林鑫顯

（中國移動通信集團福建有限公司泉州分公司，泉州 362000）

隨著數據通信與多媒體的發(fā)展，通信技術的應用已滲透到生活的方方面面，4G時代的到來必將催生更多新產品、新應用的爆發(fā)，高速的4G網絡將給更多的行業(yè)帶來更加豐富的應用場景，將為傳統通信運營商提供新的發(fā)展平臺，也給無線視頻傳輸應用領域帶來新的應用以及機遇。新技術的興起將會對行業(yè)視頻應用體系產生深遠的影響，而當前中國4G市場將呈現爆炸式增長態(tài)勢，使得將視頻應用結合云計算和大數據成為可能，運營商結合4G高速網絡可提供從接入到承載、到平臺、到終端、到業(yè)務的整體解決方案，涵蓋話音、視頻、數據等多種類型媒體。

1 4G視頻應用體系分析

1.1 4G對視頻應用體系的影響

4G高速網絡的出現，打破了原有3G網絡的局限性，4G網絡最大的變化就是大幅提高了數據的上下行傳輸速率，大幅降低了網絡時延，其高達50 Mbit/s的上行傳輸速率，超過100 Mbit/s的下行速率，完全能夠承載高清視頻傳輸的業(yè)務需求，挑戰(zhàn)傳統的視頻應用體系。傳統的視頻應用體系主要包含了安防保衛(wèi)應用、廣告?zhèn)髅綉眉安糠中袠I(yè)、個人應用等，這些傳統視頻應用體系的視頻傳輸，通常都是基于有線網絡的傳輸，對線路的品質和帶寬要求苛刻，而4G移動網絡很好解決了以上問題，在保證傳統視頻應用所有功能的同時，能夠獲得更為逼真、清晰的數字化圖像質量，同時給行業(yè)視頻應用領域帶來新的應用與商機。

1.2 4G視頻業(yè)務應用分析

從移動通信網絡發(fā)展歷程來看，技術是其發(fā)展的基礎，而應用則決定了其未來的命運。隨著我國4G商用普及，相關的行業(yè)應用已經滲入多個領域，成為4G發(fā)展的推動力，視頻業(yè)務在4G網絡方面至少可覆蓋高清視頻監(jiān)控、即攝即傳和移動高清視頻會議三大應用。

1.3 基于4G視頻監(jiān)控系統的優(yōu)勢

（1）覆蓋面廣，部署方便：移動無線網絡覆蓋率極高，幾乎不受復雜地形和區(qū)域限制，使用無線4G網絡無需網絡布線和架設天線，幾乎可以部署在室外的任何地方，包括水體、崎嶇地帶和偏遠地方。

（2）高可靠性：充分利用網絡隧道、防火墻/VPN、加密鎖、權限管理、安全認證和實時時鐘等技術，保證監(jiān)控系統和錄像資料不被越權使用和破壞，高端無線傳輸系統的可靠性高達99.999%的載波級。

（3）擴展性好：系統具備良好的擴展性，采用標準的組網方式，支持IP單播、組播功能，可以組成點對點監(jiān)控系統，也可以組成一個中心對各站點的系統，在網絡上可以設置多個分控圖像工作站，滿足多個用戶的需要，組成多級監(jiān)控系統。

2 4G視頻應用技術架構分析

2.1 4G視頻監(jiān)控平臺網絡架構

本文以4G視頻監(jiān)控為例講述4G應用的網絡架構設計，依照各行業(yè)、部門的需求及鎮(zhèn)區(qū)、社區(qū)、個人的實際情況等設計依據因素，整個4G視頻傳輸監(jiān)控系統結構如圖1所示。

4G視頻監(jiān)控平臺主要由5個部分組成，包括前端采集中心、信號傳輸中心、業(yè)務管理平臺、數據中心及中央控制平臺，各個組成部分主要功能如下所述。

前端采集中心：該部分主要為客戶側前端設備，如單兵便攜監(jiān)控設備、車載監(jiān)控、定點監(jiān)控等設備組成，用于前端視頻采集、編碼、壓縮等功能，通過設備內部集成的4G模塊，以此實現多媒體數據的高速上傳。

信號傳輸中心：該部分主要借助運營商的無線高速網絡，可通過APN、VPN、互聯網等網絡制式實現前端視頻多媒體數據與后臺的有效互通，用戶可根據實際 情況對帶寬、安全性等方面采用不同的信號傳輸。

業(yè)務管理平臺：基礎硬件主要由基礎系統服務器組成，這類服務器是保障為用戶提供各種服務的前提，主要有DNS服務器、目錄服務器、網絡管理服務器等，通過業(yè)務管理平臺可對前端采集并上傳的多媒體數據進行分流及梳理，將實時數據流轉發(fā)給多個客戶端或監(jiān)控中心，還可對實時監(jiān)控、錄像回放、網絡管理、日志管理、本地配置等功能進行控制操作，實現多媒體的統一監(jiān)控管理。

圖1 4G視頻監(jiān)控平臺網絡拓撲圖

數據中心：該部分主要由數據庫服務器、存儲系統、備份中心組成，存儲系統是重點建設內容之一，當前數據容量已由TB級增長到PB級，如此大的數據需要有一個更加安全、可靠、高效、可擴展的存儲系統，以滿足客戶及企業(yè)的發(fā)展需求，保證客戶的數據安全可靠，可對所有存儲的數據進行熱備份，防止產生意外情況而導致重要數據丟失。

中央控制平臺：該模塊主要對異常或突發(fā)事件進行指揮及指導，前端實時采集的視頻數據通過多業(yè)務處理平臺進行視頻數據分流后分發(fā)至各個相關負責人，并可即時組成多個臨時網絡會議室，實現在線多人會議及應急指導。

2.2 4G視頻監(jiān)控平臺體系結構圖

4G視頻監(jiān)控平臺體系大體可以分為4層。

第1層為應用層，面向于用戶實際操作的客戶端，為用戶的可視部分，是對具體業(yè)務的歸納、抽象而生成的各種應用模塊，通過這些模塊的組織支持不同的業(yè)務應用。

第2層為業(yè)務邏輯層，包含整個平臺的業(yè)務邏輯和功能劃分，呈現給用戶專業(yè)化、個性化的具體業(yè)務流程和工具，是業(yè)務智能的最終表現形式。

第3層為核心層，是整個4G視頻監(jiān)控平臺系統的核心，采用高性能的應用服務器中間件、各種智能引擎和系統管理工具，設計負載均衡和數據庫集群，并應用大數據分析工具為上層提供基礎服務、管理策略和方法工具。

第4層為采集接入層，實現了4G前端設備的音視頻采集，并接入到平臺進行集成管理，使業(yè)務邏輯層無需關心所使用的設備和信息資源的具體位置和形態(tài)，便于設備信息資源的組織和調度，更好的為業(yè)務服務。

2.3 基于云計算的4G視頻監(jiān)控應用發(fā)展趨勢

架設一個完善的基于4G的視頻監(jiān)控平臺需提供安全級別高、存儲容量大、存取效率高的視頻管理服務，需要有強大的企業(yè)級視頻托管系統、應用第4級數據中心，用于提供可擴展的、靈活的、中央集成的視頻業(yè)務。逐漸興起的云計算、大數據的技術和思路可更加完美地應用于4G視頻監(jiān)控應用，滿足大容量及高效率的業(yè)務需求?；谠朴嬎愕?G視頻監(jiān)控平臺具備如下特征。

2.3.1 隨時隨地接入

考慮到當前的應用環(huán)境和需求的不同，未來的視頻監(jiān)控平臺在充分接入4G高速網絡的情況下，采用的必須是開放式隨時隨地接入方式的管理，即無論任何時間地點皆可通過電腦Web網頁或手機APP的形式，從不同的地點管理攝像頭及查看監(jiān)控點，控制攝像頭開關及轉向，也可隨時查看已錄好的監(jiān)控錄像。實現這種隨時隨地接入的攝像頭及視頻管理，不需要任何額外的軟件或硬件要求，只需要設備能夠連上互聯網或者配置APN專網即可，而實現此類高清視頻監(jiān)控業(yè)務通過傳統的3G或者Wi-Fi技術都是無法在網絡速度、位置和時間上滿足。

2.3.2 建設數據中心

未來的視頻存儲發(fā)展趨勢使用的應是第4級數據中心，保證99.99%正常運行、備份電源、高效數據處理和存儲能力，以及足夠的帶寬，保證高可靠性和高可用性。通過數據中心，實現數據和服務統一管理，數據整合和資源的分配更加合理，并且可通過存儲統一規(guī)劃高效地存取數據信息，同時在數據中心均配備有高安全級別的信息安全防護設備，可保證數據信息安全性。

2.3.3 云計算視頻監(jiān)控中心

云計算并不是一個新概念，然而云計算在視頻監(jiān)控領域屬較新的應用，通過使用第4級數據中心，可將云計算原則應用到攝像頭托管和實時監(jiān)控服務中。通過在服務器層級將計算能力整合到單一地點，除了強大的云平臺動態(tài)分配外，還將引入大數據分析技術，對各個客戶端發(fā)送過來的數據進行統一分析處理，合理動態(tài)分配資源，未來的監(jiān)控中心勢必也將采用該種模式創(chuàng)造效率，并在規(guī)模經濟的基礎上比過去提供更多功能和靈活性。運用云計算是一種更好的鞏固視頻監(jiān)控系統的方式，尤其是當視頻監(jiān)控放在不同地理區(qū)域或設施中時，不需要運行多個DVR和NVR，所有監(jiān)控視頻集中托管在數據中心，同時對用戶來說均是透明的，用戶可使用網頁瀏覽器訪問，可節(jié)約軟件、硬件和維護的成本，同時提高訪問效率。

3 4G視頻應用實際場景分析

采用4G技術可有效解決3G、Wi-Fi、有線視頻監(jiān)控所面臨的問題，為用戶在低成本下提供高清晰度的視頻體驗, 未來的4G通信將給人們真正的溝通自由，并徹底改變人們的生活方式甚至社會形態(tài)，具體的4G網絡下潛在發(fā)展的業(yè)務應用如圖2所示。

圖2 4G應用場景分析圖

4G網絡通信技術的發(fā)展將使人類跨入“移動e時代”，新拓展的社會化業(yè)務種類要遠遠豐富于3G時代，特別是在移動視頻傳輸領域更能體現出4G的巨大優(yōu)勢，高帶寬、覆蓋廣、高可靠、安全性等特點可極大地推進4G視頻應用的發(fā)展。下面以3個4G視頻應用場景進行具體分析。

3.1 4G單兵執(zhí)法應用

4G單兵主要用于移動現場應急指揮，可廣泛應用于公安、醫(yī)療、海關、消防、交通、電力等多種不確定場所的應急指揮，整套系統采用前端分散采集執(zhí)法過程、后臺集中管理的方式，通過可插拔的TF卡將取證資料進行本地存儲，并可利用4G網絡將數據上傳監(jiān)控中心，通過4G無線網絡實現遠程監(jiān)控和管理，系統拓撲圖如圖3所示。

整套系統主要由便攜式4G單兵監(jiān)控終端和中心業(yè)務管理平臺兩大部分組成。現場人員配備便攜式高清攝像頭的4G單兵監(jiān)控終端，通過在應急現場與指揮中心之間建立一條高速的4G無線網絡，實現現場高清視頻可視對講，實現視頻數據的采集、抓拍、加密、編碼、存儲、傳輸、回放、預覽，還可以利用GPS/北斗衛(wèi)星定位當前位置，通過語音對講功能與指揮中心保持密切聯系。中心業(yè)務管理平臺具有多畫面監(jiān)控、輪巡、分組等多種監(jiān)控模式，支持本地及集中錄像存儲，以及支持錄像回放、抓圖、下載等，實現實時監(jiān)控及遠程指揮，應急指揮中心人員可完全掌握現場每個角落的實時情況，時刻了解和掌握突發(fā)事件的動態(tài)變化，并通過視頻指揮系統進行現場指揮調度，利用語音的VoIP技術，可以將決策及時向現場人員下達，控制事態(tài)發(fā)展，減少損失、保護生命和財產安全。

為了降低多路并發(fā)訪問給前端4G傳輸造成重復流量和計費，系統可采用流媒體技術解決多路并發(fā)訪問的問題，確保每路視頻在任何時候均只輸出1路碼流。多臺流媒體服務器構成集群服務，采用負載均衡技術將視頻轉發(fā)壓力平均分攤到每臺流媒體服務器，相較于獨立的流媒體更穩(wěn)定、更智能、更先進。

3.2 4G車載視頻監(jiān)控

4G車載視頻監(jiān)控主要用于車輛內外的移動監(jiān)控功能，如部隊指揮車、押解車、120急救車的車載視頻監(jiān)控功能需求。通過車輛中安裝4G車載高清攝像頭、GPS/北斗、4G網絡模塊及其它設備，將現場視頻及時地傳回指揮中心，再結合大數據分析、云計算和智能識別，形成一套現代化、數字化、網絡化、專業(yè)化的調度指揮系統，為現場案件及處理創(chuàng)造信息條件。系統拓撲圖如圖4所示。

圖3 單兵執(zhí)法系統拓撲圖

4G車載視頻監(jiān)控前端由采集設備組成，安裝于車輛內部及外部，對內外同時進行監(jiān)控，包括視音頻、報警信息的采集設備、報警聯動輸出設備和音頻功放設備，以及GPS定位模塊、4G無線傳輸模塊等，鑒于車輛外部環(huán)境的不穩(wěn)定性，設備還需采取減震加固技術以確保視頻質量，同時采用H.264數字編碼技術，動態(tài)調整編碼參數以適應不同網絡帶寬；在網絡傳輸方面，可充分依托運營商提供的4G無線網絡、APN專線，利用4G的帶寬資源傳輸視音頻和數據信息；后端由數據中心、多種集群服務器組成，通過大數據分析、GPS定位、基于深度神經網絡的智能識別等技術進行分析決策，提供指揮中心調度的決策依據。

3.3 4G定點視頻監(jiān)控

4G定點視頻監(jiān)控的優(yōu)點之一是架設靈活、組網方便，特別適合室外或較偏遠場景的應用，如在通信基站監(jiān)管、油田監(jiān)管、森林防火、生態(tài)監(jiān)管、港口、油田監(jiān)管、環(huán)保檢測等領域，對于這些特殊行業(yè)來說，由于受到地理、環(huán)境和工作內容的限制，地域廣、監(jiān)控點稀疏，有線監(jiān)控線路戶外架設施工周期很長，維護成本非常高，甚至根本無法實施，因此搭建4G無線遠程監(jiān)控則發(fā)揮了極其重要的應用價值，同時可保障數據傳輸的高速及穩(wěn)定性，系統拓撲如圖5所示。

4G定點視頻監(jiān)控系統前端由4G無線監(jiān)控終端組成，監(jiān)控終端是一個集視頻采集、實時壓縮、網絡傳輸（有線或無線）等功能為一體的嵌入式設備。系統首先通過前端設備采集視頻圖像、進行壓縮編碼，接著通過4G高速網絡將壓縮視頻數據發(fā)送到網絡管理平臺，再由視頻服務器將視頻數據轉發(fā)給客戶端瀏覽、監(jiān)控或管理。該類應用的傳輸網絡及后端管理平臺與4G車載視頻監(jiān)控類似，本處不再贅述。

圖4 車載系統拓撲圖

圖5 定點監(jiān)控系統拓撲圖

4 總結

隨著4G網絡建設發(fā)展與技術不斷完善，基于4G網絡的新興業(yè)務必然帶來龐大的市場商機，改變人們的生活習慣，對國民經濟產生深遠影響，同時更好地滿足人們對數據與媒體業(yè)務的需求。本文描述了基于4G的視頻應用的技術架構，分析了基于云計算的4G視頻監(jiān)控應用發(fā)展的趨勢，闡述了4G技術及其移動新業(yè)務在各行業(yè)的具體應用形式，提出貼切實際的基于4G網絡的視頻傳輸系統，實現指揮通信可視化，在現場執(zhí)法過程中，采用單兵、車載移動視頻監(jiān)控系統，實現勤務管理可視化?；诖似脚_，各種有利于提高生產效率、提高人民群眾生活品質的創(chuàng)新將隨之產生，同時在公共安全、教育、能源、健康、交通和經濟在內的各個領域將開展4G網絡應用課題研究。

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