轨道交通基于LTE无线承载网车载PIS视频直播问题研究

何小刚，李仲华，薛坤朋

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．新疆乌京基础设施建设管理有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 概述

乌鲁木齐轨道交通1号线工程通信LTE无线系统，作为综合业务承载平台，采用具有完全自主知识产权的TD-LTE技术，承载了信号CBTC、车载PIS、车载安防、车载FAS信息回传等业务，属于国内地铁行业应用首例，本系统于2016年10月通过实验室环境测试验收，2019年6月全线通过竣工验收进入试运营阶段。

针对车载直播画面产生大量马赛克花屏、卡顿、黑屏等问题进行研究分析并最终解决。

2 系统构成及业务流程

2.1 系统结构

乌鲁木齐地铁1号工程PIS系统从结构上可分为以下几个部分：编播中心系统、各条线路控制中心至车站网络系统（目前已开通1号线）、车载系统；其中1号线PIS网络系统又分为中心至车站站厅、站台有线网络、中心至列车区间LTE无线综合承载网两个部分，如图1所示。

图1 网络系统图Fig.1 Network system diagram

编播中心系统通过各种接口采集视频信息流，经编辑、处理手段，生成内部信息，按既定规则或版式播出，以达到向乘客传递信息的目的。整个编播中心设备构成了一个完整的播出、集中编播中心、集中监控系统。PIS直播业务主要由视频流服务器和高清视频编码器来实现。

网络系统利用通信系统提供的中心至车站和中心至列车的网络通道，该通道用来传输中心与各车站、地铁车辆之间的各种数据信息、视频信息和控制信息。

有线网络系统采用1 000 Mbit/s以太网接口，专用通信传输系统为PIS网络提供的共享以太网带宽不低于500 Mbit/s。PIS直播视频流采用组播方式传送。

区间LTE无线综合承载网为PIS提供带宽：每列车下行带宽不低于6 Mbit/s，每列车上行带宽不低于4 Mbit/s。为节省无线网络有限带宽，PIS直播视频流采用组播方式传送，多车车载终端共享组播视频流带宽。

2.2 直播业务流程

编播中心系统将需要直播的各种不同方式、不同格式、不同分辨率、不同帧率的视频源，通过1台视频流服务器和3台高清编码器转换编辑成统一分辨率、H.264编码压缩格式的高清视频流，经线路PIS网络系统（组播协议）输送至站厅、站台以及车载终端屏幕上，其中2台高清编码器分别负责车站站厅、站台的LCD大屏终端直播，直播视频分辨率1080P，6～10 Mbit/s速率；1台高清编码器负责车载PIS直播，直播视频分辨率720P，2.5～3.5 Mbit/s速率，如图2所示。

图2 流程图Fig.2 Flow diagram

3 问题分析

由于PIS直播业务在各车站站厅、站台均无任何问题，可排除系统各环节设备硬件问题（区间LTE设备除外）。而对于车载系统直播视频画面产生大量马赛克花屏、卡顿、黑屏等问题，理论上原因由以下几方面。

1）区间LTE无线综合承载网是与专用无线通信（800 M）、政务无线通信（800 M）、公安无线通信（350 M）、消防无线通信（350 M）合用一套天馈系统，可能存在驻波、互调等干扰；区间中继设备功率设置不合理、隔离度不达标导致的信号质量不高等问题；以上均会造成高清视频流传输到车载终端屏幕上的部分数据丢失，而组播是基于TCP/IP协议传输层UDP子协议，数据丢失后没有重传补偿机制，最终在车载终端上展现出来的情况就是大量马赛克花屏、卡顿、甚至彻底黑屏。

2）区间LTE无线综合承载网传输带宽不足，导致直播视频流数据丢失。

3）视频源文件以及编码环节导致输出的高清视频流部分数据损坏、错误等问题。

4 问题处理过程

4.1 无线综合承载网

由于区间LTE无线综合承载网是区间无线通信网络系统的基础，需首先进行LTE系统的驻波、互调干扰等问题的排查。

1）经过各个系统不同频率的2次谐波、3阶互调的计算分析，不存在系统之间的相互互调干扰。

2）驻波比测试，经过施工单位使用专业测试仪器对全线区间天馈系统的测试排查，发现车辆段PIS控制中心至正线区间的咽喉区出入段线驻波比超出规定指标（允许值不大于1.5），因为车载PIS直播视频流传输到正线必须经过出入段线，必然导致部分数据丢失，影响正线区间全线直播质量。后经过施工单位仔细排查，最终定位天馈系统漏缆的故障点并更换后驻波比达到要求。车载视频画面马赛克、花屏等现象有所减轻，未完全解决，说明还存在其他问题。

3）LTE系统优化，经过系统集成单位进行正线区间全线数据传输带宽、数据丢失率的测试，发现传输带宽最大平均值为9.689 Mbit/s，最小平均值为5.018 Mbit/s，满足直播视频流的要求；但数据丢失率超过规定指标（允许值不大于1%），考虑到在区间两中继点切换带间信号质量最低，必然造成更高的数据丢失率，经过对全线区间中继设备功率、无线资源分配和调制编码策略等参数的优化，成功的将平均数据丢失率降低至0.18%。车载视频画面质量已经有了明显的改善，依旧存在很多马赛克、花屏等问题。

至此，正线区间LTE无线综合承载网的问题排查结束，车载PIS直播质量得到一定改善，基本不再出现黑屏现象，马赛克也有明显改善。问题虽未得到根本解决，现有条件下已极大提高数据传输质量。

4.2 开发视频修复程序

由于正线区间为节省LTE有限的带宽，车载PIS视频直播采用组播技术，而组播方式没有丢失数据后重传机制，可考虑流媒体应用软件层面增加自动补偿机制，修正直播视频丢失的数据。

1）直播视频流编码速率越高，带宽需求越大，越容易造成数据丢失，目前车载直播视频编码速率为3.5 Mbit/s，经过对原视频文件调整编码速率等测试，发现降低编码速率（2.5 Mbit/s、3 Mbit/s）图像质量无明显改善，证明前面测试的LTE带宽是满足直播视频流的需要，3.5 Mbit/s速率并没有超过LTE系统最低平均速率5.018 Mbit/s。

2）开发数据补偿重传应用程序，弥补车载直播视频数据丢失的问题，经过供货商开发、测试、调试后，数据补偿重传机制对大部分视频源的车载直播视频流在各个速率（2.5 Mbit/s、3 Mbit/s、3.5 Mbit/s）改善非常明显，车载视频画面无明显马赛克、卡顿等问题，基本达到运营要求，问题得到基本解决；但仍有个别视频源直播后依然存在特定画面的马赛克现象。

3）对视频源文件进行检查，发现个别视频源的原码率极高，通过高清编码器输出后还未进入LTE系统的高清视频流就已经损坏，经过编码器厂家不断的调整编码格式、码率测试后，源文件统一按照720P分辨率、3 Mbit/s速率进行编码后问题得到解决。

到此，车载直播视频问题得到圆满解决。

5 结束语

对于车载直播视频马赛克、卡顿、黑屏等问题的排查先后经历了1年时间，最终得到较完美解决，国内首先实现了地铁行业基于LTE无线承载网车载PIS直播的应用。