4G無線傳輸技術在車載監(jiān)控中的應用

4G在車載監(jiān)控的應用現(xiàn)狀

　　車載監(jiān)控是車聯(lián)網的一個重要標桿技術，在百度百科對車聯(lián)網有如下定義：車聯(lián)網是以車內網、車際網和車載移動互聯(lián)網為基礎，按照約定的通信協(xié)議和數據交互標準，在車-X(X：車、路、行人及互聯(lián)網等)之間，進行無線通訊和信息交換的大系統(tǒng)網絡，是能夠實現(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡，是物聯(lián)網技術在交通系統(tǒng)領域的典型應用。而無線移動互聯(lián)網作為數據傳輸的承載系統(tǒng)，傳輸來自車載監(jiān)控系統(tǒng)的全部應用數據，及時有效的回傳至管理中心。通過后臺系統(tǒng)對音頻、視頻、圖片、衛(wèi)星定位、車速、油耗、門狀態(tài)、溫度、濕度、甚至是人臉抓拍、人數清點等數據進行綜合分析及有效呈現(xiàn)，提供一系列供管理者使用的運營、監(jiān)控、管理、指揮功能，提升了管理效率，最終實現(xiàn)對人、車、物的管理要求。

　　在早期的車載監(jiān)控領域除衛(wèi)星定位技術外，視頻圖像的大規(guī)模傳輸的并未涉及。原因有二：一是利用運營商無線網絡進行數據傳輸的代價昂貴。從網上可查到2007年5月前后，在WAP全面轉向GPRS上網方式，50元只包50兆流量，對每小時需上百兆存儲空間的車載監(jiān)控錄像來說，如需實時回傳，無疑是杯水車薪的;二是早期的無線技術不足100kbps的帶寬，對需要高帶寬的車載監(jiān)控視頻難以提供有效的帶寬支撐，只作為不具備市場效益的車載監(jiān)控雛形帶給大家新的發(fā)展啟示。

　　其次，2008年12月基于3G牌照發(fā)放，3G無線技術在中國得到迅猛發(fā)展。國內三大運營商大規(guī)模部署其各自3G網絡(中國移動TD-SCDMA，截至2014.7月約52萬個基站，C114中國通信網數據)、(中國聯(lián)通WCDMA，截至2014.11月約43萬個基站，C114中國通信網數據)、(中國電信EVDO，截至2012.2月約20萬個基站，通信世界網數據)，得益于3G網絡的大規(guī)模部署，車載監(jiān)控的得到很大程度上的發(fā)展但由于3G帶寬不足(性能最好的WCDMA制式，在單基站下，上行共享帶寬5.76Mbps，實際應用測試，平均僅128～256Kbps)，且受到網絡其他因素影響，因此，在行業(yè)中采用的是緊急情況下視音頻圖像低碼流、非實時回傳，大量音視頻錄像保存在設備硬盤內的主流車載監(jiān)控方案。

　　再者，2013年12月4日，工信部向三大運營商正式發(fā)放4G TD-LTE牌照至今一年有余，中國移動的TD-LTE基站在全國超過70萬個，超過500款4G手機，數十款MiFi 4G終端，和面向行業(yè)(如車載監(jiān)控領域)的4G模組產品得到市場應用和檢驗。有人比喻3G是高速公路，4G是磁懸浮，上下行速率理論值達到的50/100筆者也進行了4G速率的實際測試(測試地點北京豐臺體育館西1KM、4G信號強度-70～-115dBm<顯示2～4格>測試軟件Speedtest、測試手機iPhone6 plus、手機制式TD-LTE)。

　　測試結果：下行速率平均值17.678Mbps，上行速率平均值2.614Mbps,當信號為-70dBm<顯示4格>，上行速率可達到7.78Mbps。見圖1紅色框內，當關閉4G，使用3G(TD-SCDMA)測試時，下行速率1.06Mbps，上行速率僅130Kbps。

圖1 Speed test測試對比表

　　從以上測試數據可以看出，4G無線技術的速率提升、巨大帶寬將為車載監(jiān)控實現(xiàn)回傳高質量流暢的視頻圖像提供保障，甚至可將720P、1080P高清圖像回傳至中心。4G無線技術為管理者提供更豐富、全面、完整的綜合數據，提升管理效率，最終降低管理的成本。

　　隨著4G(TD-LTE)牌照發(fā)放，4G網絡正式商用(FDD-LTE實驗網如火如荼建設，三大運營商都將拿到牌照并進行混合組網)。同時，市場主流車載監(jiān)控廠商也陸續(xù)推出各自特點的4G車載監(jiān)控產品，提供更豐富功能，讓車載移動監(jiān)控系統(tǒng)在4G技術的推動下，開闊車載領域新的紀元并獲得更廣闊的發(fā)展空間。

　　從目前廠商反饋的數據看，在4G信號覆蓋強度-70～-80dBm(3～4格信號)，平均車速60～80KM/H，同時回傳4路視頻(D1分辨率，25fps幀率，512kbps碼流/路)，伴隨1路語音、實時衛(wèi)星定位等條件下，在監(jiān)控中心能夠得到遠程實時監(jiān)控良好體驗。在3G(WCDMA、EVDO)網絡下，僅能并發(fā)1路圖像、CIF分辨率、10～12fps幀率、128kbps碼流。由此看出3G與4G無線技術在傳輸速率上的巨大差距(見圖2)。

圖2 無線技術發(fā)展MAP

　　4G無線傳輸技術介紹

　　4G包含兩種技術：TDD-LTE和FDD-LTE。LTE(Long Term Evolution，長期演進)由3GPP組織制定，得到國際電信聯(lián)盟通過的全球標準。兩個模式實質上只存在較小差異，相似度達90%。其中LTE-TDD，國內亦稱TD-LTE(Time Division Long Term Evolution 分時長期演進)，采用非成對頻譜。TDD時分雙工(Time Division Duplexing)是移動通信技術使用的雙工技術之一，與FDD頻分雙工相對應。

圖3 4G兩種制式控制機制

　　如圖3，F(xiàn)DD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，用保護頻段來分離接收和發(fā)送信道。 FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，在支持對稱業(yè)務時，充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業(yè)務時，F(xiàn)DD頻譜利用率將大大降低。該模式下，上行數據與下行數據在同一對稱頻率上，需要同時傳輸，優(yōu)勢在于頻率寬度大，數據傳輸速度快。但如果遇到非對稱業(yè)務，下行數據遠大于上行，則上行數據頻率信道會被占用，最終導致傳輸效率較低。

　　TDD用時間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動通信系統(tǒng)中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進行了分配。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，另外時間由移動臺發(fā)送信號給基站，基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。由于該技術上下行數據在同一時間里面并不需要一起傳輸，因此其可以根據上下行的數據大小動態(tài)進行分配，對于頻率信道的利用率更好。

　　綜上所述，TD-LTE省資源，適合在城市的熱點區(qū)域覆蓋，而FDD速度快;適合在城市外圍等區(qū)域進行廣域覆蓋。

　　4G與3G區(qū)別及各自優(yōu)勢

　　3G稱為第三代移動通信技術，有三個國際標準，分別是：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，在2008年5月，由國際電信聯(lián)盟正式頒布，歐洲主要采用WCDMA制式、美國主要采用CDMA2000，在國內由聯(lián)通(WCDMA)、電信(CDMA2000)、移動(TD-SCDMA)分別運營。車載監(jiān)控目前主要采用WCDMA與CDMA2000兩種技術，市場產品中甚至有支持雙卡或雙卡以上打包的技術方案，有效提升了音視頻圖片定位數據回傳的帶寬，TD-SCDMA則因低速(上行最高僅128Kbps)無法滿足視頻回傳要求，基本未采用。

　　作為第四代移動通信技術的4G無線技術，在接入方式和多址方案、調制與編碼技術、高性能接收機、智能天線技術、MIMO技術、軟件無線電技術、基于IP的核心網、多用戶檢測技術等一系列核心技術上，同3G相比，在技術有著重大飛躍，另外，WCDMA能通過長期演進，平滑升級至FDD-LTE網絡。另外的兩種3G技術則無法長期演進至4G。

　　4G的幾個重大優(yōu)勢

　　速度快：TD-LTE與FDD-LTE上下行理論值均達到驚人的50/100Mbps。

　　帶寬高：每信道頻譜寬，帶寬高，若按100M，則是WCDMA網絡的20倍。

　　通信質量好：大用戶數、大數據量下質的提升。

　　費用低：系統(tǒng)部署費用低，導致未來用戶通信費用額的減少。

　　在圖4中可看出，無線移動通信速率的提升，為城市客運(公交、出租等)、長途運輸、城市綜合管理(如城管、交警等)領域倍增的海量數據傳輸，甚至交互式高清視頻(720P、1080P、2K、4K)奠定了堅實基礎，也是未來幾年內運營商部署更多4G高速無線網絡，提供更豐富無線應用承載鏈路的動力。

　　4G在車載監(jiān)控領域的技術應用探討

　　目前車載監(jiān)控市場主流產品為標清(D1)方案，在4G網絡下，由于視頻的傳輸得到更高帶寬的支持(前述測試案例得知，在-80dBm信號強度下，達到驚人的7Mbps上行速率)。根據實際的測試和用戶使用經驗，通常推薦配置為單路視頻：1Mbps碼流、25fps幀率、D1分辨率、視頻質量中上，當然，也可以根據實際情況調節(jié)配置參數。

　　根據中國移動的4G網絡建設規(guī)劃：TD-LTE網絡建設分為三期，一二期是城區(qū)覆蓋，三期是對城區(qū)熱點地區(qū)容量進行擴充，以及邊遠地區(qū)的連接和覆蓋。那么，需要根據車載監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求，深入測試行車區(qū)域的網絡覆蓋狀況，比如：在每一個有明顯差異(信號相差-5dBm)的網絡信號覆蓋范圍內，進行4G網絡速率測試(可使用較專業(yè)手機端測試工具，如：Speedtest)，并保存當時信號強度、上行速率等重要參數，同時，依據測試數據，調整視頻參數并紀錄，與遠程管理中心配合，進行實時視頻回傳效果測試，中心做實時監(jiān)控，以及錄像保存(推薦DV錄像機等外錄像方案較為恰當，可觀察實際視頻的播放質量、流暢性等)，當發(fā)現(xiàn)卡頓、馬賽克、黑屏等問題，需重新調整配置并再次測試，城市道路推薦車速40～60km，測試方案建議重復2～3次，可取得較理想音視頻配置參數，滿足系統(tǒng)在90%環(huán)境下的可靠運行要求。對于長途客貨運輸車載監(jiān)控系統(tǒng)，大部分情況下不允許跟車測試，建議通過遠程查詢錄像資料，得到行車沿途的4G信號強度(在錄像畫面中有字符疊加)，當然，如果有獨立的信號強度記錄 方案，并通過用戶的反饋來優(yōu)化系統(tǒng)配置，最終將能提供清晰、流暢的視頻，滿足用戶的應用需求。

　　4G在車載監(jiān)控應用中的瓶頸及解決方案

　　由于4G牌照發(fā)放剛過一年，網絡建設遠未達到市場需要，目前車載監(jiān)控主要瓶頸在于信號覆蓋不均勻，某些區(qū)域視頻和數據實時回傳效果好，但信號不佳或無信號區(qū)域無法進行實時回傳。其次，資費貴，各大運營商給出的流量資費政策中，套餐內提供流量遠遠無法滿足實時回傳視頻和數據的要求，對動輒10GB的錄像資料，費用太昂貴。

　　通過技術的深入研究和開發(fā)，并在不斷的實踐中我們發(fā)現(xiàn)，采用多網支持，動靜結合的綜合方案，如：運營商4G/3G網與停車場自建Wi-Fi網相結合，將行車動態(tài)實時數據回傳與回站定時定點數據回傳結合、將在途緊急狀態(tài)數據回傳與回站自動數據上傳相結合、將標清視頻在途實時回傳與高清視頻回站實時回傳結合等一系列技術在車載監(jiān)控中整合，有效的解決了4G信號覆蓋不佳、資費昂貴的難題。

　　2013年，作為產品和系統(tǒng)方案負責人筆者有幸參與浙江玉環(huán)城市公交車載監(jiān)控系統(tǒng)的建設，該系統(tǒng)即采用3G/4G+Wi-Fi綜合的無線技術方案(見圖5)：

圖5 浙江玉環(huán)公交車載監(jiān)控系統(tǒng)

　　車輛行使途中，利用4G/3G網絡實時回傳車輛監(jiān)控數據，同時，在車載監(jiān)控設備內保存錄像資料(錄像方案：每車4路攝像機，每路D1分辨率，碼流512kbps、幀率25fps、每天工作10小時)。同時，在公交停車場部署Wi-Fi系統(tǒng)，車輛回站后，自動通過Wi-Fi上傳錄像數據至后端車載監(jiān)控平臺系統(tǒng)內，通過集中存儲方案降低了因數據丟失導致重要線索無法查詢的風險;同時，車輛回站即自動上傳數據，不再需要超大容量存儲空間，可將其更換為低容量SD閃存卡(目前市售產品，容量也達到64G)進行存儲，一是改變了機械硬盤因車輛路途顛簸導致的不可逆損壞，二是SD閃存卡的使用，使終端存儲投資降低。這套綜合無線車載監(jiān)控方案為玉環(huán)公交管理系統(tǒng)極大的降低了建設費用，減少了管理成本(人員、時間)，最終贏得用戶高度認可。

　　4G無線技術在車載監(jiān)控應用的未來

　　當前的4G(TD-LTE、FDD-LTE)，在嚴格意義上，應該稱之為3.9G(LTE：Long Term Evolution長期演進)，而LTE-Advanced是國際電信聯(lián)盟承認的4G技術，當前國內三大運營商積極部署4G網絡，作為高速率、高帶寬、低資費、低投資的新技術，也作為可持續(xù)發(fā)展的國際標準，其未來前景非常廣闊。同時，具有研發(fā)能力的廠商從2004年就密切關注4G技術發(fā)展并同時積極開展研發(fā)工作，從上游芯片廠商，模組廠商、到下游終端產品廠商，均在2013年開始陸續(xù)推出相關產品，在車載監(jiān)控領域，主流廠商也推出了模塊化多模無線技術的系列產品，并得到規(guī)?；纳虡I(yè)應用，積累了豐富的4G網絡應用經驗(見圖6)。

圖6 不同網絡可支持的應用

　　車載安防監(jiān)控是一個由應用端來推動技術發(fā)展的行業(yè)，通信技術與車載安防監(jiān)控技術正在不斷的相互影響，相互推動，相互促進，相互融合(特別是視頻技術的不斷發(fā)展，“內容”占據應用制高點時)，二者都將用戶的良好應用體驗作為其技術發(fā)展的核心推動力。在不遠的將來，將會真正實現(xiàn)車聯(lián)網這個終極目標，讓我們?yōu)榇寺N首以待，并為此歡欣鼓舞吧!