（通信与信息系统专业论文）基于cdma1x的低码率视频监控系统的研究与实现.pdf

基于c d u a lx 的低码率视频监控系统的研究与实现 摘要 视频监控系统目前已经广泛应用于会融、电力、电信和交通等部门，为这些 行业的安全防范和环境监控起到重要作用。数字监控系统有着具有模拟监控系统 无法比拟的的优点，而且随着近年来无线通信技术和视频编解码技术的不断发 展，数字视频监控技术通过与无线接入技术结合起束之后，它的扩展性、移动性 以及适应性都得到了进一步的改进和提高。 中国联通推出的c d m a l x 的“掌中宽带”无线互联网接入随着c d m a l x 技术 的r 益成熟和中国联通对此顼技术f i 遗余力的推广，已有越来越多的用户开始使 用“掌中宽带”这项服务。“掌中宽带”目f ；i 的实际应用带宽下行大约在9 0 k w s 左 右、上行平均接入速率6 0 k b s 盔右。从市场的角度考虑，必须有更多的i c p ( i n t e m e tc o n t e n tp r o v i d e r ) 提供基于c d m al x 技术的服务才能使c d m ai x 技 术优势得以发挥。本系统提供一种基j ：c d m a1 x 的低码率视频图像传输技术的 方案和具体实现。基于c d m al x 的视频图像传输主要包括两个方面的应用，一 是在手机终端以流媒体的形式实现视频播放，如目前中国联通推出的手机f 包视业 务，另一个是通过c d m a l x 无线网络的上行链路承载视频图像，建立更广泛的 图像传输机制，本系统更多的笑心后者，是其中的一种可能实现。 但是相对于视频图像的巨大信息量，c d m al x 无线网络的接入带宽还是远 远不够的，这样提供的视频图像的质量必然会因为采用高性能压缩比的图像压缩 技术丽相对的有所下降。这就要求必须在所传输的视频码率和视觉效果之问寻找 适当的平衡点，既保证网络传输的可实现性又满足所传输视频图像的不失真性和 实时性。 在基于无线接入的视频监控系统的丌发方面，将嵌入式处理技术同视频压缩 处理技术以及网络传输技术l ：h 结台，提出了基j ：c d m a l x 无线接入的视频监控 系统完整的解决方案，并对其中的关键技术进行了深入的研究和实现。 本文首先介绍基于c d m a | x 的低码率视频监控系统的组成和工作原理，然 后重点论述了系统中关键技术的实现，最后讨论了如何在现有网络条件的基础上 改善视频图像传输的质量。 关键字：视频监控、嵌入式p s o s 、p p p 、1 t 2 6 3 + 、c d m a i x r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o nd i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e m b a s e do nc d m a l xa c c e s s a b s t r a c t d i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e mh a db e e n u s e dp o p u l a r l yi n f i e l d so fe l e c t r i c p o w e r 、t e l e c o m m u n i c a t i o n s 、t r a f f i ca n df i n a n c e ，p l a y i n gs oi m p o r t a n tr o l e ss u c h 雒 e n v i r o n m e n tm o n i t o r 、s e c u r i t yo fi n d u s t r y 。d i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e mh a v em a n y m e r i t sc o m p a r i n gw i t ha n a l o gm o n i t o rs y s t e m 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g yf i e l d si nm o b i l et e l e c o m n m n i c a t i o n sa n dv i d e oc o d i n g d e c o d i n g ，i ti sa t r e n dt h a tt h em o n i t o rt e c h n o l o g yi si n t e g r a t i n gw i t hw i r e l e s sa e c e s sa n dn e t w o r k t e c h n o l o g y 。s o m o n i t o rs y s t e mc a nb em o r ee x t e n s i v e 、m o b i l e 、a n da d a p t i v e 。 c h i n au n i c o r nh a sb e e np r o v i d i n ga n ds p r e a d i n gas e r v i c e 一“b r o a d b a n di n p a l m ”t h a tc a l lb r i n gu s e r si n t oi n t e r n e tb yw i r e l e s sa c c e s s 。i nf a c t ，t h er e a lb a n d w i d t h o fc d m alxw i r e l e s sa c c e s si sa b o u t9 0 k b p sd o w n l i n ka n d6 0 k b p su p l i n k 。t ot a k e f t d la d v a n t a g eo fc d m a 1x t e c h n o l o g y ，i ti sn e c e s s a r yt h e r ea r em o r e1 c p ( i n t e r n e t c o n t e n tp r o v i d e r ) p r o v i d em o r es e r v i c e sb a s e do f fc d m aix 。o u rp r o j e c tc a ng i v ea c o m p l e t ea p p l i c a t i o nd e s i g na n dd e t a i lr e a l i z a t i o na b o u t v i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e d 0 1 1b a s e do nc d m a l xa c c e s sw i t hl o wb i tr a t ev i d e ot r a n s m i s s i o n 。t h e r et w ow a y st o t r a n s m i tv i d e ot h r o u g hc d m aix ，t h ef i r s to n ei sv i d e op l a y i n go nt h em o b i l et e r m i n a l w i t hs t r e a mm e d i a ，t h eo t h e ro f l ei sv i d e ot r a n s m i s s i o nt h r o u g hc d m a l xw i r e l e s s a c c e s si n t oi n t e m e t 。t h i sp r o j e e lp a ym o r ea t t e n t i o n0 1 7 1t h el a t t e r 。 t h r o u g hc o m b i n i n gc d m a ixa c c e s s 、e m b e d d e dt e c h n o l o g y 、v i d e o c o d i n g d e c o d i n ga n dn e t w o r kc o n n n u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，w ep r o v i d eac o m p l e t e a p p l i c a t i o nd e s i g na b o u td i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do nc d m a l xa c c e s s w i t hl o wb i tr a t e 。 i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y ，1w i l lm a k ea n a l y s i so f t h ec d m a i x 、e m b e d d e dt e c h n o l o g y a n dv i d e oc o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g y 。 s e c o n d l y ，if o c u so nt h ed e t a i l so fd e s i g na n di m p l e m e n tt h a ti n c l u d e ss e r i a l i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n s ，p p pn e g o t i a t i o n 、n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sb a s e do n s o c k e t ，e t c 2 f i n a l l y ，1w i l ld i s c u s st h es u c c e s sa n df a i l u r ea b o u tt h i sp r o j e c ta n dg i v es o m e s u g g e s t so fi m p r o v e m e n t s k e vw o r d s ：v i d e om o n i t o r 、e m b e d d e dp s o s 、p p p 、h 2 6 3 + 、c d m a i x 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所f 交的论文是木人任导l j l l i - j h 导r 进行的研究i 作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文t 和特圳加以标注和致酣中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果也不包禽为获得北京邮i u 人学或其他教育机构的学何或证捧而使用过的材料。 与我一同i ：仵的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 只期：碰：； 天于沧文使用授权的滢明 学f 讧论文作者完全了解北京邮电人? 有荚保留车使州学何论文的规定，即：研究生在校攻读 学似驯问论文i ：作的知识产权单忙属，i l 京邮l 乜人学。学校有权保留并向国家有关部门或机构 送变论文的复印竹和徽稚允汁协论文做商阅和借阅；学校t t j 以公布学位论文的全部或部 分内容，可以危 1 ：采州影日】、缩l _ | j 或j = ；它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 住解密j 再遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 叟注释：本学位 本人签名： 适用本授权书。 f t 期：丝! 三! ：丝 导师签名：鲁圣越萼l 一一 只期：兰! 竺尘j 玉旦 围 一 范 一 密 一 保 一于u-4，稀扭 文 一 论 一 北京邮i u 人学顺i 论义 第一章概述 1 1 行业背景 本节主要描述视频监控系统的行业背景及我所论述的课题的实际应用意义 1 i i 视频监控系统的现状和发展 视频监控技术的发展经历了三个不同的阶段。第一代是模拟闭路电视 ( c c t v ) 监控系统。模拟系统具有监控质量高、技术成熟等特点，但存在着系 统不利于扩展、存储需要大量物理介质、无法与信息系统交换数据等问题。第二 代是数字信号控制的模拟监控系统。计算机的普及应用催生了基于p c 机的监控 系统d v r 的出现，它是第一代模拟监控系统升级实现数字化的可选方案，适合传 统监控系统的改造及需要集中监控的系统。 第三代是全数字监控系统( d s s ) 。随着i n t e m e t 和宽带网络技术的日益发展， 具有视频和音频的多媒体内容服务即将成为主流。第二三代视频监控系统以网络为 依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为 特色。第三代监控系统基于t c p i p 网络协议，以分布式的概念出现，将监控模 式拓展为分散与集中的相辅相成，无限度的拓展了燎控的范围。在硬件设备方面， 第- - 4 4 系统运用了更为先进的d a 、a d 转换设备视频服务器、或内置处理器的 网络摄像机，把图像处理( 采集、压缩、协议转换、传输) 设置在监控点，利用 无所不在的互联网和局域网，达到全国范围内的即插即用，实现了从图像采集、 传输、录像、最终输出的全过程数字化，同时终端节点内置韵处理程序也使得系 统更加稳定。 与模拟监控系统相比，第三代的数字监控系统具备了以下几个突出的优点： 1 数据存储：采用m o t i o nj p e g 、h 2 6 3 h 2 6 4 、m p e g 等多媒体数字压缩技术。 2 数据查询利用索引：可帮助用户在数字存储中以很短的时间查询相应数据。 3 ， 图像质量高、画面清晰：可利用计算机对图像进行去噪、锐化等画面处理。 4 扩充简易：数字视频监控的前端设备主要采用网络摄像机和视频服务器，他 们扩充非常方便，只需要一个电源和。，卜网络接口就能接入系统扩展监控范 围。 2 嵌入式操作系统和移动通信技术 近年来，随着嵌入式操作系统、无线通信技术以及视频编解码技术的不断发 扎京螂，b 人学硕i 。论史 展，通过无线通信网进行i n t e r n e t 网络接入，在有限带宽的情况下传输低码率 的视频图像变成一种可能。 嵌入式操作系统具有实时性、多任务、中断控制、底层硬件相关性、资源同 步与互斥、系统可裁减性等特点。在视频采集终端采用嵌入式搡作系统，大大提 高了终端的视频处理能力以及实时性和稳定性，同时使视频终端管理和网络通信 能力大为提高。 移动通信是目前发展最快的通信系统之一，因其具有独有的灵活性和随意性 而能满足人们的实际需要。i p 分组网和无线网的多媒体业务将是未来的主流， 传送有一定的q o s ( 服务质量) 保证的实时视频流是多媒体应用的主要内容。作 为目d h 市场上联通大力推广的“掌中宽带”业务的载体，c d m a l x 是向3 g 过渡的 解决方案。同中国移动提供的2 5 代的g p r s 无线上网业务相比，c d i i a l x 在覆燕 率、接入带宽、稳定性和价格等各个方面都占有优势。它所提供韵实际平均 6 0 k b p s 的无线接入的上行带宽比6 p r s 的1 0 k b p s 左右的揍入带宽( 乾京) ，更适 合低码率的视频传输，这是本系统使用它作为无线接入手段的主要原因。同时随 着3 ( ；通信网建设的迸一步加快，无线接入速率豹进一步提高。c d m a 必将成为未 来无线安时视频传输的主要载体之一。 1 2 论文所完成的工作 i 2 1 基于c d m a i x 的低码率视频监控系统的整体解决方案 在深入研究并比较了g p r s 和c d m a l x 及其各自的无线接入实现方式以及 各种低码率的视频压缩标准之后，在实验室现有的视频压缩技术和以t m l 3 0 0 视频编解码丌发平台的基础上，提出了基于c d m a l x 无线接入，在嵌入式操作 系统p s o s 环境下，以视频编解码扳为硬件丌发平台的低码率视频监控系统的完 整解决方案。并对系统中涉及到的主要技术，如c d m a l x 简单i p 接入、p s o s 嵌 入式操作系统、低码率视频压缩技术以及p p p 协议等进行比较细致的研究和详细 的阐述。 12 2 基于c d m a1x 的低码率视频监控系统的具体实现 具体实现的环节主要包括： l 。串口通信的实现：系统视频发送端硬件平台是基于t m l 3 0 0d s p 的视频编解 码板，出于我们使用的无线m o d e m 采用串行接口，所以第一步的准备工作就 是扩展视频编解码板的串行接口。包括在嵌入式操作系统p s o s 环境下，完 成u a r t 串口驱动程序的设计和收发速率调试，并通过a t 指令集实现与串 口无线m o d e m 的通信枫制协商。 北京i i j l l i 也人学坝i 论文 2 p p p 协议栈的实现：完成了嵌入式操作系统p s o s 环境下p p p 模块的设计和 代码渊试工作，主要内容包括网络接口和设备独立串行接口d i s i 的参数配 置以及p p p 协议栈相关代码实现和调试。完成与中国联通无线接入网关分组 数据、l e 务节点p d s n 的p p p 协商，为视频的网络传输建立链路层链路。 3 基于s o c k e t 套接字的视频网络通信：选择更适合实时视频传输的数据报套接 字和u d p 传输方式柬进行与视频接收服务器的网络通信。主要内容包括 p s o s 操作系统t c p i p 网络协议管理器p n a + 的实现，其中涉及基于s o c k e t 端到端的网络通信，系统多任务环境的实现和管理。 4 视频网络传输q o s 的讨论：在系统实现基本功能的基础上，讨论这种以无线 接入i n t e r n e t ，通过i p 网传送视频图像的q o s 的改进方案和具体实现。内 容包括发送端的速率控制、接收端对时延抖动的处理等。 3 北京| | ；| i i u 人学f ! ；! l 。论义 第二章基于c d m a l x 的 桶率视频监控 系统的完整解决方案 随着c d m al x 技术的同益成熟和运营商对此项技术不遗余力的推广，已有 越来越多的用户开始使用这项服务。然而从市场的角度考虑，c d m al x 技术要 进入类似于目前s m s 高速发展期，必须有更多的i c p ( i n t e r n e tc o n t e n tp r o v i d e r ) 提供基于c d m al x 技术的服务。本系统提供一种基于c d m al x 的低码率视频 图像传输的技术方案和实现。基于c d m al x 的视频图像传输主要涉及两方面， 如目前中国联通推出的手机电视业务，另一个是通过c d m a t x 无线网络的上行 链路承载视频图像建立更j “泛的图像传输机制，本系统更多的关心后者，是其 中的干十可能实现。 浚系统具有以下几个特点： 1 、实时的视频图像编解码处理和传输。由于视频发送终端采用了先进的视频 图像压缩算法以及嵌入式处理技术的引用，使得终端对于大数据量的视频图像处 理能力火为提高，从而满足了视频监控实时性的要求。 2 、无线接入方式。在目前的现有多种无线接入的方式中，比如说g p r s c d m a 1 x 无线接入技术，c d p d 接入技术l m d s 接八技术，d b s 卫垡接入技术，e d g e 接 入技术h o m e r f 接入技术中，川广泛实施的是g p r s c d m a1 x 无线接入。它所 带来的好处是大大扩展了视频监控的范围使得任何具备无线网络覆盖能力的地 区都可以实施这种基于无线接入和网络传输技术的视频监控的解决方案。 2 1 系统组成 基于c d m a l x 的低码率视频监控系统是以c d m a i x 无线通信网为接入，以 i n t e r n e t 互联网为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心的远程监 控系统。系统结构主要由三个部分组成： 1 视频采集和压缩模块 2 无线传输模块 3终端视频处理服务器 我们把前两者统称为视频的发送终端，它与视频处理服务器之间的通信完全 基于t c p i p 协议。 系统的结构框图如图2 1 所示： 北京咖；i u 人学顺l 一论文 n 搏捧襞感蜷驾 u 浮叁“ ；、。g 。 f - 一： 二j 。， 图2 1 系统结构框图 2 ii 视频采集和压缩模块 视频采集和压缩模块实现的功能是从普通的视频摄像头中捕捉视频信号，然 后把视频图像信号经由h 2 6 3 + 视频压缩算法后形成c i f 格式( 3 5 2 + 2 8 8 ) 或q c i f 格式( 1 7 6 + 1 4 4 ) 的压缩码流。 视频压缩模块的主处理芯片我们采用的是p h i l i p s 公司半导体部的t r i m e d i a 集团设计的t m l 3 0 0 。t m l 3 0 0 是一款性能优良的多媒体处理芯片，它有别于一 般的通用d s p ，有专门的视频接口，音频接口，网络接口和相应的处理单元。还 特别针对数字视频和音频应用进行了结构优化，是针对多媒体应用的一种高性能 d s p 兼c p u 。t m l 3 0 0 功能结构图如图2 2 所示： 霉蓬 攘 接k 蝴 堡墨! ! ! ! l ! 叁兰! ! ! 笙兰 4 】 r i m e d i a 内核的特点丰要何： 1 5 个并行度：1 2 8 个寄存器不分段，可仟意存取：强大的指令集与功能币元； 多媒体号用指令。 2 数掘与指令c a c h e 。诸多的功能单元以及专用指令，使得在多媒体处理时可 以充分利用5 个并行度，1 2 8 个数据寄存器任意存取，非常有利于数据的重 复利用，这也是图像压缩算法中许多坏节所必须的。 3 t r i m e d i a 具有专用的视频接口，无需额外电路，可直接进行视频信号的输入 输出。 4 t r i m e d i a 外围s d r a m 的频率j 与t r i m e d i a 本身的主频持平，数据交互能力很 强，非常适合视频压缩等处理。 5 t r i m e d i a 中集成了若干同象的协处理模块，节约了视频处理的速度。 6 t r i m e d i a 绑定r 实时操作系统p s o s ，非常适合多媒体应用的丌发。 7 t r i m e d i a 闻时具有一个强仃- h 、通用超长指令集的处理芯片内核，协调处理 片上各部分的工作，d m 搬动的多媒体输入，输p7 i ，独立地完成数据按照 某一特定的格式进行数据i ( j ，提高软件的处理能力。 d m a 驱动的多媒体协处理，能够与d s p 独、，并行完成特定的多媒体处理算 法，视频采集和压缩模块硬件系统框图是以t m l 3 0 0 为中心的，通过芯片上的专 用接口与其它外围电路相连。麒r l ，s a a7 1 1 1 ，e 2 r o m 和s a a7 1 2 5 通过t m t 3 0 0 的1 2 c 进行配罱，而它们的数猁传输和通信则通过v i d e o l l l ，v i d e o o u ，a u d i o i n ， a u d i o o u t 和专门的e 2 r o m 通信f l 进行，使用和配置都t 分方便。f l a s h ，c p l d ， 和p c l 6 5 5 2 则是通过通用p c i x i o 总线与t m l 3 0 0d s pc p u 相连。 其硬件结构如图2 3 所示： p c i x i o f l a s h c p l d u a r t c d m al x m o d e m t m l3 0 0 vi n p c i x i o i c s d r a m 如图2 3 硬件构成框图 6 c a m e r a s a a7 e 。p r o m 北j 。1 l 肌t u 人学坝1 论立 2 2 无线传输模块 7 己线传输模块的工作方式如下： l 通过标准的a t 指令集向无线m o d e m 模块发送连接信息，在c d m a l x 网络 中就是进行# 7 7 7 的拨号，模块收到指令后就会与c d m a l x 网络通信建立无 线通道的连接。 2 无线链路建立成功之后，发送终端会协问联通的接入网关p d s n 进行p p p 的 点到点的多协议协商建立起p p p 链路。 3 基于t c p i p 的网络通信，实现视频图像的实时传输。 无线传输模块外围电路如图2 4 所示： li 讹翱哥兰， 靴动 连括 l ；：! ! ! ! ! f 二二二1 核心电路三二二4 外围设备 图2 4 系统的视频发送终端 系统采用s i e r r aw i r e l e s sa i r c a r d 5 5 5 芯片组的无线m o d e m ，它与视频采 集模块的扩展接口为串行接口r s 2 3 2 ，通过标准的a t 指令集与嵌入式操作系统 进行通信。视频图像经采集、压缩后就可以将压缩好的视频图像文件通过 c d m a lx 无线网络进行网络传输的接入工作，操作系统支持c d m a l x 的p p p 拨 弓过程，并嵌入式地实现rt c p i p 协议、支持域名解析。 2 1 3 终端视频处理服务器 终端服务器的主要工作是接收通过c d m a l x 无线接入和i n t e m e t 网络传输 过来的视频码流，并对其进行相应的解码操作及实时播放。视频接收和处理服务 器是具有有效公网i p 地址连接到i n t e r n e t 上的一台p c 终端，我们选定的是实验 室的服务器( i p 地址是2 0 2 11 2 t 0 4 ，5 ) 作为系统终端。 2 1 4 系统的主要功能和参数 主要功能： i 视频图像的压缩与储存 2 基于c d m a l x 的无线接入 3 低码率视频图像的实时传送 4 远距离控制 参数列表 北京i if l l i 也人学坝i 论文 视频图像压缩格式 视频编解码板c p u 视频发送终端操作系统 c d m a l x 无线m o d e m 模块 无线传输模块与视频压缩模块接ij 乜器 特性 c d m a l x 无线通信网卜行吞”l 量 c d m a l x 无线接入服务切泌 系统应用协议 视频接收服务器软硬件平台 表2 1 h 2 6 3 c i f q c i f 图像压缩格式 t m l 3 0 0 ( p h i l i p s )主频1 6 6 m 1 1 z p s o s 嵌入，操作系统 s i e r r aw i r e l e s sa i r c a r d 5 5 5m o d e m r s 2 3 2 串f 配置：1 1 5 2 0 0 b p s ，8 位数据位，1 位停止位，无校验位 理论：1 5 36 k b s 实测：6 0 k b s p p p 协议f c p i p 协议栈 p o p 3 s m t p ，d n s p 42 4 gc p u 、w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统 2 2c d m a lx 无线接入技术 2 2 1c d m a i x 无线通信系统简介 c d m a l x 足i w t - 2 0 0 0 标准的2 5 g 的版本，义称p r ei w t - 2 0 0 0 ，是基于扩 频通讯的的无线接入系统。目的是为”c d m a “用户提供任意形式的语音或数据业 务。c d m a i x 采用v 52 v 5 。l 、p o t s 协议。j 各种交换机相连，它拥有与 c d m a i s 9 5 b 同样的无线调制标准、l j 样的频带、同样的突发结构、同样的跳 频规l i | j 以及同样的f d m a 、c d m a 帧结构。这种新的数掘信道与当曲的话音业 务信道极其相似。c d m a lx 允汁用线分组数据业务，特制适用于连续的、突发 性的和频繁的、少量的数据传输，、在端到端分组转移模式下发送和接收数据。从 而提供j 。一种高i 效、低成本的，l 巳适片j 于偶尔的大数据量传输。由于c d m a l x 采用了反向相干解调、快速i # 向功控、发送分集、t u r b o 编码等新技术，其容量 比i s 一9 5 大为提高。在相同条件下，对普通话音业务而言，容量大致为i s 9 5 系 统的两倍。c d m a l x 理论带宽可达3 0 0 k b s ，闩前的实际应用中下行链路带宽大 约在1 0 0 k b s 左右，上行链路带宽6 0k b l s 左右，通过运营商的分组数据业务节 点p d s n ( p a c k a g ed a t as e rv i c en o d e ) 以动态分配i p 地址的形式接入到i n t e r n e t 。 在实际网络测试过程中c d m a l x 的传输速率平均下行带宽达1 0 9k b s ，上行平 均接入带宽达6 0k b s 。c d m al x 分组数据网络的特点是：c d m a l x 分组数据网 络由p d s n 、h a 、a a a 服务器等设备组成，通过s i m p l ei p 和m o b i l ei p 方式接 入i n t e r n e t ，全面支持从消息型到高速多媒体各种分组数据业务。 2 22 简单i p 和移动l p 技术 简单i p 网络结构： mb ：l 懈l u 、半：n 雌l1 仑正 整个系统中最关键的就是了己线接入部分的实现，在当前2 5 g 的c d m a 1 x 无线通信网中使用的接入方式是简单l p 接入。 简l 丫1i p 接入的网络参考校j 如图2 5 所示。存简单l p 接入中，由业务提 供网络侧的p d s n ，给待接入川。终端分配个动态的i p 地址。在本p d s n 服 务区内删户终端将始终保持这个i p 地址直到离丌此p d s n 服务区。在简单i p 接 入网络中，核心网分组域相对移动i p 而占少了h a 和f a 两个功能实体。这主要 因为简单i p 接入网络中移动台采用了动态i p 地址，并不需要有h a ，同时也不 需要f a 去与f a 建立通道和反向通道，这样网络实体简化了，网络结构较简单， 同时也有代价，就是说在不同p d s n 之间切换时业务将中断。 _ _ 0 i i 接。l 同分组靖 i 。 图25 简单ip 接入拳考模型 上图中，r n 是指无线网络，包括b t s 、b s c ：9 t 属i p 网络r a d i u s 是指 归属l p 网络中的r a d i u s ：代弹网络r a d i u s 是指和漫游地r a d i u s 及归属i p 网络r a d i u s 建立安全关系的中间r a d i u s 服务器，用来在漫游地网络和归属 网络之f b j 传送安全信息，代理r a d i u s 可以有多个。r n 和p d s n 之间使用r p 接口通信，也即指a 1 0 a l l 接。 简单i p 接入工作方式 简单i p 接入网络中，在移动台 up d s n 之闾的数据链路层协议是p p p ( 点 到点协议) 协议。同时，每个移动台和p d s n 之削仅支持一个p p p 会话。简单 北糸i i i l i i u 人学坝i 论且 i p 接入方j 的协议参考模型盘 、& 2 一! 所吓，确l 印l p 接入工作方式和拨号网络 类似，区别主要在于m s 和p d s n 之问的通信通过r n 网络中的无线接口和r - p 接口传送。p p p 协议主要参考i e t f 的如f 协议文件： i p o i n tt op o i n tp r o t o c o l r l ? c1 6 6 11 ： 2 p t pb y t eo l 。i e n t e dh d l c r i ? ci6 6 2 1 ； 3 i p c p r f cl3 3 2 】 p d s n 和m s 都被要求支持简单l p 操作。在有i p 包发送请求时将建立p p p 连接，p d s n 要对p p p 连接设置训时器，一定时洲内没有l p 包发送将终止p p p 连接( 所以简单i p 并不具备永远在线功能) 。p d s n 要求支持两种认证机制：c h a p ( 竞争握手认证铷议) 和p a p ( r 1 令认证协议) 。具体选不选和选择哪种鉴权方 式由p d s n 和m s 协商决定。 ， l a c r p m a c a i rp i 。 l i n k f p i ，p p l i n r 一 k l a y 【p e r r l l m sr np d s ne n d h o s t 表2 2 简单i p 挺八协议参考模型 r a d i u s 服务器( 包括本地r a d i u s 、代理r a d i u s 和归属r a d i u s ) 要 求支持c h a p 和p a p 两种认证方式。 移动l p 接入网络结构 i e t f 的网络工作组提出了r f c 2 0 0 2 标准，详细阐述了移动i p 的原理、实 现以及各种细节问题。随后，又出现了阐签i p 内的i p 封装的r f c 2 0 0 3 标准、i p 内的最小封装的r f c 2 0 0 4 标准、用于p p p1 p c p 的移动l p v 4 配置选项的r f c 2 2 9 0 标准等。 在3 g p p 2r e l e a s ea 舨本一h 移动i p 接入参考模掣见下图2 6 。 撬诉地接 网络 ： ；繁馏；!r q 、日：- i p n 鲟或；- 攘心同抒组l 翥：专曼jl 图2 6 移动i p 接入参考模型 和简单l p 接入网络相比，移动i p 接入方式中增加了h a 和f a 两个功能实 体。h a 负责维护移动节点的当前f i ) = 置信息以便和网络中其他节点通信：当m s 漫游到一个新的子网时，m s 必颁向家乡网络t 扣的h a 注册。f a 协助m s 向家乡 代理注册并为已注册的移动节点提供选路服务和其他相关服务。 在移动i p 网络中，m s ( 移动台) 使用一个属于归属网络( h a ) 的非空静 念i p 地址或者动态分配的l p 地址。这个地址即使m s 在不同的p d s n 之间切换 时也不改变。同时m s 也要有一个固定的家乡代理( h a ) 地址。 移动i p 接入工作方式 移动i p 接入方式中协议参考模型分控制平面和用户平面，具体协议参考模 型见下两表2 3 、2 4 。 一 ：些竺! 垒型! 堂皇 m i p u d p i p p p p l a c m a c a i r i i n k m s l a cr ；m ap | c f ，a i n i r 。 p i m il k e p u d p i p1 1 j p s e c p p pl i n k r l a y pe r p i ，p l m i i k e p u d p i p i p g e c l i n kl a y e r p l p d s n h a p 控制平面协议参考模型 i p i p i p s e c p p p l i n k r ， l a 3 7 e r p p lp l i p i p i p s e c l i t a k l i n k l a v e r i 。a y e r p lp l p l i n k l a v e r p l r np d s n h ae n d h o s t 表2 4 移动i p 用户平面协议参考模型 m s 和p d s n 之i i u j 的数掘链踏层协议也是p p p 协议。对于移动i p ，在p p p 会话中，不应包含c h a p 或p a p 攀权过程，否则过k 的仞始化s e t u p 时间和重 新建市链路时间将导致与r a d i u s 之间交互信息的增加。 移动i p 接入中，h a 硝有并管理其所在子网内m s 的最新位置信息，当其他 节点要与孩节点进行通信时，首先将数据包发往浚m s 的家乡网络，由相应的 h a 接收并转发到相应的f a 。具体步骤如下： 1 ) 家乡代理和外地代理闽 f j 性地发送代理广播消息，以便向m s 发送其相关信 息； 2 ) m s 接到消息，通过代弭，“播中相关信息确定自己是在家乡网络还是在外地 网络； 1 l 京1 | l | 5 i i a 人学坝i 。论业 3 ) 如果是m s 已经返i 司家乡网络，则移动节点向家乡代理发出注册取消消息； 4 ) 如果m s 检测到它未发生功换( 不同p d s n 之| u j 切换) ，则开始f 常通信： 5 1 当m s 检测到它漫游到新的外地网络时，则获得一个新的转交地址，这个代 理地址可以是外地代理转交地址，或者是配置转交地址； 6 ) m s 向家乡代理注册，把新的转交地址告知家乡代理； 7 ) 注册完毕后，所有目的地址为该m s 的数据包将通过家乡代理以i p 隧道的方 式发送至该移动节点： 8 ) m s 发出的数据包按一般l p 路山方式进出，如果f a 有原地址过滤功能则数 据包要以反向隧道的方式送回h a 转发。 l ，两种接入方式的比较 移动i p 和简单i p 比较，主要有以下不同： 1 ) 移动i p 接入时移动台在切换的过程中，可以跨越p d s n 而保持业务不中断， 简单i p 则发生业务中断： 2 ) 移动i pi = f 1 因移动台能够在切换中保持静态i p 地址，这样能更容易的支持网 络侧发起的业务，简单i p 根难实现： 3 ) 移动i p 的实现较复杂，需要在归属网络中增加h a ，同时在漫游时用户数据 要经过h a 迂回，使得数据流量流向不合理； 4 ) 移动i p 中要求p d s n f a1 - jh a 的配合，这样在会网范围内容易出现兼容性 问题。 移动i p 和简蕾i p 同时可以作为c d m a l x 无线通信网络中的i p 接入方式， 因为各自存在优缺点，所以在嘲络建设的不同阶段可以考虑采用不同的接入方 式，目前的向3 g 演进的2 5 g 无线通信网络c d m a l x 刚络中使用的就是简单i p 接入方式。简单i p 的最大缺陷一p d s n 之问切换所引起的业务中断，可以考 虑通过终端软件的实现上逐渐克服，待网络发展到一定阶段，具备一定规模时， 再根据业务发展和用户需求逐步过渡到移动i p 接入方式。 2 2 3c d m a i x 、g p r s 与w l a n 的比较 目前市场上由运营商主推的无线上网业务主要有中国移动的“随e 行”g p r s 无线上网业务、中国联通推出“掌中宽带”c d m a l x 无线上网业务，中国电信 “天翼通”宽带业务，中困网通“无限伴旅”w l a n 。这几种无线上网方式中由 于推广的时间不同、技术特点不同而各具特色。本小节通过对这几种无线接入的 网络覆盖、传输速率两个主要指标的考察，来验证为什么我们选择c d m a l x 作 为我们的无线接入方式。 2 231 网络覆盖 网络覆盖广度是无线上网和无线接入的一个关键因素，网络覆盖影响到系统 的的适用范围，要想真诈随时随地的视频监控，那么首先要求的就是无线接入的 范l 嗣。 l 中国联通的c d m a 网络难住仝网升级为c d m a l x 网络。在全国范围内， c d m a l x 使用范围与话音信号的覆盖范围基本一致。 2 与c d m a i x 相比，中国移动的g p r s 网络出于成本以及业务发展状况限制， 目前它覆篇的扩张速度尚不及联通的c d m a l 3 w l a n 网络的运行目i # 处和起步阶段，只有少数大城市的主要热点地区才有 接入点a p 的布设。而且只有布设足够多的接入点，才能形成一个完整的无 限局域网，因此就目前来看w l a n 是网络覆盖最小的接入方式。 2232 接入带宽 接入带宽又称上行链踏吞【一量，是个硬性指标，视频监控系统的主客观评 价依赖于此。同时由于c d m a l x 与g p r s 的提供数掘业务的方式不同，c d m a i x 传输数率依赖无线环境程度不入：而g p r s 的数据业务与语音业务公用同一信 道，如果网络用户数量增加到一定干罕度，每个g p r s 用户的可用带宽会进一步降 低。 1 c d m a l x 无线上网理论最高速率可达1 5 3 6 k b p s ，实际应用中稳定状态下的 下行速率可在1 0 0 k b p s 】右， 二行迹率达到6 0 k b p s 左右。但是由于r l p 误 码率的变化以及接入用j o 增多所引起信噪比变化的彩响，c d m a l x 接入带宽 会n ：一定的范围i 产：生波动，但是基本适合于低码率视频传输，能够满足一 定帧率视频图像传输。 2g p r s 上网的峰值速率为11 5 2 k b i t s ，平均上行速率在1 0 2 0 k b p s 。这个速率 剥于数掘量不大的数掘业务是行之有效的，但对于实时的视频图像传输而言 则远远不够。 3 w l a n 属于宽带无线接八方式，理论的l a n 速度约为5 5 m b p s ，而实际上 中国电信的“天翼通”主要有5 1 2 k 和1 m 两个档次。 2 3 低码率视频图像压缩标准 视频压缩是视频监控系统进行实时传输的核心。我们希望看到图像清晰、流 t 畅的视频画面，这样视频蠊拧的现场还原性刊能得到保障，但是相对于视频图像 的巨人信息量，c d m al x 无线网络的上行接入带宽还是远远不够的因此采用 无线接入方式的监控系统所能提供的视频图像的质量必然会因为采用高性能压 缩比的图像压缩技术而相对的有所下降。 北京州l 乜人学f i j ! i 论文 这就要求进行系统设计的时候必须在视频传输码率和视觉效果