CN103916631A - 基于认知无线电的移动视频监控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于认知无线电的移动视频监控系统，包括控制中心与移动终端，控制中心与移动终端采用ISM频段进行无线通讯，控制中心还用于监控通讯质量，根据通讯质量决定是否进行频谱感知与信道切换。如果信道切换无法恢复移动终端与控制中心的数据传输，使用中继机器人中继移动终端的数据传输。本发明还提供一种移动视频监控方法。本发明提供的移动视频监控系统及方法，采用不固定的通信频段，在ISM频段内，自主感知信道干扰并躲避信道干扰，解决干扰问题；通过功率控制以及中继转发解决无线信号衰落问题；从而保证视频传输的实时性及可靠性；不依赖商业无线网络的覆盖，对于应急环境、恶劣环境以及未知环境的视频监控具有实际应用意义。

Description

基于认知无线电的移动视频监控系统及其方法

技术领域

本发明涉及的是无线监控领域，具体是一种基于认知无线电的移动视频监控系统。 

背景技术

视频监控是安全防范系统的重要组成部分，视频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。诸如第一代传统模拟闭路视频监控系统(CCTV)、第二代“模拟-数字”监控系统(DVR)已广泛应用于金融中心，机场，商业大厦，居民小区等各种场合，对于森林防火，油田防盗，军事侦察，海监巡查，智能家庭等不同业务，视频监控系统也能够发挥其独特的作用。 

现有视频监控系统大部分通过有线方式来对所有监控区域进行部署，成本较高，施工周期较长。随着无线技术的发展，无线视频监控由于具有灵活性强、响应速度快的特点也已经得到广泛应用。 

移动视频监控系统尤其针对应急环境的视频信息获取，未知环境探测具有重要意义。例如核爆炸工厂的应急环境十分恶劣，采用无线方式通过移动机器人组建移动的视频监控网络，及时获取现场视频信息能高效的为决策者提供帮助。移动视频监控系统的组成及系统构架近来受到了学者的广泛关注。 

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：200710026594.3，名称为：移动视频监控系统，该发明公开了一种针对输配电作业现场监控的移动视频监控系统的架构，采用CDMA传输视频信息，不适用于应急场所或未知环境的视频监控。 

中国专利申请号为：201220017648.6，名称为：基于WIFI可移动视频监控系统，该实用新型发明公开了基于WIFI无线传输的移动视频监控系统。 

期刊“电视技术”2009年第33卷第03期论文：基于无线传输的移动视频监控系统的设计，该论文介绍了一种基于3G无线网络传输的移动视频监控系统的设计和实现方法。 

以上专利或者论文中的移动监控系统，均是基于现有商业无线技术进行视频传输，具有一定的局限性。首先应急环境不一定具有商业无线网络覆盖，例如CDMA网络、3G网络或者WIFI网络；另外应急环境可能非常恶劣，电磁环境中的噪声、干扰以及衰落问题会严重影响视频信息的实时、可靠传输。 

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于认知无线电的移动 视频监控系统，不依赖商业无线网络的覆盖，并充分考虑无线链路面临的噪声、干扰及衰落问题，保证视频传输的实时性及可靠性。 

本发明的另一个目的在于提供一种移动视频传输方法，保证视频传输的实时性及可靠性。 

为实现上述目的，本发明首先采用不固定的通信频段，在ISM频段，自主感知信道干扰并躲避信道干扰，从而解决无线链路面临的干扰问题；其次采用功率控制和中继转发解决衰落问题；另外采用校验重传机制解决噪声问题，从而保证视频传输的实时性及可靠性。 

本发明提供一种基于认知无线电的移动视频监控系统，包括控制中心与移动终端，控制中心用于处理视频信息与控制移动视频监控系统，移动终端用于移动采集视频信息并传输给控制中心，控制中心与移动终端采用ISM频段进行无线通讯，控制中心还用于监控通讯质量，根据通讯质量决定是否进行频谱感知与信道切换。 

进一步地，通讯质量超过设定的阈值，控制中心进行频谱感知与信道切换。 

进一步地，通讯质量以连续丢包次数表示。 

进一步地，频谱感知与信道切换是控制中心对多个数据信道进行能量感知，根据干扰功率最低接入原则，确定信道切换信息。 

进一步地，信道切换信息包含在应答信息中，由控制中心发送给移动终端。 

进一步地，移动视频监控系统还包括中继机器人，用于中继移动终端与控制中心的数据传输，以扩大移动视频监控系统的视频监控范围。 

进一步地，移动终端监控通讯质量，当通讯质量超过设定的阈值，移动终端增大发射功率，以保证通讯质量。 

本发明还提供一种移动视频监控方法，采用本发明提供的基于认知无线电的移动视频监控系统，包括以下步骤： 

（1）移动终端移动采集视频信息，将视频信息封装为数据包传输给控制中心，并把当前传输的数据包保存在重传缓存中； 

（2）控制中心接收移动终端传输的数据包，进行校验得到校验信息； 

（3）控制中心根据校验信息获得通讯质量，如果通讯质量超过设定的阈值，控制中心进行频谱感知得到切换的信道，设置信道切换信息为进行信道切换并包含切换的信道，如果通讯质量未超过设定的阈值，设置信道切换信息为不进行信道切换； 

（4）如果信道切换信息为进行信道切换，控制中心根据信道切换信息切换信道； 

（5）控制中心向移动终端发送包括校验信息和信道切换信息的应答信息； 

（6）移动终端接收应答信息，如果信道切换信息为进行信道切换，移动终端的控制模块切换移动终端的通讯模块的信道，如果信道切换信息为不进行信道切换，不切换信道；如果校验信息为未通过校验，重新发送重传缓存中的数据包，如果校验信息为通过校验，发送新的数据包。 

进一步地，步骤（3）中进行频谱感知得到切换的信道包括以下步骤： 

（31）控制中心对多个信道进行能量感知，得到多个信道的感知报告； 

（32）根据感知报告以及干扰功率最低接入原则，得到切换的信道。 

进一步地，移动视频监控方法还包括步骤： 

（7）如果信道切换无法恢复移动终端与控制中心的数据传输，使用中继机器人，中继移动终端与控制中心的数据传输。 

进一步地，移动视频监控方法还包括步骤： 

（8）移动终端监控通讯质量，当通讯质量超过设定的阈值，移动终端的控制模块增大移动终端的通讯模块的发射功率，以保证通讯质量。 

这里的通讯质量以应答信息连续超时次数表示。 

与现有技术相比，本发明提供的基于认知无线电的移动视频监控系统及其移动视频监控方法具有以下有益效果： 

（1）充分考虑无线链路面临的噪声、干扰及无线信号衰落等问题，通过校验重传解决噪声引起的链路不可靠；采用不固定的通信频段，在拥挤的ISM频段，自主感知信道干扰并躲避信道干扰，从而解决干扰问题；通过移动终端发射功率控制以及中继转发解决无线信号衰落问题；从而保证视频传输的实时性及可靠性； 

（2）不依赖商业无线网络的覆盖，对于应急环境、恶劣环境以及未知环境的视频监控具有实际应用意义，也可应用于工业现场数据的可靠采集、安全监控以及自动巡检等。 

附图说明

图1是本发明的一个实施例的移动视频监控系统的结构示意图； 

图2是图1所示的移动视频监控系统的控制中心的流程图； 

图3是图1所示的移动视频监控系统的移动终端的流程图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）是各国挪出某一段频段主要开放给工业、科学和医学机构使用，应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928MHz、2400-2484.5MHz及5725-5850MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。而2.4GHz为各国共同的ISM频段。因 此无线局域网（IEEE802.11b/IEEE802.11g）、蓝牙以及ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。 

如图1所示，本发明的一个实施例中的基于认知无线电的移动视频监控系统，包括控制中心与移动终端，控制中心用于处理视频信息与控制移动视频监控系统，移动终端用于移动采集视频信息并传输给控制中心，控制中心与移动终端采用ISM频段进行无线通讯，控制中心还用于监控通讯质量，根据通讯质量决定是否进行频谱感知与信道切换。 

采用本实施例中的移动视频监控系统，采用不固定的通信频段，在ISM频段，自主感知信道干扰并躲避信道干扰，从而解决无线链路面临的干扰问题，从而保证视频传输的实时性及可靠性。 

控制中心采用美国国家仪器公司的PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）平台，搭载射频收发板卡。控制中心用于视频信息的接收和还原显示，控制中心还能够响应用户的操作指令，通过无线链路传输给移动终端，控制移动终端的运动方式和运动方向等。 

移动终端包括摄像头、机器人模块、通信模块及控制模块，机器人模块包括传感器、电机等硬件设备，用于移动地获取视频信息及障碍物信息；通信模块为NI-USRP-2920无线收发模块，用于将移动终端采集的视频信息通过无线链路传输给控制中心；控制模块控制机器人模块进行受控模式下的运动或者自主运动，并控制通信模块的通信信道、发射功率等参数。 

控制中心时刻监控无线通信质量，当通讯质量超过设定的阈值时，控制中心进行频谱感知与信道切换。 

本实施例中，通讯质量以连续丢包次数表示。 

本实施例中，设定的阈值为5，当连续丢包次数大于5时，控制中心进行频谱感知与信道切换。 

频谱感知与信道切换是控制中心对多个数据信道进行能量感知，根据干扰功率最低接入原则，确定切换的信道。本实施例中，控制中心对3个数据信道进行能量感知，得到3个数据信道的能量感知报告，根据干扰功率最低接入原则确定切换的信道。 

本实施例中，信道切换信息共4比特，1比特表示是否进行信道切换，1表示进行信道切换，0表示不进行信道切换；3比特表示切换的目标信道标号0-7。本发明可以通过配置信道切换信息比特位数，来实现多信道支持。 

如果确定接入信道1，则信道切换信息编码为1001；控制中心立刻切换信道，在数据信道1等待移动终端的数据信息，并将信道切换信息通过应答信息发送给移动终端。 

移动终端的通信模块接收到信道切换信息，由控制模块控制通信模块切换到信道1，与控制中心在信道1上传输数据。 

本实施例中的移动视频监控系统，通过频谱感知与信道切换，避开信道干扰，从而解决无线链路面临的干扰问题，从而保证视频传输的实时性及可靠性。 

控制中心发给移动终端的应答信息中还包括校验信息。移动终端在数据信道发送一个数据包，把当前数据包保存在重传缓存中，移动终端根据收到的校验信息，确定下一个通讯周期发送重传缓存中的数据，还是发送新的数据。 

本实施例中的移动视频监控系统，通过校验重传解决噪声引起的链路不可靠，从而保证视频传输的实时性及可靠性。 

本实施例中的移动视频监控系统还包括中继机器人，中继机器人是没有携带摄像头的移动终端，用于中继移动终端与控制中心的数据传输，以扩大移动视频监控系统的视频监控范围。如果信道切换无法恢复移动终端与控制中心之间的无线通信，使用中继机器人中继移动终端与控制中心的数据传输。 

移动终端监控通讯质量，记录应答信息连续超时次数，如果应答信息连续超时次数超过设定的阈值，表明无线通讯链路质量下降，移动终端的控制模块增大通讯模块的发射功率，以提高通信质量，并重传上一数据包。 

本实施例中的移动视频监控系统，通过采用中继转发和通讯模块的发射功率控制解决无线信号衰落问题，从而保证视频传输的实时性及可靠性。 

本发明提供的基于认知无线电的移动视频监控系统工作过程如下： 

第一步，控制中心、移动终端、中继机器人配置无线通信参数，设备编号等。 

无线通信参数主要包括上行链路数据信道的个数及相应的载波频率，IQ速度；下行链路控制信道的载波频率，IQ速度。另外还有调制解调参数，滤波器参数，信息数据包参数，应答数据包参数等。应答数据包由校验信息、信道切换信息、运动控制信息三部分组成。运动控制信息中包含设备编号及系统约定的运动指令。 

本实施例配置移动终端上行链路传输视频信息的信道个数为3，载波频率分别为2.40GHz,2.41GHz,2.42GHz,IQ速度1M，下行链路控制中心传输控制信息的载波频率为2.48GHz,IQ速度800k。发射功率0dbm，采用QPSK调制解调方式，上采样倍数为8，成型滤波器及匹配滤波器为根升余弦滤波器，滚降系数0.5，滤波器长度为6。 

设备编号是指通过不同的编号来区分移动终端及中继机器人，便于控制中心能分别控制，移动终端编号0，中继机器人编号1。 

第二步，控制中心发送指令给移动终端，移动终端开始进入目标环境并采集视频信息。 

第三步，移动终端采集视频信息，并压缩、编码、封装、调制，将调制后视频信息送往发送队列。 

本实施例中采用DCT变换对视频图像进行压缩，根据压缩数据特征采用自适应编码，根据数据包格式进行封装，信息位4096比特，压缩之后一帧图像需要5-10个数 据包进行传输。 

第四步，移动终端在数据信道发送一个数据包的视频信息，并把当前数据包保存在重传缓存中，然后切换到接收状态，在控制信道等待控制中心的应答信息。 

第五步，控制中心接收视频信息，并解调校验，得到校验信息；记录连续丢包次数，根据丢包次数决定是否进行频谱感知、信道切换，根据用户输入得到运动控制信息。 

校验信息：根据CRC校验结果，通过1比特来表示是否通过校验。 

信道切换信息：共4比特，1比特来表示是否进行信道切换，3比特表示切换的目的信道标号0-7。本发明可以灵活配置信道切换信息比特位数来实现多信道支持。 

控制信息共6比特，1比特表示设备编号，0是移动终端，1是中继机器人，1比特表示是否进行运动，4比特表示最多支持的16个控制指令。本实施例中包括了各种基本运动及自主运动等。 

控制中心接收数据包进行校验，记录累计错误次数，当累计错误次数达到5次，控制中心对3个数据信道进行感知，根据干扰功率最低接入原则确定信道切换信息，如果决定接入信道1，则信道切换信息编码为1001。控制中心立刻切换信道，在数据信道1等待移动终端的数据信息。 

第六步，控制中心将第五步产生的三部分信息进行封装组成完整的应答信息，经过调制在控制信道发送给移动终端或者中继机器人。 

本实施例中，如果校验错误，且信道切换至1信道，无控制信息，则应答信息为01001000000。 

第七步，移动终端接收应答信息，解调应答信息，分别提取校验信息，信道切换信息，运动信息决定下个周期的运动情况及视频传输情况；或者应答信息超时，则记录连续超时次数，以此来动态调整功率。 

本实施例中，接收机首先提取信道切换信息，进行信道切换至1信道，然后根据校验结果取重传缓存数据包作为下次发送数据，提取运动控制指令并响应。 

第八步，重复步骤三到步骤七，直到完成监控任务。 

本发明提供的基于认知无线电的移动视频监控系统及其移动视频监控方法，充分考虑无线链路面临的噪声、干扰及无线信号衰落等问题，通过校验重传解决噪声引起的链路不可靠；采用不固定的通信频段，在拥挤的ISM频段，自主感知信道干扰并躲避信道干扰，解决干扰问题；通过移动终端发射功率控制以及中继转发解决无线信号衰落问题；从而保证视频传输的实时性及可靠性；不依赖商业无线网络的覆盖，对于应急环境、恶劣环境以及未知环境的视频监控具有实际应用意义，也可应用于工业现场数据的可靠采集、安全监控以及自动巡检等。 

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人 员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种基于认知无线电的移动视频监控系统，包括控制中心与移动终端，所述控制中心用于处理视频信息与控制所述移动视频监控系统，所述移动终端用于移动采集视频信息并传输给所述控制中心，其特征在于，所述控制中心与所述移动终端采用ISM频段进行无线通讯，所述控制中心还用于监控通讯质量，根据所述通讯质量决定是否进行频谱感知与信道切换。

2.如权利要求1所述的基于认知无线电的移动视频监控系统，其特征在于，所述通讯质量超过设定的阈值，所述控制中心进行所述频谱感知与信道切换。

3.如权利要求1所述的基于认知无线电的移动视频监控系统，其特征在于，所述通讯质量以连续丢包次数表示。

4.如权利要求1所述的基于认知无线电的移动视频监控系统，其特征在于，所述频谱感知与信道切换是所述控制中心对多个数据信道进行能量感知，根据干扰功率最低接入原则，确定信道切换信息。

5.如权利要求1所述的基于认知无线电的移动视频监控系统，其特征在于，所述信道切换信息包含在应答信息中，由所述控制中心发送给所述移动终端。

6.如权利要求1所述的基于认知无线电的移动视频监控系统，其特征在于，所述移动视频监控系统还包括中继机器人，用于中继所述移动终端与所述控制中心的数据传输，以扩大所述移动视频监控系统的视频监控范围。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的基于认知无线电的移动视频监控系统的移动视频监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）所述移动终端移动采集视频信息，将所述视频信息封装为数据包发送给所述控制中心，并把当前传输的数据包保存在重传缓存中；

（2）所述控制中心接收所述移动终端发送的数据包，进行校验得到校验信息；

（3）控制中心根据校验信息获得通讯质量，如果通讯质量超过设定的阈值，控制中心进行频谱感知得到切换的信道，设置信道切换信息为进行信道切换并包含所述切换的信道，如果通讯质量未超过设定的阈值，设置信道切换信息为不进行信道切换；

（4）如果所述信道切换信息为进行信道切换，所述控制中心根据所述信道切换信息切换信道；

（5）所述控制中心向所述移动终端发送包括所述校验信息和所述信道切换信息的应答信息；

（6）所述移动终端接收所述应答信息，如果所述信道切换信息为进行信道切换，所述移动终端的控制模块切换所述移动终端的通讯模块的信道，如果所述信道切换信息为不进行信道切换，不切换信道；如果所述校验信息为未通过校验，重新发送所述重传缓存中的数据包，如果所述校验信息为通过校验，发送新的数据包。

8.如权利要求7所述的移动视频监控方法，其特征在于，步骤（3）中进行频谱感知得到切换的信道包括以下步骤：

（31）所述控制中心对多个信道进行能量感知，得到多个所述信道的感知报告；

（32）根据所述感知报告以及干扰功率最低接入原则，得到切换的信道。

9.如权利要求7所述的移动视频监控方法，其特征在于，所述移动视频监控方法还包括步骤：

（7）如果信道切换无法恢复所述移动终端与所述控制中心的数据传输，使用中继机器人，中继所述移动终端与所述控制中心的数据传输。

10.如权利要求7所述的移动视频监控方法，其特征在于，所述移动视频监控方法还包括步骤：

（8）所述移动终端监控通讯质量，当所述通讯质量超过设定的阈值，所述移动终端的控制模块增大所述移动终端的通讯模块的发射功率，以保证通讯质量。