軌道交通基于LTE無線承載網車載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，作為綜合業務承載平臺，采用具有完全自主知識產權的TD-LTE技術，承載了信號CBTC、車載PIS、車載安防、車載FAS信息回傳等業務，屬于國內地鐵行業應用首例，本系統于2016年10月通過實驗室環境測試驗收，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 系統構成及業務流程

2.1 系統結構

烏魯木齊地鐵1號工程PIS系統從結構上可分為以下幾個部分：編播中心系統、各條線路控制中心至車站網絡系統（目前已開通1號線）、車載系統；其中1號線PIS網絡系統又分為中心至車站站廳、站臺有線網絡、中心至列車區間LTE無線綜合承載網兩個部分，如圖1所示。

圖1 網絡系統圖Fig.1 Network system diagram

編播中心系統通過各種接口采集視頻信息流，經編輯、處理手段，生成內部信息，按既定規則或版式播出，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、集中監控系統。PIS直播業務主要由視頻流服務器和高清視頻編碼器來實現。

網絡系統利用通信系統提供的中心至車站和中心至列車的網絡通道，該通道用來傳輸中心與各車站、地鐵車輛之間的各種數據信息、視頻信息和控制信息。

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

區間LTE無線綜合承載網為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。為節省無線網絡有限帶寬，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 直播業務流程

編播中心系統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一分辨率、H.264編碼壓縮格式的高清視頻流，經線路PIS網絡系統（組播協議）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直播業務在各車站站廳、站臺均無任何問題，可排除系統各環節設備硬件問題（區間LTE設備除外）。而對于車載系統直播視頻畫面產生大量馬賽克花屏、卡頓、黑屏等問題，理論上原因由以下幾方面。

1）區間LTE無線綜合承載網是與專用無線通信（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，可能存在駐波、互調等干擾；區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到車載終端屏幕上的部分數據丟失，而組播是基于TCP/IP協議傳輸層UDP子協議，數據丟失后沒有重傳補償機制，最終在車載終端上展現出來的情況就是大量馬賽克花屏、卡頓、甚至徹底黑屏。

2）區間LTE無線綜合承載網傳輸帶寬不足，導致直播視頻流數據丟失。

3）視頻源文件以及編碼環節導致輸出的高清視頻流部分數據損壞、錯誤等問題。

4 問題處理過程

4.1 無線綜合承載網

由于區間LTE無線綜合承載網是區間無線通信網絡系統的基礎，需首先進行LTE系統的駐波、互調干擾等問題的排查。

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

2）駐波比測試，經過施工單位使用專業測試儀器對全線區間天饋系統的測試排查，發現車輛段PIS控制中心至正線區間的咽喉區出入段線駐波比超出規定指標（允許值不大于1.5），因為車載PIS直播視頻流傳輸到正線必須經過出入段線，必然導致部分數據丟失，影響正線區間全線直播質量。后經過施工單位仔細排查，最終定位天饋系統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、花屏等現象有所減輕，未完全解決，說明還存在其他問題。

3）LTE系統優化，經過系統集成單位進行正線區間全線數據傳輸帶寬、數據丟失率的測試，發現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；但數據丟失率超過規定指標（允許值不大于1%），考慮到在區間兩中繼點切換帶間信號質量最低，必然造成更高的數據丟失率，經過對全線區間中繼設備功率、無線資源分配和調制編碼策略等參數的優化，成功的將平均數據丟失率降低至0.18%。車載視頻畫面質量已經有了明顯的改善，依舊存在很多馬賽克、花屏等問題。

至此，正線區間LTE無線綜合承載網的問題排查結束，車載PIS直播質量得到一定改善，基本不再出現黑屏現象，馬賽克也有明顯改善。問題雖未得到根本解決，現有條件下已極大提高數據傳輸質量。

4.2 開發視頻修復程序

由于正線區間為節省LTE有限的帶寬，車載PIS視頻直播采用組播技術，而組播方式沒有丟失數據后重傳機制，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據。

1）直播視頻流編碼速率越高，帶寬需求越大，越容易造成數據丟失，目前車載直播視頻編碼速率為3.5 Mbit/s，經過對原視頻文件調整編碼速率等測試，發現降低編碼速率（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系統最低平均速率5.018 Mbit/s。

2）開發數據補償重傳應用程序，彌補車載直播視頻數據丟失的問題，經過供貨商開發、測試、調試后，數據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象。

3）對視頻源文件進行檢查，發現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系統的高清視頻流就已經損壞，經過編碼器廠家不斷的調整編碼格式、碼率測試后，源文件統一按照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歷了1年時間，最終得到較完美解決，國內首先實現了地鐵行業基于LTE無線承載網車載PIS直播的應用。