身的发射功率，来避免整个系统由于远近效应产生的干扰。
再次是无线传输系统对VLAN的支持。
由于网络规模的扩大以及系统业务应用的增加，我们不得不采用VLAN技术来避免各个站点由于网络协议产生的广播风暴。
提高整个网络系统的效率。
最后无线传输系统要具有网管功能。
因为整个系统中的站点非常多，所以我们需要有一套方便设备管理的网管平台。
网管系统应该包括设备的查询、参数修改、故障诊断、用户管理。
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一些的功能，方便我们对整个大网进行管理。
D、对大规模视频业务的支持
无线传输系统对视频业务的支持主要表现在2个方面。
1）传输的稳定性
无线传输系统的稳定性是无线视频应用成败的关键，这是由于视频业务的传输特性确定的。
在传统的数据传输应用中，数据文件往往在数据服务器上留有备份，即使传输链路出现抖动和波动，网络协议都可以通过重传的机制来保证数据的完整性，不同的网络传输性能只是表现出传输时间的快慢，而不会影响数据传输的完整性。
视频流媒体应用本身就不存在重传机制，因为视频应用大多采用UDP协议连接，并且重传的数据由于视频的变化也不是原来我们需要的数据，也会造成显示系统的马赛克。
所以只有通过解决系统的稳定性才是保证视频流媒体传输的根本性问题。
2）视频组播协议及组播控制协议的支持
视频流媒体应用采用组播的协议主要是为了节省网络传输带宽和简化网络传输结构。
后面有详细介绍视频流媒体应用为何要使用组播协议的内容
E、方便施工和系统维护
无线传输系统的结构和稳定性觉得了工程的实施难易程度，这对于一个点数较多的无线工程显得格外重要，方便的施工可以节约施工中的人力、物力、财力。
系统的稳定性也决定了我们后期维护的成本，换句话讲后期维护成本的减少也使得项目的利润增加。
4、视频系统基本要求
A、视频编解码器
视频编解码器主要应该注意几个方面：
码流限制功能、组播支持功能、同等带宽的图像效果。
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在无线传输系统中的网络带宽是最宝贵的资源，所以必须要求视频编码器能够对视频码流进行限制，如果出现设置1M码流带宽而突发码流到2M或3M的话，无线系统的预留带宽就无法进行设置。
组播支持是为了更好的进行大规模的组网，后面会有详细的介绍。
同等带宽条件下的图像效果是衡量一个编码器的一个重要的指标。
B、视频服务器软件系统
视频服务器软件系统主要包括如下功能：
软件构架、组网能力、分屏显示、软件矩阵、录像管理、转发模式。
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5、网络流控优化网络传输效率
网络优化主要是对一些中继站点、监控中心等核心交换站点的网络交换机进行合理的配置来保证整体网络的传输效率。
主要措施包括不同业务网络VLAN隔离广播域、单播路由、组播路由、访问控制列表。
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6、分布式存贮、集中式管理
分布式存储、集中式管理是将整个视频录像存储任务分级存放。
这样做有2点好处，首先可以减轻监控中心的存储压力，其次可以减轻主干传输链路的压力。
在上级中心需要观看下级中心所属图像的时候才会产生数据流，避免主干链路的数据堵塞。
7、整体拓扑结构设计
我们觉得把众多视频监控点统一集中到一个监控中心的拓扑接口可能存在一些问题，所以建议使用二级分中心的方式来解决。
如下图所示：
A、传输路径问题
由于大规模组网视频平台都是在覆盖范围、传输距离都是相对复杂的，采用1个监控中心很难满足覆盖所有监控站点的需求。
所以采用中继站点的方式是一个很好的解决方案。
B、频率资源的分配、接入中心的接入容量需求
由于我们整个网络的视频监控业务类型比较复杂。
特别是视频监控应用对传输链路的网络带宽的要求比较高，所以必须保证每条链路的传输带宽（每条链路我们预计分配1—1.5Mbps带宽），这样对整个数据中心的接入容量要有非常高的要求。
换句话讲就必须要求接入中心安装更多的中心基站设备来提高整个接入中心的数据吞吐量，这样对接入中心频率资源的规划带来很大的问题。
5．8G频段本身自由125MHz的频率资源可以使用，每套系统占用20MHz的频率资源，而且还要考虑到频段之间的边缘效应和天线隔离比造成的系统间干扰，所以没有办法为接入中心提供这么高的接入容量。
8、如何设计接入中心所负责远端站点的接入数量
接入中心可以接入的远端站点的数量取决于如下几个因素。
A、每个远端站点承载业务的带宽需求
每个远端站点所承载业务的带宽需求是一个很大的因素。
以我们的案例为例：
每个远端站点的业务类型有视频业务、报警数据采集业务、音频业务3种。
其中视频业务是最为占用网络带宽的业务，一般在500kbps—4000bps之间。
常规的图像质量的情况下一般按照800kbps—1000bps来设计。
数据采集业务的数据流量可以根据A/D采集的位数、模拟量/开关量的数量、数据采样频率计算出来，一般的工业控制的数据量都是非常小的（一般在Xk的数量级）。
视频编解码器上都有语音的通道一般都有音频通道，根据音频压缩格式的不同大都在20kbps左右。
综上所述的各种承载业务并且加网络通讯的附加开销来计算，每个远端站点预留1.2—1.3Mbps左右的带宽是可以满足业务运行的需求。
B、接入中心的数据接入容量
组成接入中心的设备数量以及每台设备的净数据吞吐量直接决定了接入中心的数据接入容量。
例如同样都是54M的无线设备，但是各种设备的净数据吞吐量各不相同。
所以必须参照无线设备的净数据吞吐量而不是无线设备的协议速率。
C、无线设备设计的接入容量
由于各个无线厂家针对点对多点的控制协议和实现方式不同，所以也会影响到每个接入中心所接入的远端站点的数量。
主要是2个方面：
1、控制协议、实现方式、设备的处理能力导致各个厂家的无线设备点对多点接入数量的差异。
2、控制协议、实现方式、处理能力导致的远端站点实际经吞吐量的衰落，最后每个站点得到的数据吞吐量不是总吞吐量/N的结果，有可能远远小于这个值。
综上所述远端站点的接入数量一般=接入中心的数据接入容量/每个远端站点的带宽需求。
但是对于视频业务部可以按照这个理论来计算，设备对视频组播控制的支持与否起到确定性的因素。
下面我会对视频业务的特点做一个介绍。
9、视频业务接入容量设计的根本性决定因素
A、视频流媒体组播传输的优势和必要性
视频应用基本都是采用组播的方式传输，因为视频监控项目一般都有多个单位和部门对前端视频进行监控和控制。
以公安系统为例，一般有基层派出所、公安分局、总局、外协单位、上级主管部门。
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等单位都有可能需要对前端视频点进行监控。
组播传输可以最大限度的节省有限的网络资源。
如下图所示视频码流网络带宽情况
即使没有这么多单位需要观看视频图像信息，在网络监控中心也会存在计算机软件解码观看视频和硬解码上电视墙同时观看的问题。
另外我们前期做的监控单位较少，但是随着网络的扩充和完善，都会牵涉到网络消耗的问题。
组播传输可以最大限度的节省有限的网络带宽资源。
B、视频组播传输对无线传输设备提出的更高要求
由于视频采用组播的方式进行传输，所以要求无线传输设备具有针对组播包的控制和管理功能。
如果设备不具有组播识别和控制的功能，在无线点对多点传输视频的情况下（如下图所示）每个远端站点发送的视频包都会转发到其他远端的视频监控点。
以下图1对6点为例，我们需要每条链路传输的是1路视频码流，但是实际上每条链路传输1X6路的视频数据码流，这样会产生广播风暴导致网络系统瘫痪。
无线设备具有组播的控制和管理的功能。
可以很好的控制数据流向，避免产生广播风暴，更好地进行视频业务的传输。
（如下图所示）。
C、视频组播传输对网络设备提出的更高要求
因为视频组播传输的方式，所以要求交换节点上的网络交换设备必须支持组播管理功能。
在整个视频网络中，各个分中心点、视频监控中心点放置的网络交换机必须支持组播管理功能（IGMP协议）。
IGMP协议可以根据每条主干链路的视频请求复制一个视频流媒体数据包给需要观看视频图像的网络端口。
我们项目中曾经用到的交换机型号有：
D-LINK3226S、华为3526E、CISCO3550等等，都可以实现这样的功能。
每个远程监控点可以使用普通网络交换机。
针对视频存储备份，我建议采用多种中心存储方式。
而且要考虑存储格式来选择各个点的存储容量，总的监控中心对于监控采用实时联接前端摄像机方式。
备份视频数据采用远程调用分中心点的视频存储方式。
减少整条链路的数据流量。
由于网络规模比较大，必须考虑各个核心交换设备的配置问题。
各个中心节点的网络设备选型、参数配置等等。
主要是配置好单播路由、组播路由，做好前期的网络规划。
特别注意一点的是在大规模的视频监控系统中必须要求无线传输设备和网络交换设备同时都具有组播的识别、管理控制的功能，因为网络交换机只能管理到自身网络端口内的组播传输，不能管理到网络交换机所连接的无线系统内组播产生广播风暴。
10、设备的接受灵敏度、发射功率以及传输链路的带宽保证
A、设备的发射功率和接收灵敏度
无线设备接收灵敏度对比
Alvarion
IEEE802.11a
54Mbps&19dBm（80mW）
48Mbps&21dBm（125mW）
36Mbps&21dBm（125mW）
6~24Mbps&21dBm（125mW）
54Mbps&13.5dBm（22.4mW）
48Mbps&14.0dBm（25.1mW）
36Mbps&14.0dBm（25.1mW）
6~24Mbps&18.0dBm（63.1mW）
无线设备发射功率对比
无线设备的接收灵敏度和发射功率参数是传输质量非常重要的指标。
特别需要指出的是目前的54M无线设备发射功率都会随着速率的改变产生变化，主要是因为不同的速率采用不同的调制方式。
在低速率情况下设备一般采用BPSK、QPSK两种单纯调整相位的调制方式，所以设备的平均功率不会改变。
高速率情况需要采用16QAM、64QAM的高效率的调制方式，但是这两种调制方式是调相、调幅相结合的方式，所以造成高效率调制方式下平均功率的下降。
由于各个无线厂商对射频技术的专业程度导致在QAM调制情况下功率下降幅度和不同速率设备的接收灵敏度各不相同。
发射功率越大、接收灵敏度月底在相同的传输距离才可以表现出更好的传输效果，同样的天线增益情况下传输更远。
从另外一个角度讲，发射功率越大、接收灵敏度要求越低在相同的传输距离情况下需要外加的天线尺寸越小，安装越方便。
B、设备的延时处理机制
无线通讯中天线的方向校正、有足够的链路衰减冗余是能够进行通讯的前提条件。
无线通讯设备的延时机制是整个通讯效果好坏的关键因素。
不同传输距离、不同的传输链路情况下链路传输的延时时间也是不一样的，所以设备必须能够根据不同传输情况来修正自身的发包延时时间。
如果设备的延时无法修正或者是一些针对室内短距离传输的无线设备在长距离、复杂环境传输时会因为实际的延时时间大于设备本身的延时时间而造成通讯的数据重传率大大增加，使实际的通讯效果大打折扣。
严重的情况根本无法建立起传输链路，这也是有些无线设备在加大天线增益、增加功放的情况下仍然无法进行数据传输的原因。
Alvarion设备的通讯延时时间自动学习，能够保证在各种传输的情况下都可以有非常好的传输效果
C、提高吞吐量机制和带宽保证机制
Alvarion设备有自己专有的提高数据传输吞吐量的技术（串联机制），设备会将数据传输的多个小数据包封装成1个大的数据包进行传输，这样大大减少了网络传输时的协议开销，提高整体的数据吞吐量。
另外alvarion设备有自己专有的带宽保证和QoS机制，可以根据不同站点业务数据量的大小分配不同的带宽。
可以根据MIR（最大通讯带宽）和CIR（最小保证带宽）2种机制来保证数据传输的稳定性和网络带宽的利用率。
11、视频监控中心结构图
监控中心一共包括视频显示系统、矩阵控制系统、硬件视频解码系统、网络交换系统、软件视频解码系统、硬盘录像系统组成。
监控中心通过无线网络接收到的视频流媒体传输到网络交换机上，视频编解码器设备通过网线联接到网络交换机上，把网络上的视频流媒体解码还原成模拟的视频信号。
视频解码器的视频输出和485的控制线一起联接到视频矩阵相应的接口，视频矩阵的视频输出通过视频线缆联接到电视墙进行显示。
遥控键盘通过数据线和视频矩阵相连接，通过遥控键盘可以对远端的视频监控点进行摄像机的旋转、变焦等等一系列的控制。
我们可以计算机联接到网络交换机上，通过计算机安装的视频软件平台同时对视频进行软件的显示和控制，并且可以通过软件本身的功能进行各种条件的录像。
这里的网络交换设备和无线设备必须具有视频组播的传输和管理功能，这样避免由于视频组播产生的广播风暴造成网络系统的瘫痪。
12、远端视频监控点结构图
每个无线远程监控点的结构如上图所示，包括无线传输系统、视频编码系统、摄像机和云台系统。
摄像机输出的模拟视频信号通过视频线缆联接到视频编码器得视频输入端，视频编码器的485接口通过485控制线和云台解码器相连，通过接收还原监控中心的控制键盘或视频监控服务器发送的云台、摄像机的控制信息，驱动云台、摄像机进行旋转、变焦等等一系列的控制。
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视频编码器的网络接口通过网线联接到网络交换机上，无线设备通过网线联接到网络交换机，将视频编码器输出的视频流媒体传输到监控中心。
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