无线电射频传输在变电站巡检工作中的应用

许大卫

北京超高压公司 北京 102488

1 无线视频传输技术的特点

近年来，视频监控成为监视领域所应用的主要手段，传统的有线视频监控系统需要铺设大量的地上、地下设备线路，成本高，施工周期长。随着计算机网络通信技术的飞速发展，无线网络技术已成为计算机网络中一个重要的组成部分。在这个背景下，音视频数据传输的无线化打破了传统同轴电缆和光纤传输受制于链路的不利局面，更加灵活和便利，尤其适合超高压变电站。

数据的无线传输由于带宽资源有限、干扰因素多、安全性较差的缺点，而视频流具有数据量大、实时性要求高的特点，且变电站地域偏僻，信号问题也是重要的不利因素之一。无线网络监控系统数据传输示意图如图1所示。因此如何在变电站使用无线网络环境高效安全地传输视频流数据是应用的关键。

2 视频格式与信道的选择

由于数字视频传输的大信息量和有限的传输带宽，使得视频的压缩编码、传输信道和网络协议的选择、IP组播技术成为了基于网络的视频传输应用中的关键技术。

图1 无线网络监控系统数据传输示意图

2.1 视频编码

目前监控行业中主要使用Qcif（176×144）、CIF（352×288）、Half D1（704×288）、D1（704×576）等几种分辨率，其中，CIF录像分辨率是主流分辨率，市场上绝大部分产品都采用CIF分辨率，主要理由有三点：1）视频监控领域要求视频码流不能太高；2）视频传输带宽限制；3）采用CIF分辨率，信噪比在32db以上，虽然不是理想的视频图像质量，但是一般用户是完全可以接受的。使用HALF D1、D1分辨率可以提高清晰度，满足高质量的要求，但是高码流和传输带宽的矛盾使得其市场占有率不高。。

CIF格式具有如下特性：

（1）电视图像的空间分辨率为家用录像系统（VHS）的分辨率，即352×288。

（2）使用非隔行扫描（non-interlaced scan）。

（3）使用NTSC帧速率，图像的最大帧速率为30000/1001≈29.97幅/秒。

（4）使用1/2的PAL水平分辨率，即288线。

（5）对亮度和两个色差信号（Y、Cb和Cr）分量分别进行编码，它们的取值范围同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。

选取CIF格式的视频传输，通过当前流行的H264或MPEG-4技术进行视频压缩，在确保图像质量的同时，极大的节省了系统带宽。采用CIF格式的视频传输码流大约在384kbps左右。

2.2 信道传输

传输信道和网络协议的选择至关重要，它将直接影响到视频传输的实时性能和通过网络传输的视频图像质量。

在TCP/IP协议中，Internet在IP层之上使用了两种传输协议：一种是传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol），它是面向连接的网络协议；另一种是用户数据报协议UDP （User Datagram Protocol），它是无连接的网络协议。单纯的TCP/IP协议已经很难适应视音频通信，特别是连续的媒体流通信的要求。TCP协议是面向连接的协议，被用于各种网络上提供有序可靠数据传输的虚电路服务。它的重传机制和拥塞控制机制 （Congestion Control Mechanism）都是不适合用于实时视音频传输的。

TCP/IP协议最初是为提供非实时数据业务而设计的。IP协议负责主机之间的数据传输，不进行检错和纠错。因此，经常发生数据丢失或失序现象。为保证数据的可靠传输，当检测到数据包丢失或错误时，就会要求发送端重新发送，这样一来就不可避免地引起了传输延时和耗用网络的带宽。因此传统的TCP/IP协议传输实时音频、视频数据的能力较差。但有足够大的缓冲区、充足的网络带宽，在TCP协议上，接近实时的视音频传输也是可能的。

RTP （Real-Time Transport Protocol）/RTCP（Real-Time Transport Control Protocol）是一种应用型的传输层协议，它并不提供任何传输可靠性的保证和流量的拥塞控制机制。它是由IETF（Internet Engineering Task Force）为视音频的实时传输而设计的传输协议。RTP协议位于UDP协议之上，在功能上独立于下面的传输层（UDP）和网络层，但不能单独作为一个层次存在，通常是利用低层的UDP协议对实时视音频数据进行组播或单播，从而实现多点或单点视音频数据的传输。

UDP是一种无连接的数据报投递服务，需要RTCP实时监控数据传输和服务质量，但是，由于UDP的传输延时低于TCP，能与音频和视频流很好地匹配。因此，在实际应用中，RTP/RTCP/UDP用于音视频媒体，而TCP用于数据和控制信令的传输。

3 无线网络的选取

目前市场上商业化的无线网络主要分为基于IEEE 802.11X架构的无线局域网以及基于无线通信技术的电信网络。前者主要应用于办公或家庭的无线局域网架设，主流技术为802.11g及802.11n标准；后者主要应用与无线电话，主流技术即是被大众称为“3G”的通信标准。

3.1 Wi-Fi传输的优劣分析

802.11 架构的无线局域网具有速度快、使用成本低的优点，电网系统发达的通信链路使得我们只需要在变电站建设一个无线基站供视频传输终端系统访问即可，但是面临的最大问题就是安全性差。曾几何时无线通讯最牢靠的安全方式就是针对无线通讯数据进行加密，加密方式种类也很多，从最基本的WEP加密到WPA加密。然而近年来，这些加密方式被陆续破解，首先是WEP加密技术被黑客在几分钟内破解；继而在2009年11月国外研究员将WPA加密方式中TKIP算法逆向还原出明文。

对于安全要求极高的变电站，特别是超高压变电站来说，信息安全是必须面对的问题。此外，通过Wi-Fi建立的无线网络，由于无线接收端在变电站本地，因此需要在每个变电站都架设一座基站以及一套接收设备。总体而言，采用802.11的Wi-Fi技术传输具有建设成本高、运维成本低，速度快，传输可靠，安全性差的特点。

3.2 3G传输的优劣分析

另一种选择就是目前流行的“3G”通信网络。我国正式商业化的“3G”标准有三种，分别是中国移动的TD-SCDMA、中国电信的CDMA2000以及中国联通的WCDMA。理论传输速度分别为384kbps、3.1Mbps、3.6Mbps，除移动的TD-SCDMA外，均可满足视频传输要求。从目前3G商用的情况来看，中国联通速度最快、资费最高，中国电信网络覆盖面最广，速度可以满足视频传输要求。

第三代移动通信系统（3G）中的安全技术是在第二代移动通信系统—GSM的安全基础上建立起来的，它克服了一些GSM中的安全问题，也增加了新的安全功能。由于融合了无线通信与因特网技术，因而其安全体系也必是多种不同安全方式的融合。3G的安全更多地使用因特网中各种成熟的加密技术，因为其网络开放性，所以安全性较802.11标准高很多。

在3G传输系统中，在入网安全、核心网安全、传输层安全、应用层安全、代码安全五个方面确保数据的安全性，较2G的安全系统相比，定义了完整的安全目标和攻击模型，减少各安全功能的重复性、提高效率，安全措施具备很强的可扩展性，且对用户而言应是透明的。

采取3G无线传输，其数据发送端由变电站采集终端通过无线网络直接传输到设在数据中心的接收/处理服务器上，接收终端只需要配备一套即可，后期终端—接收端的通信费是维护的主要支出。因此，采用3G传输具有建设成本低、后期维护成本较高，速度较慢，安全性强的特点。

综合分析，在目前的技术条件下，3G是适合当前变电站无线传输需求的技术。

4 系统拓扑架构

根据变电站位置的特殊性及安全层面考虑，我们选取了基于UDP的视频传输，通过3G无线网络来实现。其终端设备由嵌入式系统构成，主要包括视频编解码模块、音频编解码模块、3G无线传输模块组成，根据功能扩展，还可以添加存储模块、Wi-Fi模块等。系统灵活性强，应用范围广。目前，基于DaVinci平台的视频采集系统还可以加入运动目标检测、人脸识别等算法，做到真正的智能监控。

服务器端由接收装置组成，终端设备通过3G无线网络接入互联网，如图2所示。原始数据通过3G传输设备访问指定服务器来进行数据传输，服务器将视频数据解码后提供给终端计算机，同时传输至存储系统备份。这样解码系统与终端设备间有一层作为逻辑网关的防护措施，以确保信息安全。针对当前电网企业的分区分域的安全措施，还可通过隔离装置将数据导入内网使用。

图2 3G无线视频传输系统拓扑结构图

5 结语

无线视频传输系统在变电站运行工作中的引入，可以有效的提高运行工作的效率，使得具有高技能的专家不必到现场就可以指导检修作业、事故处理等。基于3G无线视频传输系统具备较高的终端安全性及较低的部署费用，但在实际应用中受信号干扰影响较大，数据传输通道存在于互联网，而且无法在保护室等场所使用。相信随着无线通信技术的发展，将进一步改善信号质量及系统安全性。

［1］李晶，冯忞.3G安全体系分析［G］.中国联通技术文库，2007.

［2］张源峰.无线视频监控传输技术的研究［J］.现代电子技术，2009，（11）.

［3］Bruce Pottor， Bob Fleck.802.11 Security，7-302-06534-9，2003.

［4］余以胜，蒋麟军.IEEE 802.11安全架构的网络性能分析［J］.小型微型计算机系统，2008，（10）.