TD-LTE視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)研究*

章浩

（中國移動通信集團上海有限公司 上海 200060）

1 TD-LTE視頻監(jiān)控特點

從本質(zhì)上說，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，將分散、獨立的采集點圖像信息進行聯(lián)網(wǎng)處理，實現(xiàn)跨區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理及存儲，滿足客戶進行遠程監(jiān)控、管理和信息傳遞的需求。但是在業(yè)務(wù)體驗上，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)體驗上均有獨到之處。

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無線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的攝像頭無法滿足攝像前端高速跨區(qū)移動的需求；

（3） 基于2G/3G等現(xiàn)有無線移動網(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，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、實用的監(jiān)控管理和維護。

2 技術(shù)實現(xiàn)方案

2.1 平臺設(shè)計方案

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

（1） 業(yè)務(wù)/內(nèi)容管理單元：包含平臺管理、地區(qū)管理、運營商操作員管理、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：為了更好的對前端設(shè)備進行管理和維護，滿足用戶對各類視頻編碼設(shè)備的遠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） 平臺網(wǎng)管：滿足運營商在運維時的需要，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)運行的故障，綜合分析和管理全網(wǎng)，提高網(wǎng)絡(luò)的運行效率；

（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)平臺組網(wǎng)方案

（5） 媒體存儲服務(wù)器：針對視頻監(jiān)控的文件管理，通過提供簡單的文件管理儲存功能，提供按照文件分類管理文件。

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

2.2 終端設(shè)計方案

基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，采用了兩種終端形式。

車/船載移動終端：專用攝像頭+DVR+大型CPE（含備份），傳輸圖像質(zhì)量可以達到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)場的實測結(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)的無線視頻監(jiān)控，此終端采用TD-LTE的CPE作為無線傳輸模塊，支持高速移動性和跨區(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：遠端可調(diào)，以便操作人員調(diào)整攝像頭方位從而對周邊環(huán)境進行有選擇的監(jiān)控；

（3） DVR：對模擬視頻流進行H.264視頻編碼成數(shù)字信號，可本地存儲前端監(jiān)控視頻；

（4） LTE CPE：負責將數(shù)字信號通過TD-LTE網(wǎng)絡(luò)傳送至業(yè)務(wù)平臺；

（5） 供電模塊：對各設(shè)備進行供電；

（6） 前端防雷模塊（可選）：在江面、高處等易遭雷擊的布放場景采用。

單人攜帶移動終端：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間和拍攝地點。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)航時間大于2h，如表1所示。

3 QoS保障機制

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

表1 當前主流的單人視頻監(jiān)控方式對比

表2 TD-LTE視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)指標

3.1 通過信道編碼和重傳等機制保障QoS

（1）采用基于Reed-Solomon算法的N+M冗余機制：N個報文根據(jù)RS算法生成M個冗余報文，該N+M個報文組成一個報文組，不同報文組中允許出現(xiàn)不同程度的報文丟失，但丟失數(shù)量需小于M個，即發(fā)生少量丟包時接收端根據(jù)冗余數(shù)據(jù)恢復后的報文流，整個過程無需重傳；

（2） 基于Selective ARQ的重傳機制：關(guān)鍵幀或大量報文丟失時通過Selective ARQ機制請求發(fā)送端重傳；

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

3.2 制定TD-LTE網(wǎng)絡(luò)QoS保障策略

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

區(qū)域限制業(yè)務(wù)：是通過在HSS中向用戶提供的區(qū)域簽約數(shù)據(jù)，來限制用戶的活動區(qū)域，從而保證每個小區(qū)內(nèi)話務(wù)模型不會超載。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，用戶對其它業(yè)務(wù)的請求都會被拒絕。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)域碼由運營商在PLMN內(nèi)定義，區(qū)域碼對應(yīng)的區(qū)域級別可以是位置區(qū)或小區(qū)。一個區(qū)域碼定義的區(qū)域可以由一個或幾個位置區(qū)（或小區(qū)）組成；不同區(qū)域碼定義的區(qū)域可以重疊，即一個位置區(qū)（或小區(qū)）可以同時屬于不同區(qū)域碼定義的區(qū)域。通過區(qū)域限制，保障了視頻監(jiān)控點以及其它TD-LTE業(yè)務(wù)終端在各個小區(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GBR和Non-GBR參數(shù)實現(xiàn)。對GBR類型業(yè)務(wù)接入，評估資源(無線和核心網(wǎng)的資源)是否充足，是則接入，否則拒絕。對于Non-GBR業(yè)務(wù)，評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)：可理解為相對優(yōu)先級，對于QCI優(yōu)先級對應(yīng)的時延/抖動/丟包率等網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量參數(shù)，是一個保證值，在實際網(wǎng)絡(luò)中按照QCI參數(shù)的分類，對業(yè)務(wù)進行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)類型對應(yīng)不同的調(diào)度優(yōu)先級。

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)行進行鑒權(quán)和加密等安全性流程；

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

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

（6）HSS確認位置更新，并發(fā)送“Update Location Ack”消息給目標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”請求，開始建立默認承載；

（8）Serving GW在其EPS承載表中創(chuàng)建一個新的入口，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)建一個新的入口并同時創(chuàng)建一個計費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）之間進行路由，并開始計費。PDN GW返回一條“Create Session Response”響應(yīng)；

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

（11）目標MME將會向eNodeB發(fā)送“Initial Context Setup Request”請求建立上下文，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通過上行NAS傳送消息向目標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、云臺等向前端接入網(wǎng)關(guān)PAG發(fā)起注冊信息；

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

（19）業(yè)務(wù)控制單元核實設(shè)備合法性，將注冊通過的確認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)備注冊響應(yīng)返回至前端設(shè)備；

（21）業(yè)務(wù)控制單元通過客戶端接入網(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，可以進行視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的所有基本功能。

5 結(jié)束語

由于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)本身的新穎性和其高帶寬、低時延的特點，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。其主要特點可以歸結(jié)如下。

（1） 實現(xiàn)無線監(jiān)控領(lǐng)域的高清視頻圖像傳輸：由于無線網(wǎng)絡(luò)相對于有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力較低，目前的無線視頻監(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） 實現(xiàn)高質(zhì)量視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的移動化：利用TDLTE網(wǎng)絡(luò)的特性和QoS保障機制，實現(xiàn)在車、船高速場景下的畫面質(zhì)量和流暢程度，根據(jù)實測可以支持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)備進行視頻監(jiān)控的能力，所有設(shè)備都可以存放在一個背包中，部署迅速，滿足單人隨時隨地進行視頻監(jiān)控的需求。