4K超高清電視傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李仁杰，許柳竣熙，劉 屹

（云南廣播電視臺(tái)，云南 昆明 650050）

1 信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，在廣播電視行業(yè)，4K技術(shù)發(fā)展迅速。4K電視信號(hào)主要分為未經(jīng)壓縮的基帶信號(hào)和經(jīng)過(guò)壓縮的編碼信號(hào)兩大類。壓縮會(huì)造成原始數(shù)據(jù)的信息丟失。壓縮得越厲害，丟失的信息越多。由于制作過(guò)程中需要對(duì)視音頻內(nèi)容進(jìn)行再處理，應(yīng)盡量避免壓縮造成的數(shù)據(jù)損失、視音頻質(zhì)量下降，所以制作域一般使用基帶信號(hào)。國(guó)家廣播電視總局發(fā)布的《4K超高清電視節(jié)目制作技術(shù)實(shí)施指南（2020版）》推薦的4K節(jié)目技術(shù)參數(shù)為3 840×2 160/50P/10 bit，采樣格式為4∶2∶2[1]。一套未壓縮的4K節(jié)目信號(hào)需要接近10 Gb·s-1的傳輸帶寬，并不適合在網(wǎng)絡(luò)中大量分發(fā)和遠(yuǎn)距離傳輸。傳輸域一般不涉及電視內(nèi)容的再處理，主要傳輸?shù)氖蔷幋a壓縮后的電視信號(hào)，編碼格式主要包括AVS2、H265、H264等，一套節(jié)目占用的帶寬一般在20 Mb·s-1左右。

圖1為簡(jiǎn)化的4K電視信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)。4K電視信號(hào)通過(guò)總控網(wǎng)絡(luò)、電視專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)分發(fā)到有線電視平臺(tái)、IPTV/OTT播控平臺(tái)、云平臺(tái)及其他網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)（寬帶、4G、5G）、有線電視網(wǎng)絡(luò)觀看各平臺(tái)播放的4K電視?？偪鼐W(wǎng)絡(luò)位于4K傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心，集成了大量的信源設(shè)備，承擔(dān)了4K信號(hào)的編碼、轉(zhuǎn)碼、協(xié)議轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星接收等功能，負(fù)責(zé)為不同的平臺(tái)和系統(tǒng)提供不同的信號(hào)格式和傳輸方式。內(nèi)網(wǎng)和專網(wǎng)的核心是通過(guò)PIM協(xié)議（Protocol Independent Multicast，PIM）和IGMP協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）搭建的組播傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)組播分發(fā)4K信號(hào)，能夠大大減少源端壓力和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。其他需要穿越互聯(lián)網(wǎng)的4K信號(hào)則通過(guò)RTMP、RTSP、SRT等單播協(xié)議進(jìn)行傳輸。

圖1 4K電視信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 信號(hào)故障因素

2.1 時(shí)延、丟包、亂序、抖動(dòng)

IP網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分組交換的傳輸方式實(shí)現(xiàn)了通信線路的共享，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約了資源，但同時(shí)也引入了時(shí)延、丟包、亂序和抖動(dòng)的問題。IP傳輸是通過(guò)分組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。IP網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)需要將整個(gè)分組存儲(chǔ)到緩沖區(qū)，排隊(duì)等待著有序地從輸出鏈路輸出。所以分組在傳輸過(guò)程中，除了相對(duì)固定的傳播時(shí)延、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，還會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延取決于當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。如果分組到達(dá)交換設(shè)備時(shí)設(shè)備的緩沖區(qū)已滿，設(shè)備會(huì)丟棄剛到達(dá)的分組或者排隊(duì)的分組；或是分組在傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，交換機(jī)對(duì)分組進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)丟棄該分組[2]。分組被丟棄簡(jiǎn)稱丟包。屬于同一4K信號(hào)的不同分組從源端發(fā)出，但可能會(huì)經(jīng)由不同的路由到達(dá)目的端，導(dǎo)致目的端收到的分組亂序。而時(shí)延、丟包、亂序會(huì)導(dǎo)致用戶側(cè)信號(hào)抖動(dòng)，直觀表現(xiàn)為4K信號(hào)馬賽克、花屏、黑屏等。

2.2 設(shè)備或傳輸介質(zhì)故障

4K信號(hào)傳輸必須經(jīng)過(guò)源端設(shè)備、交換設(shè)備、傳輸介質(zhì)。設(shè)備和介質(zhì)故障都有可能導(dǎo)致4K信號(hào)異?；驍嗔鳌＠?，信源設(shè)備、交換損壞或性能不足導(dǎo)致輸出的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，人為的設(shè)備配置錯(cuò)誤導(dǎo)致信號(hào)不符合要求，信號(hào)在光纖、雙絞線、電磁波中傳輸時(shí)造成的數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)失真等。

3 信號(hào)的監(jiān)測(cè)

3.1 視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)

視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)指的是對(duì)解碼后的4K電視節(jié)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這是一種最常用的監(jiān)測(cè)手段，也是最直觀的監(jiān)測(cè)手段。視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要是對(duì)視頻內(nèi)容和音頻內(nèi)容出現(xiàn)的問題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括信號(hào)中斷、視頻靜幀、黑場(chǎng)、彩條、臺(tái)標(biāo)丟失以及音頻響度異常等。解碼后的4K電視信號(hào)可以由監(jiān)視器直接播放，所以音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)是搭配畫面監(jiān)測(cè)一起使用的，便于值班員判斷某些監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法識(shí)別的異常，例如4K電視信號(hào)在基帶側(cè)使用4路3G-SDI進(jìn)行傳輸，由于線序混亂造成的畫面異常。為了減少告警誤差，管理員對(duì)每一項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)都設(shè)置了報(bào)警門限，如圖2所示。指標(biāo)超出門限，系統(tǒng)才發(fā)送告警。視音頻質(zhì)量是影響用戶體驗(yàn)的最終標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)

3.2 MPEG2-TS傳輸流監(jiān)測(cè)

總控網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)組播的方式分發(fā)TS over UDP的4K電視信號(hào)。TS over UDP即應(yīng)用層實(shí)體根據(jù)MPEG2-TS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)編碼的視音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并使用傳輸層用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）提供服務(wù)進(jìn)行通信。TR101-290標(biāo)準(zhǔn)提供了對(duì)TS流的三級(jí)錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)。為了減少報(bào)警信息，只對(duì)可能導(dǎo)致TS流無(wú)法正確解碼的致命錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括同步丟失錯(cuò)誤、同步字節(jié)錯(cuò)誤、PAT錯(cuò)誤、連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤、PMT錯(cuò)誤、PID錯(cuò)誤，傳輸錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤以及CAT錯(cuò)誤，如圖3所示。每個(gè)TS流中可以包含多套節(jié)目，每套節(jié)目一般包含一個(gè)視頻流和多個(gè)音頻流，其中每個(gè)視頻流或音頻流都通過(guò)唯一的PID進(jìn)行標(biāo)識(shí)。TS流監(jiān)測(cè)能夠提供基于單個(gè)視頻流或者音頻流的錯(cuò)誤告警，而且對(duì)于傳輸錯(cuò)誤相較視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)更敏感[3]。

圖3 可能導(dǎo)致TS流無(wú)法正確解碼的致命錯(cuò)誤

3.3 IP網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)

3.3.1 交換設(shè)備監(jiān)測(cè)

交換設(shè)備監(jiān)測(cè)對(duì)于故障的定位、診斷和預(yù)測(cè)有重要意義。交換設(shè)備的狀態(tài)會(huì)直接影響4K信號(hào)的傳輸。通常，傳輸介質(zhì)的故障也能通過(guò)交換設(shè)備的端口狀態(tài)變化獲知。使用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的交換設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]，SNMP協(xié)議可以提供設(shè)備的CPU使用率、內(nèi)存使用率、設(shè)備溫度、光模塊收發(fā)功率以及接口當(dāng)前狀態(tài)等重要信息。總控網(wǎng)絡(luò)中部署了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)NMS（版本SNMPv2c），被管設(shè)備啟用SNMP-agent協(xié)議，NMS可以向SNMP-agent查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，設(shè)備也可以通過(guò)SNMP-agent協(xié)議向NMS上報(bào)trap和inform告警。圖4為交換機(jī)的SNMP相關(guān)配置。SNMP為交換機(jī)基本特性，不需要額外的硬件支持和軟件許可。交換機(jī)可以同時(shí)使能SNMP所有版本，保證可以和網(wǎng)絡(luò)中的不同版本的NMS通信。如果系統(tǒng)有信息安全的相關(guān)要求，可使用SNMPv3版本。該版本提供了認(rèn)證加密和基于用戶的訪問控制。

圖4 交換機(jī)SNMP相關(guān)配置

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)

統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的丟包率，可以監(jiān)測(cè)當(dāng)前IP網(wǎng)絡(luò)的性能[5]。例如，啟用交換機(jī)提供的iPCA功能，可以統(tǒng)計(jì)某個(gè)設(shè)備整體的丟包率、兩個(gè)設(shè)備間直連鏈路的丟包率以及目標(biāo)IP流在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的丟包率。IP分組的網(wǎng)絡(luò)層頭部和傳輸層頭部攜帶的五元組信息（協(xié)議、源地址、源端口、目的地址、目的端口）可以用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)目標(biāo)IP流。統(tǒng)計(jì)設(shè)備整體的丟包率，可以快速定位某個(gè)交換設(shè)備導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)故障。統(tǒng)計(jì)設(shè)備間直連鏈路的丟包率，可以快速定位連接兩臺(tái)設(shè)備的物理傳輸介質(zhì)的故障。統(tǒng)計(jì)目標(biāo)IP流在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的丟包率，可以測(cè)定該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)性能，適用于4K信號(hào)需要穿越外部網(wǎng)絡(luò)，或者區(qū)域內(nèi)部的交換機(jī)不支持iPCA功能的情況。例如，總控網(wǎng)絡(luò)中的流媒體服務(wù)器向云平臺(tái)推送基于RTMP協(xié)議的4K流時(shí)，需要穿越業(yè)務(wù)外網(wǎng)，一旦信號(hào)出現(xiàn)異常，通過(guò)測(cè)定4K流在該區(qū)域內(nèi)的丟包率，可以快速定位故障點(diǎn)。一旦確認(rèn)業(yè)務(wù)外網(wǎng)存在網(wǎng)絡(luò)故障，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以作為與其他部門協(xié)調(diào)的依據(jù)。

3.3.3 媒體傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)

對(duì)目標(biāo)流出現(xiàn)的丟包、抖動(dòng)、亂序等情況進(jìn)行監(jiān)控，需要分析TCP報(bào)文、RTP報(bào)文等來(lái)獲取信息。例如，通過(guò)TCP報(bào)文的重傳數(shù)量計(jì)算丟包率，通過(guò)RTP報(bào)文中的時(shí)間戳計(jì)算抖動(dòng)等。可以直接啟用交換機(jī)提供的eMDI功能或者通過(guò)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)媒體傳輸質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)需要讀取4K信號(hào)的外層頭部（網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層）信息，對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行解封裝、重組、解碼之后才能對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分析。而TS流監(jiān)測(cè)和媒體質(zhì)量監(jiān)測(cè)都只需要對(duì)4K信號(hào)進(jìn)行解封裝，并分析外層頭部數(shù)據(jù)。因此，獨(dú)立的視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備也具備TS流監(jiān)測(cè)和媒體質(zhì)量監(jiān)測(cè)的功能。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)時(shí)間同步

系統(tǒng)中的設(shè)備達(dá)到時(shí)間同步是為了保證告警的準(zhǔn)確性，提高告警記錄的可讀性，有利于排除故障。設(shè)備時(shí)間同步是對(duì)IP傳輸質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的先決條件。4K壓縮信號(hào)傳輸系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP進(jìn)行設(shè)備時(shí)間同步。在時(shí)間同步子網(wǎng)中，設(shè)備所處的層數(shù)代表時(shí)間的精確度，層數(shù)越低，精確度越高?？偪鼐W(wǎng)絡(luò)中的主時(shí)間服務(wù)器直接同步到標(biāo)準(zhǔn)參考時(shí)間，時(shí)間精確度最高，處在1層。當(dāng)設(shè)備同步到處于N層的另一臺(tái)設(shè)備，則該設(shè)備處于N+1層。設(shè)備處于16層代表時(shí)鐘未同步?？偪鼐W(wǎng)絡(luò)中部署了兩臺(tái)主時(shí)間服務(wù)器。一般情況下，與主時(shí)間服務(wù)器直連的核心交換機(jī)通過(guò)單播Client/Server模式同步到服務(wù)器，其他交換機(jī)通過(guò)對(duì)等體模式，由高層的對(duì)等體向低層的對(duì)等體同步。網(wǎng)絡(luò)末端的主機(jī)直接同步最近的交換機(jī)，減少NTP報(bào)文穿越網(wǎng)絡(luò)。圖4為其中一臺(tái)核心交換機(jī)的NTP配置。該設(shè)備配置了三個(gè)時(shí)鐘源（主時(shí)間服務(wù)器、對(duì)等體、設(shè)備本身），并擇優(yōu)同步到了時(shí)鐘精確度最高的主時(shí)間服務(wù)器，處于時(shí)鐘同步子網(wǎng)的2層。一旦主時(shí)間服務(wù)器失效，設(shè)備會(huì)擇優(yōu)同步到其他時(shí)鐘源。

4.2 監(jiān)測(cè)部署方式

當(dāng)目的端的4K電視節(jié)目發(fā)生異常，需要逆著傳輸方向一段鏈路一段鏈路地向前排查，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去排查概率較高的故障點(diǎn)。由于4K信號(hào)的傳輸線路一般需要經(jīng)過(guò)幾臺(tái)甚至十幾臺(tái)分組交換設(shè)備，會(huì)增加故障排查的難度和時(shí)間。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的監(jiān)測(cè)部署方式來(lái)加快故障排查的速度。對(duì)上文提到的三種監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 三種監(jiān)測(cè)方式對(duì)比

圖5 交換機(jī)NTP配置

由表1可知，視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)除了需要對(duì)4K網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行解封裝外，還要解碼，耗費(fèi)資源最多、時(shí)間最長(zhǎng)、成本最高。TR101-290只能監(jiān)測(cè)應(yīng)用層使用了TS封裝的信號(hào)。傳輸信號(hào)包含大量TS over IP信號(hào)，例如總控網(wǎng)絡(luò)中以組播方式傳輸?shù)腡S over UDP信號(hào)。IP傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)不需要增加單獨(dú)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以利用傳輸鏈路原本存在的交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本最低。視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)成本最高，但有其必要性，IP傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)和TR101-290三級(jí)錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)主要針對(duì)信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)失真問題，TR101-290還能識(shí)別流故障，但是無(wú)法識(shí)別視音頻編碼數(shù)據(jù)原本就存在的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤是信源設(shè)備在對(duì)4K信號(hào)進(jìn)行編碼、轉(zhuǎn)碼等相關(guān)操作時(shí)導(dǎo)致的，可能是設(shè)備性能不足或者人為操作失誤造成的。例如，當(dāng)信源設(shè)備的編碼功能主要依靠GPU，且使用獨(dú)立的通道控制輸入輸出，設(shè)備編碼能力不足會(huì)導(dǎo)致視音頻數(shù)據(jù)異常但不會(huì)影響信號(hào)的輸入及輸出。以上情況導(dǎo)致的信號(hào)異常不會(huì)表現(xiàn)在IP層面和TS層面，因此，IP傳輸監(jiān)測(cè)和TS流監(jiān)測(cè)并不能識(shí)別此種信號(hào)故障，此時(shí)只能依靠視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

為了盡可能減少成本，且達(dá)到最好的監(jiān)測(cè)效果，需要在傳輸線路的所有交換機(jī)上都啟用IP傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)；在源端和末端部署視音頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)；對(duì)于TS流的傳輸，需要在網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)部署TS流監(jiān)測(cè)。

4.3 監(jiān)測(cè)管理模式

監(jiān)測(cè)管理采用近端監(jiān)測(cè)、分散采集，遠(yuǎn)端記錄、集中管理的模式。為了盡可能保證告警的準(zhǔn)確性，部署的信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡可能靠近傳輸線路，避免多余設(shè)備和傳輸鏈路引入新的故障。需將監(jiān)測(cè)設(shè)備分散部署到網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)中。監(jiān)測(cè)信號(hào)為組播流時(shí)，利用組播的泛洪特性，將監(jiān)測(cè)口與傳輸口加入同一虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）；監(jiān)測(cè)信號(hào)為單播流時(shí)，在傳輸交換機(jī)配置本地端口鏡像，將4K信號(hào)鏡像到同一臺(tái)交換機(jī)的監(jiān)測(cè)口。

為了對(duì)告警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一記錄和查詢，需建立單獨(dú)的管理網(wǎng)絡(luò)。傳輸設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備的日志、告警數(shù)據(jù)通過(guò)管理網(wǎng)絡(luò)回傳到遠(yuǎn)端的總控系統(tǒng)中，由統(tǒng)一的管理服務(wù)器進(jìn)行記錄和分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

在4K超高清電視信號(hào)傳輸過(guò)程中，通過(guò)對(duì)解碼后的視音頻質(zhì)量、TS流傳輸質(zhì)量以及IP網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以提供全面的報(bào)警信息，有利于故障的排查和傳輸鏈路的切換。其中，在IP網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)層面，利用傳輸鏈路上的分組交換設(shè)備提供設(shè)備報(bào)警以及網(wǎng)絡(luò)性能和媒體傳輸質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，不但節(jié)約監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本，最大程度上簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠掌握整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的變化情況。隨著4K超高清電視信號(hào)的發(fā)展，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈磯嚎s電視信號(hào)的監(jiān)測(cè)也需要增加到現(xiàn)有系統(tǒng)中，提供全信號(hào)的監(jiān)測(cè)能力。