楊勇，崇昊，袁東，仲亞琴，何燕，于琪

（1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司；2.南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司；3.普天信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

在城市軌道交通系統(tǒng)工程中，乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，以下簡(jiǎn)稱PIS）的一個(gè)重要功能是地鐵列車上的音視頻直播。要實(shí)現(xiàn)該功能，就需要將直播信號(hào)的音視頻編碼數(shù)據(jù)從PIS的控制中心可靠地傳輸?shù)搅熊嚿稀＿@需要通過該線路建設(shè)的1．8GHz頻段LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。該無線網(wǎng)絡(luò)能夠提供的總數(shù)據(jù)帶寬大約為8Mbps，包括上下行，但是需要同時(shí)承載信號(hào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、PIS三個(gè)業(yè)務(wù)。音視頻編碼數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量很大，按照PIS的功能要求，列車音視頻直播的編碼碼率一般要求達(dá)到2～6Mbps。LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載的三個(gè)業(yè)務(wù)中，除了信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)碼率較低外（Kbps量級(jí)），其他兩個(gè)業(yè)務(wù)都是音視頻業(yè)務(wù)，都要求較高的帶寬來傳輸。信號(hào)系統(tǒng)是列車行進(jìn)控制的安全保障系統(tǒng)，在三個(gè)業(yè)務(wù)中優(yōu)先級(jí)是最高的，視頻監(jiān)控系統(tǒng)則是安防反恐的重要輔助手段，優(yōu)先級(jí)次之，PIS業(yè)務(wù)是三個(gè)業(yè)務(wù)中優(yōu)先級(jí)最低的。由于LTE的帶寬有限，以及PIS業(yè)務(wù)的低優(yōu)先級(jí)設(shè)定，當(dāng)瞬時(shí)數(shù)據(jù)帶寬超過LTE的帶寬時(shí)，LTE無線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)優(yōu)先丟棄PIS的音視頻直播數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致列車上的視音頻直播出現(xiàn)卡頓和馬賽克現(xiàn)象，影響到乘客的觀感體驗(yàn)，數(shù)據(jù)丟的越多，卡頓和馬賽克現(xiàn)象就越嚴(yán)重。

2 傳輸鏈路

在PIS中，控制中心有一臺(tái)音視頻信號(hào)的直播編碼器，該設(shè)備的作用是將來自視頻流服務(wù)器或者有線電視的直播信號(hào)按照DVB標(biāo)準(zhǔn)編碼成TS流，并封裝成UDP包輸出到PIS的以太網(wǎng)中。為了確保所有車站和車載的播放控制器都能夠接收到直播數(shù)據(jù)，音視頻編碼的UDP數(shù)據(jù)包通常采用組播的方式進(jìn)入PIS網(wǎng)絡(luò)。車站或者車載的播放控制器只要加入到指定的組播組中就可以接收到直播數(shù)據(jù)。PIS傳輸示意圖如圖1。

圖1

PIS控制中心通過光纖與各個(gè)車站相連，構(gòu)成星形千兆以太網(wǎng)，各個(gè)車站之間的軌道區(qū)間鋪設(shè)LTE漏纜天線，車載局域網(wǎng)與地面的PIS局域網(wǎng)通過車地LTE無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。根據(jù)以上的PIS傳輸示意圖，對(duì)于列車來說，直播音視頻數(shù)據(jù)包的傳輸流程如圖2。

圖2

從車載直播數(shù)據(jù)的傳輸鏈路來看，直播數(shù)據(jù)包從控制中心產(chǎn)生，然后經(jīng)過有線網(wǎng)絡(luò)和LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)列車。有線網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為非常成熟穩(wěn)定可靠，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)由于無線容易受干擾，數(shù)據(jù)傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。本文正是針對(duì)此問題提出一個(gè)方法，用于在LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)上可靠地傳輸音視頻直播數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)緩沖重傳

對(duì)于車載音視頻直播功能來說，數(shù)據(jù)包帶來的后果就是解碼播放會(huì)出現(xiàn)卡頓和馬賽克現(xiàn)象，影響觀感體驗(yàn)，要解決此問題，需要將丟失的數(shù)據(jù)包再找回來。由于直播數(shù)據(jù)流是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，一旦經(jīng)過編碼器輸出，就成為歷史，無法回溯。因此，在后續(xù)的傳輸過程中出現(xiàn)丟失后要能夠補(bǔ)回來，首先需要對(duì)編碼器輸出的直播流進(jìn)行緩沖，車載接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失后再?gòu)目刂浦行牡臄?shù)據(jù)緩沖中申請(qǐng)丟失的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)緩沖重傳需要客戶端和服務(wù)端配合實(shí)現(xiàn)。

3.1 服務(wù)端

服務(wù)端采用專門的直播服務(wù)器設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)接收來自編碼器的直播數(shù)據(jù)流，采用環(huán)形緩沖區(qū)緩沖約幾分鐘。如圖3所示。

圖3

環(huán)形緩沖區(qū)所有的寫和讀操作都是在一個(gè)固定的存儲(chǔ)空間內(nèi)進(jìn)行，寫滿緩沖區(qū)后又回到原始點(diǎn)重頭開始；對(duì)于讀操作，也是相同的處理方式。

寫操作的算法偽代碼如下：

3.2 車載客戶端

車載直播客戶端運(yùn)行后，通過組播方式接收來自直播服務(wù)端的緩沖數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)判斷是否存在數(shù)據(jù)包丟失。如果存在，則向服務(wù)端發(fā)出指定數(shù)據(jù)包重傳的申請(qǐng)，之后直播服務(wù)端根據(jù)客戶端的請(qǐng)求將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包重新發(fā)送給指定的客戶端。由于每個(gè)車載客戶端丟失的數(shù)據(jù)包有可能是不一樣的，對(duì)于重傳的數(shù)據(jù)包，采用單播的方式進(jìn)行傳輸，同時(shí)為了確保重傳數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，需要建立一套數(shù)據(jù)傳輸和確認(rèn)的機(jī)制。

數(shù)據(jù)接收和重傳申請(qǐng)的工作流程如圖4。

圖4

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上的方法所實(shí)現(xiàn)的直播服務(wù)端和客戶端在城市軌道運(yùn)行中進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，并與直接傳輸方式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，如果未采用本文描述的方法來實(shí)現(xiàn)直播數(shù)據(jù)包的傳輸，列車上解碼播放的畫面經(jīng)常能夠觀察到畫面的卡頓和馬賽克現(xiàn)象。而采用了本文描述的方法后，基本上觀察不到上述現(xiàn)象。