基于LTE-M的地鐵車載乘客信息系統研究與設計

張功升，郭秀清，陳永生

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

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基于LTE-M的地鐵車載乘客信息系統研究與設計

張功升，郭秀清，陳永生

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

針對當前城市軌道交通車載乘客信息系統中車地視頻無線傳輸性能較差、視頻分辨率不高以及系統集成化程度較低的缺陷，在地鐵長期演進LTE-M的基礎上，提出了車載乘客信息系統的集成化設計方案，并著重研究了系統關鍵模塊的軟硬件實現。確定了系統的功能需求并分析了系統的技術條件，在此基礎上建立系統的總體框架，著重討論了車載嵌入式Linux視頻服務器以及視頻轉發服務器的軟硬件設計方案。測試驗證了車載設備可有效承擔720 p、1 080 p的流媒體下發以及D1分辨率的監控視頻上傳，帶寬充足，性能穩定。

地鐵長期演進；乘客信息系統；車地無線通信；嵌入式Linux視頻服務器；轉發服務器

0 引言

地鐵乘客信息系統(Passenger Information System, PIS)是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統，實現列車緊急文本下發、PIS流媒體傳輸播放功能，一般將車載廣播、車廂緊急電話、車載視頻監控也看作PIS的一部分。當前城市軌道交通車地通信方案采用無線電提供語音調度，采用兩路獨立WLAN分別負責信號控制系統(Communication Based Train Control, CBTC)和PIS業務。

車地通信業務不斷增多且數據量不斷增大，傳統方案弊端顯現：單一語音調度不能滿足，急需高清視頻以提供可視化的指揮調度；WLAN采用公用頻段2.4 GHz，易受干擾；WLAN在高速移動場景下帶寬不穩定；WLAN不具備多優先級保障機制，不適合綜合承載多種業務[1]。對于車地通信系統的總體設計方案，語音調度系統、信號系統以及PIS三者分別獨立建網導致系統設計復雜、互聯互通性差。對于PIS子系統的設計方案，廣播音頻通過音頻總線以模擬信號形式傳輸并采用數字信號進行播放的控制，多媒體視頻信息同樣采用模擬方式，監控視頻單獨建立以太網傳輸且只能實現列車本地監控，無法實時上傳至地面，各子功能分別實現同樣導致PIS子系統設計復雜、總線繁多以及維護困難等缺陷。因此，迫切需要網絡化、一體化的設計方案。

近年來，基于LTE的車地無線通信逐漸成為軌道交通領域的研究熱點[2]，本文著重介紹了基于城市軌道交通車地綜合通信系統LTE-M的車載乘客信息系統集成化設計方案以及高清PIS流媒體下傳與高清監控視頻上傳系統的實現。

1 城市軌道交通車地綜合通信系統

基于LTE的城市軌道交通車地綜合通信系統，簡稱LTE-M系統，占有專用頻帶1 785～1 805 MHz， LTE-M系統采用寬帶集群通信架構，由無線終端、集群基站、集群核心網、調度臺和運營支撐系統組成，可綜合承載列車信號控制CBTC、列車緊急文本下發、列車運行狀態監測、閉路電視監控(Closed Circuit Television, CCTV)、PIS流媒體下發、集群調度等多個車地無線通信業務，并為多個業務定義不同的服務質量等級，該系統外部接口如表1所示。

表1 LTE-M系統外部接口

2 車載PIS融合設計方案

2.1 PIS網絡業務及其功能需求

車載PIS可分為3個子系統：PIS視頻系統、車載視頻監控系統以及車載廣播顯示系統(含車廂緊急電話)。涉及車地無線通信的業務有：列車緊急文本下發、PIS流媒體下發、CCTV監控視頻上傳以及車地語音雙向通信等。列車緊急文本是指地面PIS服務器傳送給車載PIS終端的緊急文本信息；PIS流媒體下發是指由地面將視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸到車廂內播放；CCTV監控業務是指將列車駕駛室、列車車廂的視頻監控圖像通過無線的方式傳輸到控制中心或地面監控站。

2.2 PIS融合設計方案

設計基于LTE-M的城市軌道交通高清化乘客信息系統融合化方案，如圖1所示。

圖1 基于LTE-M的一體化乘客信息系統拓撲結構(半編組)

對于車地間無線數據傳輸，主要由無線接入單元(Train Access Unit, TAU)和車載臺兩個車載無線終端完成。TAU是車載寬帶接入終端設備，通過LTE網絡連接地面和列車，為列車提供上下行數據傳輸。TAU支持CBTC列車控制業務的發送和接收、列車運行狀態信息上行發送、地面緊急文本信息的接收、車廂監控視頻的上傳、地面PIS視頻的接收。車載臺通過無線方式接入LTE網絡，部署在列車兩端，為列車司機提供LTE語音、視頻和數據業務，支持語音呼叫、視頻呼叫以及短消息等服務。

對于列車內部數據傳輸，傳統設計方案中，廣播系統采用模擬方式，采用MVB或CAN總線傳輸音頻控制信號并采用模擬音頻總線傳輸音頻信息[3]；監控視頻獨立建網并使用以太網進行傳輸；PIS視頻則由位于駕駛室PIS控制單元的解碼設備解碼后經分屏器、同軸電纜傳輸至各LCD終端播放。廣播系統通過RS232與PIS視頻系統實現聯動。總體而言，各系統的控制設備相互獨立且系統間進行通信需要協議轉換，系統可靠性低、總線繁多、維護困難。集成化設計方案下，PIS視頻、CCTV監控視頻以及車地語音通信皆采用以太網傳輸，在輕量化設計的同時，獲得了更高的傳輸帶寬，為高清視頻傳輸提供了便利。為保障列車廣播系統的可靠性，車載廣播(主要指駕駛員人工廣播)采用模擬信號傳輸音頻數據并采用數字信號進行控制，保障了列車廣播功能的可靠性。列車主干網采用千兆級別的以太網進行數據傳輸，車輛子網采用百兆級別的以太網進行數據傳輸[4]。系統設備除揚聲器和LED外均為網絡設備。

3 車載高清視頻監控系統設計

目前安防行業對于高清的標準主要參考廣播電視行業對數字電視高清的標準定義，包括3種：720 p、1 080 i、1 080 p，畫面寬高比為16:9。業界普遍認為視頻監控領域的高清要達到720p(即1 280像素×720像素，逐行掃描)，并且具備16:9顯示模式和全幀速(25 f/s)[5]。

車載CCTV監控具體功能需求如下：攝像頭采集視頻圖像能夠存儲至車載CCTV服務器本地硬盤，存儲時長不少于15天；攝像頭采集視頻圖像能夠通過LTE-M無線方式傳輸至地面監控工作站進行集中監控，要求可同時進行上行2路或4路視頻傳輸，每路視頻傳輸速率(即碼率、帶寬)為1～2 Mb/s；系統自行檢測設備故障并報錯；能夠進行人口密度識別、運動檢測等一般視頻智能分析。

系統涉及視頻采集輸入、視頻預處理及編碼、視頻傳輸、視頻存儲、視頻解碼播放等過程，主要由5部分組成：前端攝像機、嵌入式視頻服務器、視頻轉發(或稱代理)服務器、TAU、地面客戶端。其物理結構如圖2所示。

圖2 地鐵車載高清視頻監控系統物理結構(半編組)

地鐵網絡視頻監控系統工作原理是：前端模擬攝像機采集圖像信號，接入客室內嵌入式視頻服務器，后者對信號進行A/D轉換、MPEG-4/H.264編碼壓縮等數字化處理后，通過車內以太網絡傳輸至列車駕駛室內的視頻轉發服務器。該視頻轉發服務器是一種雙碼流網絡視頻服務器，所謂雙碼流，是指該轉發服務器將畫面質量較高的一路碼流進行本地存儲，并將另一路畫面質量較低的碼流通過RTSP、RTP協議上傳至地面監控工作站供監控人員實時點播[6-7]。

嵌入式視頻服務器以及視頻轉發服務器分別位于列車的客室和駕駛室。嵌入式視頻服務器采用嵌入式Linux系統，硬件平臺基于高清網絡攝像機SOC Hi3521實現，Hi3521是海思半導體公司針對多路D1和多路高清DVR、NVR產品應用而研發的一款專業高端網絡攝像機SOC，在Hi3521上移植嵌入式Linux操作系統，嵌入式視頻服務器主要完成視頻的采集、預處理、編碼以及網絡實時傳輸功能，考慮到單個車廂安裝有3～4個攝像頭，以及LTE-M規范為視頻監控業務預留的帶寬為每路視頻1～2 Mb/s，設計嵌入式視頻服務器的視頻采集方案為4路720p輸入。硬件設計主要包括視頻Hi3521最小系統、采集模塊、存儲模塊、以太網模塊以及其他外圍設備，如圖3所示。

圖3 嵌入式視頻服務器Hi3521硬件接口

嵌入式Linux視頻服務器應用程序采用多線程程序設計，主線程創建了調度線程和視頻編碼線程，在視頻編碼線程內部又創建了視頻碼流取出與保存線程，如圖4所示。主線程的工作主要為監聽與受理來自轉發服務器的RTSP請求，主要表現為RTSP會話，在此階段，轉發服務器充當RTSP客戶端，嵌入式Linux視頻服務器充當RTSP服務器。

圖4 嵌入式Linux視頻服務器應用程序主線程流程

嵌入式Linux視頻服務器應用程序內調度線程、編碼線程以及取流保存線程之間的關系以及碼流的傳遞如圖5所示。

圖5 編碼、取流與調度線程間的關系

視頻轉發服務器硬件結構與嵌入式Linux視頻服務器不同，其基于X86架構并搭載Windows操作系統。視頻服務器應用程序主要完成碼流接收、碼流(主碼流)本地存儲、碼流(次碼流)網絡傳輸3個功能[8]，多線程程序設計如圖6所示。

圖6 視頻轉發服務器應用程序多線程程序

地鐵車載視頻轉發服務器居于核心地位，車載前端的嵌入式Linux視頻服務器將H.264編碼碼流推流至駕駛室視頻轉發服務器，而地面監控客戶端則從駕駛室的視頻轉發服務器拉流，地鐵車載視頻轉發服務器一方面需要向前端設備發出視頻連接請求，另一方面還要接收來自地面客戶端的視頻點播請求[9]，方可完成H.264碼流的中轉工作。

4 車載高清PIS視頻系統設計

目前上海地鐵PIS視頻尚未達到高清720 p乃至全高清1 080 p，受限的關鍵技術主要在于車地無線通信網絡以及多媒體處理平臺兩個方面。LTE-M網絡以IP方式承載所有網絡業務，為PIS流媒體視頻預留了2 Mb/s～8 Mb/s的帶寬，有效解決傳統方式下WiFi承載帶來的帶寬不足的問題。對于多媒體處理平臺，德州儀器TI達芬奇系列數字多媒體處理芯片如TMS320DM368、TMS320DM8168等多核芯片適用于此類視頻處理[10]。

車載PIS服務器負責接收地面PIS服務器的視頻數據并通過車載交換機和以太網轉發給各LCD終端，由LCD終端自行解碼播放，數據流向為下行。終端硬件設備基于德州儀器的TMS320DM368平臺[11]，終端應用程序主要完成接收視頻數據、解碼并播放的功能。因此，程序流程可以按照多線程程序設計，主線程完成初始化并創建數據接收線程、視頻解碼線程和視頻顯示線程。車載PIS終端應用程序主線程流程如圖7所示。

圖7 車載PIS終端應用程序主線程流程

5 車上下行帶寬分析

車地綜合承載LTE-M系統以IP的方式綜合承載多種業務，PIS內車地通信業務主要包括緊急文本下發、PIS流媒體下傳、CCTV監控視頻上傳。

緊急文本下發由地面PIS服務器將文本信息通過無線方式傳輸至車廂內LCD，規定最大發送200個漢字，數據包長度為400 B，故通信傳輸速率為3.2 kb/s，考慮到無線傳輸帶寬余量，要求無線傳輸帶寬最大為下行10 kb/s。PIS流媒體采用組播方式，對于單路高清(720 p)流媒體視頻，下行帶寬不少于4 Mb/s。車載電視監視業務要求每列車同時上傳2路或4路視頻至地面監控中心播放，保證帶寬為2 Mb/s，即2路1 Mb/s碼率視頻。同時上傳4路2 Mb/s碼率視頻將占用8 Mb/s的帶寬。單車上、下行帶寬統計分析結果如表2所示。

表2 單車PIS上下行帶寬統計

6 結束語

LTE-M系統專門應用于地鐵、輕軌等軌道交通領域，憑借LTE高可靠的抗干擾能力、高效的多業務優先級保障機制以及高速移動下的穩定傳輸等優勢，以IP方式綜合承載CBTC、PIS、CCTV等多個網絡業務，在保障CBTC業務高可靠傳輸的同時，能夠同時滿足緊急文本下發和列車實時狀態的傳輸需求，且能為車載視頻監控和乘客信息傳輸等業務提供有效的通道。通過研究PIS視頻和CCTV監控的網絡業務需求，實現了車載PIS視頻和車載電視監視系統的輕量化、網絡化方案，大大降低了系統復雜度并便于擴展維護。同時著重研究并實現了車載高清視頻編碼、傳輸、播放等關鍵模塊的軟件和硬件設計，并將結合上海輕軌進行線上測試。

[1] 楊利強.城市軌道交通無線通信系統融合方案[J].都市快軌交通,2015,28(2):117-120.

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Research and design of onboard passenger information system in metro based on LTE-M

Zhang Gongsheng, Guo Xiuqing, Chen Yongsheng

(College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to improve vehicle communication performance and video resolution of onboard passenger information system in urban rail transit and simplify the system, an integrated design of onboard passenger information system based on Long Term Evolution-Metro (LTE-M) was proposed and the implementation of key modules in the system were studied. The framework of the system was established after technical condition was analyzed and various functions were identified, the hardware and software design of embedded Linux video server and video proxy server were presented in detail. Tests show that download of streaming media in 720p or 1 080p and upload of surveillance video in D1 can be implemented efficiently. The stability and performance of bandwidth is quite well.

Long Term Evolution-Metro (LTE-M); onboard passenger information system; vehicle wireless communication; embedded Linux video server; proxy server

TP37

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.030

張功升，郭秀清，陳永生.基于LTE-M的地鐵車載乘客信息系統研究與設計[J].微型機與應用，2017,36(11)：102-105.

2016-12-11)

張功升(1993-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統與計算機控制。E-mail：1404833530@qq.com。

郭秀清(1965-)，女，博士，教授，主要研究方向：過程控制與計算機控制。

陳永生(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：仿真與多媒體處理。