基于LTE-M的地铁车载乘客信息系统研究与设计

张功升，郭秀清，陈永生

(同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)



基于LTE-M的地铁车载乘客信息系统研究与设计

张功升，郭秀清，陈永生

(同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

针对当前城市轨道交通车载乘客信息系统中车地视频无线传输性能较差、视频分辨率不高以及系统集成化程度较低的缺陷，在地铁长期演进LTE-M的基础上，提出了车载乘客信息系统的集成化设计方案，并着重研究了系统关键模块的软硬件实现。确定了系统的功能需求并分析了系统的技术条件，在此基础上建立系统的总体框架，着重讨论了车载嵌入式Linux视频服务器以及视频转发服务器的软硬件设计方案。测试验证了车载设备可有效承担720 p、1 080 p的流媒体下发以及D1分辨率的监控视频上传，带宽充足，性能稳定。

地铁长期演进；乘客信息系统；车地无线通信；嵌入式Linux视频服务器；转发服务器

0 引言

地铁乘客信息系统(Passenger Information System, PIS)是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统，实现列车紧急文本下发、PIS流媒体传输播放功能，一般将车载广播、车厢紧急电话、车载视频监控也看作PIS的一部分。当前城市轨道交通车地通信方案采用无线电提供语音调度，采用两路独立WLAN分别负责信号控制系统(Communication Based Train Control, CBTC)和PIS业务。

车地通信业务不断增多且数据量不断增大，传统方案弊端显现：单一语音调度不能满足，急需高清视频以提供可视化的指挥调度；WLAN采用公用频段2.4 GHz，易受干扰；WLAN在高速移动场景下带宽不稳定；WLAN不具备多优先级保障机制，不适合综合承载多种业务[1]。对于车地通信系统的总体设计方案，语音调度系统、信号系统以及PIS三者分别独立建网导致系统设计复杂、互联互通性差。对于PIS子系统的设计方案，广播音频通过音频总线以模拟信号形式传输并采用数字信号进行播放的控制，多媒体视频信息同样采用模拟方式，监控视频单独建立以太网传输且只能实现列车本地监控，无法实时上传至地面，各子功能分别实现同样导致PIS子系统设计复杂、总线繁多以及维护困难等缺陷。因此，迫切需要网络化、一体化的设计方案。

近年来，基于LTE的车地无线通信逐渐成为轨道交通领域的研究热点[2]，本文着重介绍了基于城市轨道交通车地综合通信系统LTE-M的车载乘客信息系统集成化设计方案以及高清PIS流媒体下传与高清监控视频上传系统的实现。

1 城市轨道交通车地综合通信系统

基于LTE的城市轨道交通车地综合通信系统，简称LTE-M系统，占有专用频带1 785～1 805 MHz， LTE-M系统采用宽带集群通信架构，由无线终端、集群基站、集群核心网、调度台和运营支撑系统组成，可综合承载列车信号控制CBTC、列车紧急文本下发、列车运行状态监测、闭路电视监控(Closed Circuit Television, CCTV)、PIS流媒体下发、集群调度等多个车地无线通信业务，并为多个业务定义不同的服务质量等级，该系统外部接口如表1所示。

表1 LTE-M系统外部接口

2 车载PIS融合设计方案

2.1 PIS网络业务及其功能需求

车载PIS可分为3个子系统：PIS视频系统、车载视频监控系统以及车载广播显示系统(含车厢紧急电话)。涉及车地无线通信的业务有：列车紧急文本下发、PIS流媒体下发、CCTV监控视频上传以及车地语音双向通信等。列车紧急文本是指地面PIS服务器传送给车载PIS终端的紧急文本信息；PIS流媒体下发是指由地面将视频或图像信息通过广播或者组播传输到车厢内播放；CCTV监控业务是指将列车驾驶室、列车车厢的视频监控图像通过无线的方式传输到控制中心或地面监控站。

2.2 PIS融合设计方案

设计基于LTE-M的城市轨道交通高清化乘客信息系统融合化方案，如图1所示。

图1 基于LTE-M的一体化乘客信息系统拓扑结构(半编组)

对于车地间无线数据传输，主要由无线接入单元(Train Access Unit, TAU)和车载台两个车载无线终端完成。TAU是车载宽带接入终端设备，通过LTE网络连接地面和列车，为列车提供上下行数据传输。TAU支持CBTC列车控制业务的发送和接收、列车运行状态信息上行发送、地面紧急文本信息的接收、车厢监控视频的上传、地面PIS视频的接收。车载台通过无线方式接入LTE网络，部署在列车两端，为列车司机提供LTE语音、视频和数据业务，支持语音呼叫、视频呼叫以及短消息等服务。

对于列车内部数据传输，传统设计方案中，广播系统采用模拟方式，采用MVB或CAN总线传输音频控制信号并采用模拟音频总线传输音频信息[3]；监控视频独立建网并使用以太网进行传输；PIS视频则由位于驾驶室PIS控制单元的解码设备解码后经分屏器、同轴电缆传输至各LCD终端播放。广播系统通过RS232与PIS视频系统实现联动。总体而言，各系统的控制设备相互独立且系统间进行通信需要协议转换，系统可靠性低、总线繁多、维护困难。集成化设计方案下，PIS视频、CCTV监控视频以及车地语音通信皆采用以太网传输，在轻量化设计的同时，获得了更高的传输带宽，为高清视频传输提供了便利。为保障列车广播系统的可靠性，车载广播(主要指驾驶员人工广播)采用模拟信号传输音频数据并采用数字信号进行控制，保障了列车广播功能的可靠性。列车主干网采用千兆级别的以太网进行数据传输，车辆子网采用百兆级别的以太网进行数据传输[4]。系统设备除扬声器和LED外均为网络设备。

3 车载高清视频监控系统设计

目前安防行业对于高清的标准主要参考广播电视行业对数字电视高清的标准定义，包括3种：720 p、1 080 i、1 080 p，画面宽高比为16:9。业界普遍认为视频监控领域的高清要达到720p(即1 280像素×720像素，逐行扫描)，并且具备16:9显示模式和全帧速(25 f/s)[5]。

车载CCTV监控具体功能需求如下：摄像头采集视频图像能够存储至车载CCTV服务器本地硬盘，存储时长不少于15天；摄像头采集视频图像能够通过LTE-M无线方式传输至地面监控工作站进行集中监控，要求可同时进行上行2路或4路视频传输，每路视频传输速率(即码率、带宽)为1～2 Mb/s；系统自行检测设备故障并报错；能够进行人口密度识别、运动检测等一般视频智能分析。

系统涉及视频采集输入、视频预处理及编码、视频传输、视频存储、视频解码播放等过程，主要由5部分组成：前端摄像机、嵌入式视频服务器、视频转发(或称代理)服务器、TAU、地面客户端。其物理结构如图2所示。

图2 地铁车载高清视频监控系统物理结构(半编组)

地铁网络视频监控系统工作原理是：前端模拟摄像机采集图像信号，接入客室内嵌入式视频服务器，后者对信号进行A/D转换、MPEG-4/H.264编码压缩等数字化处理后，通过车内以太网络传输至列车驾驶室内的视频转发服务器。该视频转发服务器是一种双码流网络视频服务器，所谓双码流，是指该转发服务器将画面质量较高的一路码流进行本地存储，并将另一路画面质量较低的码流通过RTSP、RTP协议上传至地面监控工作站供监控人员实时点播[6-7]。

嵌入式视频服务器以及视频转发服务器分别位于列车的客室和驾驶室。嵌入式视频服务器采用嵌入式Linux系统，硬件平台基于高清网络摄像机SOC Hi3521实现，Hi3521是海思半导体公司针对多路D1和多路高清DVR、NVR产品应用而研发的一款专业高端网络摄像机SOC，在Hi3521上移植嵌入式Linux操作系统，嵌入式视频服务器主要完成视频的采集、预处理、编码以及网络实时传输功能，考虑到单个车厢安装有3～4个摄像头，以及LTE-M规范为视频监控业务预留的带宽为每路视频1～2 Mb/s，设计嵌入式视频服务器的视频采集方案为4路720p输入。硬件设计主要包括视频Hi3521最小系统、采集模块、存储模块、以太网模块以及其他外围设备，如图3所示。

图3 嵌入式视频服务器Hi3521硬件接口

嵌入式Linux视频服务器应用程序采用多线程程序设计，主线程创建了调度线程和视频编码线程，在视频编码线程内部又创建了视频码流取出与保存线程，如图4所示。主线程的工作主要为监听与受理来自转发服务器的RTSP请求，主要表现为RTSP会话，在此阶段，转发服务器充当RTSP客户端，嵌入式Linux视频服务器充当RTSP服务器。

图4 嵌入式Linux视频服务器应用程序主线程流程

嵌入式Linux视频服务器应用程序内调度线程、编码线程以及取流保存线程之间的关系以及码流的传递如图5所示。

图5 编码、取流与调度线程间的关系

视频转发服务器硬件结构与嵌入式Linux视频服务器不同，其基于X86架构并搭载Windows操作系统。视频服务器应用程序主要完成码流接收、码流(主码流)本地存储、码流(次码流)网络传输3个功能[8]，多线程程序设计如图6所示。

图6 视频转发服务器应用程序多线程程序

地铁车载视频转发服务器居于核心地位，车载前端的嵌入式Linux视频服务器将H.264编码码流推流至驾驶室视频转发服务器，而地面监控客户端则从驾驶室的视频转发服务器拉流，地铁车载视频转发服务器一方面需要向前端设备发出视频连接请求，另一方面还要接收来自地面客户端的视频点播请求[9]，方可完成H.264码流的中转工作。

4 车载高清PIS视频系统设计

目前上海地铁PIS视频尚未达到高清720 p乃至全高清1 080 p，受限的关键技术主要在于车地无线通信网络以及多媒体处理平台两个方面。LTE-M网络以IP方式承载所有网络业务，为PIS流媒体视频预留了2 Mb/s～8 Mb/s的带宽，有效解决传统方式下WiFi承载带来的带宽不足的问题。对于多媒体处理平台，德州仪器TI达芬奇系列数字多媒体处理芯片如TMS320DM368、TMS320DM8168等多核芯片适用于此类视频处理[10]。

车载PIS服务器负责接收地面PIS服务器的视频数据并通过车载交换机和以太网转发给各LCD终端，由LCD终端自行解码播放，数据流向为下行。终端硬件设备基于德州仪器的TMS320DM368平台[11]，终端应用程序主要完成接收视频数据、解码并播放的功能。因此，程序流程可以按照多线程程序设计，主线程完成初始化并创建数据接收线程、视频解码线程和视频显示线程。车载PIS终端应用程序主线程流程如图7所示。

图7 车载PIS终端应用程序主线程流程

5 车上下行带宽分析

车地综合承载LTE-M系统以IP的方式综合承载多种业务，PIS内车地通信业务主要包括紧急文本下发、PIS流媒体下传、CCTV监控视频上传。

紧急文本下发由地面PIS服务器将文本信息通过无线方式传输至车厢内LCD，规定最大发送200个汉字，数据包长度为400 B，故通信传输速率为3.2 kb/s，考虑到无线传输带宽余量，要求无线传输带宽最大为下行10 kb/s。PIS流媒体采用组播方式，对于单路高清(720 p)流媒体视频，下行带宽不少于4 Mb/s。车载电视监视业务要求每列车同时上传2路或4路视频至地面监控中心播放，保证带宽为2 Mb/s，即2路1 Mb/s码率视频。同时上传4路2 Mb/s码率视频将占用8 Mb/s的带宽。单车上、下行带宽统计分析结果如表2所示。

表2 单车PIS上下行带宽统计

6 结束语

LTE-M系统专门应用于地铁、轻轨等轨道交通领域，凭借LTE高可靠的抗干扰能力、高效的多业务优先级保障机制以及高速移动下的稳定传输等优势，以IP方式综合承载CBTC、PIS、CCTV等多个网络业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够同时满足紧急文本下发和列车实时状态的传输需求，且能为车载视频监控和乘客信息传输等业务提供有效的通道。通过研究PIS视频和CCTV监控的网络业务需求，实现了车载PIS视频和车载电视监视系统的轻量化、网络化方案，大大降低了系统复杂度并便于扩展维护。同时着重研究并实现了车载高清视频编码、传输、播放等关键模块的软件和硬件设计，并将结合上海轻轨进行线上测试。

[1] 杨利强.城市轨道交通无线通信系统融合方案[J].都市快轨交通,2015,28(2):117-120.

[2] 李照敬,葛叔云.基于LTE技术的城市轨道交通综合承载业务需求分析[J].铁路通信信号,2015,51(7):74-78.

[3] 曲伟强,张亚.上海轨道交通16号线列车乘客信息系统全数字化的实现[J].电力机车与城轨车辆,2014,37(2):52-55.

[4] 程珂,钱存元.无人驾驶地铁列车乘客信息系统的关键技术[J].铁道机车与车辆,2015,35(2):120-124.

[5] 梁笃国,张艳霞,曹宁,等.网络视频监控技术与智能应用[M].北京：人民邮电出版社,2013.

[6] 潘力策,孟利民.基于DM365的双码流视频监控设备的设计与实现[J].微型机与应用,2015,34(10):41-47.

[7] 袁剑飞,袁宇浩,简丹丹.基于Hi3521的机车视频监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2016,37(7):1781-1786.

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[9] 孙永才.基于以太网的车载通信系统设计[J].都市快轨交通,2015,28(3):132-135.

[10] 高玉龙,白旭,吴玮.达芬奇技术开发基础原理与实例[M].北京：电子工业出版社,2012.

[11] 施朝辉,刘全利,王伟.基于DM8168的列车多媒体平台的设计与实现[J].控制工程,2014,21(6):913-917.

Research and design of onboard passenger information system in metro based on LTE-M

Zhang Gongsheng, Guo Xiuqing, Chen Yongsheng

(College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to improve vehicle communication performance and video resolution of onboard passenger information system in urban rail transit and simplify the system, an integrated design of onboard passenger information system based on Long Term Evolution-Metro (LTE-M) was proposed and the implementation of key modules in the system were studied. The framework of the system was established after technical condition was analyzed and various functions were identified, the hardware and software design of embedded Linux video server and video proxy server were presented in detail. Tests show that download of streaming media in 720p or 1 080p and upload of surveillance video in D1 can be implemented efficiently. The stability and performance of bandwidth is quite well.

Long Term Evolution-Metro (LTE-M); onboard passenger information system; vehicle wireless communication; embedded Linux video server; proxy server

TP37

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.030

张功升，郭秀清，陈永生.基于LTE-M的地铁车载乘客信息系统研究与设计[J].微型机与应用，2017,36(11)：102-105.

2016-12-11)

张功升(1993-)，通信作者，男，在读硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统与计算机控制。E-mail：1404833530@qq.com。

郭秀清(1965-)，女，博士，教授，主要研究方向：过程控制与计算机控制。

陈永生(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：仿真与多媒体处理。