TD-LTE寬帶集群媒體管理功能設(shè)計(jì)

李軍軍 李卓琳

摘要：針對(duì)軌道交通行業(yè)對(duì)專網(wǎng)無線通信媒體傳輸?shù)母咧笜?biāo)要求，基于TD-LTE寬帶集群技術(shù)，提出了一種可靠性高、支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w管理功能設(shè)計(jì)方案。針對(duì)方案的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說明，介紹了TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，描述了媒體管理中心的功能和內(nèi)部設(shè)計(jì)框架，闡述了所設(shè)計(jì)的媒體管理模塊對(duì)于關(guān)鍵指標(biāo)和難點(diǎn)的解決辦法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的高可用性和可行性。

關(guān)鍵詞：TD-LTE；寬帶集群；集群媒體管理

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）22-66-3

0引言

近年來隨著LTE通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，寬帶集群產(chǎn)品的應(yīng)用也愈加廣泛[1-2]，因其網(wǎng)絡(luò)安全性高、抗干擾性強(qiáng)及支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍匦詫?duì)于無線多媒體列車調(diào)度需求的契合，促進(jìn)了寬帶集群系統(tǒng)在軌道行業(yè)的發(fā)展[3]。媒體傳輸管理中心（TMF）作為寬帶集群系統(tǒng)的媒體業(yè)務(wù)處理中心，需要具備語音、視頻及其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的協(xié)同調(diào)度能力[4-5]。本文以此作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以穩(wěn)定性為前提，兼具高并發(fā)、低延遲及低丟包率等特性的媒體傳輸管理方案，并通過搭建TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1關(guān)鍵技術(shù)

基于寬帶集群系統(tǒng)對(duì)媒體傳輸?shù)囊螅O(shè)計(jì)的集群媒體管理中心需要滿足高穩(wěn)定性、低延遲、高并發(fā)及低丟包率等指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)的媒體管理中心采用了3種技術(shù)。

1.1冗余技術(shù)

冗余技術(shù)又稱儲(chǔ)備技術(shù)，也稱容災(zāi)備份技術(shù)，是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。

媒體管理中心作為寬帶通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要確保媒體鏈路的通暢，具有高可靠性。設(shè)計(jì)方案通過部署主、備2個(gè)集群媒體管理中心，當(dāng)主架故障或異常時(shí)，可以由備架接管所有業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中由高可用模塊與管理模塊共同完成冗余功能的控制工作，主備架高可用模塊通過消息傳輸來對(duì)集群媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行同步，確保在主架故障時(shí)，備架可以轉(zhuǎn)換為主架，使業(yè)務(wù)不產(chǎn)生明顯中斷。

1.2零拷貝技術(shù)

零拷貝技術(shù)就是CPU將數(shù)據(jù)從一塊存儲(chǔ)拷貝到另外一塊存儲(chǔ)，減少不必要的拷貝過程，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，有利于降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。集群媒體管理中心的一個(gè)指標(biāo)就是傳輸速率，通過零拷貝技術(shù)減少數(shù)據(jù)的拷貝工作，可以有效提高傳輸?shù)乃俾省?/p>

設(shè)計(jì)的集群媒體管理中心通過對(duì)應(yīng)用程序地址空間和內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)化，利用輸入輸出模塊為需要處理的數(shù)據(jù)分配指向它的指針，解碼與編碼模塊只需要調(diào)用該指針即可完成自己對(duì)數(shù)據(jù)的處理，最后在不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝的情況下完成媒體傳輸工作。

1.3無鎖化線程通信技術(shù)

無鎖化線程通信技術(shù)的目的在于提升媒體傳輸處理的速度和并發(fā)性，降低線程間通信對(duì)于系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響，如圖1所示。

通常線程池的實(shí)現(xiàn)工作隊(duì)列是由主線程和工作線程共享的，主線程將任務(wù)放進(jìn)工作隊(duì)列，工作線程從工作隊(duì)列中取出任務(wù)執(zhí)行，共享工作隊(duì)列的操作需在互斥量的保護(hù)下安全進(jìn)行。為了解決無鎖化問題，同時(shí)避免共享資源競(jìng)爭(zhēng)，設(shè)計(jì)時(shí)采用共享工作隊(duì)列拆分方式，即輸入輸出、編碼和解碼皆含有單獨(dú)的工作隊(duì)列，避免了采用共享隊(duì)列需要解決互斥量的問題，從而實(shí)現(xiàn)了無鎖化的工作機(jī)制。

2總體設(shè)計(jì)

2.1 TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)

TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)由寬帶集群核心網(wǎng)、集群終端、LTE數(shù)據(jù)終端、寬帶集群基站、寬帶基站、調(diào)度臺(tái)和業(yè)務(wù)管理臺(tái)組成[6]，本地組網(wǎng)單核心網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

①集群終端通過集群Uu-T空中接口接入集群基站 T-eNB，實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)和集群業(yè)務(wù)；

②LTE數(shù)據(jù)終端通過集群Uu-T空中接口或LTE Uu空中接口分別接入集群基站T-eNB和LTE基站eNB，實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；

③集群基站T-eNB通過S1-T接口連接集群核心網(wǎng)，LTE基站eNB通過S1接口連接集群核心網(wǎng)；

④調(diào)度臺(tái)通過D接口連接TCF/TMF，實(shí)現(xiàn)寬帶集群調(diào)度業(yè)務(wù)。

2.2集群媒體管理功能總體設(shè)計(jì)

集群媒體管理中心負(fù)責(zé)集群業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，主要包含集群呼叫業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)兩方面內(nèi)容，具體功能實(shí)現(xiàn)包括LTE集群終端間的數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)度臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸和LTE集群終端與調(diào)度臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸。

除上述基本功能外，還可以在集群媒體管理中心基礎(chǔ)上利用數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)實(shí)際部署中所需的實(shí)時(shí)監(jiān)控、錄音、錄像、流量統(tǒng)計(jì)和流量控制等功能。

2.2.1功能總體架構(gòu)

具備冗余功能的媒體管理中心架構(gòu)如圖3所示。

主線程包括管理模塊、控制模塊和高可用模塊，媒體調(diào)度線程包括輸入輸出模塊和編碼、解碼模塊。①管理模塊：負(fù)責(zé)與操作維護(hù)中心進(jìn)行通信，配置集群管理中心參數(shù)，維護(hù)主備架工作模式；②控制模塊：負(fù)責(zé)與核心網(wǎng)接入網(wǎng)元進(jìn)行通信，維護(hù)和配置整個(gè)媒體處理流程；③高可用模塊：負(fù)責(zé)集群媒體管理中心的主備切換和冗余管理工作；④輸入輸出模塊：負(fù)責(zé)媒體的接收、發(fā)送，以及媒體的流量控制功能；⑤編碼、解碼模塊：負(fù)責(zé)根據(jù)終端設(shè)備類型進(jìn)行轉(zhuǎn)碼工作，以便適配終端設(shè)備支持不同的媒體格式。

2.2.2核心處理流程

以代表性流程單呼叫為例，通過控制信令和媒體處理2個(gè)層面對(duì)核心處理流程進(jìn)行說明。

（1）控制信令處理流程，如圖4所示。

流程說明：①終端1發(fā)送呼叫建立指示到寬帶集群接入網(wǎng)，由其通知媒體管理中心分配媒體資源；②媒體管理中心收到媒體資源分配請(qǐng)求后，分配所需資源，配置媒體處理流程；③通知被叫，配置完畢，開始進(jìn)行媒體數(shù)據(jù)傳輸。

（2）媒體數(shù)據(jù)處理流程，如圖5所示。

流程說明：①終端1或終端2通過媒體管理中心進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)；②媒體管理中心根據(jù)控制信令流程交互確定的解碼和編碼方式進(jìn)行轉(zhuǎn)碼操作；③媒體管理中心將轉(zhuǎn)碼完成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到接收終端和數(shù)據(jù)接收服務(wù)器；④數(shù)據(jù)接收服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)每次呼叫的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、錄音及錄像等功能。

3測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證集群媒體功能體設(shè)計(jì)方案是否合理可行，通過模擬某地鐵項(xiàng)目部分應(yīng)用場(chǎng)景，使用TD-LTE寬帶集群產(chǎn)品搭建了測(cè)試環(huán)境，包括1套核心網(wǎng)、10套調(diào)度臺(tái)和5個(gè)基站，每個(gè)基站下配置10個(gè)手持LTE集群終端和1套相關(guān)測(cè)試儀表用來模擬多路呼叫，進(jìn)行了高性能壓力測(cè)試，分別使用添加和不添加關(guān)鍵技術(shù)的2個(gè)媒體管理中心版本進(jìn)行了呼叫和穩(wěn)定性的對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過上述測(cè)試，可以看到設(shè)計(jì)的媒體管理中心在寬帶集群系統(tǒng)中對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、并發(fā)性、延遲性以及低丟包率等性能指標(biāo)均有明顯提升，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

4結(jié)束語

本文通過冗余、零拷貝和無鎖化線程通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)的媒體管理中心，驗(yàn)證了其可以滿足無線寬帶集群通信的指標(biāo)要求。這些關(guān)鍵技術(shù)的成功運(yùn)用，對(duì)通信系統(tǒng)中的媒體服務(wù)等相關(guān)業(yè)務(wù)有很好的參考價(jià)值，這些技術(shù)也可以應(yīng)用于有線電話或窄帶無線通信等方向，可以解決音視頻媒體的快速轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)問題，具有很好的復(fù)制性，可以大大提升現(xiàn)有的媒體服務(wù)的技術(shù)水平。

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