遠程視頻傳輸技術在道路交通監(jiān)控中的應用分析

1、遠程視頻傳輸技術在道路交通監(jiān)控中的應用分析武漢微創(chuàng)光電技術有限公司 陳軍摘要： 本文從工程應用角度簡要概括了多種類型的視頻光纖遠程傳輸技術的技術特點，進而對道路交通監(jiān)控應用中選擇視頻遠程傳輸技術方案時需要重點考慮的因素作了一定的分析，并通過示例對一些有特色的系統(tǒng)配置作了簡單介紹。關鍵詞：交通 視頻監(jiān)控 遠程傳輸 光纖通信1、序言為了保持和促進國民經濟持續(xù)高速增長，國家連年實施積極的財政政策，在基礎設施建設上進行了大量投資，其中作為國家基礎設施重頭之一的城市道路和高等級公路每年的建設規(guī)模更是達到有史以來的最高點。在路網建設規(guī)模不斷擴大的同時，如何更有效地提高路網安全通行能力以更好地促進經濟發(fā)展已

2、經成為交通、公安等行業(yè)管理部門關注的焦點，其中一個主要的解決方案就是不斷利用當代先進的通信信息技術提升道路交通的智能化管理水平。作為智能化交通管理中的一項重要技術構成，各種新的交通監(jiān)控遠程視頻傳輸技術在近年已經得到越來越廣泛的應用。本文從應用的角度出發(fā)，簡要分析了當前幾種主要比較新穎的遠程視頻傳輸技術在道路交通監(jiān)控中的適應性，并提出了作者的一些見解，旨在拋磚引玉，為我國道路交通事業(yè)的發(fā)展盡一點菲薄之力。2、道路交通監(jiān)控遠程視頻傳輸?shù)囊话阈约夹g要求一套完整的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)至少包括視頻采集、傳輸、存儲、控制等基本功能，其中傳輸部分對于遠程系統(tǒng)而言尤其顯得重要。道路交通監(jiān)控應用中的遠程視頻傳輸雖然

3、具有非常鮮明的行業(yè)特征，但由于每一個具體的交通監(jiān)控項目在周邊環(huán)境、系統(tǒng)功能、前瞻性、資源投入等方面存在顯著的差異，因此，只有具體項目具體分析才有可能做出正確的技術選擇。根據(jù)我們的理解，道路交通監(jiān)控遠程視頻傳輸?shù)募夹g要求主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 傳輸距離 傳輸質量 傳輸容量 輔助業(yè)務 網絡拓撲結構與組網 網絡管理和網絡升級下面我們結合道路交通監(jiān)控遠程視頻傳輸技術的現(xiàn)狀對上述要求做更進一步的闡述：2.1、傳輸距離遠程視頻交通監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋的地理范圍一般都比較大，相應的視頻信號傳輸距離往往從幾公里一直到數(shù)百上千公里都有需求，而且視頻信號的傳輸一般都屬于寬帶通信的范疇。從通信的角度，滿足這樣的傳輸距離的

4、方式一般包括光纖通信、地面微波通信和衛(wèi)星通信等3種主要的長途通信手段。從技術的發(fā)展來看，地面微波通信由于其傳輸帶寬的局限以及對環(huán)境的抗干擾能力有限已經逐漸退居二線，成為光纖通信的備份或者僅僅用于線纜架設非常困難的特定環(huán)境中。衛(wèi)星通信的資源非常稀缺，成本很高而且傳輸時延過大，這使之幾乎沒有在遠程視頻監(jiān)控中得到過推廣應用。因此，光纖通信基本成為交通監(jiān)控遠程視頻傳輸中的當然選擇。本文后續(xù)的論述中也將主要圍繞與光纖通信技術有關的技術進行討論。光纖通信技術本身的內涵非常廣泛，大體上可以首先劃分為模擬光纖通信技術和數(shù)字光纖通信技術。站在與視頻傳輸相關的角度看，模擬光纖通信技術主要包括調幅(AM)光纖通信技

5、術、調頻(FM)光纖通信技術和脈沖頻率調制(PFM)光纖通信技術3類；數(shù)字光纖通信技術一般可以劃分為以PDH/SDH為代表的常規(guī)電信光纖通信技術、以視頻信號數(shù)字化傳輸為核心的專用數(shù)字光纖通信技術以及以IP包傳輸為核心的數(shù)據(jù)光纖通信技術。從傳輸距離的角度看，只有數(shù)字光纖通信技術可以通過數(shù)字再生中繼手段幾乎無損傷地長距離傳輸監(jiān)控視頻信號。2.2、傳輸質量視頻信號傳輸質量的界定并不簡單。遠程監(jiān)控視頻傳輸?shù)男盘栐赐潜O(jiān)控攝像機，對傳輸質量的直觀要求就是要將攝像機的視頻輸出信號（一般是復合模擬視頻信號）盡可能完美地、連續(xù)地、實時地傳送到遠方。從應用的角度，我們至少應該關心2項技術性能：保真度和實時性。

6、模擬光纖通信技術都是將視頻信號直接對發(fā)光器件進行各種形式的調制后傳輸，傳輸?shù)膶崟r性和連續(xù)性都很好，頻譜效率也比較高；而保真度則與產品設計、應用方式等多種因素息息相關，其核心原因源自模擬通信技術固有的抗干擾能力弱、難以無損中繼傳輸（只能在模擬視頻接口上背靠背接力傳輸）以及傳輸系統(tǒng)本身的非線性。一般而言，1路視頻短距離點到點傳輸時，模擬光纖通信技術是一個非常不錯的選擇；而長距離、有中繼或者要求同時傳輸多路視頻信號時，則需要仔細權衡。評價數(shù)字光纖通信技術的視頻信號傳輸質量需要多費一些筆墨。單純從傳輸信道角度來看，任何設計良好的數(shù)字光纖通信設備都可以做到幾乎無損的長距離傳輸，而且端到端時延可以做到忽略

7、不計。這似乎說明所有數(shù)字光纖通信技術在傳輸質量上都非常適合于監(jiān)控視頻信號的傳輸，但實際上我們需要進一步看看視頻信號具體的傳輸方式才能下結論。采用數(shù)字光纖通信技術的視頻信號傳輸質量從本質上取決于分配給視頻信號的傳輸帶寬，而具體的傳輸帶寬需求與視頻信號的編碼方式相關。對于視頻傳輸專用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，它一般是將攝像機輸出的復合視頻信號直接抽樣量化后形成連續(xù)的數(shù)字比特流，然后進行數(shù)字復接，再直接調制發(fā)光器件，以數(shù)字光脈沖的形式將視頻信號發(fā)送出去。這種技術方案的實時性、連續(xù)性、保真度都非常好，傳輸多路視頻信號時均采用時分復用(TDM)方式，每路視頻信號擁有獨享的帶寬資源。這種系統(tǒng)的視頻信號傳輸質量往往

8、可以滿足要求最高的演播級視頻信號的傳輸要求，可以說是傳輸質量最好的監(jiān)控視頻信號遠程傳輸技術。在單位帶寬成本不斷迅速降低的今天，這種技術在經濟上的可行性已經達到了可以被普遍接受的水平。這類技術方案中有時為了進一步擴大系統(tǒng)傳輸容量，還可以采用無損或損傷很小的淺壓縮技術。對于常見的PDH/SDH數(shù)字光纖通信設備，它更是經典的TDM系統(tǒng)，其最初的設計目的是為了進行大容量話路的遠距離傳輸。由于其廣泛的存在，它已經成為現(xiàn)代公用通信網的核心基礎。隨著公用通信網上綜合業(yè)務需求的增加，它也能夠支撐包括視頻信號在內的各種非話音業(yè)務的傳輸。由于歷史的原因，這類系統(tǒng)都有特定的適合于話音傳輸?shù)娜郝窂陀玫燃壓拖鄳膫鬏斀?/p>

9、口，在使用這類系統(tǒng)傳輸視頻信號時必須先通過比較復雜的技術處理將數(shù)字化視頻信號適配到相應的接口；另外由于這類系統(tǒng)更多地考慮了電信營運部門的各種技術要求，其一次性投入和單位帶寬的建設成本往往較高，為了節(jié)約帶寬，往往需要對視頻信號進行深度壓縮編碼，這又帶來另一方面的成本增加和實時性降低；而且這類系統(tǒng)并沒有專門針對非對稱的視頻傳輸應用進行優(yōu)化，在傳輸視頻信號時往往反向傳輸能力被閑置。因此，這類系統(tǒng)從技術上完全可以滿足高質量的視頻信號傳輸，但是在經濟性上不一定能夠保證適合視頻監(jiān)控應用。基于IP包傳輸?shù)臄?shù)字光纖通信設備，其最大的好處在于視頻信號的多路復用、交換、路由選擇非常方便，適合異構網間的傳輸，并可方

10、便地利用已經大量建設的IP網絡平臺，從而具備較好的經濟性。隨著寬帶IP網絡建設規(guī)模的迅速擴大，這種技術從理論上應更加適合視頻信號的傳輸。但是，由于IP網絡源自對數(shù)據(jù)通信可靠性（網絡生存性）的關注，它對所承載的業(yè)務內容的傳輸質量并不能提供可靠的保障，主要表現(xiàn)在它的帶寬保證和端到端延時都具有較強的不確定性，這就使得監(jiān)控視頻信號的傳輸質量很難得到始終一致的保證。另外，為了降低對傳輸網絡的壓力并控制成本，這種傳輸技術通常也要與視頻數(shù)字壓縮編解碼技術一起使用。采用這種技術的設計良好的系統(tǒng)，可以適合大多數(shù)視頻監(jiān)控應用，但如果將其作為遠程視頻交通監(jiān)控的唯一傳輸手段，則還存在一些難以逾越的技術障礙。2.3、傳

11、輸容量遠程視頻交通監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控攝像機的數(shù)量眾多，需要同時進行遠程傳輸?shù)囊曨l信號路數(shù)往往也比較多，而且往往需要在傳輸網絡的中間節(jié)點上進行視頻信號的插入與分拆（視頻信號上下路，ADM），這就對傳輸系統(tǒng)提出了較高的技術要求。視頻信號的傳輸容量，一方面取決于每路視頻信號對傳輸帶寬的要求，另一方面取決于傳輸系統(tǒng)具備的帶寬。PAL-D制模擬視頻信號的有效帶寬為5.75MHz。AM模擬光纖通信系統(tǒng)一般具有550MHz1000MHz的傳輸帶寬，可以以8MHz的副載波間隔同時傳輸60路以上的視頻信號，當然除了AM光纖傳輸系統(tǒng)本身要具備很好的線性外，還需要配置高性能的鄰頻調制解調設備才能充分發(fā)揮出這種技術的優(yōu)勢

12、。這種技術是HFC有線電視分配網中最常見的傳輸手段，特別適合最終分配到戶的網絡。對于遠程視頻交通監(jiān)控系統(tǒng)，除非是短距離點到點的特定傳輸并且傳輸后的視頻信號不需要進行進一步的處理或傳輸，否則這種技術在傳輸質量上很難滿足普遍的要求。FM模擬光纖通信系統(tǒng)的視頻信號傳輸質量、抗干擾性能比AM系統(tǒng)要好不少，每路視頻信號往往占用30MHz以上的帶寬，一般單個FM光傳輸系統(tǒng)最多可以支持816路視頻信號的傳輸，并且由于技術和經濟性的限制一般不使用多波長的光波復用。PFM模擬光纖通信系統(tǒng)中每路視頻信號占用的帶寬更大，相應地視頻信號傳輸路數(shù)也更少一些。視頻傳輸專用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸?shù)囊曨l信號往往是非壓縮的數(shù)字

13、視頻信號，每路視頻信號的帶寬大約在100200Mbps之間，光電復用以后系統(tǒng)一般可以支持64128路視頻信號的傳輸。PDH/SDH數(shù)字光纖通信設備上的視頻信號傳輸，一般采用支持NE1傳輸接口的MPEG-2編解碼器對，通常為了獲得較好的視頻保真度，多選用4個E1通道傳輸1路視頻?；贗P包傳輸?shù)臄?shù)字光纖通信設備也往往采用類似的編解碼速率。這樣看來，似乎各種模擬和數(shù)字光纖傳輸技術在傳輸容量上都可以滿足遠程視頻交通監(jiān)控系統(tǒng)的要求，但如果傳輸網絡不僅僅是點到點的星形網絡，尤其在無中繼傳輸距離不夠或者中間節(jié)點需要上下視頻時，就只有各種數(shù)字光纖傳輸技術可以很好地勝任了。2.4、輔助業(yè)務遠程視頻交通監(jiān)控系統(tǒng)

14、中視頻信號的傳輸是核心，但往往同時要求傳輸系統(tǒng)能夠為音頻、低速異步控制數(shù)據(jù)、話音、開關量等輔助信號提供傳輸通道，這樣才能較好地構建一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)。各種光纖傳輸系統(tǒng)都能夠在不同程度上滿足這些輔助業(yè)務的傳輸要求，但同樣各有優(yōu)劣。模擬光纖通信系統(tǒng)在提供較少的輔助業(yè)務時有一定的成本優(yōu)勢，但輔助業(yè)務較多時如果技術處理不當會引起對視頻基本業(yè)務的干擾，另外也同樣因為受限于點到點傳輸應用而難以廣有作為。視頻傳輸專用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和PDH/SDH數(shù)字光纖通信系統(tǒng)都可以以TDM方式將各種輔助伴隨業(yè)務數(shù)字化后在同一個傳輸平臺上傳輸，在系統(tǒng)表現(xiàn)形式上只是多了若干種傳輸接口，而本質上還可以實現(xiàn)靈活的輔助業(yè)務網絡構

15、建。除了上述常見的低速輔助業(yè)務，一些高速輔助業(yè)務通道（如：Ethernet、E1等）也可以方便地提供，因此這兩種技術在支持各種輔助業(yè)務方面是非常靈活、方便的。值得一提的是，基于IP包傳輸?shù)臄?shù)字光纖通信系統(tǒng)如果僅僅是一個純IP的傳輸平臺，它在提供各種輔助業(yè)務上的局限性比較大，實現(xiàn)起來的性能和成本都有較多的問題。2.5、網絡拓撲結構與組網前面已經多少涉及到了這方面的內容。概括起來，模擬光纖傳輸技術主要適合短距離點到點星形網絡；數(shù)字光纖通信技術則適合長距離點到點、鏈形以及環(huán)形等各種常見的物理網絡拓撲結構及這些不同網絡拓撲結構的組合。在邏輯網絡的構成上，基于IP包傳輸?shù)臄?shù)字光纖通信系統(tǒng)應該說由于其包交

16、換的特點而顯得更勝一籌。在組網方面，往往只有數(shù)字光纖通信系統(tǒng)因其配置的多樣性和靈活性，需要進行仔細的組網設計；模擬光纖通信系統(tǒng)的應用方式一般比較固定，往往沒有太復雜的組網設計。2.6、網絡管理和網絡升級在網絡管理層面，PDH/SDH數(shù)字光纖通信系統(tǒng)得益于其良好的“電信血統(tǒng)”，其整體網管能力是其它系統(tǒng)難以比擬的；基于IP包傳輸?shù)臄?shù)字光纖通信系統(tǒng)也可以通過SNMP實現(xiàn)較強的網管。視頻傳輸專用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的網管主要依賴生產廠家的設計，很多廠家在設計上借鑒了電信管理網（TMN）的理念，并特別針對視頻監(jiān)控應用進行了很多專門設計，因此，這種系統(tǒng)的網管相比之下實用性和經濟性更強一些。模擬光纖傳輸系統(tǒng)的網

17、管一直是弱項，而且在這種技術適合的應用中往往對網管也沒有太高的要求，因此，生產廠家通常不在這方面投入大的力氣去提供。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)在產品設計時一般考慮了升級途徑，因此如果工程設計中也著重考慮了今后的網絡升級，一般而言，數(shù)字系統(tǒng)的網絡升級性能是比較好的。3、技術方案的綜合權衡在上面的分析中，我們看到各種遠程視頻傳輸技術在技術性與經濟性上面都各有優(yōu)劣，至少在現(xiàn)階段還很難說哪一種單一的技術方案可以圓滿地解決交通監(jiān)控的遠程視頻傳輸。在這種情況下，我們必然要在經常相互矛盾的要求中做出取舍，而其中最重要的則是性能和成本方面的權衡：性能權衡。其目標是通過技術方案的合理選擇取得恰到好處的綜合性能。這里最重要

18、的一點就是系統(tǒng)整體協(xié)調性重于局部技術的先進性。也就是說要消除整個系統(tǒng)中的性能瓶頸，確保相關系統(tǒng)的各組成部分性能匹配。否則，即便局部有優(yōu)良表現(xiàn)，整體性能仍然受制于瓶頸。此外，一些細節(jié)方面也值得推敲，例如： 為了今后擴充方便，視頻傳輸系統(tǒng)的某些技術指標應預留一定裕量； 需要進行實時操控（PTZ）的攝像機輸出的視頻信號對遠程傳輸中的端到端絕對時延（實時性）指標要求很高；而對固定攝像機輸出的信號則可以放寬要求； 收費亭內部的視頻信號對實時性要求可以降低，同時在很多時候還可以在圖像分辨率或圖像連續(xù)性方面降低要求； 僅僅在局部區(qū)域使用的視頻信號的傳輸指標可以比全局使用的信號要求低； 成本權衡。其目標是用最

19、少的投入取得需要的性能。這里的成本除了一次性的建設成本外，還包括系統(tǒng)長期使用過程中所需要投入的運行、維護、保養(yǎng)、停機損失等成本，也就是說關注的是系統(tǒng)整體擁有成本。比如： 國內廠家在交通監(jiān)控遠程傳輸技術水平方面與國外同行的差距已經很小，設備價格上優(yōu)勢明顯，而且技術支持和售后服務等方面更具有長期性的綜合優(yōu)勢； 利用通用傳輸平臺提供視頻監(jiān)控信號遠程傳輸?shù)木C合造價往往比采用專用視頻遠程光傳輸系統(tǒng)高，而且系統(tǒng)維護的成本和難度往往更大一些； 單纖傳輸在很多時候是經濟的；但某些時候多使用一些纖芯更加經濟； 輔助業(yè)務可以完全由視頻遠程傳輸系統(tǒng)提供；條件合適時，借助其它通信系統(tǒng)實現(xiàn)有時會是更好的選擇； 在適合采

20、用模擬光傳輸系統(tǒng)（如：短距離單路視頻傳輸）時，不一定選用數(shù)字光傳輸系統(tǒng)； 除了上述兩個重要方面的權衡，其它方面，如：產品技術成熟性、多廠家支持等也是值得仔細權衡的因素。一般而言，我們認為連接視頻信號源（攝像機）和首級控制/存儲設備（前端控制機房）之間的視頻遠程傳輸系統(tǒng)應該優(yōu)先采用高保真度（高分辨率）、高實時性的專用遠程視頻光纖傳輸設備，如非壓縮數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)或者模擬視頻光纖傳輸系統(tǒng)；而連接更上層監(jiān)視/控制中心之間的視頻遠程傳輸系統(tǒng)則可以根據(jù)需要選用合適的技術方案。這種組合可以有效地兼顧整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能、靈活性和經濟性。4、技術方案示例圖一是兩個關聯(lián)監(jiān)控中心互聯(lián)的示例。采用微創(chuàng)光電WTOS-02系列CWDM數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)，通過1對G.652單模光纖,可以實現(xiàn)A、B兩中心零延時雙向交換傳輸64路演播級視頻和音頻信號；兩個中心之間的各種不同用途的局域網通過傳輸系統(tǒng)提供的多組獨立的10/100M自適應Ethernet接口實現(xiàn)互聯(lián)；中心間的控制數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)提供的多組異步數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)互連。另外，