軌道交通基于LTE無線承載網(wǎng)車載PIS視頻直播問題研究

何小剛，李仲華，薛坤朋

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．新疆烏京基礎設施建設管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概述

烏魯木齊軌道交通1號線工程通信LTE無線系統(tǒng)，作為綜合業(yè)務承載平臺，采用具有完全自主知識產(chǎn)權的TD-LTE技術，承載了信號CBTC、車載PIS、車載安防、車載FAS信息回傳等業(yè)務，屬于國內地鐵行業(yè)應用首例，本系統(tǒng)于2016年10月通過實驗室環(huán)境測試驗收，2019年6月全線通過竣工驗收進入試運營階段。

針對車載直播畫面產(chǎn)生大量馬賽克花屏、卡頓、黑屏等問題進行研究分析并最終解決。

2 系統(tǒng)構成及業(yè)務流程

2.1 系統(tǒng)結構

烏魯木齊地鐵1號工程PIS系統(tǒng)從結構上可分為以下幾個部分：編播中心系統(tǒng)、各條線路控制中心至車站網(wǎng)絡系統(tǒng)（目前已開通1號線）、車載系統(tǒng)；其中1號線PIS網(wǎng)絡系統(tǒng)又分為中心至車站站廳、站臺有線網(wǎng)絡、中心至列車區(qū)間LTE無線綜合承載網(wǎng)兩個部分，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡系統(tǒng)圖Fig.1 Network system diagram

編播中心系統(tǒng)通過各種接口采集視頻信息流，經(jīng)編輯、處理手段，生成內部信息，按既定規(guī)則或版式播出，以達到向乘客傳遞信息的目的。整個編播中心設備構成了一個完整的播出、集中編播中心、集中監(jiān)控系統(tǒng)。PIS直播業(yè)務主要由視頻流服務器和高清視頻編碼器來實現(xiàn)。

網(wǎng)絡系統(tǒng)利用通信系統(tǒng)提供的中心至車站和中心至列車的網(wǎng)絡通道，該通道用來傳輸中心與各車站、地鐵車輛之間的各種數(shù)據(jù)信息、視頻信息和控制信息。

有線網(wǎng)絡系統(tǒng)采用1 000 Mbit/s以太網(wǎng)接口，專用通信傳輸系統(tǒng)為PIS網(wǎng)絡提供的共享以太網(wǎng)帶寬不低于500 Mbit/s。PIS直播視頻流采用組播方式傳送。

區(qū)間LTE無線綜合承載網(wǎng)為PIS提供帶寬：每列車下行帶寬不低于6 Mbit/s，每列車上行帶寬不低于4 Mbit/s。為節(jié)省無線網(wǎng)絡有限帶寬，PIS直播視頻流采用組播方式傳送，多車車載終端共享組播視頻流帶寬。

2.2 直播業(yè)務流程

編播中心系統(tǒng)將需要直播的各種不同方式、不同格式、不同分辨率、不同幀率的視頻源，通過1臺視頻流服務器和3臺高清編碼器轉換編輯成統(tǒng)一分辨率、H.264編碼壓縮格式的高清視頻流，經(jīng)線路PIS網(wǎng)絡系統(tǒng)（組播協(xié)議）輸送至站廳、站臺以及車載終端屏幕上，其中2臺高清編碼器分別負責車站站廳、站臺的LCD大屏終端直播，直播視頻分辨率1080P，6～10 Mbit/s速率；1臺高清編碼器負責車載PIS直播，直播視頻分辨率720P，2.5～3.5 Mbit/s速率，如圖2所示。

圖2 流程圖Fig.2 Flow diagram

3 問題分析

由于PIS直播業(yè)務在各車站站廳、站臺均無任何問題，可排除系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設備硬件問題（區(qū)間LTE設備除外）。而對于車載系統(tǒng)直播視頻畫面產(chǎn)生大量馬賽克花屏、卡頓、黑屏等問題，理論上原因由以下幾方面。

1）區(qū)間LTE無線綜合承載網(wǎng)是與專用無線通信（800 M）、政務無線通信（800 M）、公安無線通信（350 M）、消防無線通信（350 M）合用一套天饋系統(tǒng)，可能存在駐波、互調等干擾；區(qū)間中繼設備功率設置不合理、隔離度不達標導致的信號質量不高等問題；以上均會造成高清視頻流傳輸?shù)杰囕d終端屏幕上的部分數(shù)據(jù)丟失，而組播是基于TCP/IP協(xié)議傳輸層UDP子協(xié)議，數(shù)據(jù)丟失后沒有重傳補償機制，最終在車載終端上展現(xiàn)出來的情況就是大量馬賽克花屏、卡頓、甚至徹底黑屏。

2）區(qū)間LTE無線綜合承載網(wǎng)傳輸帶寬不足，導致直播視頻流數(shù)據(jù)丟失。

3）視頻源文件以及編碼環(huán)節(jié)導致輸出的高清視頻流部分數(shù)據(jù)損壞、錯誤等問題。

4 問題處理過程

4.1 無線綜合承載網(wǎng)

由于區(qū)間LTE無線綜合承載網(wǎng)是區(qū)間無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的基礎，需首先進行LTE系統(tǒng)的駐波、互調干擾等問題的排查。

1）經(jīng)過各個系統(tǒng)不同頻率的2次諧波、3階互調的計算分析，不存在系統(tǒng)之間的相互互調干擾。

2）駐波比測試，經(jīng)過施工單位使用專業(yè)測試儀器對全線區(qū)間天饋系統(tǒng)的測試排查，發(fā)現(xiàn)車輛段PIS控制中心至正線區(qū)間的咽喉區(qū)出入段線駐波比超出規(guī)定指標（允許值不大于1.5），因為車載PIS直播視頻流傳輸?shù)秸€必須經(jīng)過出入段線，必然導致部分數(shù)據(jù)丟失，影響正線區(qū)間全線直播質量。后經(jīng)過施工單位仔細排查，最終定位天饋系統(tǒng)漏纜的故障點并更換后駐波比達到要求。車載視頻畫面馬賽克、花屏等現(xiàn)象有所減輕，未完全解決，說明還存在其他問題。

3）LTE系統(tǒng)優(yōu)化，經(jīng)過系統(tǒng)集成單位進行正線區(qū)間全線數(shù)據(jù)傳輸帶寬、數(shù)據(jù)丟失率的測試，發(fā)現(xiàn)傳輸帶寬最大平均值為9.689 Mbit/s，最小平均值為5.018 Mbit/s，滿足直播視頻流的要求；但數(shù)據(jù)丟失率超過規(guī)定指標（允許值不大于1%），考慮到在區(qū)間兩中繼點切換帶間信號質量最低，必然造成更高的數(shù)據(jù)丟失率，經(jīng)過對全線區(qū)間中繼設備功率、無線資源分配和調制編碼策略等參數(shù)的優(yōu)化，成功的將平均數(shù)據(jù)丟失率降低至0.18%。車載視頻畫面質量已經(jīng)有了明顯的改善，依舊存在很多馬賽克、花屏等問題。

至此，正線區(qū)間LTE無線綜合承載網(wǎng)的問題排查結束，車載PIS直播質量得到一定改善，基本不再出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，馬賽克也有明顯改善。問題雖未得到根本解決，現(xiàn)有條件下已極大提高數(shù)據(jù)傳輸質量。

4.2 開發(fā)視頻修復程序

由于正線區(qū)間為節(jié)省LTE有限的帶寬，車載PIS視頻直播采用組播技術，而組播方式?jīng)]有丟失數(shù)據(jù)后重傳機制，可考慮流媒體應用軟件層面增加自動補償機制，修正直播視頻丟失的數(shù)據(jù)。

1）直播視頻流編碼速率越高，帶寬需求越大，越容易造成數(shù)據(jù)丟失，目前車載直播視頻編碼速率為3.5 Mbit/s，經(jīng)過對原視頻文件調整編碼速率等測試，發(fā)現(xiàn)降低編碼速率（2.5 Mbit/s、3 Mbit/s）圖像質量無明顯改善，證明前面測試的LTE帶寬是滿足直播視頻流的需要，3.5 Mbit/s速率并沒有超過LTE系統(tǒng)最低平均速率5.018 Mbit/s。

2）開發(fā)數(shù)據(jù)補償重傳應用程序，彌補車載直播視頻數(shù)據(jù)丟失的問題，經(jīng)過供貨商開發(fā)、測試、調試后，數(shù)據(jù)補償重傳機制對大部分視頻源的車載直播視頻流在各個速率（2.5 Mbit/s、3 Mbit/s、3.5 Mbit/s）改善非常明顯，車載視頻畫面無明顯馬賽克、卡頓等問題，基本達到運營要求，問題得到基本解決；但仍有個別視頻源直播后依然存在特定畫面的馬賽克現(xiàn)象。

3）對視頻源文件進行檢查，發(fā)現(xiàn)個別視頻源的原碼率極高，通過高清編碼器輸出后還未進入LTE系統(tǒng)的高清視頻流就已經(jīng)損壞，經(jīng)過編碼器廠家不斷的調整編碼格式、碼率測試后，源文件統(tǒng)一按照720P分辨率、3 Mbit/s速率進行編碼后問題得到解決。

到此，車載直播視頻問題得到圓滿解決。

5 結束語

對于車載直播視頻馬賽克、卡頓、黑屏等問題的排查先后經(jīng)歷了1年時間，最終得到較完美解決，國內首先實現(xiàn)了地鐵行業(yè)基于LTE無線承載網(wǎng)車載PIS直播的應用。