郭 悅

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 科技和信息化部，北京 100081)

舉辦北京2022年冬奧會、冬殘奧會是我國重要歷史節(jié)點的重大標志性活動。京張高速鐵路(北京北—張家口)的建設開通為北京冬奧會的成功舉辦提供了重要的交通保障，同時快速便捷地跨賽區(qū)通行對于媒體至關重要，而京張高速鐵路為各方媒體及時進行快速報道提供了有力支持。為了能更好地展示奧運比賽，中央廣播電視總臺(以下簡稱“央視總臺”)聯(lián)合中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)提出通過高速鐵路技術、5G和超高清視頻解碼技術共同打造連接各大賽區(qū)、各大場館、各大媒體的冬奧新型直播平臺，開創(chuàng)性地設置了5G移動超高清演播室，在速度350 km/h 的京張高速鐵路上開展直播。為此，在分析動車組Wi-Fi系統(tǒng)組成及功能，以及基于Wi-Fi的京張高速鐵路超高清移動演播室需求的基礎上，聯(lián)合相關單位在京張高速鐵路沿線開展專項測試，提出移動演播室解決方案，并進行了動車組改造，使之具備了進行超高清直播的條件，圓滿地完成了冬奧會直播任務。

1 動車組Wi-Fi現(xiàn)狀分析

1.1 系統(tǒng)組成

動車組Wi-Fi系統(tǒng)由車地互聯(lián)和車載無線局域網(wǎng)兩部分組成。車地互聯(lián)是動車組與互聯(lián)網(wǎng)之間建立連接的通道；車載無線局域網(wǎng)由各車廂局域網(wǎng)通過有線方式互聯(lián)組成，是用戶終端接入車載內(nèi)容服務系統(tǒng)或互聯(lián)網(wǎng)的接入平臺。

動車組Wi-Fi系統(tǒng)車載設備主要包括5G融合通信網(wǎng)關、單車服務器、無線接入設備(AP)、車頂天線等。中心服務器作為動車組Wi-Fi系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)出口，提供車地互聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸、負載均衡、用戶網(wǎng)絡行為審計等功能，同時為動車組車載無線局域網(wǎng)提供本地內(nèi)容點播服務及內(nèi)容分發(fā)等功能；單車服務器連接中心服務器和AP，提供IP地址分配、本地內(nèi)容服務等功能，同時為AP提供以太網(wǎng)供電(PoE)；AP是用戶連接動車組車載無線局域網(wǎng)的接入點，提供無線網(wǎng)絡接入功能；車頂天線支持5G，并向下兼容4G等全頻段，為中心服務器提供5G及衛(wèi)星導航信號接入[1-5]。動車組Wi-Fi系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 動車組Wi-Fi系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of EMU Wi-Fi system

1.2 業(yè)務需求

央視總臺超高清移動直播演播室基于動車組Wi-Fi使用輕量化、移動化、全IP技術進行演播室相關系統(tǒng)的搭建，演播室需具備兩路景觀機位、一路游機機位以及演播室現(xiàn)場制作信號，具備景觀播放、直播訪談、車廂內(nèi)移動采訪等功能。車內(nèi)景觀機位及游機的IP化節(jié)目信號分別通過車內(nèi)有線、無線局域網(wǎng)傳輸至高速鐵路演播室系統(tǒng)，與演播室現(xiàn)場制作信號共同經(jīng)視音頻制作系統(tǒng)制作后，成品節(jié)目信號通過動車組Wi-Fi系統(tǒng)回傳至央視總臺進行節(jié)目播出。該演播室可為央視總臺各節(jié)目部門提供全媒體直播服務，包含大屏超高清節(jié)目直播服務，以及各新媒體客戶端的直播服務等[6]。

1.2.1 高清移動演播室

（1）在速度350 km/h的京張高速鐵路上實現(xiàn)超高清信號穩(wěn)定且連續(xù)地回傳至央視總臺接收平臺。

（2）移動演播室對帶寬的需求主要體現(xiàn)在上行方向，按照一路4K高清視頻計算，需要40 Mbps左右的上行帶寬。

（3）景觀機固定在車頭和車尾，通過旅客信息系統(tǒng)(PIS)交換機連接至移動演播室，需要40 Mbps左右的局域網(wǎng)有線帶寬。

（4）游機通過接入動車組Wi-Fi系統(tǒng)，實現(xiàn)在1號—8號車廂內(nèi)移動狀態(tài)下對車廂內(nèi)旅客進行采訪，動車組在8號車廂設置演播室，將采訪的4K超高清信號傳輸?shù)?號車廂演播室，結(jié)合景觀機回傳圖像進行制作，回傳至央視總臺。

（5）央視總臺在動車組上的超高清聚合接收系統(tǒng)接收央視總臺信號返送回高速鐵路超高清移動演播室用于回監(jiān)。

1.2.2 媒體專用車廂

動車組在5號車廂設置媒體專用車廂，供記者、媒體采訪直播使用。按照滿載48人，每人所需上行2 Mbps、下行1 Mbps帶寬，并發(fā)率為60%的模型計算，媒體車廂使用動車組Wi-Fi上網(wǎng)帶寬需求為上行60 Mbps、下行30 Mbps。

1.2.3 旅客使用Wi-Fi上網(wǎng)

除超高清移動演播室和媒體專用車廂，動車組同時支持旅客使用Wi-Fi上網(wǎng)。按照旅客500人，35%使用率，60%并發(fā)率，每人所需上行200 kbps、下行1 Mbps帶寬的模型計算，旅客使用高速鐵路Wi-Fi上網(wǎng)帶寬需求為上行21 Mbps、下行105 Mbps。

1.3 安全需求

（1）動車組Wi-Fi系統(tǒng)為央視總臺提供獨立的無線接入點(SSID)、網(wǎng)絡接入頻點和AP用于滿足游機信號網(wǎng)絡傳輸所需的無線網(wǎng)絡，同時其需與旅客及其他業(yè)務使用的Wi-Fi隔離。

（2）PIS為央視總臺提供的用于滿足超高清移動直播演播室景觀機位及央視總臺5G傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸所需的有線局域網(wǎng)，需與PIS系統(tǒng)車內(nèi)現(xiàn)有其他業(yè)務系統(tǒng)的網(wǎng)絡隔離，至少需保證在網(wǎng)絡子網(wǎng)(VLAN)層面的邏輯隔離及業(yè)務的網(wǎng)絡安全服務質(zhì)量(Qos)保障。

2 超高清移動演播室專項測試

2.1 測試目的

基于以上業(yè)務及安全需求，為進一步掌握京張高速鐵路沿線5G信號覆蓋情況、動車組車內(nèi)車載5G網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸能力、移動超高清演播室與動車組環(huán)境兼容性等指標，在國鐵集團統(tǒng)一安排部署下，2021年7月，中國鐵道科學研究院集團有限公司聯(lián)合央視總臺、中車長客軌道客車股份有限公司、中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司等單位在CR400BF-C-5162智能動車組列車上開展了“5G高清演播室”5G網(wǎng)絡、車載環(huán)境等方面的聯(lián)合測試。主要測試目的包括以下方面。

（1）驗證5G網(wǎng)絡系統(tǒng)車地網(wǎng)絡上行、下行傳輸能力和通訊質(zhì)量。

（2）驗證CR400BF-C-5162智能動車組列車5G網(wǎng)絡上行傳輸能力和質(zhì)量是否滿足高速鐵路5G移動演播室直播數(shù)據(jù)回傳網(wǎng)絡需求，以及5G網(wǎng)絡車載設備布置是否滿足5G超高清移動演播室要求。

（3）驗證網(wǎng)絡系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、動力系統(tǒng)與動車組相關系統(tǒng)的對接是否滿足央視總臺5G移動演播室相關需求。

（4）獲取動車組列車運行中通信與信號設備間及其傳感器附近的電磁環(huán)境水平，測量動車組車載電源電能質(zhì)量及電磁兼容性能，測試車載列控系統(tǒng)各端口的電磁騷擾水平。

（5）驗證5G小站方案可行性、網(wǎng)絡連通性、數(shù)據(jù)業(yè)務功能、帶寬及時延等性能指標。

2.2 測試內(nèi)容

此次測試主要圍繞智能動車組PIS系統(tǒng)和動車組Wi-Fi系統(tǒng)與央視總臺5G網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)間的連通性、央視總臺5G網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)基于車載5G網(wǎng)絡系統(tǒng)實際回傳效率、5G移動超高清演播室相關建設功能、電力提供和電磁兼容、5G小站方案網(wǎng)絡連通性和數(shù)據(jù)業(yè)務功能性能指標等方面開展，分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試2個階段，均為不載旅客情況下進行。測試期間聯(lián)合測試團隊利用列車現(xiàn)有資源完成了以下方面的測試內(nèi)容。

（1）基于PIS系統(tǒng)和動車組Wi-Fi系統(tǒng)與央視總臺5G背包傳輸系統(tǒng)的對接配置、連通性測試和數(shù)據(jù)回傳總臺的效率測試。

（2）景觀機及游機基于車內(nèi)有線/無線系統(tǒng)將信號傳輸至演播室視音頻系統(tǒng)的功能和性能測試，演播室視音頻設備、燈光、動力供配電接入測試。

（3）5G小站方案與移動試驗核心網(wǎng)對接、網(wǎng)絡聯(lián)通性、數(shù)據(jù)業(yè)務功能、帶寬及時延等網(wǎng)絡性能指標的一系列測試。

（4）電磁環(huán)境兼容等一系列測試工作。①動車組車載信號設備安裝空間電磁環(huán)境測試，包括動車組車載自動駕駛系統(tǒng)(ATO)及列車自動防護系統(tǒng)(ATP)、車載綜合無線通信(CIR)等設備安裝空間處空間射頻電磁場；②車載列控系統(tǒng)設備各端口電磁騷擾測試，包括車載列控系統(tǒng)中車載CIR設備、車載ATP設備敏感端口連接電纜上共模電磁騷擾電流時域與頻域數(shù)據(jù)；③車載電源電能質(zhì)量及電磁兼容性測試，包括車載110 V直流電源差模電磁騷擾信號。

2.3 測試結(jié)論

經(jīng)試驗分析，利用動車組Wi-Fi系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)搭建5G超高清移動演播室，能夠?qū)⒁曨l信號以40 M左右碼率穩(wěn)定回傳至央視總臺5G媒體應用實驗室，車內(nèi)游機通過車內(nèi)Wi-Fi系統(tǒng)可以以40 M碼率將視頻信號穩(wěn)定回傳至車廂演播室切換系統(tǒng)。同時，音視頻設備供電電源滿足冗余及不間斷供電的要求，電磁環(huán)境在正常的范圍內(nèi)。

3 京張高速鐵路超高清移動演播室總體方案及關鍵技術

3.1 技術方案

結(jié)合目標需求及測試結(jié)論，利用動車組Wi-Fi系統(tǒng)現(xiàn)有資源及帶寬聚合等關鍵技術，制定了5G超高清移動演播室技術方案。

系統(tǒng)整體架構(gòu)由車內(nèi)移動演播室系統(tǒng)、回傳系統(tǒng)以及央視總臺地面系統(tǒng)3部分組成，其中車內(nèi)移動演播室系統(tǒng)由動車組Wi-Fi系統(tǒng)、超高清聚合網(wǎng)關、IP切換臺、視頻系統(tǒng)、景觀機、游機等組成。游機連接至各個車廂內(nèi)的AP接入動車組Wi-Fi系統(tǒng)，AP接入車內(nèi)局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至移動演播室；景觀機為固定機位，位于1號車廂和8號車廂，通過架設的便攜攝像機采集圖像視頻并連接車內(nèi)局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至移動演播室；演播室內(nèi)布置超高清聚合網(wǎng)關，進行數(shù)據(jù)聚合，完成景觀機位采集信號的傳輸?shù)街谱鳌Ｖ谱魍瓿珊?，輸出至回傳系統(tǒng)，由回傳系統(tǒng)采用VBR動態(tài)編碼技術使用路由聚合模式(聚合不同運營商的5G資源)與動車組Wi-Fi系統(tǒng)連接，將信號回傳至央視總臺播出。京張高速鐵路超高清移動演播室總體架構(gòu)如圖2所示[7]。

圖2 京張高速鐵路超高清移動演播室總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of ultra-HD mobile studio for Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

3.2 系統(tǒng)功能

（1）互聯(lián)網(wǎng)接入和訪問。動車組Wi-Fi系統(tǒng)能夠同時接入不同運營商5G網(wǎng)絡，支持每個運營商不少于2張SIM卡的配置能力，且具備多信道、帶寬匯聚功能和通道加密功能；在動車組350 km/h運營速度下，根據(jù)運營商的網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量，進行自適應負載均衡、QoS限速、業(yè)務流動態(tài)調(diào)度、應用識別和訪問控制，避免有限的公網(wǎng)通信帶寬被高帶寬應用過度占用。

（2）車載無線局域網(wǎng)。動車組Wi-Fi系統(tǒng)車廂內(nèi)采用AP進行無線覆蓋，確保Wi-Fi信號連續(xù)覆蓋，構(gòu)建車載無線局域網(wǎng)，提供車內(nèi)無線網(wǎng)絡通信；系統(tǒng)具備統(tǒng)一規(guī)劃車載無線局域網(wǎng)設備IP地址的能力，防止IP地址沖突。

（3）認證鑒權(quán)。動車組Wi-Fi系統(tǒng)能提供用戶認證鑒權(quán)功能，具備對用戶進行身份認證，提供用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的鑒權(quán)功能，對用戶的身份、權(quán)限及訪問內(nèi)容進行認證。

（4）安全防護。為確保移動演播室的安全運行，動車組Wi-Fi系統(tǒng)具備下列安全防護功能：①設備配置端口防護、防火墻等安全策略，防止病毒入侵、黑客攻擊等惡意破壞行為；②具備檢測外部設備授權(quán)狀態(tài)的功能，能夠拒絕未授權(quán)設備的接入，防止惡意攻擊、系統(tǒng)信息篡改，系統(tǒng)信息被篡改后可自動修復；③設備日志、告警等管理維護信息的存儲周期大于60 d；④支持對用戶行為進行記錄與追溯，用戶信息、用戶行為等重要數(shù)據(jù)的存儲周期大于60 d。

（5）維護與管理。動車組Wi-Fi系統(tǒng)支持對車載設備運行狀態(tài)進行本地或遠程監(jiān)控、維護管理功能，設備具備上電自啟動功能，與其他車載系統(tǒng)網(wǎng)絡隔離，系統(tǒng)崩潰或被攻擊不應影響其他車載系統(tǒng)。

3.3 安全方案

為了保障在冬奧會期間京張高速鐵路超高清移動演播室數(shù)據(jù)安全，采取保障措施如下。

（1）動車組Wi-Fi系統(tǒng)5G通信網(wǎng)關預留移動演播室專用通信模塊，與旅客通信通道物理隔離，動車組Wi-Fi系統(tǒng)AP為游機分配獨立且隱藏的服務集標識(SSID)，并建立直播系統(tǒng)專屬VLAN，與動車組Wi-Fi系統(tǒng)旅客進行邏輯隔離。

（2）景觀機通過PIS交換機VLAN100連接至移動演播室，與其他系統(tǒng)進行邏輯隔離。

（3）動車組Wi-Fi系統(tǒng)的移動、聯(lián)通SIM卡均采用獨立通道方式接入運營商5G網(wǎng)絡，僅承載直播業(yè)務，以保障直播信號的安全性。

（4）動車組Wi-Fi系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)之間通過動車組千兆以太網(wǎng)交換機進行VLAN邏輯隔離。

（5）央視總臺5G傳輸系統(tǒng)背包設備的上行通道，采用央視總臺自有的應用聚合協(xié)議，通過獨立網(wǎng)卡連接動車組Wi-Fi系統(tǒng)，僅允許指定協(xié)議的數(shù)據(jù)經(jīng)車載5G模組發(fā)送至央視總臺，以保證視音頻節(jié)目信號傳輸?shù)陌踩玔8]。

3.4 改造方案

根據(jù)以上央視總臺業(yè)務需求以及測試結(jié)果，動車組主要改造內(nèi)容如下。

（1）動車組8號車二等客室座椅全部拆除，改造為直播演播室，設演播區(qū)(長度6 m)和導控區(qū)(長度2 m)。

（2）新增2臺3.5 kVA單相逆變器為演播室設備提供冗余電源。

（3）在兩端司機室前部安裝景觀機位，景觀機信號通過硬線接入，游機信號通過車廂Wi-Fi接入，均通過動車組千兆以太網(wǎng)將音視頻信號發(fā)送至8號車央視總臺網(wǎng)絡交換機。

（4）央視總臺編輯后的音視頻信號通過5號車車頂天線傳輸至地面，從而實現(xiàn)車載直播信號的回傳。

3.5 關鍵技術

（1）設計了多通道、全頻段、高性能的5G天線。為了支持京張高速鐵路沿線多家運營商不同頻段的5G網(wǎng)絡覆蓋，大幅降低高速鐵路列車對5G信號的穿透損耗，保證動車組5G直播室內(nèi)的信號質(zhì)量，同時兼顧原有Wi-Fi業(yè)務，設計了多通道、全頻段、高性能的多頻段4×4 MIMO組合天線。

（2）基于5G技術，研發(fā)了動車組Wi-Fi系統(tǒng)網(wǎng)關多通道、大帶寬、低時延互聯(lián)網(wǎng)接入、鏈路聚合、負載均衡技術和車載AP安全無線接入技術。研究使用等價多路徑路由(Equal Cost Multi-path)技術，在用戶使用多任務情況下實現(xiàn)帶寬疊加，設計通過多路傳輸控制協(xié)議MPTCP (MultiPath TCP)技術實現(xiàn)對TCP協(xié)議的鏈路聚合，實現(xiàn)用戶單任務的帶寬疊加。針對車載5G通信網(wǎng)關支持多通道、多鏈路的特點，研究設計按照預設規(guī)則分配不同的權(quán)重和優(yōu)先級給不同鏈路，并在特定條件下進行鏈路切換和負載均衡。當某個運營商網(wǎng)絡出現(xiàn)盲區(qū)或弱信號時，通過基于沿線網(wǎng)絡覆蓋動態(tài)監(jiān)測及決策技術，將數(shù)據(jù)切換到其他運營商網(wǎng)絡，保證網(wǎng)絡連接的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在保障直播對信號傳輸高質(zhì)量要求的同時，通過VLAN隔離、獨立設定SSID，獨立配置網(wǎng)段等形成車載AP安全無線接入方案，保證直播無安全事故。

（3）構(gòu)建綜合運維智能化監(jiān)控管理平臺。應用基于業(yè)務基線模型和全鏈路追蹤的服務故障定位系統(tǒng)，構(gòu)建了“云-網(wǎng)-端”綜合運維智能化監(jiān)控管理平臺，通過ZeroMQ下發(fā)配置文件和指令給指定的車輛，車端定時采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并根據(jù)規(guī)則進行監(jiān)控，在冬奧會期間提供智能化的運維保障服務[9-10]。

3.6 應用效果

冬奧會期間，在速度350 km/h的京張高速鐵路上實現(xiàn)了冬奧賽事的超高清直播。同時，車頭和車尾的景觀機可實時采集列車行駛中的景觀畫面。這是全球首個設置在350 km/h高速鐵路列車上的基于5G的超高清演播室，自2022年1月6日正式上線以來，央視總臺累計保障各頻道制作節(jié)目40余場，累計達到了91.5 h，為冬奧報道提供了全新的平臺和視角。

4 結(jié)束語

以2022年北京冬奧會為背景，以全球首次在速度350 km/h的京張高速鐵路上開展視頻直播為目標，分析了既有動車組Wi-Fi系統(tǒng)的組成及功能，通過分析央視總臺提出的業(yè)務需求及安全需求，提出5G超高清移動演播室技術方案、安全方案和改造方案。利用設計多通道、全頻段、高性能的5G天線，研發(fā)互聯(lián)網(wǎng)接入、鏈路聚合、負載均衡技術、車載AP安全無線接入技術，以及綜合運維智能化監(jiān)控管理平臺的應用，支撐央視總臺超高清移動演播室完成了各類冬奧賽事的直播任務，讓境內(nèi)外觀眾和媒體人士全景式感受科技元素與北京冬奧的完美融合。