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利用U-LTE进行国土资源视频监控的回传性能分析
摘 要：针对国土资源场景下视频监控的重点难点,给出了国土资源监控的层次规划、系统架构以及关键技术分析,包括摄像头的选型和移动边缘计算.由于视频监控场景下摄像头位置固定,并主要集中在上行传输,因此可通过收多发少的基站天线配置以及在摄像头端采用定向天线,来提升国土资源视监控数据在非授权频段LTE网络下的传输性能.通过仿真U-LTE网络下视频监控数据传输性能以及引入改进策略的结果上来看,两种策略均可有效提升吞吐量并且具备可实施性.
关键词：视频监控；U-LTE；吞吐量；移动边缘计算
1 引言
为加强土地和矿产资源管理,合理利用土地,切实保护耕地,促进社会经济的可持续发展,国土资源管理部门目前采用多种信息化方式进行监管.基于卫星遥感,采用“卫片执法”技术,也就是对于同一地域前后不同时间片段的卫星进行叠加对比,从而反映土地利用情况的变化；盐城移动基于1400 个摄像头重要点位的“千里眼”实时监控云平台与国土“一张图”二者数据融合,将监控云平台的数据坐标化和网格化,嵌入“一张图”系统,方便APP实现调取视频数据并实施管理.但是以上两种方法都有一定的弊端：第一种方法普及尚需时日,而且卫星只能作为长周期监控手段,在实时监控管理方面有所不足,卫星通信也很昂贵；第二种方法适合于移动网络覆盖比较好的场景,对于移动网络覆盖较差的区域需要考虑其它措施.
国土资源管理最有价值区域往往在偏远地区（如郊区外、铁路边、森林周围等）,这些往往是土地非法使用的重点区域,也是移动通信网络的覆盖薄弱区域.本文提出一种利用5.8GHzU-LTE、MEC以及运营商专用回传汇聚摄像头业务,具备显著的性价比优势.
2 方案描述
2.1 总体
（1）层次规划
●国土资源监控目标规划：针对国土资源一张图,对于监控范围、监控视频精度、监控安全措施、监控预算等进行规划,最终实现大范围、全天候以及无盲区的监控.
●监控摄像头传感器网络规划：与移动通信网络设施一样,根据现网杆站资源以及可能新建杆站资源以及监控精度等选用摄像头、确定摄像头位置.
●通信网络协同规划：根据移动通信网络状况确定通信网络建设,对于具备移动通信网络的环境优先采用移动通信网络,也可以将摄像头数据通过U-LTE汇聚并处理后通过移动通信网络传递；对于不具备通信网络的环境可以优先考虑部署基于非授权频谱的通信网络（如U-LTE）.
以上3 层次规划具备从下往上以及迭代优化的关系.
（2）国土资源视频监控系统架构
如图1 所示,国土资源监控系统包括如下部分：
●利用公有云的发展实现数据和应用的分离,平衡网络建设的弹性以及数据安全的矛盾：土地监控核心数据可以加密存储在公有云,也可以存储在私有云中；土地监控核心应用处理比如政府工作人员终端访问APP、视频处理、网络管理等可以采用公有云.
●国土资源监控网络可以采用公网和专网融合的模式：利用公网“万物互联”能力的经济性实现摄像头视频信息传输（即利用宽带物联网能力,如eMBB）；在网络覆盖比较差的地方建立U-LTE,这些杆站资源和设备资源可以回租运营商,实现专网公用.
●U-LTE 汇聚摄像头数据后如果需要可以进行处理（MEC）,包括安全处理、流量压缩以及视频预处理等.
2.2 关键技术分析
（1）摄像头选型
对于此类应用,摄像头选取主要考虑：摄像头同时具备白天和夜晚拍摄功能；摄像头的带宽要求以及覆盖范围；摄像头具备其它功能（如通过NB-IOT 的远程监控功能）以及辅助其它传感器（如声音传感器或者红外传感器）.
（2）MEC
MEC是5G中通讯领域与互联网领域结合的重要纽带,指在接近移动终端的地方提供云计算能力.MEC的分布式架构带来的是超低延迟计算,可以对终端设备的数据进行筛选,不必将每条原始数据都传送到云端,可以充分利用设备的空闲资源,在边缘处进行过滤和分析.考虑MEC 和云两级视频或者图像处理.原因是国土资源监控一般地物状况是比较缓慢变化数据,因此需要传递到后台的数据比较少,可以考虑进行MEC预处理以便降低回传要求.利用边缘计算模型将具有计算能力的硬件单元集成到原有的视频监控系统硬件平台上,配以相应的软件支撑技术,实现具有边缘计算能力的新型视频监控系统.在边缘计算模型中,计算通常发生在数据源的附近,即在视频数据采集的边缘端进行视频数据的处理.
3 U-LTE视频监控性能分析
3.1 U-LTE网络考虑
U-LTE的好处是具备较宽频谱、设备便宜、免许可频段特别适合国土资源管理这样的偏远地区.针对视频网络主要是上行的特点,考虑采用非对称传输即基站收多发少可以大幅度降低基站功耗和设备体积,同时考虑视频监控传输采用智能天线技术,通过将天线对准实现定向天线.
3.2 系统参数
对于利用U-LTE 网络传输视频监控数据,通过计算机仿真进行分析（见表1）.
3.3 仿真结果
如图2 所示,在Unlicensed 5G 频段、站间距为1000m的仿真场景下,通过少发多收的模式以及天线对准带来的终端天线额外增益,可以有效提升基站平均吞吐量.
仿真对比的基准是2 发8 收的上行传输模式,终端天线增益为6dBi.从图3 可以看到,天线对准可以带来4%左右的平均吞吐量增益,通过对基站接收天线增加一倍,可以带来28%的平均吞吐量增益.两者相结合将带来约33%的平均吞吐量增益,最大平均吞吐量增益在摄像头密度为2时达到37%.
如图4 所示,从边缘摄像头平均吞吐量的角度,通过增加基站接收天线以及天线对准带来的终端天线增益,边缘摄像头的吞吐量得到了显著提升.
通过与基准（2 发8 收的上行传输,终端天线增益6dBi）对比（见图5）,考虑摄像头数目较少时统计边缘摄像头会有随机误差,着重比较摄像头密度在5～11 之间的数据.天线对准可以对边缘摄像头带来19%的平均吞吐量增益,基站接收天线增加一倍可以带来约21%的平均吞吐量增益.两者结合,平均吞吐量增益可以达到62%,最大增益在摄像头密度为6 时达到73%.
3.4 结果分析
国土资源监控大多发生在边远地区,在实际的基站部署中,站间距会达到1000m；通常在H.264 视频图像编码下,720p@30fps 高清视频传送需要2～4Mbit/s的网络承载带宽,而1080p@30fps 则需要4～8Mbit/s,如果网络带宽不足,视频监控图像就会出现卡顿、模糊不清等现象.在U-LTE无线传输频段下,仿真的基准是2 发8 收的上行传输,终端天线增益为6dBi.从平均吞吐量的角度来看,当每个扇区摄像头的数目在4 及以下（即每个基站下的摄像头数目在12 及以下）时,摄像头可以传输1080p@30fps 的高清视频数据.因为视频监控场景下摄像头是固定的,可以利用天线对准带来额外的终端性能增益.另外,在此种特定业务下,可以进一步增加基站接收天线的数目.通过仿真可以看到两种配置均可对吞吐量带来显著提升.在2 发16 收的上行传输,终端天线增益10dBi的模式下,在满足高清的视频数据传输（即1080p@30fps）下,每个基站可以容纳18 个摄像头,比基准模式下增加了6个.
4 结束语
本文给出了采用国土资源监控的需求、系统建议以及利用U-LTE 网络传输监控视频数据的性能分析.从结果看,通过U-LTE 可以进行国土资源监控信号传输,数据结果表明为了进一步提高性能,一方面可以利用U-LTE大带宽优势进行载波聚合,比如利用40MHz带宽；另外一方面可以利用MEC进行边缘智能处理,这些都是努力的方向.
视频监控论文范文结:
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