基于HSUPA及多流技術的TD-SCDMA移動視頻監控系統設計與實現*

胡法利，王崇萍，周建明

（1.北京郵電大學網絡技術研究院網絡與交換國家重點實驗室 北京 100876；2.中國移動通信集團公司 北京 100032）

1 引言

隨著國民經濟的發展，我國的移動視頻監控行業迎來了快速發展的繁榮階段，同時，3G網絡的大規模部署、智能終端及多媒體技術的不斷發展成熟也為移動視頻監控業務的發展提供了技術條件。中國移動、中國聯通、中國電信3家運營商分別開展了視頻監控業務，其中，WCDMA及cdma2000技術成熟，產業支持較好；TD-SCDMA(以下簡稱TD)網絡承載能力相對薄弱，尤其是上行速率不足限制了視頻監控等高帶寬業務的發展。

當前，業內TD網絡視頻監控系統實現的視頻清晰度較低，遠不能滿足用戶的需求。針對此問題，目前有AUE（adaptive uplink enhancement，TD自適應上行增強）技術、HSUPA（high speed uplink packet access，高速上行鏈路分組接入）技術、多載波技術等提升TD上行帶寬的技術方案。首先，AUE技術是通過修改數據業務的信道編碼參數，減少編碼增益，在占用同等碼道資源的前提下，達到提升數據業務速率的目的。AUE在近點業務速率提升可達30%～50%，UE（user equipment）發射功率有增長但整體不高，對網絡干擾較小，但是在中點和遠點無法達到改善上行速率的目的，反而會抬升手機發射功率給網絡增加干擾。因此，AUE技術目前只能應用于室內場景。其次，目前HSDPA技術比較成熟，3G終端支持性好并且已在現網部署，但是HSUPA技術仍不成熟。HSUPA技術需要小區為HSUPA配置專門的上行時隙來傳送數據，同時下行需要配置與HSUPA相關的控制信道，這些都會對小區用戶容量，特別是HSDPA用戶容量帶來很大影響。多載波技術是通過引入數字中頻合路技術和帶寬功放技術實現單射頻通路上的多載波功能，是3GPP標準定義的方案。但是要在單一模塊實現多個載波承載功能，對芯片要求較高，目前市場上還沒有成熟的可以規模應用的芯片。

本文提出的TD移動視頻監控系統的創新之處在于：首先結合HSUPA技術方案及多流技術方案提升TD網絡上行帶寬，通過測試，TD網絡上行速率可提高到872 kbit/s，下行速率可提高到2.88 Mbit/s，網絡上行能力提升了約6.8倍、下行能力提升了約1.9倍；然后，結合視頻編解碼優化、傳輸模塊優化等優化方法設計并實現了一套移動視頻監控系統，基于2∶4的時隙配比可以為用戶提供流暢的D1傳輸格式的視頻圖像。本系統已經在北京地區開展商用，業務發展良好。

2 系統架構

TD移動視頻監控業務是基于TD網絡為用戶提供圖像和各種報警信號遠程采集、傳輸、存儲、處理的一種全新的電信業務。系統需要具備網絡管理、業務管理、實時視頻、錄像、報警聯動等功能。具體的業務系統功能劃分如圖1所示。

與傳統的視頻監控系統一樣，TD移動視頻監控業務系統由前端、中間端、后端3部分組成。前端需要具備鏡頭、攝像機、云臺、報警開關、視頻編解碼設備、主機控制設備和監控軟件等；中間端是一個需要具備業務平臺管理功能，并對傳送過來的圖像進行存儲、轉發及對報警進行聯動處理的中心服務平臺；后端進行業務管理、數據處理和整體控制功能。

TD移動視頻監控系統的設計需要遵循的原則為模塊化、可擴展性、開放性、接入多樣性、具備集中處理和分布式處理的高效性、可維護性、互操作性。另外，考慮到系統的復雜性和管理的需要，采用的設計原則為“全網布防，多級管理；集中控制，數據分散；模塊設計，平滑擴展；能力開放，靈活調用”。要求軟件采用分層的模塊化結構，模塊之間的通信按規定接口進行，保證任何一個模塊的維護和更新以及新模塊的追加都不會影響其他模塊。綜上所述，根據分層的模塊化原則，把TD移動視頻監控系統劃分為運營支撐層、業務管理層、業務控制層、媒體服務層和接入層5層。

2.1 單域系統架構

單域系統結構如圖2所示，主要包括業務管理平臺（service management platform,SMP）、中心服務平臺、監控前端 （video capturing unit,VCU）以及監控客戶端（surveillance client,SC）。中心服務平臺包括業務控制中心（service control center,SCC）、視頻轉分發服務器（video distribution server,VDS）、網絡錄像單元 （video recorder,VR）、視頻轉碼單元（video transcoder,VT）、前端接入網關（VCU_GW）、客戶端接入網關（SC_GW）。

各網元的具體功能如下。

（1）SMP

SMP負責實現系統的業務管理，可連接多個SCC部署成為一個域，SMP保存有本域所有SCC所管理的設備和客戶的信息。SMP向BOSS提供功能服務接口，向其提供業務數據查詢、業務設置等業務功能。

（2）VCU

VCU是系統的信息采集端，實現視頻信息、音頻信息、數據信息及告警信息的采集功能，具有話音信息和數據信息的雙向傳送功能。部分VCU可實現音視頻錄像的存儲功能。VCU系統常包括前端設備（視頻服務器或DVR等）、攝像機、云臺設備、報警輸入輸出設備等。

（3）SC

SC實現視頻信息、音頻信息、數據信息及告警信息對用戶的呈現以及對VCU相關業務參數配置和管理。

（4）SCC

SCC實現作為應用服務器提供視頻監控業務，作為管理中心提供客戶/用戶管理、前端/平臺設備管理，集中存儲用戶數據和業務參數配置數據等功能。

（5）VDS

VDS實現對音頻/視頻接收、轉發、分發及計費數據采集等功能，可分布式部署。

（6）VR

VR實現對音頻/視頻數據的接收、存儲、存儲介質管理及錄像回放、下載服務等功能。VR必須可連接SAN、NAS、DAS等各類物理存儲設備并可實現分布式部署。

（7）VCU_GW

VCU_GW是VCU的接入點，部署在VCU與SCC之間，實現對VCU的接入管理，接收、轉發來自VCU、SCC的呼叫控制信令。

（8）SC_GW

SC_GW實現對SC的接入管理，接收、轉發來自SC的呼叫控制信令給本域的SCC進行處理，轉發從SCC接收到的消息給SC。

（9）VT

VT實現對來自VCU或VDS的碼流進行音視頻轉碼及與手機M_SC的RTSP信令交互。VT將視頻流分發給手機，CS手機客戶端或手機WAP方式請求的實時視頻流和錄像流都是經過VT轉發給手機。

2.2 系統分層結構

系統總體上分成運營支撐層、業務管理層、業務控制層、媒體服務層和接入層共5層。各網元在系統中的層次位置如圖3所示。

如圖3所示，系統各網元間的通信協議包括SIP、HTTP、RTP/RTCP、SNMP、SOAP、XML 及中國移動自有通信協議CMPP(China Mobile peer to peer，中國移動點對點協議)等。關鍵協議比較見表1。

根據對3種技術方案的分析，通信協議的選取采用“SIP為主，HTTP為輔；統一標準，互聯互通”的原則，會話控制采用SIP+XML、配置管理使用HTTP+XML的協議組合。

表1 通信系統比較分析

3 TD網絡性能提升

TD技術由于受載波帶寬以及終端芯片的限制，在2∶4的時隙配比下，網絡僅能為單用戶提供上行128 kbit/s、下行1.68 Mbit/s的峰值速率，上行能力遠遠不能滿足視頻監控業務的發展需求。根據表2的對比數據，WCDMA單用戶峰值速率是TD的6倍以上，cdma2000是TD的2.6倍以上，差距明顯。同時TD帶寬抖動頻繁，幅度大，分組丟失嚴重。TD網絡上行帶寬不足是影響移動視頻監控業務質量的一個主要因素，本系統引入了HSUPA技術和多流技術來提升TD網絡性能。

3.1 HSUPA技術解決方案

HSUPA是上行鏈路方向針對分組業務的優化和演進，通過高階調制（16QAM）、HARQ、基于 Node B的快速調度等關鍵技術，極大地提高了上行傳輸速率，改善上行鏈路數據業務的承載能力。利用HSUPA技術，用戶的上行峰值傳輸速率可以提高2～5倍。

表2 TD網絡與WCDMA網絡及cdma2000網絡上下行速率對比

但是，目前市場上HSUPA終端極少，且HSUPA技術的引入會對現網R4、R5終端用戶帶來如下影響:

·R4/HSDPA終端接入HSUPA/HSDPA載波，上行最大速率從128 kbit/s下降至80 kbit/s，且上行可用的DPCH僅為原來的5/14，多用戶共享時速率會進一步下降；

·每載波的最大接入用戶數減少，在不考慮伴隨信道復用情況下，HSDPA接入用戶從原來6個用戶下降至4個用戶。

針對以上問題，本文提出通過與廠商合作定制HSUPA終端，對于要開通HSUPA的小區，根據話務統計情況預留相應的R4/HSDPA載波，并且RNC在信道分配時讓HSUPA終端優先占用R4/HSDPA載波。通過測試，引入HSUPA技術，TD網絡單時隙可提供上行560 kbit/s的理論峰值速率，TD-HSUPA網絡在2∶4時隙配比下，空載網絡上行速率能夠較穩定地維持在350～400 kbit/s，能夠滿足CIF分辨率的滿幀率視頻傳輸要求。不同格式的視頻傳輸所需要的帶寬見表3。

3.2 多流技術解決方案

由3.1節知，引入HSUPA會對現網R4、R5終端用戶造成一定影響，且引入HSUPA技術，在2∶4的時隙配比下，TD網絡也僅能提供理論峰值560 kbit/s，實際穩定在350～400 kbit/s的上行速率，仍然無法很好地滿足用戶使用高清視頻業務的需求。為了提升單用戶的上下行速率，滿足用戶高速業務對于帶寬的需求，本項目提出并研發了TD端到端多流技術解決方案。通過定制雙卡終端和研究網絡側的技術方案，實現TD網絡性能提升。鑒于雙卡終端技術基本成熟，本文側重于介紹網絡側的技術方案，包括多流技術方案整體架構、無線側的多卡捆綁識別和資源分配以及核心網側的工作。

3.2.1 技術整體架構

終端側通過數據整合、分解模塊，將發送的數據分解為多個數據流，網絡側采用多流調度機制，不同數據流采用不同載波承載，網絡側接收信號后將分解的多流數據進行整合。保證多個SIM卡分別駐留在不同的載波，為同一用戶提供服務。多流技術解決方案架構如圖4所示。

表3 不同格式的視頻傳輸所需要的帶寬

（1）終端

維護雙卡雙待，支持一套IP協議棧，并根據應用業務特征支持業務流從多個載波進行分發。

（2）無線

根據雙卡終端的鏈接建立請求，為終端維護多個載波鏈路，并建立到SGSN的多個鏈接隧道(GTP隧道)。

（3）SGSN

為用戶的雙卡接入進行會話關聯，并將相應的Common ID消息、Common ISDN號碼傳遞給RNC，便于RNC識別用戶的卡號捆綁信息。同時，SGSN根據HLR插入的數據信息和MSISDN將用戶的兩個IMSI進行關聯，為用戶維護一個會話上下文，便于管理用戶的移動性信息。

（4）GGSN

為用戶的多個GTP隧道關聯一個IP會話，為用戶的多個鏈路發送的上行數據流匯聚成一個業務數據流發送到業務網絡。

（5）HLR

為用戶關聯兩個IMSI對應一個MSIDSN，并且為用戶配置Common ISDN內容。為雙卡用戶接入網絡，授權相應的配置信息。

（6）提供用戶的原始話單

CG網元不需要有改動，完全根據現網方式，接收來自SGSN和GGSN的用戶后付費話單信息，通過FTP方式為BOSS提供用戶的原始話單。

（7）為用戶提供雙待接入的后付費賬單

BOSS根據用戶的MSISDN關聯不同的IMSI的CDR話單，統一合并后為用戶提供雙待接入的后付費賬單。

另外，在傳統技術中使用多個數據卡（TD數據卡或者后續LTE數據卡），用戶的各個數據卡分別發起PDP激活請求。核心網(GGSN)通過向終端發送的PDP激活接收消息分配IP地址，因此在多卡情況下，各個數據卡將同時擁有多個IP地址。傳統應用中每個網卡各自進行不同的業務，單獨通信。

本系統的終端側將多個IP地址虛擬為一個IP地址A（取其中一個數據卡A的IP地址），其他網卡的地址僅僅做路由轉發（轉發IP數據分組頭中的IP地址依然以A標識）。在服務器側，只可見數據卡A的IP地址的數據鏈接，即從應用角度只存在一個IP地址。終端應用側上行方向，其目標地址只存在一個，即發送和接收關系是單個地址發送、單地址接收。終端的應用業務層將用戶的數據負荷分擔到兩個數據卡上由兩個數據卡向網絡側發送數據，應用業務將數據分配到TD模塊A和TD模塊B上分別發送，TD模塊A與正常單卡數據傳遞無差異，TD模塊B應該能夠根據目標地址將應用數據發送到無線協議棧(類似路由轉發，可以不替換地址)。上行方向在RNC處，將多流上行數據聚合并進行亂序重排。

3.2.2 無線關鍵技術

（1）無線多卡捆綁識別

本方案通過在HLR上配置多流用戶捆綁。SGSN側通過安全變量控制該功能。HLR在插入用戶數據時，當安全變量打開，SGSN將該用戶的Common MSISDN寫入MM上下文中，并在擴展Iu口Common ID消息中將Common MSISDN帶給RNC。當安全變量關閉，Common ID消息中不會將Common MSISDN帶給RNC。RNC根據捆綁的多流用戶信息進行資源分配和優化，再進行統一的HLR集中以便進行用戶管理。

（2）無線資源分配

根據用戶多卡的情況，將用戶各卡的資源分配到不同的頻點上，RNC獲取到終端類型屬性后，將捆綁的用戶數據卡分配到不同載波上。

資源分配的算法處理流程如下。

步驟一：RNC根據各個HS載波可提供的保障速率（provided gurrantee rate）進行排序；選擇大于接入用戶GBR的頻點組成用戶接入的候選頻點集。

步驟二：RNC根據獲得的標記終端的類型，判決候選頻點集中優先級最高的載波是否存在同類型的終端，如果不存在，則選擇該載波接入。

步驟三：如果存在同類型的終端，則選擇可提供的保障速率次之的載波按照步驟二的策略進行判決，以此類推。

步驟四：如果所有載波都存在與接入終端同類型的終端，選擇可提供的保障速率最大的可接入載波進行接入。

多流調度只有在多卡分配到不同的頻點上時才能體現其效果。因此，當非第一個卡的資源分配失敗而觸發擁塞處理時，應優先在該用戶尚未承載的頻點上執行相關的擁塞策略，以盡量達到多流調度提升吞吐量的效果。擁塞控制算法中，在對擁塞處理頻點進行排序時，首先將用戶已經承載的頻點的優先級降至最低，然后再按照現有原則進行排序。

3.2.3 核心網關鍵技術

（1）一個用戶多卡業務激活，業務釋放，Attach過程

核心網 SGSN、GGSN、PCRF和 HLR考慮為用戶的多個IMSI接入提供一個IP會話，并且和手機終端配合，根據業務流的應用特征，從不同的無線通道轉發用戶的前向業務流。從而為用戶提供一個IP會話，簡化網絡側的應用服務器軟件要求，增加用戶終端上行和下行的無線多載波復用帶寬，降低終端的應用處理復雜度。

核心網側通過會話關聯技術，為用戶的雙卡接入維護一個IP會話，聚合和分發用戶的業務數據流，分別統計兩個IMSI卡的數據流收發字節和時長信息。同時，作為QoS控制，GGSN能夠從PCRF得到用戶會話的QoS信息，針對不同的業務類型執行制定的QoS管理。

（2）數據分流和匯聚功能

核心網SGSN需要關聯用戶的無線多載波通道標識，為用戶的業務流維護上行和下行的業務流轉發路徑。SGSN將根據GGSN的隧道信息關聯下行業務流和RNC的具體載波通道，便于下行業務流從多個通道進行分發。GGSN將根據SGSN的隧道信息關聯上行業務流的用戶會話承載信息，根據指定的QoS為用戶轉發上行業務流到相應業務網絡。

對于用戶發出的上行業務流，核心網GGSN為用戶進行匯總，使用一個數據會話發給業務網絡，無須業務網絡關聯用戶不同IP地址的同一個IP會話，降低了業務網絡的適配復雜度，便于用戶使用通用方式訪問現有業務網絡。同時，核心網SGSN和GGSN管理和維護用戶的移動性，為用戶提供下行業務流的轉發功能，維護終端發送的TFT信息，根據PF為用戶轉發下行業務流。

（3）用戶捆綁屬性配置和傳遞

SGSN、GGSN和HLR需要根據用戶的IMSI的信息，為用戶進行雙卡接入的用戶信息捆綁、相關屬性的配置服務。該過程涉及用戶開戶、位置更新以及接入認證的交互與配合過程。核心網通過功能增強，減少終端的適配要求，做到雙卡接入過程用戶無感知，為用戶捆綁接入鏈接和會話信息，向終端設備呈現一個會話的接入功能。

（4）同一個用戶多卡計費合并

核心網網元SGSN和GGSN考慮對于后付費用戶提供相同MSISDN不同IMSI的多個話單，由BOSS根據用戶MSISDN，為用戶進行賬單合并，提供一份賬單給最終用戶。

采用HSUPA及多流技術后室內測試顯示，雙流HSUPA視頻監控終端上行平均速率為700 kbit/s，圖像清晰。

室外宏站測試顯示，在2∶4的時隙配比下，雙流HSUPA視頻監控終端定點測試下行速率可達2.88 Mbit/s，相對普通終端速率提升約1.9倍；上行速率可達872 kbit/s，提升約6.8倍。

4 結束語

本文提出的系統通過使用HSUPA技術及多流技術提升了TD網絡的上下行信道性能，設計研發了TD移動視頻監控系統，滿足了當前視頻監控業務發展的需求。隨著云計算、TD-LTE及IPv6技術的發展成熟，視頻監控業務將逐步向高清化、智能化、開放化發展。

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