利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸DTMB節(jié)目備份信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣曉敏

（云南廣播電視臺(tái)，云南 昆明 650000）

0 引 言

建設(shè)地面數(shù)字電視公共節(jié)目覆蓋，需要將省、市／州、縣等多套節(jié)目傳到全省100多個(gè)DTMB發(fā)射臺(tái)站。為確保信號(hào)源的安全傳輸和播出質(zhì)量，在傳輸結(jié)構(gòu)上，各級(jí)播出機(jī)構(gòu)進(jìn)行視音頻編碼，TS流傳輸匯聚到縣級(jí)前端進(jìn)行單頻網(wǎng)適配后傳輸至發(fā)射臺(tái)（SFN），也可直接傳輸至發(fā)射臺(tái)后匯聚（MFN）。按照安全播出的要求，信號(hào)傳輸需要有備份，并由不同路由傳輸，故需要規(guī)劃兩個(gè)不同路由的傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)省級(jí)節(jié)目傳輸至縣、州市節(jié)目傳輸至縣以及縣傳輸至各發(fā)射臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的有效備份。

一般情況下，主路信號(hào)使用有線專網(wǎng)進(jìn)行傳輸，備路信號(hào)可以租用衛(wèi)星鏈路，也可以租用其他通信網(wǎng)絡(luò)公司的專網(wǎng)，使用信號(hào)源切換設(shè)備進(jìn)行切換，來(lái)確保信號(hào)源安全可靠的傳輸。由于目前部分發(fā)射臺(tái)缺乏可靠的信號(hào)備份手段，為節(jié)省成本，需要提高傳輸效率，采用性價(jià)比較高的方式來(lái)完成備份信號(hào)源的傳輸。統(tǒng)計(jì)實(shí)際使用情況發(fā)現(xiàn)，主路信號(hào)一般設(shè)計(jì)有線專網(wǎng)保障傳輸，全年鏈路可用度超過(guò)99.99%，而使用備路信號(hào)的時(shí)間全年不足0.01%，故可考慮采用性價(jià)比更高的備路傳輸方式。目前互聯(lián)網(wǎng)傳輸是較為成熟的信號(hào)傳輸方式，已具備傳輸多套節(jié)目所需的帶寬，可以作為備份信號(hào)源的傳輸途徑。主備路信號(hào)源在前端編碼，以TS碼流形式進(jìn)行傳輸。主路通過(guò)省網(wǎng)絡(luò)公司有線網(wǎng)等專網(wǎng)傳輸。利用公用網(wǎng)絡(luò)傳輸備路信號(hào)，有三種方式可以選擇。

（1）節(jié)目源前端編碼后將IP信號(hào)通過(guò)公用網(wǎng)絡(luò)分別傳輸至縣級(jí)前端，這種方式需要公共前端具備很高的上行帶寬。例如，如果省級(jí)節(jié)目信號(hào)復(fù)用后帶寬為10 Mb·s-1，則省級(jí)前端傳送到各縣的碼流總帶寬不低于10 Mb·s-1×128個(gè)縣=1 280 Mb·s-1， 這就要求省級(jí)前端需要租用上行帶寬為2 Gb·s-1的網(wǎng)絡(luò)。

（2）利用云模式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，租用CDN進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。使用云轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是可以傳輸?shù)蕉鄠€(gè)縣，可以簡(jiǎn)單快速地增加接收端。缺點(diǎn)是云轉(zhuǎn)發(fā)需要根據(jù)流量收費(fèi)，24小時(shí)傳輸流量巨大，流量成本很高。

（3）進(jìn)一步優(yōu)化第一種方式，在主路信號(hào)正常的情況下，不向縣前端傳送碼流。一旦發(fā)現(xiàn)主路故障，立即向前端申請(qǐng)傳輸備路信號(hào)。前端系統(tǒng)在接收到請(qǐng)求后，即向?qū)?yīng)終端發(fā)送信號(hào)。這樣一來(lái)，備路信號(hào)在同一時(shí)間的上行帶寬將大大降低。

要實(shí)現(xiàn)第3種模式，有幾個(gè)問(wèn)題需要解決：如何保障能夠知道備路信號(hào)隨時(shí)可用，備路信號(hào)投入使用的時(shí)間，操作復(fù)雜度。解決了這3個(gè)問(wèn)題，即可使用第3種方式，優(yōu)化提供的備份信號(hào)源，并以自動(dòng)化的檢測(cè)、傳輸和切換手段，實(shí)現(xiàn)并確保省、市／州、縣廣電臺(tái)和縣發(fā)射臺(tái)進(jìn)行信號(hào)源備份和自動(dòng)切換。

1 備用信號(hào)傳輸系統(tǒng)技術(shù)體系

根據(jù)以上分析，擬采用安全性和可靠性高的傳輸協(xié)議。TCP在數(shù)據(jù)傳輸中會(huì)有較高的額外開(kāi)銷，限制了它對(duì)帶寬的有效使用，并且在流式和基于文件的傳輸應(yīng)用里極大地影響了傳輸性能。在當(dāng)今存在大量文件傳輸和更高速的網(wǎng)絡(luò)連接條件下，使用TCP會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁堵，最終引發(fā)視頻頻繁緩沖、馬賽克甚至播放中斷等現(xiàn)象。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)條件在不停地變化。這意味著任何單一的算法，在面對(duì)抖動(dòng)、延遲、丟包的所有排列組合時(shí)，都無(wú)法在單點(diǎn)上做到立刻適應(yīng)。

這些帶寬干擾因素的存在，無(wú)論總體帶寬有多大，都極大降低了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際性能。對(duì)于實(shí)時(shí)視頻流，目前有2種常用的糾錯(cuò)技術(shù)，分別是前向糾錯(cuò)（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（Automatic Repeatre Quest，ARQ）。FEC是在傳輸流中插入攜帶冗余信息的額外數(shù)據(jù)包，這些冗余信息是從數(shù)據(jù)流中的其他數(shù)據(jù)包計(jì)算而得。這些冗余信息讓接收端可以在一定錯(cuò)誤數(shù)量下，偵測(cè)出錯(cuò)誤的發(fā)生，并且在不需要重傳的情況下，恢復(fù)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。接收端在收到單個(gè)矩陣的所有數(shù)據(jù)包后才開(kāi)始恢復(fù)數(shù)據(jù)，又引入額外的延遲。在如公共網(wǎng)絡(luò)那樣高丟包率和多變的IP網(wǎng)絡(luò)里傳輸視頻，它仍舊無(wú)法穩(wěn)定傳輸。ARQ是在接收端檢測(cè)丟包，然后發(fā)送反饋或應(yīng)答（ACK）給發(fā)送端，發(fā)送端隨即重傳丟失的數(shù)據(jù)包。這個(gè)機(jī)制在TCP和類似TCP的協(xié)議里都在使用，也包括一些開(kāi)源和私有的協(xié)議，比如SRT和IBM的FASPStream。ARQ即使搭配FEC一起使用，仍舊有一些局限性，如在TCP和類似TCP的協(xié)議里，當(dāng)檢測(cè)到丟包，發(fā)送端會(huì)減小擁塞窗口，同時(shí)降低傳輸速率。這會(huì)引起視頻延遲，占用更大的發(fā)送緩沖。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)溢出，那么這些丟包將再也無(wú)法恢復(fù)。在高擁塞和弱網(wǎng)的條件下，ARQ會(huì)顯著增加點(diǎn)到點(diǎn)的延遲。比如，當(dāng)鏈路丟包率達(dá)到30%，將會(huì)至少需要10倍于RTT的延遲，才能保證可靠的傳輸。在大跨距的公網(wǎng)傳輸中，這個(gè)延遲甚至?xí)^(guò)2 s。即使在網(wǎng)絡(luò)條件良好的情況下，上述FEC和ARQ的問(wèn)題依舊可能發(fā)生。任何不可靠的網(wǎng)絡(luò)連接更會(huì)加重問(wèn)題，并導(dǎo)致服務(wù)質(zhì) 量的下降。

R2TP（可靠實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）在端到端傳輸鏈路上應(yīng)用一層管理層，在任何網(wǎng)絡(luò)條件下管理抖動(dòng)，更高效地恢復(fù)丟包，降低延遲，并且將額外的負(fù)載（等于對(duì)帶寬的浪費(fèi)）降到最低。R2TP不改變傳輸內(nèi)容的內(nèi)部封裝，數(shù)據(jù)輸入將原封不動(dòng)地到達(dá)接收點(diǎn)。R2TP支持持內(nèi)建的加密，所以數(shù)據(jù)會(huì)被安全平滑的傳輸。同時(shí)R2TP采用一套模式匹配算法去分析和適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的網(wǎng)絡(luò)，然后動(dòng)態(tài)地應(yīng)用當(dāng)前最合適的算法來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)。

為減少丟包的重傳請(qǐng)求的發(fā)送，R2TP使用自適應(yīng)的協(xié)議，實(shí)時(shí)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)，重建網(wǎng)絡(luò)描述（profifile）。網(wǎng)絡(luò)描述會(huì)隨著實(shí)際網(wǎng)絡(luò)條件的改變而動(dòng)態(tài)地更新，極大提高ARQ效率。同時(shí)，R2TP使用時(shí)鐘同步機(jī)制來(lái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包序列號(hào)，并使用一套基于數(shù)據(jù)包間隙和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的算法，讓發(fā)送端能在丟包剛發(fā)生時(shí)就檢測(cè)到（而無(wú)需等接收端反饋），即使在連續(xù)丟包的場(chǎng)景下也有效?；貍麈溌分恍枰脕?lái)發(fā)送否認(rèn)確定（NACKK），所以回傳帶寬的開(kāi)銷非常小。

R2TP可以根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)條件，選擇合適的錯(cuò)誤恢復(fù)算法。即使在延遲和丟包多變的網(wǎng)絡(luò)里，也能夠極大增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。R2TP在接收端進(jìn)行實(shí)時(shí)流量整形，消除抖動(dòng)（抖動(dòng)幾乎為0），這將進(jìn)一步提高在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)下的傳輸服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用的可靠性，減輕由于公用網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致的傳輸中斷，接收終端可能同時(shí)采用多個(gè)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)接入。對(duì)此，R2TP設(shè)計(jì)了多徑綁定機(jī)制，以克服單條鏈路的低帶寬或不穩(wěn)定的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)現(xiàn)一套智能的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡策略，R2TP可以將多條鏈路綁定成一條虛擬鏈路，根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸需求和多條鏈路的條件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的流量均衡。R2TP最初專為視頻傳輸設(shè)計(jì)，因此在傳輸中會(huì)內(nèi)嵌時(shí)間戳分析，按時(shí)間和幀的順序劃分糾錯(cuò)的優(yōu)先級(jí)來(lái)保證數(shù)據(jù)以正確的順序被輸出顯示。在傳輸安全性方面，也支持AES-128和AES-256算法，在整個(gè)傳輸過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)加密，提供一個(gè)完全安全的數(shù)據(jù)傳輸通路。

2 備份信號(hào)源傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)前文提出的功能，并解決可靠性、投入時(shí)間等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能，擬采用統(tǒng)一管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的互聯(lián)網(wǎng)備用信號(hào)傳輸系統(tǒng)。為確保網(wǎng)絡(luò)傳輸安全，防止替換，使用特殊的傳輸協(xié)議。傳輸協(xié)議需要高效、可靠，在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不良、丟包嚴(yán)重時(shí)，能夠最大限度地保證解碼正常。前端系統(tǒng)應(yīng)能夠檢測(cè)所有解碼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)情況，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或終端設(shè)備離線，立即告警，確保網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的健壯。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速備份，終端設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)主用信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)主用信號(hào)終端異常，立即啟動(dòng)備份信號(hào)傳輸并報(bào)警。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 方案拓?fù)鋱D

圖1 中，中繼服務(wù)器RRS實(shí)現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)處理，支持行業(yè)所需要的各種協(xié)議，如UDP、HTTP、RTMP、SRT等，并可以做協(xié)議轉(zhuǎn)換，以兼容不同數(shù)據(jù)源。在傳輸和分發(fā)的過(guò)程中，任何格式（SD、HD、4K、8K）的視頻流都可以使用中繼服務(wù)器進(jìn)行傳輸和分發(fā)。同時(shí)，支持每一路流的原始數(shù)據(jù)的滾動(dòng)錄制。用戶可以對(duì)錄制的文件進(jìn)行 管理。

中繼服務(wù)器遠(yuǎn)程控制管理部署復(fù)雜的視頻分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)、完整地統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)，如帶寬、抖動(dòng)、連接狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)間等。中繼服務(wù)器在視頻傳輸過(guò)程中也需要支持高度安全的連接。視頻輸出可以設(shè)置密鑰，僅針對(duì)指定的接收者接收，以提高在公網(wǎng)中傳輸?shù)陌踩浴?/p>

為實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)管理，設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（Netware Management System，NMS）是必要的。NMS是一個(gè)可以同時(shí)監(jiān)控中繼服務(wù)器軟件和硬件的管理應(yīng)用軟件，記錄每一臺(tái)中繼服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)合并起來(lái)給網(wǎng)絡(luò)智能管理使用。NMS可以在云上部署也可以在本地部署，提供全天候的監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生某些異常如碼率發(fā)生大幅變化，或者丟包率偏高、RTT增大時(shí)，NMS主動(dòng)發(fā)送警告。這樣將有效地監(jiān)控各中繼服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，確保備份的有效。同時(shí)，NMS實(shí)時(shí)監(jiān)控分布于各接收點(diǎn)的終端狀態(tài)，一旦接收終端Xchange檢測(cè)到主用專網(wǎng)的ASI信號(hào)出現(xiàn)中斷等故障后，立即向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送直播流。

接收終端Xchange是一個(gè)檢測(cè)、分析ASI接口以及接收IP信號(hào)的跨平臺(tái)設(shè)備。Xchange內(nèi)置TS流分析器，具有實(shí)時(shí)碼流監(jiān)視功能，可記錄碼流同步丟失、同步字節(jié)和連續(xù)性計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。Xchange基本邏輯如圖2所示。

圖2 Xchange基本邏輯框圖

在設(shè)計(jì)中，Arm Core與FPGA Core之間有一段共享內(nèi)存，用于ARM與FPGA之間進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交互。IP In數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ARM接收后，發(fā)送到共享內(nèi)存Memory B地址段上，F(xiàn)PGA將會(huì)從MemoryB地址上讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)ASI OUT輸出；對(duì)于ASI IN數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA送到共享內(nèi)存Memory A地址段上，Arm會(huì)從共享地址Memory A上讀取到數(shù)據(jù)，再將讀取的數(shù)據(jù)送到共享內(nèi)存Memory B上，由FPGA從共享內(nèi)存Memory B上讀取并通過(guò)ASI OUT輸出。ASI數(shù)據(jù)流向?yàn)锳SI IN→Memory A→Arm Core→Memory B→ASI OUT；IP數(shù)據(jù)流向?yàn)镮P IN→Arm Core→Memory B→ASI OUT。此過(guò)程中，Arm可以監(jiān)控ASI IN及IP IN是否有數(shù)據(jù)通過(guò)，以此判斷是否需要做切換。

3 備份信號(hào)源傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在每個(gè)縣發(fā)射臺(tái)部署3臺(tái)終端設(shè)備（簡(jiǎn)稱接收終端），分別接收省、市／州、縣平臺(tái)傳入的主路ASI信號(hào)，做24 h監(jiān)測(cè)。在省、市／州平臺(tái)部署管理服務(wù)器，用于從公網(wǎng)備份取流；在縣平臺(tái)只需要對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射臺(tái)，部署另一個(gè)接收終端用于公網(wǎng)備份取流。省平臺(tái)部署NMS服務(wù)器，所有接收終端和管理都會(huì)與NMS服務(wù)器通信，可以查看全省所有設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行管理。

正常情況下，各終端接收有線網(wǎng)絡(luò)公司的專網(wǎng)信號(hào)，同時(shí)，備份信號(hào)源傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控主用信號(hào)的工作狀態(tài)以及備份信號(hào)源傳輸系統(tǒng)承載互聯(lián)網(wǎng)的連接狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到主路斷流，接收終端向斷流的廣電平臺(tái)請(qǐng)求備路視頻流，備路視頻流通過(guò)公網(wǎng)以私有的可靠傳輸協(xié)議R2TP傳入對(duì)應(yīng)接收終端。3路主路ASI信號(hào)和3路備路ASI信號(hào)共同進(jìn)入具備1+1熱備份功能的復(fù)用器，在復(fù)用器中選擇當(dāng)前存在的3個(gè)流復(fù)用生成MPTS給發(fā)射機(jī)激勵(lì)器。當(dāng)主路ASI信號(hào)恢復(fù)，接收終端自動(dòng)停止公網(wǎng)取流。整個(gè)備份信號(hào)源投入和退出過(guò)程都是自動(dòng)進(jìn)行的，無(wú)需值守人員參與。

4 結(jié) 語(yǔ)

備份信號(hào)源傳輸系統(tǒng)可用于由節(jié)目分發(fā)中心至多個(gè)接收點(diǎn)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)的備份信號(hào)，以解決由于主用鏈路和設(shè)備故障導(dǎo)致主用信號(hào)中斷的應(yīng)急保障；也可作為現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)直播的信號(hào)備份，能夠大大提高網(wǎng)絡(luò)直播的安全性和可靠性；還可用于應(yīng)急廣播等應(yīng)用場(chǎng)景，在應(yīng)急狀態(tài)下，可按照應(yīng)急廣播發(fā)布區(qū)域要求對(duì)相應(yīng)的區(qū)域發(fā)送應(yīng)急信息內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)平戰(zhàn)結(jié)合的應(yīng)急廣播目標(biāo)。該系統(tǒng)可依據(jù)使用場(chǎng)景靈活調(diào)度，能夠簡(jiǎn)化傳輸系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，節(jié)約 成本。