1 引言

随着全球安防市场迅猛发展，安防设备的需求与日俱增，其中，视频监控的产品成为安防设备中的重要组成部分。由于无线方式可避免布线的麻烦和节省成本，以及摄像头可摆脱线缆约束达到更好的隐藏目的，无线视频监控的需求越来越大。若附近有计算机连入IP网络，则基于IP的视频监控可更有效地实施监控。

随着无线通信技术的进步，人们已从IEEE 802.11标准的应用中享受到无线网络的灵活和便捷，进一步刺激了对无线通信产品的需求。可以说Wi-Fi是802.11标准的代表技术，而WiMAX(World interoperability for Mi-crowave Access)则体现了802.16标准的先进性。由于wi-Fi技术优异的性价比，现有绝大多数IP无线监控系统均采纳了IEEE 802.11作为无线传输标准。然而，802.11的传输距离有限，仅100 m，限制其在室内应用。诸如，小范围监控和小规模商务监控。而视频监控系统中所需的吞吐量和QoS，802.11标准不能予以满足。

WiMAX技术作为一种宽带无线接入技术，以其传输距离远，维护升级方便，高速双向数据传输等优点赢得了业界的青睐，为下一代无线视频监控提供了良好的解决方案。WiMAX组织是一个由业界领先的通信产品、设备公司及芯片制造商共同建立的非盈利组织。该组织旨在对基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证，从而推进基于802.16产品的广泛应用，并大大降低产品的研发和生产成本。在此，本文探讨WiMAX技术在无线视频监控中的应用。

2 WiMAX技术及应用

制订IEEE 802.16标准系列的重点在于解决用户终端同基站系统之间的空中接口，并定义空中接口的物理层和MAC层，其最初的设计目标主要针对建筑物，而802.11标准的处理内容大多涉及到移动性问题。2004年6月23日，IEEE正式批准了802.16d标准，而WiMAX正是该标准的代名词。WiMAX是一项无线城域网(WMAN)技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准，用于将802.11a无线接入热点连接到因特网。它详细规定了10～66 GHz频段和小于11 GHz频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和MAC层，支持5种应用场景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。与802.16标准版本前几个相比，WiMAX进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。一般来说，WiMAX技术特点主要体现在物理层、MAC层、业务能力及网络结构4个方面。

2.1 物理层特点

WiMAX采用宏小区方式来增加覆盖范围，最大可达50 km。当信道带宽为20 MHz时，可支持高达70 Mbit／s的共享数据传输速率(此时的最大覆盖范围为3～5 km)。另外，WiMAX采用多扇区技术来改善系统容量，每个扇区可同时支持60多个E1／T1级别的企业用户，以及数百个家庭用户。通过采用OFDM、收／发分集、自适应调制等多种先进技术，WiMAX实现了非视距(NLOS)和阻挡视距(ONLOS)传输，有效提高了城市内无线传输的性能。物理层还支持TDD／TDMA和FDD／TDMA两种无线双工多址方式，以适应不同国家或地区电信体制要求。根据需要，WiMAX可灵活选择单载波(SC)，OFDM(256点)、OFDMA(2 048点)3种调制方式。根据传输信道性能变化，物理层可动态调整调制方式和物理层参数(例如：调制参数、FEC参数、功率电平、极化方式等)，以保证良好的传输质量。

2.2 MAC层特点

根据业务QoS要求及业务参数，MAC层以轮询方式请求连接带宽或进行带宽调整，以保证语音和视频等实时业务的低延迟要求。同时，针对无线信道环境(较高的误码率和丢包率)，MAC层为每个应用流定义了ARQ，保证MAC层业务数据单元MSDU的自动重发，确保端到端包的传输质量。另外，MAC层支持ATM业务和分组业务汇聚子层CS，能方便地实现与ATM业务或IP业务为特征的网络应用。同时，MAC层具有安全子层，支持MAC层安全机制，实现鉴权、加密等安全管理。

2.3 业务能力

WiMAX采用面向连接方式，可向用户提供具有QoS性能的数据、视频和语音(VoIP)服务。在IEEE802.16标准中，除完整的QoS机制外，MAC层还定义了4种不同的业务：非请求的带宽分配业务(UGS)、实时轮询业务(RTPS)、非实时轮询业务(NRTPS)、尽力而为业务(BE)，可分别用来向用户提供高质量的视频和语音业务、普通质量的视频和语音业务，以及质量无保证的诸如Internet业务。根据业务的实际需要，WiMAX动态分配带宽，具有较大的灵活性。

2.4 网络结构特点

WiMAX支持点到多点(Point to Multipoint)体系结构，构建出以基站为中心的星形接入网。同时，也能支持网状网Mesh体系结构，该结构中允许多个WiMAX节点采用自主互连方式构建网状网。这意味着可更灵活地拓展接入网的结构，如在骨干网覆盖不到的地方，采用WiMAX网状网覆盖，实现城域网的弹性延伸。

2.5 市场推广

目前，WiMAX在商用化进程上已初步形成了芯片研发、设备生产系统应用的产业链。随着802.16d和802.16e标准的先后制订，芯片研发可划分为了两个重要阶段：一个是从2005年第二季度开始，以Intel，Fujit-su，Wavesat和和PicoChip等公司为核心的多家芯片厂纷纷推出了自己的基于802.16d的芯片，形成了WiMAX产品市场；另一个为2006年Intel推出了其下一代WiMAX产品--Rosedale 2，WiMAX芯片研发进入到一个新的阶段。在国外，WiMAX已步入应用阶段：美国运营商Sprint Nextel宣布投人30亿美元部署WiMAX宽带无线网络；而此前韩国运营商KT借助它迈出挺进下一代通信网络商用的第一步。

在国内，华为与Intel共同推出了WiMAX解决方案，该方案得到了西门子等公司的支持，在某种意义上讲，此次Intel与华为结盟将对WiMAX在中国乃至世界市场的推广起到关键性作用；另外，中兴和华为公司均表示已能提供IEEE 802.16d的户外设备，中兴通讯宣布竞标美国Sprint移动WiMAX部署计划。

3 无线IP视频监控中的WiMAX

在视频监控系统中，摄像头位置处于固定状态，其采集的信息需经本地处理或未处理就实时上传给控制中心，然后根据控制中心命令作出相应姿态调整。因此，从应用需求而言，监控系统采用802.16d技术更为适合。

3.1 WiMAX的SoC芯片

富士通长于2006年推出了固定WiMAX的SoC芯片--MB87M3550。该芯片是一款兼容802.16d标准的系统级芯片，它既能用于基站，又能满足客户端应用需求。它高度集成了物理层和MAC层混合基带信号处理器，使得最终产品的元件数量大为减少，构成性价比较高的IP视频监控系统，图1为基于WiMAX的视频采集终端结构。该芯片用于高分辨率或大规模的分布式视频系统中，其吞吐量高达20 Mbit／s，这将解决由于低数据吞吐量导致的视频质量下降的问题。目前，随着软件的智能化分析能力改善，许多应用通过算法来自动完成某个设定范围内的监控任务，这对于低分辨率系统来说，则不可能实现。因此，以此芯片为核心构建的系统可在相对高的速率下，传输必要的视频质量，提高监控精度。另外，由于现有的绝大多数无线视频监控系统属于点到点，或点到多点的系统，若采用MB87M3550芯片就能整合相应的网络传输模块和信息处理模块，为整个系统开发提供一个良好的无线传输平台。

从功能划分来说，MB87M3550可分成视频模块和WiMAX模块两大部分。模块之间的数据交换不仅可通过Ethernet MAC层来实现，还可利用内置的SPI口作为通信接口，这样，可进一步降低功耗。

3.2 基于WiMAX的无线IP视频监控系统

一般，WiMAX无线监控系统主要由视频采集系统、网络传输体系和信息处理系统组成，如图2所示。前端视频采集终端核心部分为一款兼容802.16d标准的SoC，外围器件包括云台解码器、1～4个摄像头(带／不带云台)、传感器、报警器等，它采集现场的音视频、传感器的状态信息，经过内部WiMAX SoC处理后发往基站，再由基站通过100 Mbit／s以太网传输到本地视频监控中心统一监视、管理；操作人员能在视频监控系统的软件界面上下发云台镜头控制命令、远程维护网络视频服务器的运行参数等操作，整体结构为星形组网、集中监控；网络传输系统由WiMAX通信网络以及WiMAX与Internet系统接入设备等组成；信息处理系统功能包括视须信息的存储、转换、压缩、加密等，视频Web服务器位于LAN和WAN之间，WAN浏览器用户访问Web服务器的网页，由Web服务器向视频监控系统索要相关的视频数据，起到安全隔离的网关功能。实际工程中可根据需要配置安全防火墙。

在视频模块中，摄像头捕获的视频信号经前置处理后送入A／D转换器，解码器将视频流转换为并行数据流；视频处理模块可根据用户需求，将数据压缩成所需格式，如JPEG，MPEG-2，MPEG-4以及H.264；压缩后的视频流，经打包封装，通过Ethernet MAC层的接口传到WiMAX无线模块。射频模块将WiMAX信号变频到适宜的频率经天线发送出去。同样，另一系统也能接收相应的WiMAX射频信号，并作出相反的处理，获得视频信号。

4 展望

随着802.16标准的完善和其独特的技术特点，WiMAX的产业化进程日益加快，WiMAX的优异的性能，使其成为下一代无线IP视频监控系统的核心技术。WiMAX技术，作为新兴出现及不断成熟的无线技术，与传统的视频监控技术相结合，将使得监控的范围和广度不断深入。