董錚，朱穎，楊春澤

?

基于物聯(lián)網(wǎng)和4G無線VPDN技術(shù)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

董錚，朱穎，楊春澤

（中國電信股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210008）

為實(shí)現(xiàn)國家電網(wǎng)南京分公司位于變電站內(nèi)線路割接作業(yè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，中國電信股份有限公司南京分公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托自身后端技術(shù)力量，利用4G無線百兆網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，通過創(chuàng)建4G VPDN（虛擬專用撥號(hào)網(wǎng)）智能管道（能夠識(shí)別不同的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行控制和計(jì)費(fèi)，并通過深度分組檢測(cè)技術(shù)判斷用戶的類別，以提供不同水平的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息傳送網(wǎng)絡(luò)），實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)和4G無線VPDN技術(shù)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案，解決了變電站線路割接作業(yè)點(diǎn)由于位置經(jīng)常變動(dòng)，而無法使用有線方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的難題。

物聯(lián)網(wǎng)；4G；LTE；VPDN；實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)；變電站

1 引言

國家電網(wǎng)南京分公司有著完善的生產(chǎn)作業(yè)操作制度，變電站線路割接在位于變電站內(nèi)的作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行，且需要對(duì)于割接作業(yè)的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及錄像。中國電信股份有限公司南京分公司根據(jù)國家電網(wǎng)南京分公司對(duì)變電站割接作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行視頻監(jiān)控的需求，在和客戶進(jìn)行多次溝通的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管理和便利性的要求，制定了基于物聯(lián)網(wǎng)和4G無線VPDN技術(shù)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案。

2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)對(duì)變電站線路割接作業(yè)點(diǎn)的需求，總體網(wǎng)絡(luò)由業(yè)務(wù)終端，含4G無線高清槍機(jī)和4G-NVR（網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)）、LTE（長期演進(jìn)）無線網(wǎng)絡(luò)、VPDN平臺(tái)、LNS（L2TP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器）路由器、電信側(cè)AAA服務(wù)器、接入CN2跨域MPLS（多協(xié)議標(biāo)記轉(zhuǎn)換）VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）專線以及客戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

前端設(shè)備采用200萬高清紅外槍型攝像機(jī)將視頻監(jiān)控圖像傳送至國家電網(wǎng)南京分公司安保部圖像監(jiān)控平臺(tái)，用于監(jiān)控和調(diào)用。運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中國電信4G無線VPDN網(wǎng)絡(luò)傳輸通道實(shí)現(xiàn)，前端4G無線高清槍機(jī)通過中國電信LTE網(wǎng)絡(luò)接入國家電網(wǎng)南京分公司VPDN專網(wǎng)，通過基于中國CN2網(wǎng)絡(luò)的跨域MPLS VPN專線與用戶側(cè)的LNS路由器設(shè)備互聯(lián)，VPDN業(yè)務(wù)在LNS路由器設(shè)備上獲取靜態(tài)IP地址之后通過三層的方式終結(jié)。國家電網(wǎng)南京分公司用戶側(cè)在安保部新增一臺(tái)防火墻設(shè)備，接入用戶側(cè)的LNS路由器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)圖像落地，并與國家電網(wǎng)南京分公司視頻監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)圖像的調(diào)用。

3 4G無線VPDN傳輸方案

3.1 中國電信4G VPDN業(yè)務(wù)方案

中國電信4G無線VPDN是基于中國電信的LTE高速分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，利用L2TP（第二層隧道協(xié)議）隧道技術(shù)為無線移動(dòng)終端構(gòu)建的與公眾互聯(lián)網(wǎng)完全隔離的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)為無線移動(dòng)終端提供到達(dá)客戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的無縫和安全的連接，滿足辦公人員通過手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等智能終端上傳數(shù)據(jù)、圖片信息到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，訪問內(nèi)網(wǎng)相關(guān)資源的需求。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)具體工作原理是：中國電信為每個(gè)企業(yè)分配一個(gè)特殊的APN（接入點(diǎn)），網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過APN來區(qū)分不同的企業(yè)。用戶在終端設(shè)備設(shè)置好企業(yè)專用APN以及賬號(hào)密碼。用戶攜帶VPDN APN信息向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起附著請(qǐng)求，請(qǐng)求首先經(jīng)4G無線接入網(wǎng)到達(dá)中國電信MME（移動(dòng)管理節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行APN鑒權(quán)，在經(jīng)過中國電信接入AAA（認(rèn)證授權(quán)計(jì)費(fèi)）服務(wù)器域名認(rèn)證通過后（一次認(rèn)證），核心網(wǎng)設(shè)備（PGW）通過接入專線和客戶端設(shè)備（LNS）建立L2TP通信隧道，同時(shí)由LNS將認(rèn)證數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給VPDN AAA服務(wù)器，在VPDN AAA服務(wù)器通過對(duì)用戶名、密碼和IMSI（國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼）的捆綁認(rèn)證后，LNS將會(huì)順利與終端用戶建立好VPN連接。至此，無線終端用戶就可以與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，訪問內(nèi)部資源。中國電信4G VPDN業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 專網(wǎng)4G熱備份網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)

L2TP VPDN解決了遠(yuǎn)端4G無線路由器通過專用APN遠(yuǎn)程接入專網(wǎng)的問題。中國電信二次認(rèn)證AAA服務(wù)器通過賬號(hào)綁定固定IP地址的方式，提供了后續(xù)點(diǎn)到點(diǎn)隧道建立的基礎(chǔ)。中國電信4G VPDN業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入流程如圖3所示，具體介紹如下。

（1）用戶首先使用VPDN APN到MME調(diào)用HSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒權(quán)。

（2）MME攜帶APN信息向PGW請(qǐng)求建立連接。

圖2 中國電信4G VPDN業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 中國電信4G VPDN業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入流程

（3）PGW攜帶手機(jī)號(hào)向VPDN AAA服務(wù)器發(fā)出認(rèn)證請(qǐng)求。

（4）認(rèn)證成功后，VPDN AAA服務(wù)器返回LNS地址及隧道密鑰。

（5）PGW到LNS的L2TP隧道成功建立，PGW向LNS發(fā)送手機(jī)號(hào)等認(rèn)證信息。

（6）LNS與二次認(rèn)證AAA設(shè)備進(jìn)行二次認(rèn)證，并分配IP地址。

前端攝像設(shè)備采用4G無線200萬紅外像素高清槍機(jī)，4G無線高清槍機(jī)通過專用APN遠(yuǎn)程接入專網(wǎng)（通過中國電信二次認(rèn)證AAA服務(wù)器獲得固定的專網(wǎng)IP地址），LNS路由器設(shè)備上需要配置中國電信AAA服務(wù)器二次認(rèn)證（配置指向電信二次認(rèn)證AAA服務(wù)器），并通過直連路由實(shí)現(xiàn)前端攝像設(shè)備和后端國家電網(wǎng)南京分公司用戶側(cè)流媒體服務(wù)器路由互通。

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的4G無線VPDN業(yè)務(wù)通道網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

借助中國電信VPDN業(yè)務(wù)，為每個(gè)攝像機(jī)分配一個(gè)固定的私網(wǎng)IP地址，并在用戶側(cè)的視頻網(wǎng)閘上做地址映射。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

? 在用戶側(cè)機(jī)房部署一臺(tái)支持L2TP的路由設(shè)備（帶防火墻功能）。

? 新增一條客戶側(cè)到電信平臺(tái)的靜態(tài)寬帶（約200 Mbit/s帶寬）。

? 開通VPDN業(yè)務(wù)的電信物聯(lián)網(wǎng)流量卡若干。

基于物聯(lián)網(wǎng)的4G無線VPDN業(yè)務(wù)通道網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

流媒體服務(wù)器接入LNS設(shè)備，LNS設(shè)備通過防火墻接入DMZ，4G攝像頭通過LNS設(shè)備訪問流媒體服務(wù)器（同一網(wǎng)段），在防火墻設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對(duì)流媒體服務(wù)器地址映射功能，客戶內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)通過流媒體服務(wù)器映射后的新地址來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)訪問和回看調(diào)用視頻。

同時(shí)，為保證國家電網(wǎng)南京分公司無線VPDN專線有效安全運(yùn)行，由南京電信在無線VPDN平臺(tái)側(cè)進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)如下訪問限制。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的4G無線VPDN業(yè)務(wù)通道網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

? 只有國家電網(wǎng)南京分公司規(guī)定的手機(jī)卡（UIM卡）才可以使用無線VPDN，訪問內(nèi)網(wǎng)資源。具體是通過在中國電信平臺(tái)側(cè)的AAA服務(wù)器將VPDN域名與終端UIM卡的IMSI捆綁認(rèn)證實(shí)現(xiàn)。IMSI是與11位移動(dòng)號(hào)碼（手機(jī)號(hào)碼）一一對(duì)應(yīng)的15位號(hào)碼，以460開頭，用于標(biāo)識(shí)UIM卡（終端用戶）。

? 根據(jù)客戶需要，中國電信平臺(tái)側(cè)可對(duì)所有的終端用戶（UIM卡）限制互聯(lián)網(wǎng)訪問，即這些終端中的UIM卡只能用于訪問內(nèi)部資源，不能訪問互聯(lián)網(wǎng)，從而加強(qiáng)國家電網(wǎng)南京分公司對(duì)4G高清槍機(jī)終端用戶的網(wǎng)絡(luò)安全管理控制。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案

本方案采用視頻綜合管理平臺(tái)模式，該平臺(tái)在視頻專網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，由前端攝像機(jī)、基于物聯(lián)網(wǎng)的4G無線VPDN傳輸網(wǎng)絡(luò)、前端存儲(chǔ)、集中存儲(chǔ)、接入交換機(jī)、防火墻、視頻綜合管理平臺(tái)、中心管理服務(wù)器、流媒體服務(wù)器等部分組成?；谖锫?lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 前端設(shè)備方案

前端攝像頭設(shè)備采用4G無線200萬紅外像素高清槍機(jī)，配置輕量化三腳架，滿足圖像清晰度和現(xiàn)場(chǎng)靈活部署要求，蓄電池供電避免現(xiàn)場(chǎng)引入強(qiáng)電。配置網(wǎng)絡(luò)工程寶，可以通過網(wǎng)絡(luò)工程寶上的LED屏幕“所見即所得”獲取實(shí)時(shí)錄制的畫面，以解決前端圖像取景識(shí)別問題。

4.2 存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)方案

前端存儲(chǔ)采用4G-NVR模式，具備如下優(yōu)點(diǎn)。

? 支持LTE無線接入：上行鏈路速率可達(dá)30 Mbit/s，下行鏈路速率可達(dá)100 Mbit/s。

? 支持高清應(yīng)用：支持百萬像素級(jí)高清IP攝像機(jī)接入。

? 擴(kuò)展便利：系統(tǒng)存儲(chǔ)容量、前端監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量、分控中心數(shù)量可基于IP網(wǎng)絡(luò)靈活擴(kuò)展。

? 可管理性強(qiáng)：基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

? 存儲(chǔ)可靠性高：NVR支持RAID技術(shù)，存儲(chǔ)服務(wù)可靠性高。

? 靈活的錄像配置方式：不同監(jiān)控點(diǎn)可選擇不同時(shí)間長度、不同錄像方式進(jìn)行錄像，且可動(dòng)態(tài)更改。

? 成本優(yōu)勢(shì)：施工、管理、維護(hù)成本，未來擴(kuò)容、升級(jí)成本均低。

同時(shí)在中心機(jī)房利用集中CVR實(shí)現(xiàn)圖像集中存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的集中存放和備份。

4.3 后端機(jī)房設(shè)備方案

后端接入采用帶防火墻加CN2專網(wǎng)跨域MPLS VPN專線寬帶的方式，保證網(wǎng)絡(luò)接入質(zhì)量和安全。視頻系統(tǒng)后臺(tái)采用一臺(tái)流媒體服務(wù)器及管理控制軟件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)前端視頻的調(diào)度處理。

5 方案優(yōu)勢(shì)

此方案基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對(duì)各種室外場(chǎng)景的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控都能運(yùn)用（無論有無有線電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋），方案中采用的前端終端4G無線高清槍機(jī)具有攜帶輕便、安裝維護(hù)快捷簡易和適用各種拍攝場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)。此實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案尤其適合為公安道路、社區(qū)監(jiān)控、保障房小區(qū)監(jiān)控、工礦企業(yè)等作業(yè)點(diǎn)位置分布靈活、對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量要求高的政企大客戶提供視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像服務(wù)。

6 結(jié)束語

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控方案針對(duì)國家電網(wǎng)南京分公司變電站割接作業(yè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的需求，解決了國家電網(wǎng)南京分公司變電站割接作業(yè)點(diǎn)由于位置經(jīng)常變動(dòng)而無法使用有線方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的難題，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控效果，得到了國家電網(wǎng)南京分公司的好評(píng)。該實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控方案部署快速高效，通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)接入帶寬可達(dá)百兆，且不需要占用大量的局端端口和接入線路資源、不影響客戶專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需在前端點(diǎn)位部署4G無線高清槍機(jī)攝像頭、開通UIM卡，就可以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，適用于因?yàn)槲恢媒?jīng)常變動(dòng)而無法使用有線方式實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的場(chǎng)景，也可以用于局端網(wǎng)絡(luò)資源緊張，有線網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域的視頻監(jiān)控方案。后期可以推廣至金融業(yè)、物流行業(yè)、加油站和政府等分支機(jī)構(gòu)分布廣泛的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，可以作為有線接入視頻監(jiān)控的無線4G熱備份或4G無線實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控方法使用。

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Research and application of real time video monitoring system based on IoT and 4G wireless VPDN technology

DONG Zheng, ZHU Ying, YANG Chunze

Nanjing Branch of China Telecom Co., Ltd., Nanjing 210008, China

For achieving the requirement of real-time video monitoring which is located in the circuit cut-over operating point of the substation of the National Grid Nanjing Branch, China Telecom Nanjing Branch developed a new real-time video monitoring system which was based on internet of things technology and 4G wireless transmission network, by creating a smart pipeline based on 4G VPDN (virtual private dial-up network). The new system has solved the problem that the cable can not be used due to the frequent changing of the circuit cut-over operating points of the substation.

internet of things, 4G, LTE, VPDN, real time video monitoring system, substation

TP393

A

2018?01?18；

2018?04?19

10.11959/j.issn.1000?00801.2018158

董錚（1982?），男，中國電信股份有限公司南京分公司政企客戶支撐中心工程師、CCIE、D級(jí)人才，主要研究方向?yàn)閷拵Ы尤刖W(wǎng)。

朱穎（1982?），女，中國電信股份有限公司南京分公司政企客戶支撐中心工程師，主要研究方向?yàn)樾屡dICT業(yè)務(wù)。

楊春澤（1977?），男，中國電信股份有限公司南京分公司政企客戶支撐中心副主任、高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檎罂蛻糁喂芾怼?/p>