基于4G无线传输的视频应用体系的研究与分析

林鑫显

（中国移动通信集团福建有限公司泉州分公司，泉州 362000）

随着数据通信与多媒体的发展，通信技术的应用已渗透到生活的方方面面，4G时代的到来必将催生更多新产品、新应用的爆发，高速的4G网络将给更多的行业带来更加丰富的应用场景，将为传统通信运营商提供新的发展平台，也给无线视频传输应用领域带来新的应用以及机遇。新技术的兴起将会对行业视频应用体系产生深远的影响，而当前中国4G市场将呈现爆炸式增长态势，使得将视频应用结合云计算和大数据成为可能，运营商结合4G高速网络可提供从接入到承载、到平台、到终端、到业务的整体解决方案，涵盖话音、视频、数据等多种类型媒体。

1 4G视频应用体系分析

1.1 4G对视频应用体系的影响

4G高速网络的出现，打破了原有3G网络的局限性，4G网络最大的变化就是大幅提高了数据的上下行传输速率，大幅降低了网络时延，其高达50 Mbit/s的上行传输速率，超过100 Mbit/s的下行速率，完全能够承载高清视频传输的业务需求，挑战传统的视频应用体系。传统的视频应用体系主要包含了安防保卫应用、广告传媒应用及部分行业、个人应用等，这些传统视频应用体系的视频传输，通常都是基于有线网络的传输，对线路的品质和带宽要求苛刻，而4G移动网络很好解决了以上问题，在保证传统视频应用所有功能的同时，能够获得更为逼真、清晰的数字化图像质量，同时给行业视频应用领域带来新的应用与商机。

1.2 4G视频业务应用分析

从移动通信网络发展历程来看，技术是其发展的基础，而应用则决定了其未来的命运。随着我国4G商用普及，相关的行业应用已经渗入多个领域，成为4G发展的推动力，视频业务在4G网络方面至少可覆盖高清视频监控、即摄即传和移动高清视频会议三大应用。

1.3 基于4G视频监控系统的优势

（1）覆盖面广，部署方便：移动无线网络覆盖率极高，几乎不受复杂地形和区域限制，使用无线4G网络无需网络布线和架设天线，几乎可以部署在室外的任何地方，包括水体、崎岖地带和偏远地方。

（2）高可靠性：充分利用网络隧道、防火墙/VPN、加密锁、权限管理、安全认证和实时时钟等技术，保证监控系统和录像资料不被越权使用和破坏，高端无线传输系统的可靠性高达99.999%的载波级。

（3）扩展性好：系统具备良好的扩展性，采用标准的组网方式，支持IP单播、组播功能，可以组成点对点监控系统，也可以组成一个中心对各站点的系统，在网络上可以设置多个分控图像工作站，满足多个用户的需要，组成多级监控系统。

2 4G视频应用技术架构分析

2.1 4G视频监控平台网络架构

本文以4G视频监控为例讲述4G应用的网络架构设计，依照各行业、部门的需求及镇区、社区、个人的实际情况等设计依据因素，整个4G视频传输监控系统结构如图1所示。

4G视频监控平台主要由5个部分组成，包括前端采集中心、信号传输中心、业务管理平台、数据中心及中央控制平台，各个组成部分主要功能如下所述。

前端采集中心：该部分主要为客户侧前端设备，如单兵便携监控设备、车载监控、定点监控等设备组成，用于前端视频采集、编码、压缩等功能，通过设备内部集成的4G模块，以此实现多媒体数据的高速上传。

信号传输中心：该部分主要借助运营商的无线高速网络，可通过APN、VPN、互联网等网络制式实现前端视频多媒体数据与后台的有效互通，用户可根据实际 情况对带宽、安全性等方面采用不同的信号传输。

业务管理平台：基础硬件主要由基础系统服务器组成，这类服务器是保障为用户提供各种服务的前提，主要有DNS服务器、目录服务器、网络管理服务器等，通过业务管理平台可对前端采集并上传的多媒体数据进行分流及梳理，将实时数据流转发给多个客户端或监控中心，还可对实时监控、录像回放、网络管理、日志管理、本地配置等功能进行控制操作，实现多媒体的统一监控管理。

图1 4G视频监控平台网络拓扑图

数据中心：该部分主要由数据库服务器、存储系统、备份中心组成，存储系统是重点建设内容之一，当前数据容量已由TB级增长到PB级，如此大的数据需要有一个更加安全、可靠、高效、可扩展的存储系统，以满足客户及企业的发展需求，保证客户的数据安全可靠，可对所有存储的数据进行热备份，防止产生意外情况而导致重要数据丢失。

中央控制平台：该模块主要对异常或突发事件进行指挥及指导，前端实时采集的视频数据通过多业务处理平台进行视频数据分流后分发至各个相关负责人，并可即时组成多个临时网络会议室，实现在线多人会议及应急指导。

2.2 4G视频监控平台体系结构图

4G视频监控平台体系大体可以分为4层。

第1层为应用层，面向于用户实际操作的客户端，为用户的可视部分，是对具体业务的归纳、抽象而生成的各种应用模块，通过这些模块的组织支持不同的业务应用。

第2层为业务逻辑层，包含整个平台的业务逻辑和功能划分，呈现给用户专业化、个性化的具体业务流程和工具，是业务智能的最终表现形式。

第3层为核心层，是整个4G视频监控平台系统的核心，采用高性能的应用服务器中间件、各种智能引擎和系统管理工具，设计负载均衡和数据库集群，并应用大数据分析工具为上层提供基础服务、管理策略和方法工具。

第4层为采集接入层，实现了4G前端设备的音视频采集，并接入到平台进行集成管理，使业务逻辑层无需关心所使用的设备和信息资源的具体位置和形态，便于设备信息资源的组织和调度，更好的为业务服务。

2.3 基于云计算的4G视频监控应用发展趋势

架设一个完善的基于4G的视频监控平台需提供安全级别高、存储容量大、存取效率高的视频管理服务，需要有强大的企业级视频托管系统、应用第4级数据中心，用于提供可扩展的、灵活的、中央集成的视频业务。逐渐兴起的云计算、大数据的技术和思路可更加完美地应用于4G视频监控应用，满足大容量及高效率的业务需求。基于云计算的4G视频监控平台具备如下特征。

2.3.1 随时随地接入

考虑到当前的应用环境和需求的不同，未来的视频监控平台在充分接入4G高速网络的情况下，采用的必须是开放式随时随地接入方式的管理，即无论任何时间地点皆可通过电脑Web网页或手机APP的形式，从不同的地点管理摄像头及查看监控点，控制摄像头开关及转向，也可随时查看已录好的监控录像。实现这种随时随地接入的摄像头及视频管理，不需要任何额外的软件或硬件要求，只需要设备能够连上互联网或者配置APN专网即可，而实现此类高清视频监控业务通过传统的3G或者Wi-Fi技术都是无法在网络速度、位置和时间上满足。

2.3.2 建设数据中心

未来的视频存储发展趋势使用的应是第4级数据中心，保证99.99%正常运行、备份电源、高效数据处理和存储能力，以及足够的带宽，保证高可靠性和高可用性。通过数据中心，实现数据和服务统一管理，数据整合和资源的分配更加合理，并且可通过存储统一规划高效地存取数据信息，同时在数据中心均配备有高安全级别的信息安全防护设备，可保证数据信息安全性。

2.3.3 云计算视频监控中心

云计算并不是一个新概念，然而云计算在视频监控领域属较新的应用，通过使用第4级数据中心，可将云计算原则应用到摄像头托管和实时监控服务中。通过在服务器层级将计算能力整合到单一地点，除了强大的云平台动态分配外，还将引入大数据分析技术，对各个客户端发送过来的数据进行统一分析处理，合理动态分配资源，未来的监控中心势必也将采用该种模式创造效率，并在规模经济的基础上比过去提供更多功能和灵活性。运用云计算是一种更好的巩固视频监控系统的方式，尤其是当视频监控放在不同地理区域或设施中时，不需要运行多个DVR和NVR，所有监控视频集中托管在数据中心，同时对用户来说均是透明的，用户可使用网页浏览器访问，可节约软件、硬件和维护的成本，同时提高访问效率。

3 4G视频应用实际场景分析

采用4G技术可有效解决3G、Wi-Fi、有线视频监控所面临的问题，为用户在低成本下提供高清晰度的视频体验, 未来的4G通信将给人们真正的沟通自由，并彻底改变人们的生活方式甚至社会形态，具体的4G网络下潜在发展的业务应用如图2所示。

图2 4G应用场景分析图

4G网络通信技术的发展将使人类跨入“移动e时代”，新拓展的社会化业务种类要远远丰富于3G时代，特别是在移动视频传输领域更能体现出4G的巨大优势，高带宽、覆盖广、高可靠、安全性等特点可极大地推进4G视频应用的发展。下面以3个4G视频应用场景进行具体分析。

3.1 4G单兵执法应用

4G单兵主要用于移动现场应急指挥，可广泛应用于公安、医疗、海关、消防、交通、电力等多种不确定场所的应急指挥，整套系统采用前端分散采集执法过程、后台集中管理的方式，通过可插拔的TF卡将取证资料进行本地存储，并可利用4G网络将数据上传监控中心，通过4G无线网络实现远程监控和管理，系统拓扑图如图3所示。

整套系统主要由便携式4G单兵监控终端和中心业务管理平台两大部分组成。现场人员配备便携式高清摄像头的4G单兵监控终端，通过在应急现场与指挥中心之间建立一条高速的4G无线网络，实现现场高清视频可视对讲，实现视频数据的采集、抓拍、加密、编码、存储、传输、回放、预览，还可以利用GPS/北斗卫星定位当前位置，通过语音对讲功能与指挥中心保持密切联系。中心业务管理平台具有多画面监控、轮巡、分组等多种监控模式，支持本地及集中录像存储，以及支持录像回放、抓图、下载等，实现实时监控及远程指挥，应急指挥中心人员可完全掌握现场每个角落的实时情况，时刻了解和掌握突发事件的动态变化，并通过视频指挥系统进行现场指挥调度，利用语音的VoIP技术，可以将决策及时向现场人员下达，控制事态发展，减少损失、保护生命和财产安全。

为了降低多路并发访问给前端4G传输造成重复流量和计费，系统可采用流媒体技术解决多路并发访问的问题，确保每路视频在任何时候均只输出1路码流。多台流媒体服务器构成集群服务，采用负载均衡技术将视频转发压力平均分摊到每台流媒体服务器，相较于独立的流媒体更稳定、更智能、更先进。

3.2 4G车载视频监控

4G车载视频监控主要用于车辆内外的移动监控功能，如部队指挥车、押解车、120急救车的车载视频监控功能需求。通过车辆中安装4G车载高清摄像头、GPS/北斗、4G网络模块及其它设备，将现场视频及时地传回指挥中心，再结合大数据分析、云计算和智能识别，形成一套现代化、数字化、网络化、专业化的调度指挥系统，为现场案件及处理创造信息条件。系统拓扑图如图4所示。

图3 单兵执法系统拓扑图

4G车载视频监控前端由采集设备组成，安装于车辆内部及外部，对内外同时进行监控，包括视音频、报警信息的采集设备、报警联动输出设备和音频功放设备，以及GPS定位模块、4G无线传输模块等，鉴于车辆外部环境的不稳定性，设备还需采取减震加固技术以确保视频质量，同时采用H.264数字编码技术，动态调整编码参数以适应不同网络带宽；在网络传输方面，可充分依托运营商提供的4G无线网络、APN专线，利用4G的带宽资源传输视音频和数据信息；后端由数据中心、多种集群服务器组成，通过大数据分析、GPS定位、基于深度神经网络的智能识别等技术进行分析决策，提供指挥中心调度的决策依据。

3.3 4G定点视频监控

4G定点视频监控的优点之一是架设灵活、组网方便，特别适合室外或较偏远场景的应用，如在通信基站监管、油田监管、森林防火、生态监管、港口、油田监管、环保检测等领域，对于这些特殊行业来说，由于受到地理、环境和工作内容的限制，地域广、监控点稀疏，有线监控线路户外架设施工周期很长，维护成本非常高，甚至根本无法实施，因此搭建4G无线远程监控则发挥了极其重要的应用价值，同时可保障数据传输的高速及稳定性，系统拓扑如图5所示。

4G定点视频监控系统前端由4G无线监控终端组成，监控终端是一个集视频采集、实时压缩、网络传输（有线或无线）等功能为一体的嵌入式设备。系统首先通过前端设备采集视频图像、进行压缩编码，接着通过4G高速网络将压缩视频数据发送到网络管理平台，再由视频服务器将视频数据转发给客户端浏览、监控或管理。该类应用的传输网络及后端管理平台与4G车载视频监控类似，本处不再赘述。

图4 车载系统拓扑图

图5 定点监控系统拓扑图

4 总结

随着4G网络建设发展与技术不断完善，基于4G网络的新兴业务必然带来庞大的市场商机，改变人们的生活习惯，对国民经济产生深远影响，同时更好地满足人们对数据与媒体业务的需求。本文描述了基于4G的视频应用的技术架构，分析了基于云计算的4G视频监控应用发展的趋势，阐述了4G技术及其移动新业务在各行业的具体应用形式，提出贴切实际的基于4G网络的视频传输系统，实现指挥通信可视化，在现场执法过程中，采用单兵、车载移动视频监控系统，实现勤务管理可视化。基于此平台，各种有利于提高生产效率、提高人民群众生活品质的创新将随之产生，同时在公共安全、教育、能源、健康、交通和经济在内的各个领域将开展4G网络应用课题研究。

[1]林源.4G网络下视频应用体系的变革[J].电子科技, 2013（9).

[2]TD-LTE工作组.4G技术和产业发展白皮书[D].工业和信息化部电信研究院, 2014（12).

[3]杜勇慧.视频监控系统的发展趋势分析[J].中国铁路, 2013（3).