告别石器时代 4G使高清远程无线监控成为可能

周迪

在每秒30帧的720P， 甚至每秒60帧的1080P高清编解码技术在视频监控领域获得大量普及的今天，远程视频无线监控却依旧停留在每秒5-8帧的QVGA“视频旧石器时代”；但即使是这样可怜的画质也未必能让人获得流畅的体验，卡顿和花屏时刻刺激着观看者的神经；而解码性能高超的智能大屏手机只有在本地WLAN的环境下才能炫耀下其移动高清监控的能力——这就是3G时代远程视频无线监控所面临的尴尬现状。

2013年12月4日工信部给三大运营商下发了4G运营牌照，这意味着4G开始进入全面商用化的时代。那么4G技术是否有望带领我们进入远程无线监控的“视频信息化时代”呢？

远程视频无线监控组网包含前端（摄像机、DVR、NVR）无线接入和后端（客户端，例如手机）无线接入，前者占用无线的上行带宽，而后者消耗无线的下行带宽。以目前常见的编码压缩算法H.264MainProfile 计算，720P 实时视频至少需要2Mbps（以下用“M”表示“Mbps”）才能获得“高清”的视觉效果，而1080P 全高清视频则需要4M 码率。

3G时代， 电信CDMAEVDORev.A的上下行带宽分别为1.8M和3.1M（ 后继B版本升级到9.3Mbps），移动TD-SCDMA的上下行带宽分别为1.6M和2.8M，联通WCDMA的上下行带宽分别为5.7M和7.2M（HSPA） 或28M（HSPA+）。由此可见，即便以理论带宽计，3G也只能勉强满足高清无线监控的后端接入，前端接入则大多不可行；而实际的应用效果则更不理想。但4G有希望解决带宽的问题，由于其扩展了有效频谱，且提高了频谱的利用率，并采用MIMO（多输入多输出）等技术，使得带宽获得极大的提升。4G的两大阵营LTEAdvanced和IEEE802.16m都可以提供至少100M下行和30M上行的速率，足以满足高清视频的传输需求。

高清视频对丢帧十分敏感，损坏一个P帧（或因为丢包导致P帧部分消息丢失）会导致该帧以及后续GOP内的所有P帧无法解码，若损坏I帧则后果更加严重。分层编码技术可以改善这种情形，但无法解决根本性问题。所以具有重传排序能力的TCP传输协议在无线监控中非常普及。但TCP协议对丢包率和时延极其敏感：200ms的时延和1% 的丢包率，TCP的传输能力不足600Kbps；如果将时延提升至100ms，则TCP传输能力可提升至1.1M；如果再将丢包率降低到0.01%，则TCP传输能力进一步提升至11.7M。3G的高误码率和高时延是3G无法支撑高清视频的另一个重要因素。而4G采用正交频分复用（OFDM）的调制技术，智能天线技术和MIMO技术，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，提高了误码率并减少了数据传输时延，有效的保障了TCP传输的效率。

无线视频监控的带宽会随着用户数的增加而急剧下降是3G 系统的另一个突出问题。在CDMA 系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源，随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA 通信系统的一个主要干扰；传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差。4G 采用多用户检测技术，在传统检测技术的基础上充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。

视频解码是一个非常耗电的应用，在手机电池容量未能获得大幅提升的现状前，高清视频监控对手机电量的消耗问题不可小觑。4G移动通信系统采用的多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等可以有效延长用户终端电池的续航时间。

视频的高清化同时意味着流量的增加。在3G时代，流量资费相对昂贵。由于4G通信解决了与3G通信的兼容性问题，升级相对容易；4G通信能提供灵活性非常高的系统操作方式，相对其他技术来说部署起来容易迅速得多；同时在建设4G通信网络系统时，运营商们会考虑在3G通信网络的基础设施之上采用逐步引入的方法，有效地降低运营者和用户的费用。这些特点保证了4G会比3G具有更低的投入成本，使4G的流量资费降低成为可能，从而从成本上保证了高清远程无线监控的应用。

4G的如上优势将使得高清远程无线监控的落地成为可能，其带来的不仅是画面质量的提升，充裕的带宽还将改变视频监控的内容，例如视频信息从二维进阶到三维，使得虚拟现实成为可能。这不仅让监控体验具备了身临其境的感觉，而且物体的深度等信息还可以直观为用户提供精确的度量数据，如被观测物体的高度、距离等；再配合手势识别等穿戴技术，科幻影片中的超现实体验将会成为现实。