基于动车组Wi-Fi的京张高速铁路超高清移动演播室关键技术研究

郭 悦

（中国铁道科学研究院集团有限公司 科技和信息化部，北京 100081)

举办北京2022年冬奥会、冬残奥会是我国重要历史节点的重大标志性活动。京张高速铁路(北京北—张家口)的建设开通为北京冬奥会的成功举办提供了重要的交通保障，同时快速便捷地跨赛区通行对于媒体至关重要，而京张高速铁路为各方媒体及时进行快速报道提供了有力支持。为了能更好地展示奥运比赛，中央广播电视总台(以下简称“央视总台”)联合中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)提出通过高速铁路技术、5G和超高清视频解码技术共同打造连接各大赛区、各大场馆、各大媒体的冬奥新型直播平台，开创性地设置了5G移动超高清演播室，在速度350 km/h 的京张高速铁路上开展直播。为此，在分析动车组Wi-Fi系统组成及功能，以及基于Wi-Fi的京张高速铁路超高清移动演播室需求的基础上，联合相关单位在京张高速铁路沿线开展专项测试，提出移动演播室解决方案，并进行了动车组改造，使之具备了进行超高清直播的条件，圆满地完成了冬奥会直播任务。

1 动车组Wi-Fi现状分析

1.1 系统组成

动车组Wi-Fi系统由车地互联和车载无线局域网两部分组成。车地互联是动车组与互联网之间建立连接的通道；车载无线局域网由各车厢局域网通过有线方式互联组成，是用户终端接入车载内容服务系统或互联网的接入平台。

动车组Wi-Fi系统车载设备主要包括5G融合通信网关、单车服务器、无线接入设备(AP)、车顶天线等。中心服务器作为动车组Wi-Fi系统的互联网出口，提供车地互联数据传输、负载均衡、用户网络行为审计等功能，同时为动车组车载无线局域网提供本地内容点播服务及内容分发等功能；单车服务器连接中心服务器和AP，提供IP地址分配、本地内容服务等功能，同时为AP提供以太网供电(PoE)；AP是用户连接动车组车载无线局域网的接入点，提供无线网络接入功能；车顶天线支持5G，并向下兼容4G等全频段，为中心服务器提供5G及卫星导航信号接入[1-5]。动车组Wi-Fi系统结构图如图1所示。

图1 动车组Wi-Fi系统结构图Fig.1 Structure of EMU Wi-Fi system

1.2 业务需求

央视总台超高清移动直播演播室基于动车组Wi-Fi使用轻量化、移动化、全IP技术进行演播室相关系统的搭建，演播室需具备两路景观机位、一路游机机位以及演播室现场制作信号，具备景观播放、直播访谈、车厢内移动采访等功能。车内景观机位及游机的IP化节目信号分别通过车内有线、无线局域网传输至高速铁路演播室系统，与演播室现场制作信号共同经视音频制作系统制作后，成品节目信号通过动车组Wi-Fi系统回传至央视总台进行节目播出。该演播室可为央视总台各节目部门提供全媒体直播服务，包含大屏超高清节目直播服务，以及各新媒体客户端的直播服务等[6]。

1.2.1 高清移动演播室

（1）在速度350 km/h的京张高速铁路上实现超高清信号稳定且连续地回传至央视总台接收平台。

（2）移动演播室对带宽的需求主要体现在上行方向，按照一路4K高清视频计算，需要40 Mbps左右的上行带宽。

（3）景观机固定在车头和车尾，通过旅客信息系统(PIS)交换机连接至移动演播室，需要40 Mbps左右的局域网有线带宽。

（4）游机通过接入动车组Wi-Fi系统，实现在1号—8号车厢内移动状态下对车厢内旅客进行采访，动车组在8号车厢设置演播室，将采访的4K超高清信号传输到8号车厢演播室，结合景观机回传图像进行制作，回传至央视总台。

（5）央视总台在动车组上的超高清聚合接收系统接收央视总台信号返送回高速铁路超高清移动演播室用于回监。

1.2.2 媒体专用车厢

动车组在5号车厢设置媒体专用车厢，供记者、媒体采访直播使用。按照满载48人，每人所需上行2 Mbps、下行1 Mbps带宽，并发率为60%的模型计算，媒体车厢使用动车组Wi-Fi上网带宽需求为上行60 Mbps、下行30 Mbps。

1.2.3 旅客使用Wi-Fi上网

除超高清移动演播室和媒体专用车厢，动车组同时支持旅客使用Wi-Fi上网。按照旅客500人，35%使用率，60%并发率，每人所需上行200 kbps、下行1 Mbps带宽的模型计算，旅客使用高速铁路Wi-Fi上网带宽需求为上行21 Mbps、下行105 Mbps。

1.3 安全需求

（1）动车组Wi-Fi系统为央视总台提供独立的无线接入点(SSID)、网络接入频点和AP用于满足游机信号网络传输所需的无线网络，同时其需与旅客及其他业务使用的Wi-Fi隔离。

（2）PIS为央视总台提供的用于满足超高清移动直播演播室景观机位及央视总台5G传输系统网络传输所需的有线局域网，需与PIS系统车内现有其他业务系统的网络隔离，至少需保证在网络子网(VLAN)层面的逻辑隔离及业务的网络安全服务质量(Qos)保障。

2 超高清移动演播室专项测试

2.1 测试目的

基于以上业务及安全需求，为进一步掌握京张高速铁路沿线5G信号覆盖情况、动车组车内车载5G网络系统传输能力、移动超高清演播室与动车组环境兼容性等指标，在国铁集团统一安排部署下，2021年7月，中国铁道科学研究院集团有限公司联合央视总台、中车长客轨道客车股份有限公司、中国联合网络通信集团有限公司等单位在CR400BF-C-5162智能动车组列车上开展了“5G高清演播室”5G网络、车载环境等方面的联合测试。主要测试目的包括以下方面。

（1）验证5G网络系统车地网络上行、下行传输能力和通讯质量。

（2）验证CR400BF-C-5162智能动车组列车5G网络上行传输能力和质量是否满足高速铁路5G移动演播室直播数据回传网络需求，以及5G网络车载设备布置是否满足5G超高清移动演播室要求。

（3）验证网络系统、音视频系统、灯光系统、动力系统与动车组相关系统的对接是否满足央视总台5G移动演播室相关需求。

（4）获取动车组列车运行中通信与信号设备间及其传感器附近的电磁环境水平，测量动车组车载电源电能质量及电磁兼容性能，测试车载列控系统各端口的电磁骚扰水平。

（5）验证5G小站方案可行性、网络连通性、数据业务功能、带宽及时延等性能指标。

2.2 测试内容

此次测试主要围绕智能动车组PIS系统和动车组Wi-Fi系统与央视总台5G网络传输系统间的连通性、央视总台5G网络传输系统基于车载5G网络系统实际回传效率、5G移动超高清演播室相关建设功能、电力提供和电磁兼容、5G小站方案网络连通性和数据业务功能性能指标等方面开展，分为静态测试和动态测试2个阶段，均为不载旅客情况下进行。测试期间联合测试团队利用列车现有资源完成了以下方面的测试内容。

（1）基于PIS系统和动车组Wi-Fi系统与央视总台5G背包传输系统的对接配置、连通性测试和数据回传总台的效率测试。

（2）景观机及游机基于车内有线/无线系统将信号传输至演播室视音频系统的功能和性能测试，演播室视音频设备、灯光、动力供配电接入测试。

（3）5G小站方案与移动试验核心网对接、网络联通性、数据业务功能、带宽及时延等网络性能指标的一系列测试。

（4）电磁环境兼容等一系列测试工作。①动车组车载信号设备安装空间电磁环境测试，包括动车组车载自动驾驶系统(ATO)及列车自动防护系统(ATP)、车载综合无线通信(CIR)等设备安装空间处空间射频电磁场；②车载列控系统设备各端口电磁骚扰测试，包括车载列控系统中车载CIR设备、车载ATP设备敏感端口连接电缆上共模电磁骚扰电流时域与频域数据；③车载电源电能质量及电磁兼容性测试，包括车载110 V直流电源差模电磁骚扰信号。

2.3 测试结论

经试验分析，利用动车组Wi-Fi系统和PIS系统搭建5G超高清移动演播室，能够将视频信号以40 M左右码率稳定回传至央视总台5G媒体应用实验室，车内游机通过车内Wi-Fi系统可以以40 M码率将视频信号稳定回传至车厢演播室切换系统。同时，音视频设备供电电源满足冗余及不间断供电的要求，电磁环境在正常的范围内。

3 京张高速铁路超高清移动演播室总体方案及关键技术

3.1 技术方案

结合目标需求及测试结论，利用动车组Wi-Fi系统现有资源及带宽聚合等关键技术，制定了5G超高清移动演播室技术方案。

系统整体架构由车内移动演播室系统、回传系统以及央视总台地面系统3部分组成，其中车内移动演播室系统由动车组Wi-Fi系统、超高清聚合网关、IP切换台、视频系统、景观机、游机等组成。游机连接至各个车厢内的AP接入动车组Wi-Fi系统，AP接入车内局域网将数据传送至移动演播室；景观机为固定机位，位于1号车厢和8号车厢，通过架设的便携摄像机采集图像视频并连接车内局域网将数据传送至移动演播室；演播室内布置超高清聚合网关，进行数据聚合，完成景观机位采集信号的传输到制作。制作完成后，输出至回传系统，由回传系统采用VBR动态编码技术使用路由聚合模式(聚合不同运营商的5G资源)与动车组Wi-Fi系统连接，将信号回传至央视总台播出。京张高速铁路超高清移动演播室总体架构如图2所示[7]。

图2 京张高速铁路超高清移动演播室总体架构Fig.2 Overall architecture of ultra-HD mobile studio for Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

3.2 系统功能

（1）互联网接入和访问。动车组Wi-Fi系统能够同时接入不同运营商5G网络，支持每个运营商不少于2张SIM卡的配置能力，且具备多信道、带宽汇聚功能和通道加密功能；在动车组350 km/h运营速度下，根据运营商的网络覆盖质量，进行自适应负载均衡、QoS限速、业务流动态调度、应用识别和访问控制，避免有限的公网通信带宽被高带宽应用过度占用。

（2）车载无线局域网。动车组Wi-Fi系统车厢内采用AP进行无线覆盖，确保Wi-Fi信号连续覆盖，构建车载无线局域网，提供车内无线网络通信；系统具备统一规划车载无线局域网设备IP地址的能力，防止IP地址冲突。

（3）认证鉴权。动车组Wi-Fi系统能提供用户认证鉴权功能，具备对用户进行身份认证，提供用户接入互联网的鉴权功能，对用户的身份、权限及访问内容进行认证。

（4）安全防护。为确保移动演播室的安全运行，动车组Wi-Fi系统具备下列安全防护功能：①设备配置端口防护、防火墙等安全策略，防止病毒入侵、黑客攻击等恶意破坏行为；②具备检测外部设备授权状态的功能，能够拒绝未授权设备的接入，防止恶意攻击、系统信息篡改，系统信息被篡改后可自动修复；③设备日志、告警等管理维护信息的存储周期大于60 d；④支持对用户行为进行记录与追溯，用户信息、用户行为等重要数据的存储周期大于60 d。

（5）维护与管理。动车组Wi-Fi系统支持对车载设备运行状态进行本地或远程监控、维护管理功能，设备具备上电自启动功能，与其他车载系统网络隔离，系统崩溃或被攻击不应影响其他车载系统。

3.3 安全方案

为了保障在冬奥会期间京张高速铁路超高清移动演播室数据安全，采取保障措施如下。

（1）动车组Wi-Fi系统5G通信网关预留移动演播室专用通信模块，与旅客通信通道物理隔离，动车组Wi-Fi系统AP为游机分配独立且隐藏的服务集标识(SSID)，并建立直播系统专属VLAN，与动车组Wi-Fi系统旅客进行逻辑隔离。

（2）景观机通过PIS交换机VLAN100连接至移动演播室，与其他系统进行逻辑隔离。

（3）动车组Wi-Fi系统的移动、联通SIM卡均采用独立通道方式接入运营商5G网络，仅承载直播业务，以保障直播信号的安全性。

（4）动车组Wi-Fi系统与PIS系统之间通过动车组千兆以太网交换机进行VLAN逻辑隔离。

（5）央视总台5G传输系统背包设备的上行通道，采用央视总台自有的应用聚合协议，通过独立网卡连接动车组Wi-Fi系统，仅允许指定协议的数据经车载5G模组发送至央视总台，以保证视音频节目信号传输的安全[8]。

3.4 改造方案

根据以上央视总台业务需求以及测试结果，动车组主要改造内容如下。

（1）动车组8号车二等客室座椅全部拆除，改造为直播演播室，设演播区(长度6 m)和导控区(长度2 m)。

（2）新增2台3.5 kVA单相逆变器为演播室设备提供冗余电源。

（3）在两端司机室前部安装景观机位，景观机信号通过硬线接入，游机信号通过车厢Wi-Fi接入，均通过动车组千兆以太网将音视频信号发送至8号车央视总台网络交换机。

（4）央视总台编辑后的音视频信号通过5号车车顶天线传输至地面，从而实现车载直播信号的回传。

3.5 关键技术

（1）设计了多通道、全频段、高性能的5G天线。为了支持京张高速铁路沿线多家运营商不同频段的5G网络覆盖，大幅降低高速铁路列车对5G信号的穿透损耗，保证动车组5G直播室内的信号质量，同时兼顾原有Wi-Fi业务，设计了多通道、全频段、高性能的多频段4×4 MIMO组合天线。

（2）基于5G技术，研发了动车组Wi-Fi系统网关多通道、大带宽、低时延互联网接入、链路聚合、负载均衡技术和车载AP安全无线接入技术。研究使用等价多路径路由(Equal Cost Multi-path)技术，在用户使用多任务情况下实现带宽叠加，设计通过多路传输控制协议MPTCP (MultiPath TCP)技术实现对TCP协议的链路聚合，实现用户单任务的带宽叠加。针对车载5G通信网关支持多通道、多链路的特点，研究设计按照预设规则分配不同的权重和优先级给不同链路，并在特定条件下进行链路切换和负载均衡。当某个运营商网络出现盲区或弱信号时，通过基于沿线网络覆盖动态监测及决策技术，将数据切换到其他运营商网络，保证网络连接的连续性和稳定性。在保障直播对信号传输高质量要求的同时，通过VLAN隔离、独立设定SSID，独立配置网段等形成车载AP安全无线接入方案，保证直播无安全事故。

（3）构建综合运维智能化监控管理平台。应用基于业务基线模型和全链路追踪的服务故障定位系统，构建了“云-网-端”综合运维智能化监控管理平台，通过ZeroMQ下发配置文件和指令给指定的车辆，车端定时采集系统运行数据，并根据规则进行监控，在冬奥会期间提供智能化的运维保障服务[9-10]。

3.6 应用效果

冬奥会期间，在速度350 km/h的京张高速铁路上实现了冬奥赛事的超高清直播。同时，车头和车尾的景观机可实时采集列车行驶中的景观画面。这是全球首个设置在350 km/h高速铁路列车上的基于5G的超高清演播室，自2022年1月6日正式上线以来，央视总台累计保障各频道制作节目40余场，累计达到了91.5 h，为冬奥报道提供了全新的平台和视角。

4 结束语

以2022年北京冬奥会为背景，以全球首次在速度350 km/h的京张高速铁路上开展视频直播为目标，分析了既有动车组Wi-Fi系统的组成及功能，通过分析央视总台提出的业务需求及安全需求，提出5G超高清移动演播室技术方案、安全方案和改造方案。利用设计多通道、全频段、高性能的5G天线，研发互联网接入、链路聚合、负载均衡技术、车载AP安全无线接入技术，以及综合运维智能化监控管理平台的应用，支撑央视总台超高清移动演播室完成了各类冬奥赛事的直播任务，让境内外观众和媒体人士全景式感受科技元素与北京冬奥的完美融合。