GPRS技术在移动视频监控中的应用

    一、GPRS技术

    1、GPRS概述

    通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）是在现有GSM系统上发展的一种新型承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。传统的GSM网络仅能9.6Kbps速率数据传输业务，远不能满足用户对高速无线数据业务需求。作为一种构架于传统GSM网络之上的新型移动数据通信业务，GPRS在移动用户和数据网络间提供连接，为移动用户提供高速无线IP或X.25服务，可提供高达115kbps速率分组数据业务，使得包括图片、音频、视频在内的多媒体业务通过无线网络进行实时传输成为可能。采用分组交换技术的GPRS，其通信过程无须建立、保持电路，符合数据通信突发性特点，且呼叫建立时间很短。由于各用户均可同时占用多个无线信道，而同一无线信道亦可多个用户共享，因此资源利用率显著提高。此外，数据分组发送、接收时，GPRS根据实际数据流量计费，用户可始终在线，既大大降低服务成本，又充分享受方便快捷的通信服务。

    GPRS作为GSMPhase2.1规范实现内容之一，采用与GSM相同频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则、相同TDMA帧结构，因而在GSM基础上构建GPRS时，GSM系统的绝大部分部件都不需进行硬件改动，只要进行软件的升级即可。GPRS系统构成包括两方面: 对GSM系统相关单元进行软件升级; 在GSM系统引入GPRS业务支持结点SGSN (Serving GPRS Supporting Node)、GPRS网关支持结点GGSN(Gateway GPRS Support Node)、分组控制单元PCU (Packet Control Unit)组件。其基本原理: 利用分组业务传输数据时，多个用户可共享一个时隙，一个用户亦可使用八个时隙。实际传输时，数据信息被包封到很短的分组里，每个分组含一个报头，报头中包括分组始发地址、目标地址。来自多用户的分组可交错传输，即按需分配传输容量，并在无分组传输时释放容量，有效提高网络资源利用率。目前，GPRS还仅仅是对GSM的补充，不会取代GSM网络。

    2、GPRS特点

    采用分组交换技术的GPRS主要特点:网络接入速度快，提供与现有数据网无缝连接; 采用分组交换技术，高效传输高速、低速数据和信令，优化网络资源、无线资源的利用; 核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，便于和高速发展的IP网实现无缝连接; 既支持间歇的爆发式数据传输、又支持偶尔的大量数据传输，能在0.5-1秒内恢复数据重传; 支持中、高速率数据传输，GPRS采用与GSM不同信道编码方案，定义CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四种编码方案; GPRS实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级QoS计费功能，计费方式更合理、用户使用更方便; GPRS安全功能同GSM一样，身份认证和加密功能均由SGSN执行，其密码设置程序算法、密钥、标准与GSM相同; 定义了新的GPRS信道，且分配方式十分灵活，各TDMA帧可分配1-8个无线接口时隙，且时隙为活动用户所共享，其向上链路和向下链路独立分配; GPRS支持基于标准数据通信协议应用，与IP网、X.25网互联互通，支持特定的点到点及点到多点服务，可实现远程信息处理等特殊应用，且允许短消息业务SMS（Short Message Service）经GPRS传输; 用户数据采用封装技术和隧道技术在移动台MS(Mobile Station)和外部数据网络间透明传输，即数据包用特定的GPRS协议信息打包并在MS和GGSN间传输，这种透明传输方法既缩减公众陆地移动通信网GPRS PLMN（Public Land Mobile Network）对外部数据协议解释需求，又易于将来引入新的互通协议，由于用户数据经压缩后有重传协议保护，因而数据传输高效且可靠。

    3、GPRS业务及应用

    GPRS作为GSM新型承载业务，以分组模式在PLMN和与外部网络互通的内部网上传输。其业务主要有:承载业务、用户终端业务、附加业务，这里主要介绍前面两种: 承载业务，支持用户与网络接入点间数据传输性能，提供点对点业务PTP（即两用户间提供一个或多个分组传输，由业务请求者启动、被接收者接收）、点对多点业务PTM (即将单一信息传输到具有单一业务需求的多个用户，包括点对多点广播、点对多点群呼、IP多点传播) ; 用户终端业务，指GPRS能提供完全的通信业务能力，包括终端设备能力，该业务分为基于PTP用户终端业务和基于PTM用户终端业务。GPRS业务应用包括:音频、Web浏览、网上交谈、信息业务、文件传输、静态图像、远程LAN访问、企业电子邮件、移动目标定位、文件共享/协同工作等。基于GPRS技术的移动视频监控主要是利用其静态图像传输业务实现。

    4、GPRS优势及不足

    技术优势。基于GSM网络并采用分组交换的GPRS技术优势主要体现为以下四方面:传输速率高。GPRS理论上可提供高达171.2kbps的传输速率，意味着GPRS用户通过便携式电脑能和ISDN用户一样快速上网浏览，同时也使对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能; 接入时间短。分组交换接入时间约1秒，能提供快速实时连接，大幅度提高远程监控、信用卡核对等的效率，并可使已有的E-mail、网页浏览等操作更便捷、流畅; 支持IP协议和X.25协议。GPRS支持这两种因特网上应用最广泛的协议，使GPRS能提供Internet和其他分组网络的全球无线接入; 资源利用率高。GPRS引入分组交换传输模式，使原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生根本性变化，在无线资源稀缺情况下尤为重要。用户只在发送、接收数据期间才占用资源，即多用户可共享同一无线信道，资源利用率显著提高。

    不足之处。主要表现为以下四方面:GPRS存在包丢失现象。由于分组交换连接比电路交换连接要差，因而GPRS存在包丢失现象，且话音和GPRS业务无法同时使用相同网络资源，因为提供GPRS使用的时隙数越多，则提供话音通信网络资源越少。另外，话音和GPRS使用相同网络资源势必会产生相互干扰; 存在转接时延。GPRS分组通过不同方向传输数据，最终达到相同目的地，各数据在通过无线链路传输过程中可能分组丢失、出错等，且转接时延较大; 调制方式不是最优。GPRS采用基于高斯滤波最小频移键控GMSK（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）的调制技术，存在一些不足，网络要真正过渡到第三代则须采用更先进的调制方式; 实际速率比理论值低。GPRS数据传输速率只有一个用户占用所有8个时隙才能达到理论最大值，且没有任何防错保护，显然传输速率受网络和终端现实条件制约。

    二、基于GPRS的移动视频监控

    1、移动监控必要性

    研究表明:人类接受信息70％来自视觉，视频具有直观、具体、真实等特点。视频监控作为安全防范主要手段已广泛应用于许多重要场所，为监控现场提供可靠安全保证。对威慑犯罪分子，保护公民人身及财产安全，协助公安部门调查取证及侦破案件等起到了极其重要的作用。随着信息时代到来，对监控系统的视频信号处理、传输、存储、显示提出更高要求，特别是Internet的普及、发展，为音频、视频数字化处理提供了必要保证。网络视频监控根据传输方式分电话线、DDN、ISDN、光纤、无线传输、卫星线路等。

    基于无线传输方式实现的移动视频监控指在移动目标上加装前端视频采集装置，通过传输单元将视频信号传输至监控中心，实现对移动目标动态、实时的跟踪、监控、调度。移动视频监控优点主要表现为组网灵活、综合成本低。前者指基于无线传输技术的移动视频监控系统组网极其灵活、扩展性好，可根据需要迅速将新监控点加入网络，无须新建传输网络即可高效实现远程监控，且数字化视频很便于存储、检索，对市政、公安等特殊要求的部门尤为合适; 后者指由于地理环境、工作性质限制而采用有线传输可能存在诸多不便，甚至根本无法实现，无线网络可摆脱线缆束缚，实施周期短、维护方便、扩容能力强，且网络维护由提供商实施，前端设备是即插即用，综合成本较低。根据前面介绍，GPRS具有费用低廉、“永远在线”、覆盖范围广等显著优点，使无线多媒体应用成为可能，很适合于移动监控系统的视频传输。基于GPRS技术实现的视频监控系统可为用户提供灵活的、实时的监控图像，可应用于车载视频监控系统、特别是边远偏僻，不具备常规传输网络条件区域，如远程指挥、现场救护、大型集会、交通路口、公安侦查、突发事件处置等有线通信不能达到的场合。监控现场无须复杂的系统设定，具有高可靠、低功耗、易维护、灵活方便、迅速快捷特点。

    2、监控系统实现

    以北京百目公司的极目系列产品为例介绍基于GPRS技术移动视频监控系统。系统采用先进的GPRS模块、新颖的图像处理芯片、嵌入式网络处理模块等，能实现Internet自动接入，并采集一路视频图像，通过JPEG算法压缩后利用GPRS无线网络传送至Internet网上的主机，实现GPRS无线网络远程图像的传输。其实现过程:接收服务器连入Internet后取得服务器IP地址，确定服务端口号。将IP地址及端口信息通过SMS方式发送给远端GPRS模块; 该模块接收SMS后解析出接收服务器相关信息，然后GPRS模块通过GPRS-Modem模块上线，连入Internet后立即与接收服务器连线; 接收服务器与站点连线后，建立一条虚链路。接收服务器向GPRS模块发送访问密码进行身份认证，认证通过后GPRS模块才接受服务器的指令，并根据指令向监控中心传输实时监控视频数据及其他数据。

    采用“移动摄像机-服务器”组网结构的移动视频监控系统构成如图一所示。图中，各监控点前端视频采集板采集一路视频信号，运用JPEG压缩算法将视频信息转换为JPEG数据; 同时其内部嵌入式网络CPU和GPRS模块协同运作完成Internet的接入，包括拨号、TCP/IP、PPP协议处理等，并将来自视频采集板的JPEG图片数据打包后发往控制中心主机（互联网IP地址）。系统控制中心主机通过拨号、宽带上网等方式登录到Internet，主机登录Internet后运行服务器端