TD-LTE宽带集群媒体管理功能设计

李军军 李卓琳

摘要：针对轨道交通行业对专网无线通信媒体传输的高指标要求，基于TD-LTE宽带集群技术，提出了一种可靠性高、支持高速数据传输的媒体管理功能设计方案。针对方案的关键技术和难点进行了详细说明，介绍了TD-LTE宽带集群系统的整体实现架构，描述了媒体管理中心的功能和内部设计框架，阐述了所设计的媒体管理模块对于关键指标和难点的解决办法，通过实验验证了设计方案的高可用性和可行性。

关键词：TD-LTE；宽带集群；集群媒体管理

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）22-66-3

0引言

近年来随着LTE通信技术的迅猛发展，宽带集群产品的应用也愈加广泛[1-2]，因其网络安全性高、抗干扰性强及支持高速数据传输等特性对于无线多媒体列车调度需求的契合，促进了宽带集群系统在轨道行业的发展[3]。媒体传输管理中心（TMF）作为宽带集群系统的媒体业务处理中心，需要具备语音、视频及其他数据业务的协同调度能力[4-5]。本文以此作为出发点，设计了以稳定性为前提，兼具高并发、低延迟及低丢包率等特性的媒体传输管理方案，并通过搭建TD-LTE宽带集群系统测试环境，验证了设计方案的可行性。

1关键技术

基于寬带集群系统对媒体传输的要求，设计的集群媒体管理中心需要满足高稳定性、低延迟、高并发及低丢包率等指标要求，设计的媒体管理中心采用了3种技术。

1.1冗余技术

冗余技术又称储备技术，也称容灾备份技术，是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。

媒体管理中心作为宽带通信的关键环节，需要确保媒体链路的通畅，具有高可靠性。设计方案通过部署主、备2个集群媒体管理中心，当主架故障或异常时，可以由备架接管所有业务进行处理，以提高系统的稳定性。其中由高可用模块与管理模块共同完成冗余功能的控制工作，主备架高可用模块通过消息传输来对集群媒体业务进行同步，确保在主架故障时，备架可以转换为主架，使业务不产生明显中断。

1.2零拷贝技术

零拷贝技术就是CPU将数据从一块存储拷贝到另外一块存储，减少不必要的拷贝过程，提高数据的传输效率，有利于降低数据传输延迟。集群媒体管理中心的一个指标就是传输速率，通过零拷贝技术减少数据的拷贝工作，可以有效提高传输的速率。

设计的集群媒体管理中心通过对应用程序地址空间和内核之间的数据传输进行优化，利用输入输出模块为需要处理的数据分配指向它的指针，解码与编码模块只需要调用该指针即可完成自己对数据的处理，最后在不对数据进行拷贝的情况下完成媒体传输工作。

1.3无锁化线程通信技术

无锁化线程通信技术的目的在于提升媒体传输处理的速度和并发性，降低线程间通信对于系统性能和稳定性的影响，如图1所示。

通常线程池的实现工作队列是由主线程和工作线程共享的，主线程将任务放进工作队列，工作线程从工作队列中取出任务执行，共享工作队列的操作需在互斥量的保护下安全进行。为了解决无锁化问题，同时避免共享资源竞争，设计时采用共享工作队列拆分方式，即输入输出、编码和解码皆含有单独的工作队列，避免了采用共享队列需要解决互斥量的问题，从而实现了无锁化的工作机制。

2总体设计

2.1 TD-LTE宽带集群系统

TD-LTE宽带集群系统由宽带集群核心网、集群终端、LTE数据终端、宽带集群基站、宽带基站、调度台和业务管理台组成[6]，本地组网单核心网架构如图2所示。

①集群终端通过集群Uu-T空中接口接入集群基站 T-eNB，实现宽带数据和集群业务；

②LTE数据终端通过集群Uu-T空中接口或LTE Uu空中接口分别接入集群基站T-eNB和LTE基站eNB，实现宽带数据业务；

③集群基站T-eNB通过S1-T接口连接集群核心网，LTE基站eNB通过S1接口连接集群核心网；

④调度台通过D接口连接TCF/TMF，实现宽带集群调度业务。

2.2集群媒体管理功能总体设计

集群媒体管理中心负责集群业务的数据传输，主要包含集群呼叫业务的数据转码和数据转发两方面内容，具体功能实现包括LTE集群终端间的数据传输、调度台间的数据传输和LTE集群终端与调度台间的数据传输。

除上述基本功能外，还可以在集群媒体管理中心基础上利用数据接收服务器进行功能扩展，实现实际部署中所需的实时监控、录音、录像、流量统计和流量控制等功能。

2.2.1功能总体架构

具备冗余功能的媒体管理中心架构如图3所示。

主线程包括管理模块、控制模块和高可用模块，媒体调度线程包括输入输出模块和编码、解码模块。①管理模块：负责与操作维护中心进行通信，配置集群管理中心参数，维护主备架工作模式；②控制模块：负责与核心网接入网元进行通信，维护和配置整个媒体处理流程；③高可用模块：负责集群媒体管理中心的主备切换和冗余管理工作；④输入输出模块：负责媒体的接收、发送，以及媒体的流量控制功能；⑤编码、解码模块：负责根据终端设备类型进行转码工作，以便适配终端设备支持不同的媒体格式。

2.2.2核心处理流程

以代表性流程单呼叫为例，通过控制信令和媒体处理2个层面对核心处理流程进行说明。

（1）控制信令处理流程，如图4所示。

流程说明：①终端1发送呼叫建立指示到宽带集群接入网，由其通知媒体管理中心分配媒体资源；②媒体管理中心收到媒体资源分配请求后，分配所需资源，配置媒体处理流程；③通知被叫，配置完毕，开始进行媒体数据传输。

（2）媒体数据处理流程，如图5所示。

流程說明：①终端1或终端2通过媒体管理中心进行收发数据；②媒体管理中心根据控制信令流程交互确定的解码和编码方式进行转码操作；③媒体管理中心将转码完成，数据转发到接收终端和数据接收服务器；④数据接收服务器负责对每次呼叫的媒体数据进行再处理，实现监控、录音及录像等功能。

3测试验证

为了验证集群媒体功能体设计方案是否合理可行，通过模拟某地铁项目部分应用场景，使用TD-LTE宽带集群产品搭建了测试环境，包括1套核心网、10套调度台和5个基站，每个基站下配置10个手持LTE集群终端和1套相关测试仪表用来模拟多路呼叫，进行了高性能压力测试，分别使用添加和不添加关键技术的2个媒体管理中心版本进行了呼叫和稳定性的对比测试，测试结果如表1所示。

通过上述测试，可以看到设计的媒体管理中心在宽带集群系统中对于数据传输稳定性、并发性、延迟性以及低丢包率等性能指标均有明显提升，验证了设计方案的可行性。

4结束语

本文通过冗余、零拷贝和无锁化线程通信技术，设计了TD-LTE宽带集群系统的媒体管理中心，验证了其可以满足无线宽带集群通信的指标要求。这些关键技术的成功运用，对通信系统中的媒体服务等相关业务有很好的参考价值，这些技术也可以应用于有线电话或窄带无线通信等方向，可以解决音视频媒体的快速转发和分发问题，具有很好的复制性，可以大大提升现有的媒体服务的技术水平。

参考文献

[1]张东瑞，孙小婷.LTE宽带集群的系统架构及业务分析[J].数字技术与应用，2013（7）：22-23.

[2]张婧.TD-LTE宽带集群技术在城市轨道交通中的应用[J].电子科技，2016，29（7）：120-123.

[3]王仑.LTE宽带集群专网的行业应用[J].移动通信，2014（1）： 54-55.

[4]孟海波，夏仕军，窦明涛.基于TD-LTE技术的宽带集群多媒体终端在公安业务领域的设计与应用探讨[J].警察技术， 2013（3）：30-32.

[5]林朝裕.宽带无线集群系统媒体模块的设计与实现[D].厦门：厦门大学，2012.

[6]王晓曼，刘洋，甄义，等.LTE宽带集群通信技术发展及应用[J].价值工程，2015（7）：63-64.