直播衛(wèi)星傳輸中應(yīng)急廣播技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

■ 貴州省思南縣雙塘街道辦事處文化站：任廷霞

隨著我國應(yīng)急廣播體系建設(shè)的逐漸完善與成熟，為保證人民生命財產(chǎn)安全，在我國各個省市區(qū)域分別建立了應(yīng)急廣播系統(tǒng)，在面對重大自然災(zāi)害、重大突發(fā)事件以及公共衛(wèi)生事件時，能在第一時間進(jìn)行預(yù)警，從而將影響降至最低?，F(xiàn)階段我國主要應(yīng)用的應(yīng)急廣播技術(shù)主要采用“有線+無線”的傳輸模式，覆蓋面積相當(dāng)廣闊，針對我國部分偏遠(yuǎn)地區(qū)則采用中波、調(diào)頻的形式進(jìn)行覆蓋，該方式對外部環(huán)境有著較強(qiáng)的抗干擾能力，其信號傳輸質(zhì)量更高，能保證消息的及時傳遞。

1. 研發(fā)與設(shè)計應(yīng)急廣播技術(shù)的背景

迄今為止，我國主要應(yīng)用的直播衛(wèi)星分別是中星六號和中星九號。中星六號主要利用C頻帶進(jìn)行信號傳輸，在衛(wèi)星中搭載了1 m左右的信號接收器；而中星9號則采用Ku頻帶進(jìn)行傳輸，相較于中星6號，其天線接收器的口徑更小，只有30～40 cm。中星9號在發(fā)射部署到后續(xù)投入運(yùn)營使用，均有著良好的表現(xiàn)，在對外部環(huán)境的抗干擾能力上也有著不俗的表現(xiàn)，由于在天線接收器的口徑上做出調(diào)整，該直播衛(wèi)星與地面部署的應(yīng)急廣播終端有著較高的契合度。而在2021年發(fā)射的中星9B衛(wèi)星則是在原有中星9號的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級，采用了KuBSS頻帶，傳輸能力得到提升，傳播效果得到增強(qiáng)。

2. 系統(tǒng)框架及業(yè)務(wù)流程

本文以內(nèi)蒙古地區(qū)應(yīng)急廣播系統(tǒng)為例進(jìn)行分析和介紹。在最新發(fā)布與實施的《應(yīng)急廣播平臺接口規(guī)范》中，對內(nèi)蒙古地區(qū)應(yīng)急廣播消息傳播流程進(jìn)行規(guī)范，所配置的直播衛(wèi)星緊急廣播適配器，將收到的緊急廣播信息TAR分組，轉(zhuǎn)換成含有緊急廣播命令和緊急廣播數(shù)據(jù)的TS流。修改后的緊急情況下的TS信號，通過內(nèi)蒙古地區(qū)的電視信號多路傳輸，將原來發(fā)送到現(xiàn)場的多路信號組合成一個信號，再通過省級網(wǎng)絡(luò)備用光纖電纜，將其發(fā)送到中國有線電視網(wǎng)絡(luò)內(nèi)蒙古網(wǎng)絡(luò)，接入骨干網(wǎng)絡(luò)。骨干網(wǎng)絡(luò)主要備用光纖傳輸這一套程序的資料，并將其傳輸?shù)骄C合的衛(wèi)星電視播放平臺上作為備用資料的主要來源。經(jīng)現(xiàn)場衛(wèi)星綜合播放平臺多路復(fù)用，經(jīng)DCAS加密后，再經(jīng)WEB京內(nèi)地基光纖傳輸網(wǎng)，經(jīng)北京大地觀測站542臺，再經(jīng)信號處理后，上行鏈路，發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，完成內(nèi)蒙古地區(qū)緊急情況下的現(xiàn)場信號處理工作。

2.1 應(yīng)急廣播數(shù)據(jù)前端集成

我國內(nèi)蒙古自治區(qū)的緊急廣播平臺的建設(shè)是完全按照國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，所有通過該平臺發(fā)布的消息都需要經(jīng)過國家密碼的簽署，并進(jìn)行TAR封包后，上傳至直播衛(wèi)星適配器中集中轉(zhuǎn)換，并以TS流形式傳輸至地面接收設(shè)備當(dāng)中，再由當(dāng)?shù)氐闹饕饫|進(jìn)行輸送。由于應(yīng)急廣播是在面對重大以及突發(fā)事件時啟用的應(yīng)急安全設(shè)備，在消息的傳遞上必須有國家密碼的簽名，緊急廣播消息上傳至直播衛(wèi)星后，系統(tǒng)對消息指令進(jìn)行驗證，一旦出現(xiàn)驗證失敗的情況，便會將緊急廣播消息返回地面單位，也不會對消息進(jìn)行廣播。該系統(tǒng)流程是防止不法分子利用系統(tǒng)中的漏洞，發(fā)布不實信息與虛假指令，進(jìn)而影響社會秩序，在社會中造成恐慌。通過假設(shè)國家密碼驗簽，能在最大程度上確保命令的正確性、真實性和完整性。

2.2 干線網(wǎng)傳輸

在整個網(wǎng)絡(luò)中，通過路由保護(hù)、復(fù)用段環(huán)保護(hù)、信道環(huán)境保護(hù)以及端口SNCP選擇保護(hù)，來保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。骨干網(wǎng)絡(luò)的傳送設(shè)備，配電盤，交叉盤，線路板，分支板，全部都是1+1的備用模式，實現(xiàn)了“雙環(huán)，雙通道，雙設(shè)備，無交叉”的安保措施，符合《廣電網(wǎng)絡(luò)安全播放條例》的有關(guān)規(guī)定。緊急情況下，通過主備份線光纖傳輸?shù)絻?nèi)蒙古地區(qū)中國有線電視內(nèi)蒙古分公司，采用ASI文件傳輸方式。中國已有線將主路上的ASI信號經(jīng)過調(diào)整，并與SDH傳送裝置相連接；再將備路的ASI信號，直接與DTM傳送裝置相連，將主、備信號經(jīng)異質(zhì)傳送網(wǎng)絡(luò)傳送到中國的第一個有線基站。

2.3 衛(wèi)星直播中心播出機(jī)房前端集成

中國有線電視第一臺以SDH從骨干網(wǎng)絡(luò)主路上的SDH裝置發(fā)出的E12M訊號為主要訊號，經(jīng)由京內(nèi)10 GSDH主路由傳送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)播臺，再經(jīng)由E1/ASI轉(zhuǎn)接器，將ASI信號送出；將骨干DTM裝置所發(fā)出的ASI信號，以其為后備信號，經(jīng)京內(nèi)DTM系統(tǒng)傳送到電視轉(zhuǎn)播室。中國有線兩條主、備用ASI線路通過轉(zhuǎn)接器適配進(jìn)入ASI轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換后與1∶1的主、備用多工器連接。主備復(fù)用器每一次都會輸出2個ASI信號，這些ASI信號將會被送到主備1：1ASI開關(guān)器中，經(jīng)過獨立保護(hù)開關(guān)之后，主備開關(guān)器每一次都會輸出一條ASI信號，這些ASI信號將會被用作主系統(tǒng)的輸出信號，總的碼率大約是43.1 Mbps。為了確保信號傳輸?shù)陌踩?，在衛(wèi)星直播中心構(gòu)建了1∶1備用系統(tǒng)，其中，主備復(fù)用器每一次都會輸出2個ASI信號，并將其分別送入到主備1∶1ASI開關(guān)器中，而主備切換器則會每一次都會輸出1個ASI信號，并將其作為備用系統(tǒng)的輸出信號。

主備用系統(tǒng)的ASI信號與兩個系統(tǒng)之間的終端交換器相連，有一條線路用作系統(tǒng)的備用，而主備用終端交換器又將兩條線路輸出到地球站的上行。

2.4 地球站上行傳輸

（1）監(jiān)測系統(tǒng)：地面站的音/影監(jiān)控系統(tǒng)，在主備路節(jié)目源，調(diào)制器切換輸出，大小天線接收，在大小天線接收等關(guān)鍵節(jié)點上，都會進(jìn)行音/影監(jiān)控，并具有黑屏、靜幀、馬賽克、伴音丟失等自動報警，使之能夠快速找到并判定出問題所在，并通過攝像、記錄碼流等手段，記錄下這些信號，24小時監(jiān)控下行接收頻譜。

（2）配電系統(tǒng)：地球站的建設(shè)符合國家電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，高低壓供電均符合現(xiàn)行的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。地球站由兩條來自上行的不同變電所的外部電源組成，一條是專用線路，在一條線路出現(xiàn)故障時，另一條線路不會受到影響。滿足產(chǎn)品質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

（3）自動調(diào)度系統(tǒng)：將地球站的上行系統(tǒng)，并入到現(xiàn)有的無線局自動調(diào)度系統(tǒng)中，對其進(jìn)行統(tǒng)一的管理，從而能夠完成對播出方案的自動執(zhí)行，對播出異態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷、定位及處理提示、異態(tài)信息自動發(fā)布、運(yùn)行數(shù)據(jù)的定制分析及播出信息服務(wù)等功能，從而可以對其進(jìn)行有效的保障，確保其安全播出及抗干擾要求。

（4）其他技術(shù)配置：該系統(tǒng)配備了具有異態(tài)聲光預(yù)警功能的電力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了實時監(jiān)控。另外，在設(shè)備機(jī)房，供配電機(jī)房，天線場區(qū)等重要區(qū)域安裝了攝像頭和攝像頭。

3. 技術(shù)要點分析

3.1 新型應(yīng)急廣播應(yīng)用模式

現(xiàn)有的GD/J084～GD/j087技術(shù)，只針對調(diào)頻、中波、有線和地面數(shù)字電視等常規(guī)的廣電業(yè)系統(tǒng)，而該技術(shù)在內(nèi)蒙古局部區(qū)域并不適合，并且需要大量的人力和物力投資。本課題采用的是實況星信道，其直播星信道的覆蓋率經(jīng)過了內(nèi)蒙古地區(qū)“戶戶通”長時間的實際應(yīng)用檢驗，同時采用了圓偏振的衛(wèi)星接收機(jī)，具有體積小，成本低等優(yōu)點。緊急廣播數(shù)據(jù)信息使用了直播衛(wèi)星數(shù)據(jù)信道來進(jìn)行傳送，PID識別的數(shù)據(jù)傳送方式與TS流中用Service組建來描述服務(wù)類型的方式不同，使用了一個不同的PID來識別不同類型的緊急廣播數(shù)據(jù)，使得服務(wù)類型識別更為清晰。本項目擬通過衛(wèi)星實況轉(zhuǎn)播技術(shù)，對新鏈路進(jìn)行衛(wèi)星實況轉(zhuǎn)播，并利用“戶戶通”的接收機(jī)實現(xiàn)對突發(fā)事件的快速反應(yīng)和快速播放，其體系架構(gòu)扁平化，全面符合I類突發(fā)事件的時效性需求，全面保證其高可用性，目前尚無此方面的研究。

3.2 雙國家密碼技術(shù)體系

（1）應(yīng)急廣播指令安全保護(hù)機(jī)制：針對緊急廣播信息和命令的安全性問題，提出了一種基于數(shù)字簽名的緊急廣播信息和命令的安全性保障方法，該方法使用了SM2和SM3加密算法。在緊急廣播信息或者命令的發(fā)送者使用該信息或者命令計算將被傳送的緊急廣播信息和命令以及帶有隨機(jī)數(shù)的數(shù)字簽字；應(yīng)急廣播報文或命令發(fā)送者，其將所算得的應(yīng)急廣播報文或命令、隨機(jī)數(shù)和應(yīng)急廣播發(fā)送者的安全組件的數(shù)字憑證號碼一起發(fā)送；在收到該緊急廣播信息或指示之后，使用該緊急廣播信息或指示的發(fā)送者的數(shù)字證書來對該緊急廣播信息或指示進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)通過后，該接收者開始執(zhí)行該緊急廣播信息或指示；如果確認(rèn)失敗，那么接收方將不會進(jìn)行，并對其進(jìn)行處理，而確認(rèn)失敗的指示或者信息將會被返回到緊急廣播平臺上。

（2）DCAS系統(tǒng)的密鑰機(jī)制：DCAS密鑰生成機(jī)制主要有：根密鑰生成機(jī)制，層次密鑰生成機(jī)制，數(shù)據(jù)安全管理機(jī)制，服務(wù)加解密機(jī)制等。所述的根密鑰衍生機(jī)構(gòu)使得所述的安全性晶片可以使用其內(nèi)部的根密鑰衍生模組來即時衍生出個人化的根密鑰；采用分布式的數(shù)據(jù)安全管理方法，保證了根密碼的產(chǎn)生和管理的安全性；在此基礎(chǔ)上，通過對根密鑰的衍生與信息的處理，實現(xiàn)了多個DCAS系統(tǒng)在相同的安全性基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了深入的研究。

3.3 超低帶寬

在數(shù)據(jù)編碼和壓縮方面，每一臺PID都是一個單獨的廣播服務(wù)，將其作為一種標(biāo)準(zhǔn)AAC的數(shù)據(jù)編碼模式從MPEG-1Layer2進(jìn)行了改進(jìn)，將其作為基準(zhǔn)AAC進(jìn)行改進(jìn)，將其比特速率從128 kbps降低到小于20 kbps（實際大約15 kbps），從而大大節(jié)省了帶寬。從本工程的具體要求來看，鄉(xiāng)村大喇叭應(yīng)滿足基本的廣播播發(fā)，其要求是可以被接收到，并且可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，因此，在此參照AAC對其進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。在原來的模式下，20個緊急信號的傳輸所需的帶寬大約為4 Mbps；經(jīng)過改進(jìn)，該方案所需的寬帶僅為0.5 Mbps，比原方案減少了80%。在PID的傳遞過程中，用緊急廣播命令來表示，無需PMT表、SDT表、PCR等內(nèi)容來說明。根據(jù)這一點，多個并發(fā)緊急廣播數(shù)據(jù)與應(yīng)急廣播指令復(fù)用下發(fā)，在除去PMT表、SDT表、PCR等之后，可以大幅節(jié)省傳送帶寬。以20個通道的緊急廣播為例，在進(jìn)行優(yōu)化之前，PSI/SI的這一段要占據(jù)1 Mbps的帶寬；經(jīng)優(yōu)化后，此段時間的帶寬利用率為0。

3.4 超低時延

（1）系統(tǒng)平臺端口：原本的處理模式，是在接到消息之后，依照消息接入與審核、媒資采集與入庫、調(diào)度控制、預(yù)案生成、指令生成、打包加簽、數(shù)據(jù)入庫、分發(fā)傳輸?shù)炔襟E來對其進(jìn)行處理，而且在處理的時候，還必須與大屏展示部分進(jìn)行實時交互與通信。經(jīng)過優(yōu)化的過程：對過程進(jìn)行理性計劃，對最終結(jié)果進(jìn)行大屏幕顯示。在滿足基礎(chǔ)服務(wù)要求的前提下，可以迅速地完成對信息的訪問和審核，對資源進(jìn)行調(diào)度和篩選，對計劃和指令進(jìn)行生成和發(fā)布，對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和簽名，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接傳送。最后，對過程中所需的媒體資源入庫，數(shù)據(jù)入庫等進(jìn)行后臺處理；同時，通過與大屏幕的互動，實現(xiàn)了大屏幕的顯示。

（2）衛(wèi)星適配器端口：對于時延的需求，適配器也是如此，按照服務(wù)第一的原則，在設(shè)置好信息服務(wù)要求之后，接收TAR數(shù)據(jù)包，迅速地進(jìn)行安全驗證，在完成對整體業(yè)務(wù)內(nèi)容的處理后，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了相應(yīng)的修改，這樣就不會對系統(tǒng)造成任何影響了。

（3）傳輸終端：通過多線程的方式，在接收到緊急廣播命令后，對命令的解釋性和命令的安全性驗證同時進(jìn)行，通過對判決邏輯的優(yōu)化，迅速找到與緊急廣播相對應(yīng)的報文，在命令的安全性驗證與命令的同步后，由局部譯碼器執(zhí)行緊急廣播。

4. 直播衛(wèi)星應(yīng)急廣播技術(shù)的具體應(yīng)用

直播衛(wèi)星應(yīng)急廣播技術(shù)主要應(yīng)用于我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)及偏遠(yuǎn)地區(qū)，信號接受相對較差的區(qū)域，借助有線電視網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星傳輸信號，實現(xiàn)應(yīng)急廣播系統(tǒng)的建設(shè)與有效應(yīng)用，在面對重大突發(fā)事件與自然災(zāi)害的情況下當(dāng)?shù)貜V播電視臺快速做出反應(yīng)。同時，基于直播衛(wèi)星應(yīng)急廣播技術(shù)，覆蓋面積極其廣泛。首先，該地區(qū)的廣播電視臺可從整體角度出發(fā)，構(gòu)建區(qū)級的應(yīng)急廣播控制中心，在面對突發(fā)險情時，將需要傳播的信息利用調(diào)頻調(diào)制器進(jìn)行輸送，并以無線電信號的形式進(jìn)行傳輸，借助主要網(wǎng)絡(luò)干線，利用當(dāng)?shù)貐^(qū)域的光纜網(wǎng)將射頻信號輸送至鄉(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村地區(qū)的廣播電視接收站，再利用調(diào)頻系統(tǒng)將射頻信號轉(zhuǎn)換為音頻信號進(jìn)行傳播。最后，使用應(yīng)急廣播的各種功能，來完成對緊急消息的播放。這種自上而下的信息傳遞，還可以用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)以下農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)急廣播信息的接收，從而使得應(yīng)急廣播技術(shù)在地區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村之間，構(gòu)成了一個互動的應(yīng)急廣播信息網(wǎng)絡(luò)，并可以完全覆蓋應(yīng)急廣播所屬地區(qū)。另外，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以下的農(nóng)村區(qū)域，所使用的調(diào)頻控制系統(tǒng)具有極高的自動化程度，其信號傳輸與轉(zhuǎn)換皆是由自動接收機(jī)完成。若無射頻信號傳輸，其系統(tǒng)就不會被觸發(fā)，調(diào)制器也不會被啟動。從而在不影響工作的前提下，實現(xiàn)了很好的資源和能源節(jié)約。

5. 結(jié)束語

以直播衛(wèi)星為基礎(chǔ)的緊急廣播技術(shù)，可以適應(yīng)各種緊急廣播的應(yīng)用場合，可以產(chǎn)生很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，對服務(wù)社會和發(fā)展大局有著非常重大的作用。近年來，內(nèi)蒙古地區(qū)開展了利用現(xiàn)場衛(wèi)星轉(zhuǎn)播技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急預(yù)警信息發(fā)布的試驗，并獲得了較好的應(yīng)用成果。為廣電事業(yè)的發(fā)展提供了一種新的廣播和電視公眾服務(wù)方式和途徑。