章浩

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司 上海 200060）

1 TD-LTE視頻監(jiān)控特點(diǎn)

從本質(zhì)上說(shuō)，基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在和目前其他方式的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在一樣，都是通信網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺(tái)，將分散、獨(dú)立的采集點(diǎn)圖像信息進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理及存儲(chǔ)，滿足客戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理和信息傳遞的需求。但是在業(yè)務(wù)體驗(yàn)上，基于TD-LTE的視頻監(jiān)控卻解決了目前基于其他通信網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的諸多不足，其在空口處理和業(yè)務(wù)體驗(yàn)上均有獨(dú)到之處。

目前主要的視頻監(jiān)控承載方式包括有線方式、WLAN方式、2G/3G網(wǎng)絡(luò)方式，以上方式均存在各自的問題。

（1） 傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控部署較為困難、成本投入大；

（2） WLAN無(wú)線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的攝像頭無(wú)法滿足攝像前端高速跨區(qū)移動(dòng)的需求；

（3） 基于2G/3G等現(xiàn)有無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)承載速率較低，畫面清晰度差。

基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)解決了以上問題，提高了監(jiān)控效率，在保證傳統(tǒng)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)所有功能的同時(shí)，能夠獲得更為逼真、清晰的數(shù)字化圖像質(zhì)量與更為便捷、實(shí)用的監(jiān)控管理和維護(hù)。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

TD-LTE移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可分為無(wú)線接入側(cè)、業(yè)務(wù)平臺(tái)、監(jiān)控觀看側(cè)。業(yè)務(wù)平臺(tái)主要包括以下部分。

（1） 業(yè)務(wù)/內(nèi)容管理單元：包含平臺(tái)管理、地區(qū)管理、運(yùn)營(yíng)商操作員管理、區(qū)域管理員管理、客戶管理、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)管理功能；

（2） 前端網(wǎng)管：為了更好的對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)，滿足用戶對(duì)各類視頻編碼設(shè)備的遠(yuǎn)程集中配置和管理的要求，從而提高設(shè)備的易用性和可管理性；

（3） 平臺(tái)網(wǎng)管：滿足運(yùn)營(yíng)商在運(yùn)維時(shí)的需要，全面了解網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，迅速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的故障，綜合分析和管理全網(wǎng)，提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率；

（4） 媒體分發(fā)服務(wù)器：主要完成視頻的轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)功能；

圖1 TD-LTE視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺(tái)組網(wǎng)方案

（5） 媒體存儲(chǔ)服務(wù)器：針對(duì)視頻監(jiān)控的文件管理，通過(guò)提供簡(jiǎn)單的文件管理儲(chǔ)存功能，提供按照文件分類管理文件。

以上各模塊和實(shí)現(xiàn)的功能，滿足傳統(tǒng)的所有視頻監(jiān)控平臺(tái)的需求，因此，TD-LTE視頻監(jiān)控平臺(tái)無(wú)需單獨(dú)開發(fā)或新建視頻監(jiān)控平臺(tái)，可以利用原有平臺(tái)，節(jié)約投入成本。

2.2 終端設(shè)計(jì)方案

基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，采用了兩種終端形式。

車/船載移動(dòng)終端：專用攝像頭+DVR+大型CPE（含備份），傳輸圖像質(zhì)量可以達(dá)到D1格式704×576p的分辨率以及上行峰值速率2Mbit/s，根據(jù)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)甚至可以支持高清視頻，即1280×720p的分辨率以及上行峰值速率4Mbit/s，如圖1所示。

圖1 車/船載TD-LTE 視頻監(jiān)控終端架構(gòu)

相比較于傳統(tǒng)的無(wú)線視頻監(jiān)控，此終端采用TD-LTE的CPE作為無(wú)線傳輸模塊，支持高速移動(dòng)性和跨區(qū)切換。各模塊功能如下。

（1） 攝像頭：采集模擬視頻監(jiān)控畫面；

（2） 云臺(tái)：遠(yuǎn)端可調(diào)，以便操作人員調(diào)整攝像頭方位從而對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行有選擇的監(jiān)控；

（3） DVR：對(duì)模擬視頻流進(jìn)行H.264視頻編碼成數(shù)字信號(hào)，可本地存儲(chǔ)前端監(jiān)控視頻；

（4） LTE CPE：負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)通過(guò)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)傳送至業(yè)務(wù)平臺(tái)；

（5） 供電模塊：對(duì)各設(shè)備進(jìn)行供電；

（6） 前端防雷模塊（可選）：在江面、高處等易遭雷擊的布放場(chǎng)景采用。

單人攜帶移動(dòng)終端：此終端方案采用單人背包方式攜帶視頻監(jiān)控設(shè)備和LTE CPE，提供移動(dòng)狀態(tài)下的D1監(jiān)控視頻流上傳。設(shè)備集成度高，整套設(shè)備用一個(gè)背包就可以容納，監(jiān)控人員能夠根據(jù)監(jiān)控需求靈活地選擇拍攝時(shí)間和拍攝地點(diǎn)。為了體現(xiàn)設(shè)備的便攜性，設(shè)備選型采用家用DV設(shè)備和小型化LTE CPE，鋰電池供電，重量小于5kg，續(xù)航時(shí)間大于2h，如表1所示。

3 QoS保障機(jī)制

TD-LTE提供的移動(dòng)高清視頻監(jiān)控可以達(dá)到移動(dòng)狀態(tài)下標(biāo)清和高清的圖像質(zhì)量，因此對(duì)QoS的保障機(jī)制提出更高的要求，以保證端到端業(yè)務(wù)的時(shí)延、抖動(dòng)和誤碼率。在實(shí)際部署中，從編碼方式和LTE網(wǎng)絡(luò)QoS保障策略兩方面對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量進(jìn)行了保障。如表2所示。

表1 當(dāng)前主流的單人視頻監(jiān)控方式對(duì)比

表2 TD-LTE視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)指標(biāo)

3.1 通過(guò)信道編碼和重傳等機(jī)制保障QoS

（1）采用基于Reed-Solomon算法的N+M冗余機(jī)制：N個(gè)報(bào)文根據(jù)RS算法生成M個(gè)冗余報(bào)文，該N+M個(gè)報(bào)文組成一個(gè)報(bào)文組，不同報(bào)文組中允許出現(xiàn)不同程度的報(bào)文丟失，但丟失數(shù)量需小于M個(gè)，即發(fā)生少量丟包時(shí)接收端根據(jù)冗余數(shù)據(jù)恢復(fù)后的報(bào)文流，整個(gè)過(guò)程無(wú)需重傳；

（2） 基于Selective ARQ的重傳機(jī)制：關(guān)鍵幀或大量報(bào)文丟失時(shí)通過(guò)Selective ARQ機(jī)制請(qǐng)求發(fā)送端重傳；

（3） 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的碼率動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制：媒體服務(wù)器向DVS動(dòng)態(tài)反饋接收到的碼率，DVS根據(jù)鏈路情況動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出的碼流，對(duì)輸出流量進(jìn)行整形，減少突發(fā)；媒體服務(wù)器對(duì)接收的報(bào)文進(jìn)行亂序重整減少抖動(dòng)。

3.2 制定TD-LTE網(wǎng)絡(luò)QoS保障策略

根據(jù)3GPP協(xié)議對(duì)QoS策略進(jìn)行的定義。針對(duì)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，采用區(qū)域限制和帶寬控制、QCI參數(shù)設(shè)置等手段來(lái)完成對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量的保障。如表3所示。

區(qū)域限制業(yè)務(wù)：是通過(guò)在HSS中向用戶提供的區(qū)域簽約數(shù)據(jù)，來(lái)限制用戶的活動(dòng)區(qū)域，從而保證每個(gè)小區(qū)內(nèi)話務(wù)模型不會(huì)超載。在這些區(qū)域碼定義的區(qū)域內(nèi)用戶可以得到服務(wù)，在這些區(qū)域外，除了緊急呼叫，用戶對(duì)其它業(yè)務(wù)的請(qǐng)求都會(huì)被拒絕。用戶如果沒有區(qū)域簽約數(shù)據(jù)，則不受區(qū)域限制的影響。區(qū)域碼由運(yùn)營(yíng)商在PLMN內(nèi)定義，區(qū)域碼對(duì)應(yīng)的區(qū)域級(jí)別可以是位置區(qū)或小區(qū)。一個(gè)區(qū)域碼定義的區(qū)域可以由一個(gè)或幾個(gè)位置區(qū)（或小區(qū)）組成；不同區(qū)域碼定義的區(qū)域可以重疊，即一個(gè)位置區(qū)（或小區(qū)）可以同時(shí)屬于不同區(qū)域碼定義的區(qū)域。通過(guò)區(qū)域限制，保障了視頻監(jiān)控點(diǎn)以及其它TD-LTE業(yè)務(wù)終端在各個(gè)小區(qū)內(nèi)的合理分配。

表3 TD-LTE視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)QoS參數(shù)配置

帶寬控制：通過(guò)GBR和Non-GBR參數(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)GBR類型業(yè)務(wù)接入，評(píng)估資源(無(wú)線和核心網(wǎng)的資源)是否充足，是則接入，否則拒絕。對(duì)于Non-GBR業(yè)務(wù)，評(píng)估已接入用戶的滿意度，若影響程度在一定范圍內(nèi)，則允許接入。

QCI參數(shù)：可理解為相對(duì)優(yōu)先級(jí)，對(duì)于QCI優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的時(shí)延/抖動(dòng)/丟包率等網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量參數(shù)，是一個(gè)保證值，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中按照QCI參數(shù)的分類，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行QoS控制。QCI用作控制數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)處理，包含9類QCI業(yè)務(wù)類型，每類業(yè)務(wù)類型對(duì)應(yīng)不同的調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

4 主要業(yè)務(wù)流程（如圖2所示）

（1）設(shè)備CPE向eNode B發(fā)送“Attach Request”消息發(fā)起附著流程；

（2） eNodeB選擇相應(yīng)的MME，并通過(guò)S1-MME接口的控制信令消息（Initial UE Message）向MME前轉(zhuǎn)“Attach Request”消息；

（3）執(zhí)行進(jìn)行鑒權(quán)和加密等安全性流程；

（4）MME將對(duì)所有的NAS層消息進(jìn)行加密保護(hù)和完整性保護(hù)，向CPE發(fā)起鑒權(quán)，通過(guò)鑒權(quán)結(jié)果判斷附著過(guò)程是否繼續(xù)；

（5）若出現(xiàn)用戶信息變化，MME將向HSS發(fā)送“Update Location Request”消息，該位置更新請(qǐng)求消息中攜帶MME Identity，IMSI，ME Identity，MME Capabilities，Update Type等參數(shù)；

（6）HSS確認(rèn)位置更新，并發(fā)送“Update Location Ack”消息給目標(biāo)MME，消息中攜帶了IMSI, Subscription data等參數(shù)；

（7）MME向 Serving GW 發(fā) 送“Creat Session Request”請(qǐng)求，開始建立默認(rèn)承載；

（8）Serving GW在其EPS承載表中創(chuàng)建一個(gè)新的入口，然后向PDN GW發(fā)送一條“Create Session Request”消息；

（9）PDN GW在其EPS承載表中創(chuàng)建一個(gè)新的入口并同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)計(jì)費(fèi)ID，新入口允許PDN GW將用戶面數(shù)據(jù)在Serving GW與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）之間進(jìn)行路由，并開始計(jì)費(fèi)。PDN GW返回一條“Create Session Response”響應(yīng)；

（10）Serving GW向目標(biāo)MME返回一條“Create Session Response”默認(rèn)承載建立響應(yīng)；

（11）目標(biāo)MME將會(huì)向eNodeB發(fā)送“Initial Context Setup Request”請(qǐng)求建立上下文，以及“Attach Accept”消息，同意附著；

（12）eNode B向LTE CPE發(fā)送“RRC Connection Reconfiguration”消息，建立RRC連接；

圖2 TD-LTE視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)上線交互流程

（13） LTE CPE向 eNode B發(fā) 送“RRC Connection Reconfiguration Complete”消息，RRC連接成功建立；

（14）eNode B向目標(biāo)MME發(fā)送“Initial Context Response”響應(yīng)消息，同意建立上下文；

（15）LTE CPE向eNode B發(fā)送DT消息，表示成功完成網(wǎng)絡(luò)附著；

（16）eNode B通過(guò)上行NAS傳送消息向目標(biāo)MME前轉(zhuǎn)“Attach Complete”消息。TD-LTE CPE網(wǎng)絡(luò)附著流程結(jié)束；

（17）視頻監(jiān)控前端設(shè)備，包括鏡頭、DVS、云臺(tái)等向前端接入網(wǎng)關(guān)PAG發(fā)起注冊(cè)信息；

（18）前端設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)將設(shè)備注冊(cè)的信息轉(zhuǎn)發(fā)至業(yè)務(wù)控制單元進(jìn)行注冊(cè)；

（19）業(yè)務(wù)控制單元核實(shí)設(shè)備合法性，將注冊(cè)通過(guò)的確認(rèn)信息返回至前端接入網(wǎng)關(guān)；

（20）前端接入網(wǎng)關(guān)將設(shè)備注冊(cè)響應(yīng)返回至前端設(shè)備；

（21）業(yè)務(wù)控制單元通過(guò)客戶端接入網(wǎng)管向客戶端發(fā)起鏡頭上線通知；

（22）客戶端接收上線鏡頭列表后通過(guò)客戶端接入網(wǎng)管向業(yè)務(wù)控制單元返回鏡頭上線通知響應(yīng)；

（23）監(jiān)控端和觀看端之間通信建立完成，可以進(jìn)行視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的所有基本功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)本身的新穎性和其高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，賦予了基于TD-LTE的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)相比于其它視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的諸多特性。其主要特點(diǎn)可以歸結(jié)如下。

（1） 實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控領(lǐng)域的高清視頻圖像傳輸：由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力較低，目前的無(wú)線視頻監(jiān)控大多采用CIF格式等較低清晰度的畫面，TDLTE技術(shù)可以使得高清視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)可以提供D1甚至HD的視頻圖像；

（2） 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的移動(dòng)化：利用TDLTE網(wǎng)絡(luò)的特性和QoS保障機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在車、船高速場(chǎng)景下的畫面質(zhì)量和流暢程度，根據(jù)實(shí)測(cè)可以支持120km/h的速度；

（3） 保障視頻監(jiān)控設(shè)備的小型化：具備單人攜帶設(shè)備進(jìn)行視頻監(jiān)控的能力，所有設(shè)備都可以存放在一個(gè)背包中，部署迅速，滿足單人隨時(shí)隨地進(jìn)行視頻監(jiān)控的需求。