TD-LTE視頻監控業務研究*

章浩

（中國移動通信集團上海有限公司 上海 200060）

1 TD-LTE視頻監控特點

從本質上說，基于TD-LTE網絡的視頻監控業務在和目前其他方式的視頻監控業務在一樣，都是通信網絡視頻監控業務平臺，將分散、獨立的采集點圖像信息進行聯網處理，實現跨區域的統一監控、統一管理及存儲，滿足客戶進行遠程監控、管理和信息傳遞的需求。但是在業務體驗上，基于TD-LTE的視頻監控卻解決了目前基于其他通信網絡的視頻監控業務的諸多不足，其在空口處理和業務體驗上均有獨到之處。

目前主要的視頻監控承載方式包括有線方式、WLAN方式、2G/3G網絡方式，以上方式均存在各自的問題。

（1） 傳統的有線視頻監控部署較為困難、成本投入大；

（2） WLAN無線視頻監控業務的攝像頭無法滿足攝像前端高速跨區移動的需求；

（3） 基于2G/3G等現有無線移動網絡的視頻監控業務承載速率較低，畫面清晰度差。

基于TD-LTE網絡的視頻監控業務解決了以上問題，提高了監控效率，在保證傳統視頻監控業務所有功能的同時，能夠獲得更為逼真、清晰的數字化圖像質量與更為便捷、實用的監控管理和維護。

2 技術實現方案

2.1 平臺設計方案

TD-LTE移動視頻監控系統可分為無線接入側、業務平臺、監控觀看側。業務平臺主要包括以下部分。

（1） 業務/內容管理單元：包含平臺管理、地區管理、運營商操作員管理、區域管理員管理、客戶管理、設備管理等業務管理功能；

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

（3） 平臺網管：滿足運營商在運維時的需要，全面了解網絡的服務質量，迅速發現網絡運行的故障，綜合分析和管理全網，提高網絡的運行效率；

（4） 媒體分發服務器：主要完成視頻的轉發和分發功能；

圖1 TD-LTE視頻監控業務平臺組網方案

（5） 媒體存儲服務器：針對視頻監控的文件管理，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。

以上各模塊和實現的功能，滿足傳統的所有視頻監控平臺的需求，因此，TD-LTE視頻監控平臺無需單獨開發或新建視頻監控平臺，可以利用原有平臺，節約投入成本。

2.2 終端設計方案

基于TD-LTE網絡，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TD-LTE網絡現場的實測結果，網絡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 視頻監控終端架構

相比較于傳統的無線視頻監控，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切換。各模塊功能如下。

（1） 攝像頭：采集模擬視頻監控畫面；

（2） 云臺：遠端可調，以便操作人員調整攝像頭方位從而對周邊環境進行有選擇的監控；

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

（4） LTE CPE：負責將數字信號通過TD-LTE網絡傳送至業務平臺；

（5） 供電模塊：對各設備進行供電；

（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控設備和LTE CPE，提供移動狀態下的D1監控視頻流上傳。設備集成度高，整套設備用一個背包就可以容納，監控人員能夠根據監控需求靈活地選擇拍攝時間和拍攝地點。為了體現設備的便攜性，設備選型采用家用DV設備和小型化LTE CPE，鋰電池供電，重量小于5kg，續航時間大于2h，如表1所示。

3 QoS保障機制

TD-LTE提供的移動高清視頻監控可以達到移動狀態下標清和高清的圖像質量，因此對QoS的保障機制提出更高的要求，以保證端到端業務的時延、抖動和誤碼率。在實際部署中，從編碼方式和LTE網絡QoS保障策略兩方面對業務質量進行了保障。如表2所示。

表1 當前主流的單人視頻監控方式對比

表2 TD-LTE視頻監控業務指標

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不同程度的報文丟失，但丟失數量需小于M個，即發生少量丟包時接收端根據冗余數據恢復后的報文流，整個過程無需重傳；

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

（3） 基于網絡環境的碼率動態調整機制：媒體服務器向DVS動態反饋接收到的碼率，DVS根據鏈路情況動態調整輸出的碼流，對輸出流量進行整形，減少突發；媒體服務器對接收的報文進行亂序重整減少抖動。

3.2 制定TD-LTE網絡QoS保障策略

根據3GPP協議對QoS策略進行的定義。針對視頻監控業務的特點，采用區域限制和帶寬控制、QCI參數設置等手段來完成對業務質量的保障。如表3所示。

區域限制業務：是通過在HSS中向用戶提供的區域簽約數據，來限制用戶的活動區域，從而保證每個小區內話務模型不會超載。在這些區域碼定義的區域內用戶可以得到服務，在這些區域外，除了緊急呼叫，用戶對其它業務的請求都會被拒絕。用戶如果沒有區域簽約數據，則不受區域限制的影響。區域碼由運營商在PLMN內定義，區域碼對應的區域級別可以是位置區或小區。一個區域碼定義的區域可以由一個或幾個位置區（或小區）組成；不同區域碼定義的區域可以重疊，即一個位置區（或小區）可以同時屬于不同區域碼定義的區域。通過區域限制，保障了視頻監控點以及其它TD-LTE業務終端在各個小區內的合理分配。

表3 TD-LTE視頻監控業務QoS參數配置

帶寬控制：通過GBR和Non-GBR參數實現。對GBR類型業務接入，評估資源(無線和核心網的資源)是否充足，是則接入，否則拒絕。對于Non-GBR業務，評估已接入用戶的滿意度，若影響程度在一定范圍內，則允許接入。

QCI參數：可理解為相對優先級，對于QCI優先級對應的時延/抖動/丟包率等網絡質量參數，是一個保證值，在實際網絡中按照QCI參數的分類，對業務進行QoS控制。QCI用作控制數據包的轉發處理，包含9類QCI業務類型，每類業務類型對應不同的調度優先級。

4 主要業務流程（如圖2所示）

（1）設備CPE向eNode B發送“Attach Request”消息發起附著流程；

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

（3）執行進行鑒權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發起鑒權，通過鑒權結果判斷附著過程是否繼續；

（5）若出現用戶信息變化，MME將向HSS發送“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；

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

（7）MME向 Serving GW 發 送“Creat Session Request”請求，開始建立默認承載；

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

（9）PDN GW在其EPS承載表中創建一個新的入口并同時創建一個計費ID，新入口允許PDN GW將用戶面數據在Serving GW與外部數據網（PDN）之間進行路由，并開始計費。PDN GW返回一條“Create Session Response”響應；

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

（11）目標MME將會向eNodeB發送“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發送“RRC Connection Reconfiguration”消息，建立RRC連接；

圖2 TD-LTE視頻監控業務上線交互流程

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

（14）eNode B向目標MME發送“Initial Context Response”響應消息，同意建立上下文；

（15）LTE CPE向eNode B發送DT消息，表示成功完成網絡附著；

（16）eNode B通過上行NAS傳送消息向目標MME前轉“Attach Complete”消息。TD-LTE CPE網絡附著流程結束；

（17）視頻監控前端設備，包括鏡頭、DVS、云臺等向前端接入網關PAG發起注冊信息；

（18）前端設備接入網關將設備注冊的信息轉發至業務控制單元進行注冊；

（19）業務控制單元核實設備合法性，將注冊通過的確認信息返回至前端接入網關；

（20）前端接入網關將設備注冊響應返回至前端設備；

（21）業務控制單元通過客戶端接入網管向客戶端發起鏡頭上線通知；

（22）客戶端接收上線鏡頭列表后通過客戶端接入網管向業務控制單元返回鏡頭上線通知響應；

（23）監控端和觀看端之間通信建立完成，可以進行視頻監控業務的所有基本功能。

5 結束語

由于TD-LTE網絡本身的新穎性和其高帶寬、低時延的特點，賦予了基于TD-LTE的視頻監控業務相比于其它視頻監控業務的諸多特性。其主要特點可以歸結如下。

（1） 實現無線監控領域的高清視頻圖像傳輸：由于無線網絡相對于有線網絡的傳輸能力較低，目前的無線視頻監控大多采用CIF格式等較低清晰度的畫面，TDLTE技術可以使得高清視頻監控業務可以提供D1甚至HD的視頻圖像；

（2） 實現高質量視頻監控業務的移動化：利用TDLTE網絡的特性和QoS保障機制，實現在車、船高速場景下的畫面質量和流暢程度，根據實測可以支持120km/h的速度；

（3） 保障視頻監控設備的小型化：具備單人攜帶設備進行視頻監控的能力，所有設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控的需求。