基于IP技术的高速公路视频监控系统实现

　　摘 要：在即将实施的广东省某条高速公路的工程背景下，分析适合于高速公路应用的数字视频格式，研究高速公路内部通信网络结构，以及数字视频流在IP网络传输稳定性和QOS等问题，最终结合工程实际完成某高速公路视频监视系统的设计工作。

　　关键词：IP技术；高速公路；视频监控

　　0 背景

　　高速公路近年来高速公路路网的不断完善，高速公路的管理将由"线状"变为"面状"，高速公路传统视频监视点对点模拟传输方式虽然直观、图像质量清晰，随着路网完善，视频图像的不断增加，点对点模拟方式显然不适应现阶段或将来对视频图像的管理和利用，难以发挥视频监控系统的综合管理作用。随着IP网络逐渐走向宽带化和相关设备价格的不断下降，区别于占用专门光纤传输点到点之间模拟视频图像的纯IP架构下的高速公路视频监控系统将极大的提高高速公路视频监控水平，以实现随机、开放、智能化的远程视频图像监视。

　　1 常见的数字视频标准

　　目前应用广泛的数字视频标准包含2个系列，分别是ISO/IEC制定的MPEG-X和ITU-T制定的H.26X。

　　1.1MPEG标准

　　MPEG是ISO及IEC联合技术委员会下设一个工作组，它开发的标准通常称为MPEG标准，主要有MPEG-1（VCD）,MPEG-2(DVD和数字电视)，MPEG-4（internet 视频应用），在视频监控领域均可按照需求，选用这些标准.其中MPEG-1主要针对1.5Mbit/s以下数码率的数字存储媒体应用的活动图像及其伴音编码；MPEG-2标准制定了视频网上传播协议，当MPEG-2的视频信号打包传输流（Transport Stream，TS）后，可以在广域网或局域网上实现视频的流式播放，它可以适应不同应用的需要和不同终端接收设备的限制，其视频码率范围是2~20Mbit/s；MPEG-4标准主要是提供极低速率的视频流，使视频流在Internet以及移动通信网上实现视频应用。

　　1.2 H.26X标准

　　H.26X是ITU-T的视频编码专家组制定的视频编码标准，它追求在尽可能低的码率下获得尽可能好的图像质量。在制定H.263标准后，工作组启动了旨在开发新的压缩标准，其目标是编码效率高，同时具有简单、直观的视频编码技术，网络友好的视频描述，适合交互和非交互应用，后来发展称为H.264标准。

　　1.3适合高速公路应用视频压缩标准

　　将MPEG-2，MPEG-4,H.264三者进行分辨率与所用带宽进行分析，这三种标准均可以达到1920×1080i(隔行扫描)的高清晰度、24帧/秒帧频画质，但传输上MPEG-2需要12~20Mbit/s，H.264只需要7~8Mbit/s，而MPEG-4要达到相同效果则介于二者之间。若把MPEG-2的带宽作为基准的100%，MPEG-4要达到相同效果只需要60%，而H.264更是低至40%。近年来往山区高速公路的延伸导致特大桥梁和隧道长度不断突破历史记录，一条100Km左右的山区高速公路，视频图像的路数在500至600路，因此如何有效的利用有限带宽实现更多高质量视频传输是选择编码方式的唯一标准，由上述分析可知H.264标准在当前非常适合在高速公路上的应用。

　　2 高速公路通信传输网络分析

　　由于高速公路发展20年间，正是通信技术飞速发展的时期，导致当前我国高速公路通信网络应用现状非常复杂。从早期的PDH网络，到逐渐ATM网络，SDH网络，发展到支持IP技术的IP over SDH（MSTP技术），近年来的纯IP网络，以及自动交换光网络（ASON），均在不同建设年限的高速公路上有所应用。可以传输IP视频流的通信平台有IP over SDH、千兆以太网络以及智能光网络（ASON）网络。

　　2.1 IP over SDH

　　IP over SDH的基本设计思想是以SDH传输网络作为IP业务的物理承载，将IP数据包通过点对点协议（PPP）进行封装，然后使用高级数据链路控制（HDLC）定界组帧，再将其映射到基于字节的SDH虚容器（VC）中，最后加上相应的SDH开销，形成SDH-N帧，进入SDH物理传输层传送。但其缺点是流量和拥塞控制能力较弱,能保证业务分级CoS,但不能完全保证QoS；特别是在传输视频流时无法动态的分配带宽，这样如果要满足几百路图像从各收费站上传至管理中心视频监控系统时需要几个Gbit/s的传输带宽，显然高速公路常用的STM-4 622Mbit/s的SDH系统无法满足要求，因此IP over SDH适合纯IP数据业务传送,但不适合大规模视频图像传输。

　　2.2 千兆以太网

　　千兆以太网可以用低廉的价格提供充裕的带宽，它摆脱了传统载波侦听/冲突监测访问控制方式的束缚，采用三层千兆以太网可将分散在高速公路沿线的收费站等LAN连接成一个广域网（城域网），局域以太网送出数据链路层的MAC帧可以原样不动地到达分中心局域网和网络内其他地点的LAN。不像在使用SDH综合业务接入网时，以太网链路层数据帧的传输需要经SDH的装拆处理，需多协议的转换。但是由于IP技术本身的面向无连接的特性及IP路由协议基于尽力转发的设计特点，虽然现在各厂商进行了多种改进，但毕竟达不到电路交换的实时性和可靠性，因此在视频传输中会有短时间的延迟和抖动。

　　2.3 ASON网络

　　ASON网络引入了控制平面，实现了对传输平面的实时控制，实现了资源管理、连接、保护恢复等方面的智能化。通过在SDH中引入路由协议和信令机制，促使交换和传输在光层面的融合，实现了对业务的自动保护和拓扑发现，允许将网络资源动态地分配给路由，按需分配带宽业务。 智能光网络为其上多业务层提供了强大传输平台，减轻上层处理QOS的压力，使得上层IP协议可以完全致力于IP业务传输。智能光网络网元可全兼容SDH、IP业务特性，完全满足当前高速公路通信传输系统向高速宽带化，全IP化的发展趋势。

　　3 基于IP数据结构的视频流传输特点和QOS分析

　　视频数据流传输最大的特点是数据量大、实时性强、对传输延迟或抖动要求高、同步要求严格。由于视频流在传输过程中业务有突发性，当某一节点和传输通道间业务量过载而发生网络拥塞时，网络应能自动进行选路控制，均衡业务量从而保证流媒体数据的传输。基于IP视频流传输QOS问题主要有2种解决方案:①基于终端方法②基于网络方法。

　　3.1 基于终端

　　基于终端方法主要用缓冲调整方式来解决时延抖动，当前主要有速率控制和差错控制两种机制。速率控制是先估计带宽资源，再调整调整编码的目标速率来适应网络；差错控制是调整帧内编码和帧间编码的帧的混合程度来使包丢失对视频效果影响最小。

　　3.2 基于网络

　　基于网络的方法主要是从带宽管理入手，它包括资源预留管理和优先级管理。资源预留管理是依据申请，QOS请求进行资源分配，根据带宽资源进行管理。优先级管理是针对视频流加以区分服务，对相应视频流进行分类，划分优先级，优先保证级别高的视频流传输。

　　4 某高速公路基于IP技术的视频监控系统方案

　　某高速公路下辖A、B、C、D、E、F六处收费站和S特长隧道（设置一处隧道管理站）。各收费站和特长隧道将视频图像全部上传至H管理中心。图像编码采用H.264压缩标准，压缩码流率4Mbps。干线传输系统在H通信中心设1套STM－4 ADM SDH设备，与相邻路段通信中心相连。用户接入系统本设计在H通信中心设ASON传输设备容量为STM－4 ADM 与OLT设备各1套，在A、B、C、D、E、F、S这7个无人通信站分别设ASON传输设备（容量为STM－4） 与ONU设备各1套，本项目具有路线长，隧道监控图象多的特点，为了使接入网带宽合理分配，接入网传输以H通信中心为中心组成2个2纤通道保护环。某高速公路通信传输网络图见4-1

　　某高速公路通信传输网络图 图4-1

　　每路视频图像上通过光端机传至收费站后由接入视频编码器统一数字化后，直接接入以太网交换机（支持组播路由协议和VLAN）提供的10/100M传输接口，通过以太网交换机映射到通信主干网上，在中心设置三层以太网交换机，接入通信主干网和各个收费站的以太网交换机进行数据交换，并通过10/100M传输接口输出到网络视频解码器。网络视频解码器根据需要从通信网络上截取相应的视频流，并对其视频流进行解码，解码后的模拟视频图像信号直接输出到电视墙。配备一台流媒体管理服务器，流媒体管理服务器采用双网卡，其中一网卡接入内部网络，另一网卡直接接入INTERNET网络。流媒体管理服务器通过VPN接收各收费站网络视频服务器上传的数字压缩图像数据；另一方面，流媒体管理服务器接收内部OA网络以及外网的客户端电脑的监控需求指令（须输入授权的用户名、密码），执行相关操作包括：指定图像的实时观看、画面切换等。因此经过授权的用户可以在高速公路内部系统中或是INTERNET上随时随地查看任何一路图像，从而使相关职能管理人员的监管工作更加方便、快捷、准确，对突发事件能做出迅速及时的反应，进一步提高了高速公路监管工作的力度和效率。某高速公路视频监控系统构成示意图4-2

　　某高速公路视频监控系统构成示意 图4-2

　　5 结语

　　IP技术条件下的高速公路视频监控系统将极大的提高高速公路通信网络资源利用效果，以实现随机、智能化的远程视频图像监视。在大交通的背景下，要实现全省甚至全国的道路监视的统一，为领导、相关部门决策以及公众出行提供良好的道路服务只能在开放的IP网络中实现，实现高速公路与信息高速公路的完美统一。

　　参考文献:

　　[1]孙大跃，江代有.高速公路网络工程技术[M].人民交通出版社，2001.

　　[2]卢官明，宗昉.IPTV技术及应用[M].人民邮电出版社，2007.

　　[3]张杰，徐云斌，宋鸿升等.自动交换光网络ASON[M].人民邮电出版社，2004.

　　[4]邬明辉.流媒体在IP网络中稳定传输研究.四川大学硕士学位论文，2005.


作者简介
童杰：广东省公路勘察规划设计院有限公司