基于轨道交通传输网的视频传输方案研究

　　摘要：本文分析了国内轨道交通常用的MSTP及OTN两种传输制式的技术特点，并结合轨道交通视频监视系统的管理模式要求，依托现有主流图像压缩技术，分别就MSTP和OTN两种传输技术提供了视频传输方案。本研究成果可作为从事轨道交通通信系统设计的相关技术人员参考使用。
　　关键词：轨道交通；传输制式；MSTP；OTN；图像压缩技术
　　
　　1轨道交通主要传输制式分析
　　随着我国轨道交通建设的快速发展，为地铁运营服务提供重要信息保障的通信系统也得到了长足发展。用于承载话音、宽带广播、数据及图像信息的传输系统随着技术的发展也是不断的更新换代，就目前而言，主流的传输技术主要MSTP、RPR、OTN、PTN等。
　　目前，对于RPR技术有两种实现方式，即内嵌RPR的基于SDH的MSTP和基于以太网物理层的RPR设备，通常称其为嵌入式RPR和纯RPR。由于轨道交通传输系统是一个需要承载大量话音、宽带广播、数据及图像信息的综合传输网络，基于以太网物理层的RPR设备（纯RPR）对TDM业务的支持能力受限，在轨道交通领域已极少采用。
　　近年来，随着运营商基站全业务IP化的迫切需求，一种新兴的基于全IP分组内核的PTN（分组传送网）技术，开展崭露头角，该技术在国内运营商网络中已大规模部署，并逐渐开始取代MSTP成为运营商新建传输网络的主流技术，但由于该技术的最终标准还没有发布，不同厂家产品的互联互通仍然存在一定的问题，目前在轨道交通领域还未开始应用。
　　因此，就目前而言，轨道交通采用的主流传输技术是MSTP和OTN，本次方案研究也是基于上述制式开展，下面首先对这两种制式特点进行简要分析。
　　1.1MSTP技术
　　MSTP(Multi-ServiceTransportPoint)是指基于SDH的多业务传送平台实现技术。随着以太网新业务的QoS需求推动MSTP不断向前发展，目前已经发展到第三代。MSTP技术标准非常成熟，国家信息产业部相继发布了行业标准YD/T1238-2002《基于SDH的多业务传送节点技术要求》、YD/T1345-2005《基于SDH的多业务传送节点(MSTP)技术要求—内嵌弹性分组环(RPR)功能部分)》和YD/T1474-2006《基于SDH的多业务传送节点（MSTP）技术要求——内嵌多协议标记交换（MPLS）功能部分》。
　　经过近几年的不断发展，MSTP已经囊括PDH、SDH、POS、以太网、ATM、RPR等技术于一体，它可通过多业务汇聚方式实现业务的综合传送，通过自身对多类型业务的适配性实现业务的接入和处理，非常适应多业务和多种技术相融合的应用场合。
　　MSTP传送以太网业务常用的传输方式主要包括：透传、二层交换、以太环网（包括RSTP环和RPR环）等；
　　MSTP传送以太网业务常用的捆绑技术包括：相邻级联、虚级联、LCAS等；
　　MSTP传送以太网业务常用的封装协议包括：PPP/HDLC、LAPS、GFP等；
　　MSTP对以太网业务的保护策略包括STP和RSTP等。
　　对于MSTP技术而言，支持的以太网业务类型主要包括点到点、点到多点、多点到多点。对于点到点的以太网业务只需MSTP支持透传功能；而点到多点和多点到多点以太网业务，则需要MSTP支持二层交换或以太环网功能。
　　1）以太网透传
　　以太网业务透传指以太网接口的数据帧不经过二层交换，直接进行协议封装和速率适配后，映射到SDH的虚容器VC中，然后通过SDH节点进行传输，如图1。
　　
　　图1以太网透传功能基本模型图
　　
　　（2）以太网二层交换
　　MSTP支持以太网二层交换是指在一个或多个用户侧以太网物理接口与一个或多个独立的系统侧的VC通道之间，实现基于以太网链路层的数据包交换，如图2。
　　
　　图2以太网交换功能基本模型图
　　
　　3）以太环网
　　基于SDH的多业务传送节点的以太环网功能指在SDH环路中分配指定的环路带宽用来传送以太网业务。目前实现以太环网功能，有两种方式：一种是基于二层交换予以实现，二种是通过内嵌的RPR环网实现，其中通过RPR是最主要实现方式，如图3。
　　
　　图3内嵌RPR的MSTP功能框图
　　
　　1.2OTN技术
　　OTN（OpenTransportNetwork）称为开放的传输网络，是德国Siemens公司开发的光纤传输技术。它仍然采用了时分复用技术，属于同步传输体系，但其帧结构与传统的SDH不同，帧的长度为31.25μs，帧速为32000帧/秒。OTN的主要特点如下：
　　---采用了一次复用机制，不仅可以满足低速和高速信息的接入，而且占用的开销比特数少，不到2%。
　　---目前OTN所具有的网络等级有36Mb/s、150Mb/s、600Mb/s、2500Mb/s以及10G设备。
　　---能够支持点到点、点到多点及总线等类型的连接。
　　---可综合不同的网络传输协议，集成多种用户接口，而不需接入其它设备，设备可靠性高。这些接口包括音频、数据（RS232/RS422/RS485、2W/4W、E/M、2B+D、30B+D、E1、10M/100M/1000M以太网）、视频（M-JPEG、MPEG-2/4）及宽带广播（15KHz）等接口。
　　---网络结构简单，自愈能力强，支持1+1复用段保护、1+1通道保护、双纤自愈环保护和4纤复用段保护，保护时间小于50ms。
　　---网络易于扩充升级，接点和界面扩充不会影响网络的正常工作；网络扩展带宽，只需更换光传输界面卡，其它设备可以不换。
　　---OTN系统可以通过ULM模块可实现环间互连或与SDH系统相连。
　　---对于视频信道的传输可以做到信道切换，相对于SDH传输网络就能大大节省系统带宽。
　　OTN业务实现原理如下图4所示：
　　
　　图4OTN业务实现原理图
　　
　　2.轨道交通视频监视系统带宽估算方式
　　目前轨道交通视频监视系统已从传统的模拟监视技术发展到数字监视技术，该技术需要传输承载网，实现车站到控制中心的图像传输。按照轨道交通管理模式，视频监视系统一般由车站和控制中心两级构成，实现分级监视及控制，原则上车站用户只能调看本站图像，一般无跨站监视需求；控制中心用户则根据监视需要，可对全线车站任一摄像机图像进行选择及调看。因此，在估算视频承载网带宽时，是以控制中心调看的图像路数确定的，包括上大屏幕显示器图像＋各种工作站调看的图像。同时结合选择的视频编码方式，并在此基础上考虑一定的带宽富余量确定。计算公式为W＝N×B×（1＋δ）；其中N：控制中心调用图像路数；B：采用的图像压缩制式的确定的带宽要求；δ带宽富余量。[!--empirenews.page--]
　　3.图像压缩技术及承载带宽要求
　　在轨道交通视频监控系统使用中，常用的图像压缩技术如下表1所示。
　　常用的图像压缩制式表1
　　视频编码方式 分辨率 带宽要求（Mbps） 帧率（fps） 备注
　　M-JPEG 720×576（PAL）、720×480（PAL） 3～15 25（PAL）、30（NTSC） 为保证图像清晰度，一般按8M考虑。
　　MPEG-2 720×576（PAL）、720×480（PAL） 3～10 25（PAL）、30（NTSC） 为保证图像清晰度，一般按6～8M考虑。
　　MPEG-4 720×576（PAL）、720×480（PAL） 1.5～4 25（PAL）、30（NTSC） 为保证图像清晰度，一般按2M考虑。
　　H-264 720×576（PAL）、720×480（PAL） 1～2 25（PAL）、30（NTSC） 为保证图像清晰度，一般按2M考虑。
　　
　　4.基于传输网的视频传输方案
　　4.1基于MSTP的视频传输方案
　　MSTP不能提供专门的图像接口进行图像传输，必须外置图像压缩编码设备对车站摄像机采集的模拟图像进行编码，转化成IP数据包后再利用MSTP提供的以太网通道传送。在控制中心再通过解码设备对IP处理，还原为模拟图像上电视墙及各种监视终端。由于车站到控制中心的视频传输带宽仅与控制中心调看的车站摄像机数量及带宽有关，但是考虑到控制中心调用车站图像的任一性，该图像可能来自同一个车站，也有可能来源于不同车站的组合，在规划传输带宽时，可利用MSTP的透传功能从各车站到控制中心均建立1条的点对点视频传输通道，但这种方式带宽利用率低，资源浪费严重，在轨道交通中基本上不采用这种应用模式，一般都是由MSTP提供以太环网通道，各站点监视图像共享环网带宽。在MSTP提供以太环网通道方案中，采用RPR是最主要实现方式，下图5是利用MSTP内嵌RPR通道实现图像传输的典型组网拓扑。
　　
　　图5利用MSTP内嵌RPR通道实现图像传输的典型组网拓扑图
　　
　　4.2基于OTN传输系统的视频传输方案
　　西门子开放传输网络（OTN）是交通行业（如地铁、铁路、航空和公路）、管道（石油、天然气、水和石化产品）以及采矿的理想解决方案。西门子OTN提供了一个集成数字通信基础设施，适用于高质量、高速度/低速度同时传输音频、视频、数据和控制信号。西门子OTN为CCTV、PBX、LAN、SCADA以及用于各行业的其他系统的无缝集成提供了开放的、基于标准的通信平台。
　　在利用OTN进行视频传输方案中，图像编解码卡直接内插在OTN节点机槽位内，实现了视频接入和传输的高度集成。OTN可提供多种方式的视频传输接入及传输方式，具体如下：
　　1）模拟输入及输出
　　OTN系统提供的VID4E或MPEG图像接口卡采用M-JPEG或MPEG2/4图像压缩算法对数字图像进行压缩处理，图像接口卡分为图像输入和图像输出二种类型：图像输入接口卡提供模拟图像接口与摄像机连接，将接收到的模拟图像信号转换为数字信号并压缩处理；图像输出接口卡提供模拟图像接口与监视器或录像设备相连，负责将收到的数字图像信号解压缩并还原成模拟的图像信号送至其所连接的设备，如图6所示。在此网络中，OTN扮演一个传统模拟视频监控系统的分布矩阵切换器的功能。
　　
　　图6OTN模拟输入及输出方案图
　　2）模拟视频输入、IP视频输出
　　OTN系统提供MVIDIP接口卡将VID4E或MPEG图像接口卡处理的数字图像转化为IP图像输出，如图7所示。此时，OTN网络＋MVIDIP就像一个分布矩阵切换器＋IP编解码器。
　　
　　图7OTN模拟视频输入、IP视频输出方案图
　　3）IP输入和输出
　　IP摄像机或普通模拟摄像机经编码器处理后，通过OTN系统以太网板卡完成IP图像的输入及输出，在控制中心接入数字视频墙及网络存储设备。在此网络中，OTN主要完成传输通道的功能，实现方案与MSTP基本相同。
　　五、结束语
　　轨道交通视频监视系统是轨道交通建设中重要的子系统之一，承担着保障运营安全及反恐的重要责任。本文在现有轨道交通传输制式主要为MSTP及OTN的技术背景下，探讨了视频监视系统的管理模式及带宽估算方式，并为实现监视图像的有效传输，建立了视频传输通道模型。

《基于轨道交通传输网的视频传输方案研究》

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