廣播電視衛(wèi)星地球站傳輸中的冗余設(shè)計及風險點分析

周賢祿

（西藏廣播影視節(jié)目傳輸中心，西藏拉薩 850000）

0 引言

廣播電視衛(wèi)星傳輸是由廣播電視衛(wèi)星地球站通過同步衛(wèi)星將數(shù)字電視信號（可同時混入廣播音頻信號）經(jīng)過壓縮編碼后，傳輸?shù)接脩舳说囊环N廣播傳輸形式。用戶端可以有兩種形式，一是將數(shù)字電視信號傳送到授權(quán)分發(fā)端，再由有線電視臺或電信運營商授權(quán)打包發(fā)送至授權(quán)用戶家中；二是由授權(quán)用戶直接在家中接收并解碼衛(wèi)星數(shù)字電視，即直播衛(wèi)星采用的傳輸方式。由于衛(wèi)星對于廣播電視地球站發(fā)送來的信息進行了實時轉(zhuǎn)發(fā)，廣播電視節(jié)目信息從地球站傳送至用戶家中只有秒級的時間，這是衛(wèi)星傳輸?shù)闹匾匦?。與此同時，對廣播電視衛(wèi)星地球站傳送節(jié)目信息的安全穩(wěn)定性提出了相當高的要求。由于目前我國各省級電視臺頻道播出內(nèi)容相當豐富，且全年全天幾乎不間斷播放，如何保障廣播電視衛(wèi)星地球站不間斷上行播出，也成為安全播出工作的關(guān)鍵。本文即從播出系統(tǒng)的冗余設(shè)計展開淺析。

1 供配電冗余

1.1 UPS 系統(tǒng)

UPS 冗余系統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)（簡稱UPS）是保障電子設(shè)備供配電的關(guān)鍵設(shè)備。UPS 是將電能儲存在電池組中，在市電中斷后或存在市電閃斷、波形不穩(wěn)定時，不間斷地為用戶設(shè)備供電的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。對于廣播電視地球站而言，在電源系統(tǒng)的配置上需要連接來自不同路徑的外電，其中一路為專電線路；當其中一路外部供電出現(xiàn)問題后，其他的外部供電（也可包含發(fā)電機）可進行接替。多路外部供電只有通過UPS 后才能為負載供電，UPS 根據(jù)不同的負載播出設(shè)備，設(shè)置電池組供電時間應(yīng)達到30min 以上。

UPS 電源可以為衛(wèi)星地球站提供如下優(yōu)勢。（1）UPS電源可以提供較好的電源輸出特性。在外電正常供電時，外電經(jīng)UPS 濾波回路后，再通過兩個回路實現(xiàn)輸出功能，一方面通過充電回路對電池組充電，另一方面經(jīng)逆變回路，將電池組儲存的電能逆變轉(zhuǎn)換成220V 交流電，提供給負載設(shè)備使用。除了應(yīng)對停電之外，在外電傳入過程遇到電壓過低或突變等情況時，UPS 均可以提供設(shè)備穩(wěn)定且干凈的電力。UPS 可得到較好的控制輸出電壓、幅值、頻率，確保衛(wèi)星地球站設(shè)備供電的穩(wěn)定性、持續(xù)性。（2）增加電路隔離度。在正常的工作模式下，設(shè)備供電能源全部來自UPS 電池組，外電電力波形不會對UPS 電源輸出造成影響，可對設(shè)備可起到保護作用，可以有效應(yīng)對外電瞬間突變等危險情況，一些UPS 系統(tǒng)本身還內(nèi)置防浪涌等保護裝置，減少突然斷電或雷電造成的電壓尖峰，防止敏感電子設(shè)備受到損壞。（3）降低故障發(fā)生概率。UPS 并機是指兩個或多個UPS 在同時工作的過程中，讓相關(guān)的負載得以分散，降低故障發(fā)生概率，并在外電中斷、UPS 單機故障時起到備份冗余的作用[1]。

在廣播電視衛(wèi)星地球站建設(shè)歷史中，UPS 系統(tǒng)主要采用幾種并機模式。（1）主從式熱備份。一般情況下，主機承受全部負荷，從機處于空載。主從熱備份系統(tǒng)通常是由一臺UPS 的輸出線接入到另一臺UPS 的旁路，正常工作時其中一臺UPS 在線，另一臺處于備用狀態(tài)。雖然主從串聯(lián)熱備份系統(tǒng)設(shè)備選擇靈活，無負載均分問題，對機器同步跟蹤要求也不高，但整個系統(tǒng)并沒有達到相互備份的基本條件，因為有兩個電源支路，所以主從機之間無法相互備用。切換時，從機需要帶階躍性負載能力，主從機互換困難，該方法目前已基本不再使用。（2）冗余并聯(lián)（N+X）。并聯(lián)冗余常采用N+1 方式，其中N 為主用，1為備用，當使用兩臺UPS 時，就構(gòu)成1+1 方式，兩臺機器同時輸出，各帶50%負荷，過載能力強。兩臺UPS 輸入輸出直接并聯(lián)；并聯(lián)冗余要求并聯(lián)的UPS 同幅、同頻率、同相位；兩臺UPS 以及外電旁路可以形成3 條供電支路，兩臺UPS 能互為備份。當N+X 中的X>1 時，可以使用兩臺以上的UPS 組網(wǎng)并機，擴容較為方便。這種技術(shù)具有自主均分負載的優(yōu)勢，配備并機控制系統(tǒng)、并機控制器、并機模塊、數(shù)碼智能控制系統(tǒng)，冗余并聯(lián)方式的技術(shù)手段一直在不斷進步，應(yīng)用較為普遍。缺點是并聯(lián)的UPS 要求比較高，往往需要同一公司、同一類型的UPS，在系統(tǒng)中受互相控制因素和外界影響因素較多。因此，不同的并聯(lián)冗余方式具有不同環(huán)流無功損耗，需要添加額外的電路來降低損耗，由此會導致成本和事故發(fā)生率的增加，額外電路的穩(wěn)定性又會直接降低整套并機系統(tǒng)的可靠性，但因其具備較多優(yōu)勢，仍然作為比較常用的并機模式。（3）雙總線供電。雙總線供電可同時輸出兩路互不干擾的供電母線，各自獨立接駁雙電源負載，采用模塊化的并機，設(shè)置獨立靜態(tài)切換開關(guān)，同時為靜態(tài)切換開關(guān)設(shè)立維修旁路，減少風險系數(shù)?？傌撦d為所有UPS 共同分擔，該方法雖然較好地消除了單點故障，但由于需要在電路增加同步控制模塊和雙路智能切換模塊，所以有可能產(chǎn)生新的故障點。（4）系統(tǒng)質(zhì)量風險點。UPS 系統(tǒng)3 個最重要的作用在于穩(wěn)定電力波形、消除雜波干擾和不間斷供電，一旦選擇或使用劣質(zhì)UPS 產(chǎn)品，會對整個機房設(shè)備的正常工作產(chǎn)生很大的風險，UPS 系統(tǒng)作為廣播電視衛(wèi)星地球站播出機房的生命線，一旦癱瘓，會引起廣播電視節(jié)目的非正常中斷。在決定UPS 系統(tǒng)時，不能單純把產(chǎn)品價格置于首位，因為低質(zhì)量和高質(zhì)量產(chǎn)品的價值差距甚大。盡量根據(jù)UPS 系統(tǒng)的實際需求、并機方式，選擇知名廠家、技術(shù)先進、質(zhì)量和服務(wù)均有優(yōu)良保障的產(chǎn)品。

1.2 雙電源供電系統(tǒng)

廣播電視地球站的播出設(shè)備全天不間斷運行，對于電力的保障尤為重要，不同于故障率要求較低的場合，廣播電視傳輸?shù)陌踩砸悦霝榘踩攘繂挝?。因此，在設(shè)計和裝配地球站系統(tǒng)時，所有的播出設(shè)備原則上都應(yīng)具備雙電源供電方案。絕大多數(shù)的計算機服務(wù)器、數(shù)字處理設(shè)備都會經(jīng)過內(nèi)部電源模塊將220V 交流外電轉(zhuǎn)換成適合本機工作所需的直流供電，一旦電源模塊故障，設(shè)備將失去工作能力，選用配備雙電源模塊的設(shè)備是重要的防御手段。為了增加冗余能力，理想條件下同一臺設(shè)備的雙電源模塊供電應(yīng)分別取自不同的UPS 并機系統(tǒng)，如果采用單UPS 供電或多個UPS 并機供電，表面是雙路供電，但實際上是由同一臺UPS 或是并機UPS 系統(tǒng)通過不同的供電斷路器和回路向雙電源設(shè)備供電，仍然存在兩路電源回路同時斷開的風險。

2 節(jié)目信號傳輸通道冗余

一個常見的數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)包括前端系統(tǒng)、傳輸和上行系統(tǒng)、衛(wèi)星、用戶管理系統(tǒng)、條件接收系統(tǒng)。這里的傳輸和上行系統(tǒng)是指廣播電視衛(wèi)星地球站，把前端送來的廣播電視節(jié)目信息經(jīng)站內(nèi)的上行通信系統(tǒng)上行至通信衛(wèi)星。站內(nèi)的信號傳輸方式主要有數(shù)字基帶傳輸、中頻傳輸、射頻傳輸3 種。為了滿足廣播電視衛(wèi)星不間斷傳送的需求，傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性變得極為重要，為了地球站通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，需要進行冗余設(shè)計。

電子設(shè)備是構(gòu)成廣播電視衛(wèi)星地球站系統(tǒng)的基石，其運行狀態(tài)直接決定了系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。盡管當前科技水平和設(shè)備制造工藝飛速提升，改善了播出設(shè)備運行的穩(wěn)定性，但依然無法徹底避免電子設(shè)備故障的出現(xiàn)。廣電衛(wèi)星地球站系統(tǒng)除了上面提到的3 種信號傳輸方式外，還包括下行設(shè)備系統(tǒng)、監(jiān)管設(shè)備系統(tǒng)等技術(shù)設(shè)備，具有類型多、品牌多、設(shè)備數(shù)量大等特征，而設(shè)備的適配性、使用壽命等因素都有可能產(chǎn)生故障節(jié)點。為了保證系統(tǒng)的不間斷運行，在冗余設(shè)計時可考慮以下設(shè)計。

（1）前端傳輸鏈路的冗余設(shè)計：前端系統(tǒng)（這里一般指廣播電視臺的播出機房）將廣播電視節(jié)目傳送至地球站播出機房，傳輸方式一般分為有線方式（光通訊）或無線方式（微波），為保證傳輸鏈路意外中斷時不影響節(jié)目播出，需要具備冗余傳輸鏈路，以不同的地理路徑進行傳輸。（2）單元設(shè)備冗余可靠設(shè)計：任意一個設(shè)備出現(xiàn)故障都不會影響廣播電視節(jié)目的上行業(yè)務(wù)，這就要求硬件上必須有冗余，在軟件上必須考慮當硬件設(shè)備出現(xiàn)故障時，業(yè)務(wù)可以由其他備份設(shè)備承接。同時也要求軟件組件出現(xiàn)故障時，業(yè)務(wù)可以由其他軟件處理組件承接，使得廣播電視節(jié)目上行不中斷/快速恢復。單元設(shè)備的冗余包括網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、音視頻編碼設(shè)備、碼流復用設(shè)備、中頻設(shè)備、射頻設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、計算機服務(wù)器等，遵循組件1+1備份或者N+1 備份機制等[2]。（3）地理災備設(shè)計：在出現(xiàn)地震等地理災害時，兩個相同功能的上行系統(tǒng)要部署在不同的地方。比如，部署在不同的城市，甚至在不同的省份。（4）冗余上行系統(tǒng)：在條件允許的情況下，按照整套上行系統(tǒng)的1:1 模式或者精簡化模式建立冗余上行系統(tǒng)，緊急狀態(tài)下接替上行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，也可提供日常值機人員開展模擬操作和演練。但不同品牌的編碼復用設(shè)備的軟硬件設(shè)置上均有各自的方法，需要獨立進行設(shè)置；其設(shè)備兼容性要在設(shè)計完成后嚴格測試；最終冗余上行系統(tǒng)輸出的碼流，需經(jīng)過碼流測試儀的檢測，通過微調(diào)冗余上行系統(tǒng)確保與主用上行系統(tǒng)的碼流參數(shù)一致。（5）風險點：冗余切換。傳輸網(wǎng)絡(luò)冗余的設(shè)計，除了配置硬件冗余資源以外，最重要的是檢測到設(shè)備、子系統(tǒng)、鏈路的異常，并在檢測到異常后，隔離異常的鏈路以及組件，使得廣播電視節(jié)目上行業(yè)務(wù)運行在正常的設(shè)備、組件鏈路中，這就需要建立單元設(shè)備、子系統(tǒng)、軟件之間的配合與聯(lián)動機制[3]。

除了設(shè)備的N+1 配置保證安全外，上行播出系統(tǒng)一般采用科學先進的冗余切換機制，以保證系統(tǒng)進行“無縫切換”。工作原理為，前端傳送來的主備用節(jié)目源信號都會被同步分配到不同的基帶、中頻、高頻冗余鏈路中，由計算機服務(wù)器進行各環(huán)節(jié)的信息采樣，并交由軟件進行自動檢測，根據(jù)提前設(shè)定好的邏輯進行冗余切換操作。冗余切換可以看成對倒換開關(guān)的操作，這樣就存在兩類“開關(guān)”類型，即實體“開關(guān)”與電子板卡“開關(guān)”[4-5]。常見的實體“開關(guān)”有音視頻切換矩陣、中頻及ASI 信號倒換開關(guān)、波導切換開關(guān)等，電子板卡“開關(guān)”常集成于編碼器、復用器等基帶處理設(shè)備內(nèi)部，輸入及輸出均有冗余通道，由設(shè)備按邏輯自主設(shè)定在線通道和熱備份通道。

冗余切換設(shè)計時應(yīng)注意：（1）切換開關(guān)及帶有智能化切換功能的設(shè)備必須提供雙電源供電，并在條件允許的情況下，盡可能采用不同的UPS 供電回路。（2）切換開關(guān)應(yīng)具備掉電直通和掉電記憶功能，并在合理環(huán)節(jié)設(shè)置跳線盤。如開關(guān)器件徹底失效時，通過跳線盤屏蔽蓋器件[6]。（3）各類傳輸控制信號及采樣信號的以太網(wǎng)交換機也需使用雙電源供電，并在條件允許的情況下，盡可能采用不同的UPS 供電回路。目前計算機自動控制廣泛使用于廣播電視播出系統(tǒng)中，而交換機等小型設(shè)備的雙電源供電往往會被忽視，當交換機斷電時，意味著控制端與受控端無法正常通信，由服務(wù)器軟件發(fā)出的冗余切換指令很有可能無法正確傳遞給目標設(shè)備或器件，造成播出中斷。（4）在冗余設(shè)計的思想下，交換機產(chǎn)品也需要有主備配置。（5）電子產(chǎn)品常年處于運行狀態(tài)，必須關(guān)注器件是否有老化及失靈現(xiàn)象。可在維護時間段，手動對切換器件進行檢測，觀察切換功能是否正常，切換延遲是否在允許時間范圍內(nèi)[7]。（6）在停機維護時間段，對各服務(wù)器軟硬件進行重啟，以避免服務(wù)器操作系統(tǒng)及軟件“卡死”。（7）切換邏輯的合理性和科學性，是否存在BUG 造成系統(tǒng)漏判異態(tài)而不能自動切換，迫使人工干預，造成異態(tài)時間延長。

3 結(jié)語

廣播電視衛(wèi)星地球站播出系統(tǒng)，從源頭至發(fā)送端設(shè)備功能復雜、設(shè)備種類繁雜，冗余設(shè)計思想體現(xiàn)在系統(tǒng)的方方面面，有效規(guī)避系統(tǒng)鏈路中出現(xiàn)單一節(jié)點環(huán)節(jié)、提高播出系統(tǒng)的冗余能力是廣播電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)設(shè)計時的重要目標之一。