4G无线传输技术在车载监控中的应用

    4G在车载监控的应用现状

　　车载监控是车联网的一个重要标杆技术，在百度百科对车联网有如下定义：车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车-X(X：车、路、行人及互联网等)之间，进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。而无线移动互联网作为数据传输的承载系统，传输来自车载监控系统的全部应用数据，及时有效的回传至管理中心。通过后台系统对音频、视频、图片、卫星定位、车速、油耗、门状态、温度、湿度、甚至是人脸抓拍、人数清点等数据进行综合分析及有效呈现，提供一系列供管理者使用的运营、监控、管理、指挥功能，提升了管理效率，最终实现对人、车、物的管理要求。

　　在早期的车载监控领域除卫星定位技术外，视频图像的大规模传输的并未涉及。原因有二：一是利用运营商无线网络进行数据传输的代价昂贵。从网上可查到2007年5月前后，在WAP全面转向GPRS上网方式，50元只包50兆流量，对每小时需上百兆存储空间的车载监控录像来说，如需实时回传，无疑是杯水车薪的;二是早期的无线技术不足100kbps的带宽，对需要高带宽的车载监控视频难以提供有效的带宽支撑，只作为不具备市场效益的车载监控雏形带给大家新的发展启示。

　　其次，2008年12月基于3G牌照发放，3G无线技术在中国得到迅猛发展。国内三大运营商大规模部署其各自3G网络(中国移动TD-SCDMA，截至2014.7月约52万个基站，C114中国通信网数据)、(中国联通WCDMA，截至2014.11月约43万个基站，C114中国通信网数据)、(中国电信EVDO，截至2012.2月约20万个基站，通信世界网数据)，得益于3G网络的大规模部署，车载监控的得到很大程度上的发展但由于3G带宽不足(性能最好的WCDMA制式，在单基站下，上行共享带宽5.76Mbps，实际应用测试，平均仅128～256Kbps)，且受到网络其他因素影响，因此，在行业中采用的是紧急情况下视音频图像低码流、非实时回传，大量音视频录像保存在设备硬盘内的主流车载监控方案。

　　再者，2013年12月4日，工信部向三大运营商正式发放4G TD-LTE牌照至今一年有余，中国移动的TD-LTE基站在全国超过70万个，超过500款4G手机，数十款MiFi 4G终端，和面向行业(如车载监控领域)的4G模组产品得到市场应用和检验。有人比喻3G是高速公路，4G是磁悬浮，上下行速率理论值达到的50/100笔者也进行了4G速率的实际测试(测试地点北京丰台体育馆西1KM、4G信号强度-70～-115dBm<显示2～4格>测试软件Speedtest、测试手机iPhone6 plus、手机制式TD-LTE)。

　　测试结果：下行速率平均值17.678Mbps，上行速率平均值2.614Mbps,当信号为-70dBm<显示4格>，上行速率可达到7.78Mbps。见图1红色框内，当关闭4G，使用3G(TD-SCDMA)测试时，下行速率1.06Mbps，上行速率仅130Kbps。

 图1 Speed test测试对比表

　　从以上测试数据可以看出，4G无线技术的速率提升、巨大带宽将为车载监控实现回传高质量流畅的视频图像提供保障，甚至可将720P、1080P高清图像回传至中心。4G无线技术为管理者提供更丰富、全面、完整的综合数据，提升管理效率，最终降低管理的成本。

　　随着4G(TD-LTE)牌照发放，4G网络正式商用(FDD-LTE实验网如火如荼建设，三大运营商都将拿到牌照并进行混合组网)。同时，市场主流车载监控厂商也陆续推出各自特点的4G车载监控产品，提供更丰富功能，让车载移动监控系统在4G技术的推动下，开阔车载领域新的纪元并获得更广阔的发展空间。

　　从目前厂商反馈的数据看，在4G信号覆盖强度-70～-80dBm(3～4格信号)，平均车速60～80KM/H，同时回传4路视频(D1分辨率，25fps帧率，512kbps码流/路)，伴随1路语音、实时卫星定位等条件下，在监控中心能够得到远程实时监控良好体验。在3G(WCDMA、EVDO)网络下，仅能并发1路图像、CIF分辨率、10～12fps帧率、128kbps码流。由此看出3G与4G无线技术在传输速率上的巨大差距(见图2)。

图2 无线技术发展MAP

　　4G无线传输技术介绍

　　4G包含两种技术：TDD-LTE和FDD-LTE。LTE(Long Term Evolution，长期演进)由3GPP组织制定，得到国际电信联盟通过的全球标准。两个模式实质上只存在较小差异，相似度达90%。其中LTE-TDD，国内亦称TD-LTE(Time Division Long Term Evolution 分时长期演进)，采用非成对频谱。TDD时分双工(Time Division Duplexing)是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD频分双工相对应。

图3 4G两种制式控制机制

　　如图3，FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。 FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，在支持对称业务时，充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，FDD频谱利用率将大大降低。该模式下，上行数据与下行数据在同一对称频率上，需要同时传输，优势在于频率宽度大，数据传输速度快。但如果遇到非对称业务，下行数据远大于上行，则上行数据频率信道会被占用，最终导致传输效率较低。

　　TDD用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。由于该技术上下行数据在同一时间里面并不需要一起传输，因此其可以根据上下行的数据大小动态进行分配，对于频率信道的利用率更好。

　　综上所述，TD-LTE省资源，适合在城市的热点区域覆盖，而FDD速度快;适合在城市外围等区域进行广域覆盖。

　　4G与3G区别及各自优势

　　3G称为第三代移动通信技术，有三个国际标准，分别是：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，在2008年5月，由国际电信联盟正式颁布，欧洲主要采用WCDMA制式、美国主要采用CDMA2000，在国内由联通(WCDMA)、电信(CDMA2000)、移动(TD-SCDMA)分别运营。车载监控目前主要采用WCDMA与CDMA2000两种技术，市场产品中甚至有支持双卡或双卡以上打包的技术方案，有效提升了音视频图片定位数据回传的带宽，TD-SCDMA则因低速(上行最高仅128Kbps)无法满足视频回传要求，基本未采用。

　　作为第四代移动通信技术的4G无线技术，在接入方式和多址方案、调制与编码技术、高性能接收机、智能天线技术、MIMO技术、软件无线电技术、基于IP的核心网、多用户检测技术等一系列核心技术上，同3G相比，在技术有着重大飞跃，另外，WCDMA能通过长期演进，平滑升级至FDD-LTE网络。另外的两种3G技术则无法长期演进至4G。

　　4G的几个重大优势

　　速度快：TD-LTE与FDD-LTE上下行理论值均达到惊人的50/100Mbps。

　　带宽高：每信道频谱宽，带宽高，若按100M，则是WCDMA网络的20倍。

　　通信质量好：大用户数、大数据量下质的提升。

　　费用低：系统部署费用低，导致未来用户通信费用额的减少。

　　在图4中可看出，无线移动通信速率的提升，为城市客运(公交、出租等)、长途运输、城市综合管理(如城管、交警等)领域倍增的海量数据传输，甚至交互式高清视频(720P、1080P、2K、4K)奠定了坚实基础，也是未来几年内运营商部署更多4G高速无线网络，提供更丰富无线应用承载链路的动力。

　　4G在车载监控领域的技术应用探讨

　　目前车载监控市场主流产品为标清(D1)方案，在4G网络下，由于视频的传输得到更高带宽的支持(前述测试案例得知，在-80dBm信号强度下，达到惊人的7Mbps上行速率)。根据实际的测试和用户使用经验，通常推荐配置为单路视频：1Mbps码流、25fps帧率、D1分辨率、视频质量中上，当然，也可以根据实际情况调节配置参数。

　　根据中国移动的4G网络建设规划：TD-LTE网络建设分为三期，一二期是城区覆盖，三期是对城区热点地区容量进行扩充，以及边远地区的连接和覆盖。那么，需要根据车载监控系统的实际需求，深入测试行车区域的网络覆盖状况，比如：在每一个有明显差异(信号相差-5dBm)的网络信号覆盖范围内，进行4G网络速率测试(可使用较专业手机端测试工具，如：Speedtest)，并保存当时信号强度、上行速率等重要参数，同时，依据测试数据，调整视频参数并纪录，与远程管理中心配合，进行实时视频回传效果测试，中心做实时监控，以及录像保存(推荐DV录像机等外录像方案较为恰当，可观察实际视频的播放质量、流畅性等)，当发现卡顿、马赛克、黑屏等问题，需重新调整配置并再次测试，城市道路推荐车速40～60km，测试方案建议重复2～3次，可取得较理想音视频配置参数，满足系统在90%环境下的可靠运行要求。对于长途客货运输车载监控系统，大部分情况下不允许跟车测试，建议通过远程查询录像资料，得到行车沿途的4G信号强度(在录像画面中有字符叠加)，当然，如果有独立的信号强度记录 方案，并通过用户的反馈来优化系统配置，最终将能提供清晰、流畅的视频，满足用户的应用需求。

　　4G在车载监控应用中的瓶颈及解决方案

　　由于4G牌照发放刚过一年，网络建设远未达到市场需要，目前车载监控主要瓶颈在于信号覆盖不均匀，某些区域视频和数据实时回传效果好，但信号不佳或无信号区域无法进行实时回传。其次，资费贵，各大运营商给出的流量资费政策中，套餐内提供流量远远无法满足实时回传视频和数据的要求，对动辄10GB的录像资料，费用太昂贵。

　　通过技术的深入研究和开发，并在不断的实践中我们发现，采用多网支持，动静结合的综合方案，如：运营商4G/3G网与停车场自建Wi-Fi网相结合，将行车动态实时数据回传与回站定时定点数据回传结合、将在途紧急状态数据回传与回站自动数据上传相结合、将标清视频在途实时回传与高清视频回站实时回传结合等一系列技术在车载监控中整合，有效的解决了4G信号覆盖不佳、资费昂贵的难题。

　　2013年，作为产品和系统方案负责人笔者有幸参与浙江玉环城市公交车载监控系统的建设，该系统即采用3G/4G+Wi-Fi综合的无线技术方案(见图5)：

图5 浙江玉环公交车载监控系统

　　车辆行使途中，利用4G/3G网络实时回传车辆监控数据，同时，在车载监控设备内保存录像资料(录像方案：每车4路摄像机，每路D1分辨率，码流512kbps、帧率25fps、每天工作10小时)。同时，在公交停车场部署Wi-Fi系统，车辆回站后，自动通过Wi-Fi上传录像数据至后端车载监控平台系统内，通过集中存储方案降低了因数据丢失导致重要线索无法查询的风险;同时，车辆回站即自动上传数据，不再需要超大容量存储空间，可将其更换为低容量SD闪存卡(目前市售产品，容量也达到64G)进行存储，一是改变了机械硬盘因车辆路途颠簸导致的不可逆损坏，二是SD闪存卡的使用，使终端存储投资降低。这套综合无线车载监控方案为玉环公交管理系统极大的降低了建设费用，减少了管理成本(人员、时间)，最终赢得用户高度认可。

　　4G无线技术在车载监控应用的未来

　　当前的4G(TD-LTE、FDD-LTE)，在严格意义上，应该称之为3.9G(LTE：Long Term Evolution长期演进)，而LTE-Advanced是国际电信联盟承认的4G技术，当前国内三大运营商积极部署4G网络，作为高速率、高带宽、低资费、低投资的新技术，也作为可持续发展的国际标准，其未来前景非常广阔。同时，具有研发能力的厂商从2004年就密切关注4G技术发展并同时积极开展研发工作，从上游芯片厂商，模组厂商、到下游终端产品厂商，均在2013年开始陆续推出相关产品，在车载监控领域，主流厂商也推出了模块化多模无线技术的系列产品，并得到规模化的商业应用，积累了丰富的4G网络应用经验(见图6)。

图6 不同网络可支持的应用

　　车载安防监控是一个由应用端来推动技术发展的行业，通信技术与车载安防监控技术正在不断的相互影响，相互推动，相互促进，相互融合(特别是视频技术的不断发展，“内容”占据应用制高点时)，二者都将用户的良好应用体验作为其技术发展的核心推动力。在不远的将来，将会真正实现车联网这个终极目标，让我们为此翘首以待，并为此欢欣鼓舞吧!