无线视频监控提质探讨

　　1、中国电信无线视频监控应用介绍

　　“眼”网络视频监控业务，是由中国电信推出的一项完全基于宽带网的图像远程监控、传输、存储、管理的增值业务。该业务系统利用中国电信无处不达的宽带网络，将分散、独立的图像采集点进行联网，实现跨区域、全国范围内的统一监控、统一存储、统一管理、资源共享，为各行业的管理决策者提供一种全新、直观、扩大视觉和听觉范围的管理工具，提高其工作绩效。同时，通过二次应用开发，为各行业的资源再利用提供了手段。

　　手机视频浏览应用定位于：已经部署了监控点，需要随时随地对这些监控点进行视频监控的客户应用场景。一般以手机终端作为普通监控客户端的补充，使用对象一般为管理者、外勤人员等。其主要应用场景如下：

　　治安监控、交通路况管理、城市服务管理、道路管理、建筑施工管理、环保污染源监控、安监危险源监控等巡查执法类场景；

　　加油站管理监控、连锁门店管理监控、营业场所管理监控等生产经营类场景；

　　劳动密集型企业生产监控（质量监控）；

　　卖场/商铺商情查看，如客流、物流等；

　　企业形象宣传及产品展示。

　　无线视频采集应用定位于：服务于监控现场具有移动性、临时性、固网线路难以接入等特征监控点的接入。其主要应用场景包括：

　　治安巡逻车载监控、交警巡逻车载监控、城管执法车载监控、工商执法车载监控、军队巡逻车载监控、营运车辆车载监控及调度管理等车载监控类场景；

　　城市应急管理、重大事故（事件）现场播报等应急处置类场景；

　　临时会场监控管理、大型活动监控管理等临时监控类场景；

　　地理位置较分散、有线网络无法到达、监控环境有线铺设相对收入回报不平衡或铺设困难（如林业、河流管理等）等场景。

　　2、无线视频监控应用系统的架构

　　无线视频监控概念就是指不用布线（线缆）利用无线电波来传输视频、声音、数据等信号的监控系统。无线视频监控分为：模拟微波传输和数字微波传输。在无线视频监控系统中，摄像头是前端、基础、投资数量的一个产品，也是关键设备，它负责对监视区域进行摄像并转换成电信号，再进一步用于传输，其质量直接影响视频监控系统的整体应用，同时还关系到工程造价。

　　为实现手机视频浏览应用，视频监控平台增加了移动客户端接入服务器（MSP）、媒体转码网关（VAU）、移动流媒体服务器（PSS），实现了对手机客户端的接入。为实现无线视频采集应用，平台提供了对无线前端设备（R_PU）（包括无线视频服务器、无线网络摄像机）的支持，根据3G前端设备的不同应用场景，设备形态可分为车载型、单兵型和固定型。 在无线监控系统中，无线监控中心实时得到被监控点的视频信息，并且该视频信息是连续、清晰的。在无线监控点，通常使用摄像头对现场情况进行实时采集，摄像头通过无线视频传输设备相连，并通过由无线电波将数据信号发送到监控中心。无线视频监控应用系统的架构如图1所示。

　　3、无线视频监控应用典型问题及原因分析

　　3.1手机视频浏览应用典型问题及原因分析

　　（1）视频图像不清晰，经常出现马赛克、拖影现象

　　目前，基于cdma2000EV-DO网络的视频浏览一般配置如下：分辨率格式为QVGA；码率为100kbit/s；帧率为8～10帧/s。若能够有效地提高带宽，则视频质量将得到改善。任何参数的微调都可能会影响视频质量，因此产品开发人员在视频编/解码方面的开发经验将决定产品可达到的视频质量。

　　（2）视频浏览延时较长

　　手机视频浏览业务流程如图2所示。

 

　　从手机视频浏览业务流程来看，可能产生延时的环节有以下几个：

　　M_CU和PSS经无线网络进行HTTP重定向；

　　M_CU和PSS经无线网络建立TCP连接；

　　M_CU和PSS之间RTSP交互；

　　PSS转发；

　　VAU转码；

　　PSS码流经无线网络发送到M_CU；

　　MCU解码。

　　从现网测试情况来看，PSS转发需20ms，VAU解码需约500ms，都在正常范围内，引发延时的主要是以下几个环节。

　　当所请求的视频正被访问时，VAU开始解码时间产生延迟（≤2s）。VAU向固网VTDU（视频分发单元）请求对应PU的码流，VTDU把接收到的PU RTP包转发给VAU，如果该路视频正在被访问，那么VAU接收到的个RTP包中不一定有I帧，VAU将其丢弃，直到个含有I帧的包到达，VAU才开始解码。为保证视频播放时不出现马赛克，同时减少无用数据的传送，这个过程是需要的。

　　部分PSS对RTP包的校验产生延时（≤2s）。出于安全考虑，PSS将丢弃前3个RTP包。PSS在收到VAU的Describe回应后，保留SDP中的源端IP和端口，只有该IP和端口发送过来的数据包才有必要处理和转发，所以PSS对前3个RTP包都进行了校验，并且没有转发给M_CU。

　　客户端缓冲时间设置过长产生延时。考虑到网络丢包、包乱序等情况，部分客户端设置了较长的缓冲时间，带来了较长的延时。

　　（3）手机录像回放与实时观看效果存在差别

　　录像回放的视频数据存放在本地，从而避免了数据传输时可能出现的丢包、包乱序等现象，因而可以提供更佳的视频播放质量。

　　（4）手机视频监控画质普遍低于手机VoD画质

　　这个问题是两种业务在以下几个方面的不同造成的。

　　压缩编码方式。视频监控业务采用对称性编码方式，而手机VoD业务采用非对称编码方式。对称性编码即压缩和解压缩占用相同的计算处理资源和时间，这种编码方式通常适用于实时压缩和传送视频。非对称编码即压缩时需要占用大量的处理资源和时间，质量是可以控制的，解压缩时能较好地实时回放。“眼”采用的是H.264的BaselineProfile（对应MPEG-4 SP），技术实现时侧重视频实时性的保证，单路编码价格为1 000～2 000元人民币。手机网上直播采用的是H.264的 Main Profile（对应MPEG-4 ASP），技术实现时侧重视频质量的保证，单路编码价格为数万元人民币。在算法复杂度方面，H.264 Baseline Profile是原MPEG-4的2倍左右，H.264 Main Profile是原MPEG-4的10倍以上。“眼”编码器要求成本低廉，不可能实现H.264相对完整的特性，而手机网上直播相对可以实现尽可能多的特性。

　　在数字图像处理中，要完成大量的数字信号处理工作，特别是对于H.264这样的新一代视频压缩编码标准。就其Baseline而言，其解码复杂度是同等情况下H.263的2倍，而编码复杂度更是H.263的3倍，解决这种高运算量问题，很大程度上依赖于高速DSP技术，而且采用半导体制造工艺生产的DSP处理器可以有更低的功耗。因此为图像的实时压缩处理搭建了一个合理的DSP硬件平台。

　　图像采摄设备、环境。手机VoD的片源一般采用级摄像设备，配以灯光舞美的环境条件和非线性编辑软件的后期制作。无线“眼”的采集环境复杂，很多地方光照条件不好，而且因为需要广泛布点，因此摄像机一般都是使用比较廉价的设备。

　　缓冲机制。手机VoD业务对实时性要求不高，播放端一般可以通过设置较长的缓冲时间来解决图像抖动问题，从而提升视频质量。无线“眼”业务对实时性要求较高，一般缓冲时间为500ms左右。

　　（5）帧率过低，视频画面出现停顿

　　引发这个问题的原因有以下几个。

　　前端设备视频源的帧率配置过低，建议尽可能采用高性能的设备。

　　VAU输出码流帧率配置过低。基于cdma20001x网络的视频业务一般应配置为：QCIF；64 kbit/s；8 帧/s；基于cdma2000 EV-DO网络的视频业务一般应配置为：QVGA；100 kbit/s；8～10 帧/s。

　　VAU输出码流帧率配置过高，无线网络带宽无法达到。

　　M_CU解码能力低，无法实现高帧率解码。

　　我们对M_CU的解码器进行了测试，测试结果见表1，测试环境为WindowsMobile平台，CPU主频为400MHz。

　　H.264算法复杂度高，而且目前只能采用软解码，手机的处理能力将对视频指令的提高形成瓶颈。

　　3.2、无线视频采集应用典型问题及原因分析

　　cdma2000EV-DO网络的上行带宽降低、丢包、延时、抖动都可能对R_PU的视频质量造成影响。其中带宽降低、丢包、抖动对视频流的影响比较大，直接造成画面停顿等现象。造成网络质量下降的主要原因包括交通工具的快速移动使网络带宽受限、单小区用户量过大、基站的导频干扰等。

　　R_PU产品性能还有待完善，尤其是对cdma2000EV-DO网络的适应性有待进一步提高。R_PU无法自动从cdma20001x网络切回cdma2000EV-DO网络，会造成上行带宽不足，无法保证业务质量。

　　4、解决方案

　　针对上述问题，中国电信采取了如下的应对措施。

　　（1）优化视频编/解码传输策略及协议，提升对无线网络的适应性

　　通过测试充分掌握现网网络状况，包括城区/郊区、白天/夜间环境下用户数模型、带宽、丢包、时延和抖动情况，根据测试结果调整产品的基础配置和网络适应性配置策略。在确定产品配置策略时，需考虑本业务和其他业务在规模增长后的情况，尽量使业务间的影响做到。

　　优化产品，增强其对极端网络带宽、丢包、抖动情况的适应性，并可根据用户的不同需求调整设备的网络适应性策略：若用户需要清晰的画质，则网络恶化时R_PU可通过降低帧率来保证单帧画面的清晰度；若用户需要较流畅的视频质量，则网络恶化时R_PU可通过降低画质和分辨率来保证视频流畅。同时，要求R_PU能够在反向带宽为30～384kbit/s、丢包率为5%甚至10%的情况下持续传送视频数据。

　　（2）对于CDMA网络已升级为RevB的地区，使用支持此种网络的产品

　　RevB网络的下行带宽为9.1Mbit/s，上行带宽为5.4Mbit/s，可提供更佳的服务质量。

　　（3）寻求和评估提升“眼”用户使用质量的QoS解决方案

　　寻求提升“眼”用户使用质量的QoS解决方案，并对方案的效果进行测试。例如，在AAA对PU和问题用户配置适当的优先级来保障QoS：接入cdma2000EV-DO网络的普通用户的数据流都属于BE类业务流，支持、银牌、铜牌3种用户等级，上述用户的速率可以定制，满足用户速率≥银牌用户速率≥铜牌用户速率。在业务流的优先级相同的情况下，无线侧会按照用户进行区分，在权限上用户要大于银牌用户和铜牌用户。也就是说，空口流控机制是在无线侧执行，网络侧通过在AAA配置BE带宽和优先级属性来配合。但采用该方法会产生以下副作用。

　　QoS是对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。网络资源总是有限的，只要存在抢夺网络资源的情况，就会出现服务质量的要求。服务质量是相对网络业务而言的，在保证某类业务的服务质量的同时，可能就是在损害其它业务的服务质量。例如，在网络总带宽固定的情况下，如果某类业务占用的带宽越多，那么其他业务能使用的带宽就越少，可能会影响其他业务的使用。因此，网络管理者需要根据各种业务的特点来对网络资源进行合理的规划和分配，从而使网络资源得到高效利用。

　　如果为手机用户配置ProfileID策略，那么用户使用其他流媒体或者WAP业务也可以享受QoS保障，目前无法做到仅针对用户使用“眼”业务时提供QoS保障。

　　如果大量的手机用户和PU都配置该策略，那么可能会对网络预期规划的话务模型分布产生较大的影响，这就需要无线网优的配合。

　　即使PDSN把QoS带宽要求传递给了BSC/PCF，但无线资源是否足够还是由BSC判断的，如果无线资源不足，只能选择降级或者连接失败。

　　5、结束语

　　无线视频监控产品的应用填补了传统视频产品的一系列应用盲区，网络监控解决方案趋于完整。随着对3G网络特性认识的逐步深入以及对无线应用的持续发掘，无线视频监控产品的业务质量将不断得到提高，用户将可以享受到更加优质的服务，无线视频监控，综合成本低，性能更稳定，组网灵活，可扩展性好，即插即用 维护费用低等优点。