基于HSUPA及多流技术的TD-SCDMA移动视频监控系统设计与实现*

胡法利，王崇萍，周建明

（1.北京邮电大学网络技术研究院网络与交换国家重点实验室 北京 100876；2.中国移动通信集团公司 北京 100032）

1 引言

随着国民经济的发展，我国的移动视频监控行业迎来了快速发展的繁荣阶段，同时，3G网络的大规模部署、智能终端及多媒体技术的不断发展成熟也为移动视频监控业务的发展提供了技术条件。中国移动、中国联通、中国电信3家运营商分别开展了视频监控业务，其中，WCDMA及cdma2000技术成熟，产业支持较好；TD-SCDMA(以下简称TD)网络承载能力相对薄弱，尤其是上行速率不足限制了视频监控等高带宽业务的发展。

当前，业内TD网络视频监控系统实现的视频清晰度较低，远不能满足用户的需求。针对此问题，目前有AUE（adaptive uplink enhancement，TD自适应上行增强）技术、HSUPA（high speed uplink packet access，高速上行链路分组接入）技术、多载波技术等提升TD上行带宽的技术方案。首先，AUE技术是通过修改数据业务的信道编码参数，减少编码增益，在占用同等码道资源的前提下，达到提升数据业务速率的目的。AUE在近点业务速率提升可达30%～50%，UE（user equipment）发射功率有增长但整体不高，对网络干扰较小，但是在中点和远点无法达到改善上行速率的目的，反而会抬升手机发射功率给网络增加干扰。因此，AUE技术目前只能应用于室内场景。其次，目前HSDPA技术比较成熟，3G终端支持性好并且已在现网部署，但是HSUPA技术仍不成熟。HSUPA技术需要小区为HSUPA配置专门的上行时隙来传送数据，同时下行需要配置与HSUPA相关的控制信道，这些都会对小区用户容量，特别是HSDPA用户容量带来很大影响。多载波技术是通过引入数字中频合路技术和带宽功放技术实现单射频通路上的多载波功能，是3GPP标准定义的方案。但是要在单一模块实现多个载波承载功能，对芯片要求较高，目前市场上还没有成熟的可以规模应用的芯片。

本文提出的TD移动视频监控系统的创新之处在于：首先结合HSUPA技术方案及多流技术方案提升TD网络上行带宽，通过测试，TD网络上行速率可提高到872 kbit/s，下行速率可提高到2.88 Mbit/s，网络上行能力提升了约6.8倍、下行能力提升了约1.9倍；然后，结合视频编解码优化、传输模块优化等优化方法设计并实现了一套移动视频监控系统，基于2∶4的时隙配比可以为用户提供流畅的D1传输格式的视频图像。本系统已经在北京地区开展商用，业务发展良好。

2 系统架构

TD移动视频监控业务是基于TD网络为用户提供图像和各种报警信号远程采集、传输、存储、处理的一种全新的电信业务。系统需要具备网络管理、业务管理、实时视频、录像、报警联动等功能。具体的业务系统功能划分如图1所示。

与传统的视频监控系统一样，TD移动视频监控业务系统由前端、中间端、后端3部分组成。前端需要具备镜头、摄像机、云台、报警开关、视频编解码设备、主机控制设备和监控软件等；中间端是一个需要具备业务平台管理功能，并对传送过来的图像进行存储、转发及对报警进行联动处理的中心服务平台；后端进行业务管理、数据处理和整体控制功能。

TD移动视频监控系统的设计需要遵循的原则为模块化、可扩展性、开放性、接入多样性、具备集中处理和分布式处理的高效性、可维护性、互操作性。另外，考虑到系统的复杂性和管理的需要，采用的设计原则为“全网布防，多级管理；集中控制，数据分散；模块设计，平滑扩展；能力开放，灵活调用”。要求软件采用分层的模块化结构，模块之间的通信按规定接口进行，保证任何一个模块的维护和更新以及新模块的追加都不会影响其他模块。综上所述，根据分层的模块化原则，把TD移动视频监控系统划分为运营支撑层、业务管理层、业务控制层、媒体服务层和接入层5层。

2.1 单域系统架构

单域系统结构如图2所示，主要包括业务管理平台（service management platform,SMP）、中心服务平台、监控前端 （video capturing unit,VCU）以及监控客户端（surveillance client,SC）。中心服务平台包括业务控制中心（service control center,SCC）、视频转分发服务器（video distribution server,VDS）、网络录像单元 （video recorder,VR）、视频转码单元（video transcoder,VT）、前端接入网关（VCU_GW）、客户端接入网关（SC_GW）。

各网元的具体功能如下。

（1）SMP

SMP负责实现系统的业务管理，可连接多个SCC部署成为一个域，SMP保存有本域所有SCC所管理的设备和客户的信息。SMP向BOSS提供功能服务接口，向其提供业务数据查询、业务设置等业务功能。

（2）VCU

VCU是系统的信息采集端，实现视频信息、音频信息、数据信息及告警信息的采集功能，具有话音信息和数据信息的双向传送功能。部分VCU可实现音视频录像的存储功能。VCU系统常包括前端设备（视频服务器或DVR等）、摄像机、云台设备、报警输入输出设备等。

（3）SC

SC实现视频信息、音频信息、数据信息及告警信息对用户的呈现以及对VCU相关业务参数配置和管理。

（4）SCC

SCC实现作为应用服务器提供视频监控业务，作为管理中心提供客户/用户管理、前端/平台设备管理，集中存储用户数据和业务参数配置数据等功能。

（5）VDS

VDS实现对音频/视频接收、转发、分发及计费数据采集等功能，可分布式部署。

（6）VR

VR实现对音频/视频数据的接收、存储、存储介质管理及录像回放、下载服务等功能。VR必须可连接SAN、NAS、DAS等各类物理存储设备并可实现分布式部署。

（7）VCU_GW

VCU_GW是VCU的接入点，部署在VCU与SCC之间，实现对VCU的接入管理，接收、转发来自VCU、SCC的呼叫控制信令。

（8）SC_GW

SC_GW实现对SC的接入管理，接收、转发来自SC的呼叫控制信令给本域的SCC进行处理，转发从SCC接收到的消息给SC。

（9）VT

VT实现对来自VCU或VDS的码流进行音视频转码及与手机M_SC的RTSP信令交互。VT将视频流分发给手机，CS手机客户端或手机WAP方式请求的实时视频流和录像流都是经过VT转发给手机。

2.2 系统分层结构

系统总体上分成运营支撑层、业务管理层、业务控制层、媒体服务层和接入层共5层。各网元在系统中的层次位置如图3所示。

如图3所示，系统各网元间的通信协议包括SIP、HTTP、RTP/RTCP、SNMP、SOAP、XML 及中国移动自有通信协议CMPP(China Mobile peer to peer，中国移动点对点协议)等。关键协议比较见表1。

根据对3种技术方案的分析，通信协议的选取采用“SIP为主，HTTP为辅；统一标准，互联互通”的原则，会话控制采用SIP+XML、配置管理使用HTTP+XML的协议组合。

表1 通信系统比较分析

3 TD网络性能提升

TD技术由于受载波带宽以及终端芯片的限制，在2∶4的时隙配比下，网络仅能为单用户提供上行128 kbit/s、下行1.68 Mbit/s的峰值速率，上行能力远远不能满足视频监控业务的发展需求。根据表2的对比数据，WCDMA单用户峰值速率是TD的6倍以上，cdma2000是TD的2.6倍以上，差距明显。同时TD带宽抖动频繁，幅度大，分组丢失严重。TD网络上行带宽不足是影响移动视频监控业务质量的一个主要因素，本系统引入了HSUPA技术和多流技术来提升TD网络性能。

3.1 HSUPA技术解决方案

HSUPA是上行链路方向针对分组业务的优化和演进，通过高阶调制（16QAM）、HARQ、基于 Node B的快速调度等关键技术，极大地提高了上行传输速率，改善上行链路数据业务的承载能力。利用HSUPA技术，用户的上行峰值传输速率可以提高2～5倍。

表2 TD网络与WCDMA网络及cdma2000网络上下行速率对比

但是，目前市场上HSUPA终端极少，且HSUPA技术的引入会对现网R4、R5终端用户带来如下影响:

·R4/HSDPA终端接入HSUPA/HSDPA载波，上行最大速率从128 kbit/s下降至80 kbit/s，且上行可用的DPCH仅为原来的5/14，多用户共享时速率会进一步下降；

·每载波的最大接入用户数减少，在不考虑伴随信道复用情况下，HSDPA接入用户从原来6个用户下降至4个用户。

针对以上问题，本文提出通过与厂商合作定制HSUPA终端，对于要开通HSUPA的小区，根据话务统计情况预留相应的R4/HSDPA载波，并且RNC在信道分配时让HSUPA终端优先占用R4/HSDPA载波。通过测试，引入HSUPA技术，TD网络单时隙可提供上行560 kbit/s的理论峰值速率，TD-HSUPA网络在2∶4时隙配比下，空载网络上行速率能够较稳定地维持在350～400 kbit/s，能够满足CIF分辨率的满帧率视频传输要求。不同格式的视频传输所需要的带宽见表3。

3.2 多流技术解决方案

由3.1节知，引入HSUPA会对现网R4、R5终端用户造成一定影响，且引入HSUPA技术，在2∶4的时隙配比下，TD网络也仅能提供理论峰值560 kbit/s，实际稳定在350～400 kbit/s的上行速率，仍然无法很好地满足用户使用高清视频业务的需求。为了提升单用户的上下行速率，满足用户高速业务对于带宽的需求，本项目提出并研发了TD端到端多流技术解决方案。通过定制双卡终端和研究网络侧的技术方案，实现TD网络性能提升。鉴于双卡终端技术基本成熟，本文侧重于介绍网络侧的技术方案，包括多流技术方案整体架构、无线侧的多卡捆绑识别和资源分配以及核心网侧的工作。

3.2.1 技术整体架构

终端侧通过数据整合、分解模块，将发送的数据分解为多个数据流，网络侧采用多流调度机制，不同数据流采用不同载波承载，网络侧接收信号后将分解的多流数据进行整合。保证多个SIM卡分别驻留在不同的载波，为同一用户提供服务。多流技术解决方案架构如图4所示。

表3 不同格式的视频传输所需要的带宽

（1）终端

维护双卡双待，支持一套IP协议栈，并根据应用业务特征支持业务流从多个载波进行分发。

（2）无线

根据双卡终端的链接建立请求，为终端维护多个载波链路，并建立到SGSN的多个链接隧道(GTP隧道)。

（3）SGSN

为用户的双卡接入进行会话关联，并将相应的Common ID消息、Common ISDN号码传递给RNC，便于RNC识别用户的卡号捆绑信息。同时，SGSN根据HLR插入的数据信息和MSISDN将用户的两个IMSI进行关联，为用户维护一个会话上下文，便于管理用户的移动性信息。

（4）GGSN

为用户的多个GTP隧道关联一个IP会话，为用户的多个链路发送的上行数据流汇聚成一个业务数据流发送到业务网络。

（5）HLR

为用户关联两个IMSI对应一个MSIDSN，并且为用户配置Common ISDN内容。为双卡用户接入网络，授权相应的配置信息。

（6）提供用户的原始话单

CG网元不需要有改动，完全根据现网方式，接收来自SGSN和GGSN的用户后付费话单信息，通过FTP方式为BOSS提供用户的原始话单。

（7）为用户提供双待接入的后付费账单

BOSS根据用户的MSISDN关联不同的IMSI的CDR话单，统一合并后为用户提供双待接入的后付费账单。

另外，在传统技术中使用多个数据卡（TD数据卡或者后续LTE数据卡），用户的各个数据卡分别发起PDP激活请求。核心网(GGSN)通过向终端发送的PDP激活接收消息分配IP地址，因此在多卡情况下，各个数据卡将同时拥有多个IP地址。传统应用中每个网卡各自进行不同的业务，单独通信。

本系统的终端侧将多个IP地址虚拟为一个IP地址A（取其中一个数据卡A的IP地址），其他网卡的地址仅仅做路由转发（转发IP数据分组头中的IP地址依然以A标识）。在服务器侧，只可见数据卡A的IP地址的数据链接，即从应用角度只存在一个IP地址。终端应用侧上行方向，其目标地址只存在一个，即发送和接收关系是单个地址发送、单地址接收。终端的应用业务层将用户的数据负荷分担到两个数据卡上由两个数据卡向网络侧发送数据，应用业务将数据分配到TD模块A和TD模块B上分别发送，TD模块A与正常单卡数据传递无差异，TD模块B应该能够根据目标地址将应用数据发送到无线协议栈(类似路由转发，可以不替换地址)。上行方向在RNC处，将多流上行数据聚合并进行乱序重排。

3.2.2 无线关键技术

（1）无线多卡捆绑识别

本方案通过在HLR上配置多流用户捆绑。SGSN侧通过安全变量控制该功能。HLR在插入用户数据时，当安全变量打开，SGSN将该用户的Common MSISDN写入MM上下文中，并在扩展Iu口Common ID消息中将Common MSISDN带给RNC。当安全变量关闭，Common ID消息中不会将Common MSISDN带给RNC。RNC根据捆绑的多流用户信息进行资源分配和优化，再进行统一的HLR集中以便进行用户管理。

（2）无线资源分配

根据用户多卡的情况，将用户各卡的资源分配到不同的频点上，RNC获取到终端类型属性后，将捆绑的用户数据卡分配到不同载波上。

资源分配的算法处理流程如下。

步骤一：RNC根据各个HS载波可提供的保障速率（provided gurrantee rate）进行排序；选择大于接入用户GBR的频点组成用户接入的候选频点集。

步骤二：RNC根据获得的标记终端的类型，判决候选频点集中优先级最高的载波是否存在同类型的终端，如果不存在，则选择该载波接入。

步骤三：如果存在同类型的终端，则选择可提供的保障速率次之的载波按照步骤二的策略进行判决，以此类推。

步骤四：如果所有载波都存在与接入终端同类型的终端，选择可提供的保障速率最大的可接入载波进行接入。

多流调度只有在多卡分配到不同的频点上时才能体现其效果。因此，当非第一个卡的资源分配失败而触发拥塞处理时，应优先在该用户尚未承载的频点上执行相关的拥塞策略，以尽量达到多流调度提升吞吐量的效果。拥塞控制算法中，在对拥塞处理频点进行排序时，首先将用户已经承载的频点的优先级降至最低，然后再按照现有原则进行排序。

3.2.3 核心网关键技术

（1）一个用户多卡业务激活，业务释放，Attach过程

核心网 SGSN、GGSN、PCRF和 HLR考虑为用户的多个IMSI接入提供一个IP会话，并且和手机终端配合，根据业务流的应用特征，从不同的无线通道转发用户的前向业务流。从而为用户提供一个IP会话，简化网络侧的应用服务器软件要求，增加用户终端上行和下行的无线多载波复用带宽，降低终端的应用处理复杂度。

核心网侧通过会话关联技术，为用户的双卡接入维护一个IP会话，聚合和分发用户的业务数据流，分别统计两个IMSI卡的数据流收发字节和时长信息。同时，作为QoS控制，GGSN能够从PCRF得到用户会话的QoS信息，针对不同的业务类型执行制定的QoS管理。

（2）数据分流和汇聚功能

核心网SGSN需要关联用户的无线多载波通道标识，为用户的业务流维护上行和下行的业务流转发路径。SGSN将根据GGSN的隧道信息关联下行业务流和RNC的具体载波通道，便于下行业务流从多个通道进行分发。GGSN将根据SGSN的隧道信息关联上行业务流的用户会话承载信息，根据指定的QoS为用户转发上行业务流到相应业务网络。

对于用户发出的上行业务流，核心网GGSN为用户进行汇总，使用一个数据会话发给业务网络，无须业务网络关联用户不同IP地址的同一个IP会话，降低了业务网络的适配复杂度，便于用户使用通用方式访问现有业务网络。同时，核心网SGSN和GGSN管理和维护用户的移动性，为用户提供下行业务流的转发功能，维护终端发送的TFT信息，根据PF为用户转发下行业务流。

（3）用户捆绑属性配置和传递

SGSN、GGSN和HLR需要根据用户的IMSI的信息，为用户进行双卡接入的用户信息捆绑、相关属性的配置服务。该过程涉及用户开户、位置更新以及接入认证的交互与配合过程。核心网通过功能增强，减少终端的适配要求，做到双卡接入过程用户无感知，为用户捆绑接入链接和会话信息，向终端设备呈现一个会话的接入功能。

（4）同一个用户多卡计费合并

核心网网元SGSN和GGSN考虑对于后付费用户提供相同MSISDN不同IMSI的多个话单，由BOSS根据用户MSISDN，为用户进行账单合并，提供一份账单给最终用户。

采用HSUPA及多流技术后室内测试显示，双流HSUPA视频监控终端上行平均速率为700 kbit/s，图像清晰。

室外宏站测试显示，在2∶4的时隙配比下，双流HSUPA视频监控终端定点测试下行速率可达2.88 Mbit/s，相对普通终端速率提升约1.9倍；上行速率可达872 kbit/s，提升约6.8倍。

4 结束语

本文提出的系统通过使用HSUPA技术及多流技术提升了TD网络的上下行信道性能，设计研发了TD移动视频监控系统，满足了当前视频监控业务发展的需求。随着云计算、TD-LTE及IPv6技术的发展成熟，视频监控业务将逐步向高清化、智能化、开放化发展。

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