远程视频传输技术在道路交通监控中的应用分析

远程视频传输技术在道路交通监控中的应用分析武汉微创光电技术有限公司陈军摘要：本文从工程应用角度简要概括了多种类型的视频光纤远程传输技术的技术特点，进而对道路交通监控应用中选择视频远程传输技术方案时需要重点考虑的因素作了一定的分析，并通过示例对一些有特色的系统配置作了简单介绍。关键词：交通视频监控远程传输光纤通信1、序言为了保持和促进国民经济持续高速增长，国家连年实施积极的财政政策，在基础设施建设上进行了大量投资，其中作为国家基础设施重头之一的城市道路和高等级公路每年的建设规模更是达到有史以来的最高点。在路网建设规模不断扩大的同时，如何更有效地提高路网安全通行能力以更好地促进经济发展已经成为交通、公安等行业管理部门关注的焦点，其中一个主要的解决方案就是不断利用当代先进的通信信息技术提升道路交通的智能化管理水平。作为智能化交通管理中的一项重要技术构成，各种新的交通监控远程视频传输技术在近年已经得到越来越广泛的应用。本文从应用的角度出发，简要分析了当前几种主要比较新颖的远程视频传输技术在道路交通监控中的适应性，并提出了作者的一些见解，旨在抛砖引玉，为我国道路交通事业的发展尽一点菲薄之力。2、道路交通监控远程视频传输的一般性技术要求一套完整的远程视频监控系统至少包括视频采集、传输、存储、控制等基本功能，其中传输部分对于远程系统而言尤其显得重要。道路交通监控应用中的远程视频传输虽然具有非常鲜明的行业特征，但由于每一个具体的交通监控项目在周边环境、系统功能、前瞻性、资源投入等方面存在显著的差异，因此，只有具体项目具体分析才有可能做出正确的技术选择。根据我们的理解，道路交通监控远程视频传输的技术要求主要体现在以下几个方面：传输距离传输质量传输容量辅助业务网络拓扑结构与组网网络管理和网络升级下面我们结合道路交通监控远程视频传输技术的现状对上述要求做更进一步的阐述：2.1、传输距离远程视频交通监控系统覆盖的地理范围一般都比较大，相应的视频信号传输距离往往从几公里一直到数百上千公里都有需求，而且视频信号的传输一般都属于宽带通信的范畴。从通信的角度，满足这样的传输距离的方式一般包括光纤通信、地面微波通信和卫星通信等3种主要的长途通信手段。从技术的发展来看，地面微波通信由于其传输带宽的局限以及对环境的抗干扰能力有限已经逐渐退居二线，成为光纤通信的备份或者仅仅用于线缆架设非常困难的特定环境中。卫星通信的资源非常稀缺，成本很高而且传输时延过大，这使之几乎没有在远程视频监控中得到过推广应用。因此，光纤通信基本成为交通监控远程视频传输中的当然选择。本文后续的论述中也将主要围绕与光纤通信技术有关的技术进行讨论。光纤通信技术本身的内涵非常广泛，大体上可以首先划分为模拟光纤通信技术和数字光纤通信技术。站在与视频传输相关的角度看，模拟光纤通信技术主要包括调幅(AM)光纤通信技术、调频(FM)光纤通信技术和脉冲频率调制(PFM)光纤通信技术3类；数字光纤通信技术一般可以划分为以PDH/SDH为代表的常规电信光纤通信技术、以视频信号数字化传输为核心的专用数字光纤通信技术以及以IP包传输为核心的数据光纤通信技术。从传输距离的角度看，只有数字光纤通信技术可以通过数字再生中继手段几乎无损伤地长距离传输监控视频信号。2.2、传输质量视频信号传输质量的界定并不简单。远程监控视频传输的信号源往往是监控摄像机，对传输质量的直观要求就是要将摄像机的视频输出信号（一般是复合模拟视频信号）尽可能完美地、连续地、实时地传送到远方。从应用的角度，我们至少应该关心2项技术性能：保真度和实时性。模拟光纤通信技术都是将视频信号直接对发光器件进行各种形式的调制后传输，传输的实时性和连续性都很好，频谱效率也比较高；而保真度则与产品设计、应用方式等多种因素息息相关，其核心原因源自模拟通信技术固有的抗干扰能力弱、难以无损中继传输（只能在模拟视频接口上背靠背接力传输）以及传输系统本身的非线性。一般而言，1路视频短距离点到点传输时，模拟光纤通信技术是一个非常不错的选择；而长距离、有中继或者要求同时传输多路视频信号时，则需要仔细权衡。评价数字光纤通信技术的视频信号传输质量需要多费一些笔墨。单纯从传输信道角度来看，任何设计良好的数字光纤通信设备都可以做到几乎无损的长距离传输，而且端到端时延可以做到忽略不计。这似乎说明所有数字光纤通信技术在传输质量上都非常适合于监控视频信号的传输，但实际上我们需要进一步看看视频信号具体的传输方式才能下结论。采用数字光纤通信技术的视频信号传输质量从本质上取决于分配给视频信号的传输带宽，而具体的传输带宽需求与视频信号的编码方式相关。对于视频传输专用数字光纤通信系统，它一般是将摄像机输出的复合视频信号直接抽样量化后形成连续的数字比特流，然后进行数字复接，再直接调制发光器件，以数字光脉冲的形式将视频信号发送出去。这种技术方案的实时性、连续性、保真度都非常好，传输多路视频信号时均采用时分复用(TDM)方式，每路视频信号拥有独享的带宽资源。这种系统的视频信号传输质量往往可以满足要求最高的演播级视频信号的传输要求，可以说是传输质量最好的监控视频信号远程传输技术。在单位带宽成本不断迅速降低的今天，这种技术在经济上的可行性已经达到了可以被普遍接受的水平。这类技术方案中有时为了进一步扩大系统传输容量，还可以采用无损或损伤很小的浅压缩技术。对于常见的PDH/SDH数字光纤通信设备，它更是经典的TDM系统，其最初的设计目的是为了进行大容量话路的远距离传输。由于其广泛的存在，它已经成为现代公用通信网的核心基础。随着公用通信网上综合业务需求的增加，它也能够支撑包括视频信号在内的各种非话音业务的传输。由于历史的原因，这类系统都有特定的适合于话音传输的群路复用等级和相应的传输接口，在使用这类系统传输视频信号时必须先通过比较复杂的技术处理将数字化视频信号适配到相应的接口；另外由于这类系统更多地考虑了电信营运部门的各种技术要求，其一次性投入和单位带宽的建设成本往往较高，为了节约带宽，往往需要对视频信号进行深度压缩编码，这又带来另一方面的成本增加和实时性降低；而且这类系统并没有专门针对非对称的视频传输应用进行优化，在传输视频信号时往往反向传输能力被闲置。因此，这类系统从技术上完全可以满足高质量的视频信号传输，但是在经济性上不一定能够保证适合视频监控应用。基于IP包传输的数字光纤通信设备，其最大的好处在于视频信号的多路复用、交换、路由选择非常方便，适合异构网间的传输，并可方便地利用已经大量建设的IP网络平台，从而具备较好的经济性。随着宽带IP网络建设规模的迅速扩大，这种技术从理论上应更加适合视频信号的传输。但是，由于IP网络源自对数据通信可靠性（网络生存性）的关注，它对所承载的业务内容的传输质量并不能提供可靠的保障，主要表现在它的带宽保证和端到端延时都具有较强的不确定性，这就使得监控视频信号的传输质量很难得到始终一致的保证。另外，为了降低对传输网络的压力并控制成本，这种传输技术通常也要与视频数字压缩编解码技术一起使用。采用这种技术的设计良好的系统，可以适合大多数视频监控应用，但如果将其作为远程视频交通监控的唯一传输手段，则还存在一些难以逾越的技术障碍。2.3、传输容量远程视频交通监控系统中监控摄像机的数量众多，需要同时进行远程传输的视频信号路数往往也比较多，而且往往需要在传输网络的中间节点上进行视频信号的插入与分拆（视频信号上下路，ADM），这就对传输系统提出了较高的技术要求。视频信号的传输容量，一方面取决于每路视频信号对传输带宽的要求，另一方面取决于传输系统具备的带宽。PAL-D制模拟视频信号的有效带宽为5.75MHz。AM模拟光纤通信系统一般具有550MHz~1000MHz的传输带宽，可以以8MHz的副载波间隔同时传输60路以上的视频信号，当然除了AM光纤传输系统本身要具备很好的线性外，还需要配置高性能的邻频调制解调设备才能充分发挥出这种技术的优势。这种技术是HFC有线电视分配网中最常见的传输手段，特别适合最终分配到户的网络。对于远程视频交通监控系统，除非是短距离点到点的特定传输并且传输后的视频信号不需要进行进一步的处理或传输，否则这种技术在传输质量上很难满足普遍的要求。FM模拟光纤通信系统的视频信号传输质量、抗干扰性能比AM系统要好不少，每路视频信号往往占用30MHz以上的带宽，一般单个FM光传输系统最多可以支持8~16路视频信号的传输，并且由于技术和经济性的限制一般不使用多波长的光波复用。PFM模拟光纤通信系统中每路视频信号占用的带宽更大，相应地视频信号传输路数也更少一些。视频传输专用数字光纤通信系统中传输的视频信号往往是非压缩的数字视频信号，每路视频信号的带宽大约在100~200Mbps之间，光电复用以后系统一般可以支持64~128路视频信号的传输。PDH/SDH数字光纤通信设备上的视频信号传输，一般采用支持NE1传输接口的MPEG-2编解码器对，通常为了获得较好的视频保真度，多选用4个E1通道传输1路视频。基于IP包传输的数字光纤通信设备也往往采用类似的编解码速率。这样看来，似乎各种模拟和数字光纤传输技术在传输容量上都可以满足远程视频交通监控系统的要求，但如果传输网络不仅仅是点到点的星形网络，尤其在无中继传输距离不够或者中间节点需要上下视频时，就只有各种数字光纤传输技术可以很好地胜任了。2.4、辅助业务远程视频交通监控系统中视频信号的传输是核心，但往往同时要求传输系统能够为音频、低速异步控制数据、话音、开关量等辅助信号提供传输通道，这样才能较好地构建一个完整的监控系统。各种光纤传输系统都能够在不同程度上满足这些辅助业务的传输要求，但同样各有优劣。模拟光纤通信系统在提供较少的辅助业务时有一定的成本优势，但辅助业务较多时如果技术处理不当会引起对视频基本业务的干扰，另外也同样因为受限于点到点传输应用而难以广有作为。视频传输专用数字光纤通信系统和PDH/SDH数字光纤通信系统都可以以TDM方式将各种辅助伴随业务数字化后在同一个传输平台上传输，在系统表现形式上只是多了若干种传输接口，而本质上还可以实现灵活的辅助业务网络构建。除了上述常见的低速辅助业务，一些高速辅助业务通道（如：Ethernet、E1等）也可以方便地提供，因此这两种技术在支持各种辅助业务方面是非常灵活、方便的。值得一提的是，基于IP包传输的数字光纤通信系统如果仅仅是一个纯IP的传输平台，它在提供各种辅助业务上的局限性比较大，实现起来的性能和成本都有较多的问题。2.5、网络拓扑结构与组网前面已经多少涉及到了这方面的内容。概括起来，模拟光纤传输技术主要适合短距离点到点星形网络；数字光纤通信技术则适合长距离点到点、链形以及环形等各种常见的物理网络拓扑结构及这些不同网络拓扑结构的组合。在逻辑网络的构成上，基于IP包传输的数字光纤通信系统应该说由于其包交换的特点而显得更胜一筹。在组网方面，往往只有数字光纤通信系统因其配置的多样性和灵活性，需要进行仔细的组网设计；模拟光纤通信系统的应用方式一般比较固定，往往没有太复杂的组网设计。2.6、网络管理和网络升级在网络管理层面，PDH/SDH数字光纤通信系统得益于其良好的“电信血统”，其整体网管能力是其它系统难以比拟的；基于IP包传输的数字光纤通信系统也可以通过SNMP实现较强的网管。视频传输专用数字光纤通信系统的网管主要依赖生产厂家的设计，很多厂家在设计上借鉴了电信管理网（TMN）的理念，并特别针对视频监控应用进行了很多专门设计，因此，这种系统的网管相比之下实用性和经济性更强一些。模拟光纤传输系统的网管一直是弱项，而且在这种技术适合的应用中往往对网管也没有太高的要求，因此，生产厂家通常不在这方面投入大的力气去提供。数字光纤通信系统在产品设计时一般考虑了升级途径，因此如果工程设计中也着重考虑了今后的网络升级，一般而言，数字系统的网络升级性能是比较好的。3、技术方案的综合权衡在上面的分析中，我们看到各种远程视频传输技术在技术性与经济性上面都各有