TD-LTE视频监控业务研究*

章浩

（中国移动通信集团上海有限公司 上海 200060）

1 TD-LTE视频监控特点

从本质上说，基于TD-LTE网络的视频监控业务在和目前其他方式的视频监控业务在一样，都是通信网络视频监控业务平台，将分散、独立的采集点图像信息进行联网处理，实现跨区域的统一监控、统一管理及存储，满足客户进行远程监控、管理和信息传递的需求。但是在业务体验上，基于TD-LTE的视频监控却解决了目前基于其他通信网络的视频监控业务的诸多不足，其在空口处理和业务体验上均有独到之处。

目前主要的视频监控承载方式包括有线方式、WLAN方式、2G/3G网络方式，以上方式均存在各自的问题。

（1） 传统的有线视频监控部署较为困难、成本投入大；

（2） WLAN无线视频监控业务的摄像头无法满足摄像前端高速跨区移动的需求；

（3） 基于2G/3G等现有无线移动网络的视频监控业务承载速率较低，画面清晰度差。

基于TD-LTE网络的视频监控业务解决了以上问题，提高了监控效率，在保证传统视频监控业务所有功能的同时，能够获得更为逼真、清晰的数字化图像质量与更为便捷、实用的监控管理和维护。

2 技术实现方案

2.1 平台设计方案

TD-LTE移动视频监控系统可分为无线接入侧、业务平台、监控观看侧。业务平台主要包括以下部分。

（1） 业务/内容管理单元：包含平台管理、地区管理、运营商操作员管理、区域管理员管理、客户管理、设备管理等业务管理功能；

（2） 前端网管：为了更好的对前端设备进行管理和维护，满足用户对各类视频编码设备的远程集中配置和管理的要求，从而提高设备的易用性和可管理性；

（3） 平台网管：满足运营商在运维时的需要，全面了解网络的服务质量，迅速发现网络运行的故障，综合分析和管理全网，提高网络的运行效率；

（4） 媒体分发服务器：主要完成视频的转发和分发功能；

图1 TD-LTE视频监控业务平台组网方案

（5） 媒体存储服务器：针对视频监控的文件管理，通过提供简单的文件管理储存功能，提供按照文件分类管理文件。

以上各模块和实现的功能，满足传统的所有视频监控平台的需求，因此，TD-LTE视频监控平台无需单独开发或新建视频监控平台，可以利用原有平台，节约投入成本。

2.2 终端设计方案

基于TD-LTE网络，采用了两种终端形式。

车/船载移动终端：专用摄像头+DVR+大型CPE（含备份），传输图像质量可以达到D1格式704×576p的分辨率以及上行峰值速率2Mbit/s，根据TD-LTE网络现场的实测结果，网络甚至可以支持高清视频，即1280×720p的分辨率以及上行峰值速率4Mbit/s，如图1所示。

图1 车/船载TD-LTE 视频监控终端架构

相比较于传统的无线视频监控，此终端采用TD-LTE的CPE作为无线传输模块，支持高速移动性和跨区切换。各模块功能如下。

（1） 摄像头：采集模拟视频监控画面；

（2） 云台：远端可调，以便操作人员调整摄像头方位从而对周边环境进行有选择的监控；

（3） DVR：对模拟视频流进行H.264视频编码成数字信号，可本地存储前端监控视频；

（4） LTE CPE：负责将数字信号通过TD-LTE网络传送至业务平台；

（5） 供电模块：对各设备进行供电；

（6） 前端防雷模块（可选）：在江面、高处等易遭雷击的布放场景采用。

单人携带移动终端：此终端方案采用单人背包方式携带视频监控设备和LTE CPE，提供移动状态下的D1监控视频流上传。设备集成度高，整套设备用一个背包就可以容纳，监控人员能够根据监控需求灵活地选择拍摄时间和拍摄地点。为了体现设备的便携性，设备选型采用家用DV设备和小型化LTE CPE，锂电池供电，重量小于5kg，续航时间大于2h，如表1所示。

3 QoS保障机制

TD-LTE提供的移动高清视频监控可以达到移动状态下标清和高清的图像质量，因此对QoS的保障机制提出更高的要求，以保证端到端业务的时延、抖动和误码率。在实际部署中，从编码方式和LTE网络QoS保障策略两方面对业务质量进行了保障。如表2所示。

表1 当前主流的单人视频监控方式对比

表2 TD-LTE视频监控业务指标

3.1 通过信道编码和重传等机制保障QoS

（1）采用基于Reed-Solomon算法的N+M冗余机制：N个报文根据RS算法生成M个冗余报文，该N+M个报文组成一个报文组，不同报文组中允许出现不同程度的报文丢失，但丢失数量需小于M个，即发生少量丢包时接收端根据冗余数据恢复后的报文流，整个过程无需重传；

（2） 基于Selective ARQ的重传机制：关键帧或大量报文丢失时通过Selective ARQ机制请求发送端重传；

（3） 基于网络环境的码率动态调整机制：媒体服务器向DVS动态反馈接收到的码率，DVS根据链路情况动态调整输出的码流，对输出流量进行整形，减少突发；媒体服务器对接收的报文进行乱序重整减少抖动。

3.2 制定TD-LTE网络QoS保障策略

根据3GPP协议对QoS策略进行的定义。针对视频监控业务的特点，采用区域限制和带宽控制、QCI参数设置等手段来完成对业务质量的保障。如表3所示。

区域限制业务：是通过在HSS中向用户提供的区域签约数据，来限制用户的活动区域，从而保证每个小区内话务模型不会超载。在这些区域码定义的区域内用户可以得到服务，在这些区域外，除了紧急呼叫，用户对其它业务的请求都会被拒绝。用户如果没有区域签约数据，则不受区域限制的影响。区域码由运营商在PLMN内定义，区域码对应的区域级别可以是位置区或小区。一个区域码定义的区域可以由一个或几个位置区（或小区）组成；不同区域码定义的区域可以重叠，即一个位置区（或小区）可以同时属于不同区域码定义的区域。通过区域限制，保障了视频监控点以及其它TD-LTE业务终端在各个小区内的合理分配。

表3 TD-LTE视频监控业务QoS参数配置

带宽控制：通过GBR和Non-GBR参数实现。对GBR类型业务接入，评估资源(无线和核心网的资源)是否充足，是则接入，否则拒绝。对于Non-GBR业务，评估已接入用户的满意度，若影响程度在一定范围内，则允许接入。

QCI参数：可理解为相对优先级，对于QCI优先级对应的时延/抖动/丢包率等网络质量参数，是一个保证值，在实际网络中按照QCI参数的分类，对业务进行QoS控制。QCI用作控制数据包的转发处理，包含9类QCI业务类型，每类业务类型对应不同的调度优先级。

4 主要业务流程（如图2所示）

（1）设备CPE向eNode B发送“Attach Request”消息发起附着流程；

（2） eNodeB选择相应的MME，并通过S1-MME接口的控制信令消息（Initial UE Message）向MME前转“Attach Request”消息；

（3）执行进行鉴权和加密等安全性流程；

（4）MME将对所有的NAS层消息进行加密保护和完整性保护，向CPE发起鉴权，通过鉴权结果判断附着过程是否继续；

（5）若出现用户信息变化，MME将向HSS发送“Update Location Request”消息，该位置更新请求消息中携带MME Identity，IMSI，ME Identity，MME Capabilities，Update Type等参数；

（6）HSS确认位置更新，并发送“Update Location Ack”消息给目标MME，消息中携带了IMSI, Subscription data等参数；

（7）MME向 Serving GW 发 送“Creat Session Request”请求，开始建立默认承载；

（8）Serving GW在其EPS承载表中创建一个新的入口，然后向PDN GW发送一条“Create Session Request”消息；

（9）PDN GW在其EPS承载表中创建一个新的入口并同时创建一个计费ID，新入口允许PDN GW将用户面数据在Serving GW与外部数据网（PDN）之间进行路由，并开始计费。PDN GW返回一条“Create Session Response”响应；

（10）Serving GW向目标MME返回一条“Create Session Response”默认承载建立响应；

（11）目标MME将会向eNodeB发送“Initial Context Setup Request”请求建立上下文，以及“Attach Accept”消息，同意附着；

（12）eNode B向LTE CPE发送“RRC Connection Reconfiguration”消息，建立RRC连接；

图2 TD-LTE视频监控业务上线交互流程

（13） LTE CPE向 eNode B发 送“RRC Connection Reconfiguration Complete”消息，RRC连接成功建立；

（14）eNode B向目标MME发送“Initial Context Response”响应消息，同意建立上下文；

（15）LTE CPE向eNode B发送DT消息，表示成功完成网络附着；

（16）eNode B通过上行NAS传送消息向目标MME前转“Attach Complete”消息。TD-LTE CPE网络附着流程结束；

（17）视频监控前端设备，包括镜头、DVS、云台等向前端接入网关PAG发起注册信息；

（18）前端设备接入网关将设备注册的信息转发至业务控制单元进行注册；

（19）业务控制单元核实设备合法性，将注册通过的确认信息返回至前端接入网关；

（20）前端接入网关将设备注册响应返回至前端设备；

（21）业务控制单元通过客户端接入网管向客户端发起镜头上线通知；

（22）客户端接收上线镜头列表后通过客户端接入网管向业务控制单元返回镜头上线通知响应；

（23）监控端和观看端之间通信建立完成，可以进行视频监控业务的所有基本功能。

5 结束语

由于TD-LTE网络本身的新颖性和其高带宽、低时延的特点，赋予了基于TD-LTE的视频监控业务相比于其它视频监控业务的诸多特性。其主要特点可以归结如下。

（1） 实现无线监控领域的高清视频图像传输：由于无线网络相对于有线网络的传输能力较低，目前的无线视频监控大多采用CIF格式等较低清晰度的画面，TDLTE技术可以使得高清视频监控业务可以提供D1甚至HD的视频图像；

（2） 实现高质量视频监控业务的移动化：利用TDLTE网络的特性和QoS保障机制，实现在车、船高速场景下的画面质量和流畅程度，根据实测可以支持120km/h的速度；

（3） 保障视频监控设备的小型化：具备单人携带设备进行视频监控的能力，所有设备都可以存放在一个背包中，部署迅速，满足单人随时随地进行视频监控的需求。