利用互联网传输DTMB节目备份信号源的设计与实现

蒋晓敏

（云南广播电视台，云南 昆明 650000）

0 引 言

建设地面数字电视公共节目覆盖，需要将省、市／州、县等多套节目传到全省100多个DTMB发射台站。为确保信号源的安全传输和播出质量，在传输结构上，各级播出机构进行视音频编码，TS流传输汇聚到县级前端进行单频网适配后传输至发射台（SFN），也可直接传输至发射台后汇聚（MFN）。按照安全播出的要求，信号传输需要有备份，并由不同路由传输，故需要规划两个不同路由的传输链路，实现省级节目传输至县、州市节目传输至县以及县传输至各发射台，实现信号源的有效备份。

一般情况下，主路信号使用有线专网进行传输，备路信号可以租用卫星链路，也可以租用其他通信网络公司的专网，使用信号源切换设备进行切换，来确保信号源安全可靠的传输。由于目前部分发射台缺乏可靠的信号备份手段，为节省成本，需要提高传输效率，采用性价比较高的方式来完成备份信号源的传输。统计实际使用情况发现，主路信号一般设计有线专网保障传输，全年链路可用度超过99.99%，而使用备路信号的时间全年不足0.01%，故可考虑采用性价比更高的备路传输方式。目前互联网传输是较为成熟的信号传输方式，已具备传输多套节目所需的带宽，可以作为备份信号源的传输途径。主备路信号源在前端编码，以TS码流形式进行传输。主路通过省网络公司有线网等专网传输。利用公用网络传输备路信号，有三种方式可以选择。

（1）节目源前端编码后将IP信号通过公用网络分别传输至县级前端，这种方式需要公共前端具备很高的上行带宽。例如，如果省级节目信号复用后带宽为10 Mb·s-1，则省级前端传送到各县的码流总带宽不低于10 Mb·s-1×128个县=1 280 Mb·s-1， 这就要求省级前端需要租用上行带宽为2 Gb·s-1的网络。

（2）利用云模式进行转发，租用CDN进行转发。使用云转发的优点是可以传输到多个县，可以简单快速地增加接收端。缺点是云转发需要根据流量收费，24小时传输流量巨大，流量成本很高。

（3）进一步优化第一种方式，在主路信号正常的情况下，不向县前端传送码流。一旦发现主路故障，立即向前端申请传输备路信号。前端系统在接收到请求后，即向对应终端发送信号。这样一来，备路信号在同一时间的上行带宽将大大降低。

要实现第3种模式，有几个问题需要解决：如何保障能够知道备路信号随时可用，备路信号投入使用的时间，操作复杂度。解决了这3个问题，即可使用第3种方式，优化提供的备份信号源，并以自动化的检测、传输和切换手段，实现并确保省、市／州、县广电台和县发射台进行信号源备份和自动切换。

1 备用信号传输系统技术体系

根据以上分析，拟采用安全性和可靠性高的传输协议。TCP在数据传输中会有较高的额外开销，限制了它对带宽的有效使用，并且在流式和基于文件的传输应用里极大地影响了传输性能。在当今存在大量文件传输和更高速的网络连接条件下，使用TCP会引发网络拥堵，最终引发视频频繁缓冲、马赛克甚至播放中断等现象。同时，互联网的网络条件在不停地变化。这意味着任何单一的算法，在面对抖动、延迟、丢包的所有排列组合时，都无法在单点上做到立刻适应。

这些带宽干扰因素的存在，无论总体带宽有多大，都极大降低了网络的实际性能。对于实时视频流，目前有2种常用的纠错技术，分别是前向纠错（Forward Error Correction，FEC）和自动重发请求（Automatic Repeatre Quest，ARQ）。FEC是在传输流中插入携带冗余信息的额外数据包，这些冗余信息是从数据流中的其他数据包计算而得。这些冗余信息让接收端可以在一定错误数量下，侦测出错误的发生，并且在不需要重传的情况下，恢复错误的数据包。接收端在收到单个矩阵的所有数据包后才开始恢复数据，又引入额外的延迟。在如公共网络那样高丢包率和多变的IP网络里传输视频，它仍旧无法稳定传输。ARQ是在接收端检测丢包，然后发送反馈或应答（ACK）给发送端，发送端随即重传丢失的数据包。这个机制在TCP和类似TCP的协议里都在使用，也包括一些开源和私有的协议，比如SRT和IBM的FASPStream。ARQ即使搭配FEC一起使用，仍旧有一些局限性，如在TCP和类似TCP的协议里，当检测到丢包，发送端会减小拥塞窗口，同时降低传输速率。这会引起视频延迟，占用更大的发送缓冲。当发送缓冲区溢出，那么这些丢包将再也无法恢复。在高拥塞和弱网的条件下，ARQ会显著增加点到点的延迟。比如，当链路丢包率达到30%，将会至少需要10倍于RTT的延迟，才能保证可靠的传输。在大跨距的公网传输中，这个延迟甚至会超过2 s。即使在网络条件良好的情况下，上述FEC和ARQ的问题依旧可能发生。任何不可靠的网络连接更会加重问题，并导致服务质 量的下降。

R2TP（可靠实时传输协议）在端到端传输链路上应用一层管理层，在任何网络条件下管理抖动，更高效地恢复丢包，降低延迟，并且将额外的负载（等于对带宽的浪费）降到最低。R2TP不改变传输内容的内部封装，数据输入将原封不动地到达接收点。R2TP支持持内建的加密，所以数据会被安全平滑的传输。同时R2TP采用一套模式匹配算法去分析和适应实时变化的网络，然后动态地应用当前最合适的算法来进行错误检测和恢复。

为减少丢包的重传请求的发送，R2TP使用自适应的协议，实时收集网络状态数据，重建网络描述（profifile）。网络描述会随着实际网络条件的改变而动态地更新，极大提高ARQ效率。同时，R2TP使用时钟同步机制来统计数据包序列号，并使用一套基于数据包间隙和网络参数的算法，让发送端能在丢包刚发生时就检测到（而无需等接收端反馈），即使在连续丢包的场景下也有效。回传链路只需要用来发送否认确定（NACKK），所以回传带宽的开销非常小。

R2TP可以根据实时网络条件，选择合适的错误恢复算法。即使在延迟和丢包多变的网络里，也能够极大增加网络的可靠性。R2TP在接收端进行实时流量整形，消除抖动（抖动几乎为0），这将进一步提高在不稳定网络下的传输服务质量（Quality of Service，QoS）。

为进一步实现网络使用的可靠性，减轻由于公用网络故障导致的传输中断，接收终端可能同时采用多个运营商的网络接入。对此，R2TP设计了多径绑定机制，以克服单条链路的低带宽或不稳定的问题。通过实现一套智能的网络负载均衡策略，R2TP可以将多条链路绑定成一条虚拟链路，根据实时传输需求和多条链路的条件，实现动态的流量均衡。R2TP最初专为视频传输设计，因此在传输中会内嵌时间戳分析，按时间和帧的顺序划分纠错的优先级来保证数据以正确的顺序被输出显示。在传输安全性方面，也支持AES-128和AES-256算法，在整个传输过程中对数据加密，提供一个完全安全的数据传输通路。

2 备份信号源传输系统设计

为实现前文提出的功能，并解决可靠性、投入时间等问题，实现自动切换功能，拟采用统一管理、实时监测的互联网备用信号传输系统。为确保网络传输安全，防止替换，使用特殊的传输协议。传输协议需要高效、可靠，在网络延时和网络质量不良、丢包严重时，能够最大限度地保证解码正常。前端系统应能够检测所有解码节点的网络情况，如果出现网络故障或终端设备离线，立即告警，确保网络和系统的健壮。为实现自动快速备份，终端设备实时检测主用信号，一旦发现主用信号终端异常，立即启动备份信号传输并报警。系统拓扑如图1所示。

图1 方案拓扑图

图1 中，中继服务器RRS实现边缘数据处理，支持行业所需要的各种协议，如UDP、HTTP、RTMP、SRT等，并可以做协议转换，以兼容不同数据源。在传输和分发的过程中，任何格式（SD、HD、4K、8K）的视频流都可以使用中继服务器进行传输和分发。同时，支持每一路流的原始数据的滚动录制。用户可以对录制的文件进行 管理。

中继服务器远程控制管理部署复杂的视频分发网络，实时、完整地统计关键的网络连接数据，如带宽、抖动、连接状态及运行时间等。中继服务器在视频传输过程中也需要支持高度安全的连接。视频输出可以设置密钥，仅针对指定的接收者接收，以提高在公网中传输的安全性。

为实现灵活机动的网络管理，设置一个统一的网络管理系统（Netware Management System，NMS）是必要的。NMS是一个可以同时监控中继服务器软件和硬件的管理应用软件，记录每一台中继服务器的数据，并且把数据合并起来给网络智能管理使用。NMS可以在云上部署也可以在本地部署，提供全天候的监控。当发生某些异常如码率发生大幅变化，或者丢包率偏高、RTT增大时，NMS主动发送警告。这样将有效地监控各中继服务器的网络状态，确保备份的有效。同时，NMS实时监控分布于各接收点的终端状态，一旦接收终端Xchange检测到主用专网的ASI信号出现中断等故障后，立即向该节点发送直播流。

接收终端Xchange是一个检测、分析ASI接口以及接收IP信号的跨平台设备。Xchange内置TS流分析器，具有实时码流监视功能，可记录码流同步丢失、同步字节和连续性计数错误。Xchange基本逻辑如图2所示。

图2 Xchange基本逻辑框图

在设计中，Arm Core与FPGA Core之间有一段共享内存，用于ARM与FPGA之间进行高速的数据交互。IP In数据经过ARM接收后，发送到共享内存Memory B地址段上，FPGA将会从MemoryB地址上读取数据并通过ASI OUT输出；对于ASI IN数据通过FPGA送到共享内存Memory A地址段上，Arm会从共享地址Memory A上读取到数据，再将读取的数据送到共享内存Memory B上，由FPGA从共享内存Memory B上读取并通过ASI OUT输出。ASI数据流向为ASI IN→Memory A→Arm Core→Memory B→ASI OUT；IP数据流向为IP IN→Arm Core→Memory B→ASI OUT。此过程中，Arm可以监控ASI IN及IP IN是否有数据通过，以此判断是否需要做切换。

3 备份信号源传输系统的实现

在每个县发射台部署3台终端设备（简称接收终端），分别接收省、市／州、县平台传入的主路ASI信号，做24 h监测。在省、市／州平台部署管理服务器，用于从公网备份取流；在县平台只需要对应一个发射台，部署另一个接收终端用于公网备份取流。省平台部署NMS服务器，所有接收终端和管理都会与NMS服务器通信，可以查看全省所有设备状态并进行管理。

正常情况下，各终端接收有线网络公司的专网信号，同时，备份信号源传输系统实时监控主用信号的工作状态以及备份信号源传输系统承载互联网的连接状态。当检测到主路断流，接收终端向断流的广电平台请求备路视频流，备路视频流通过公网以私有的可靠传输协议R2TP传入对应接收终端。3路主路ASI信号和3路备路ASI信号共同进入具备1+1热备份功能的复用器，在复用器中选择当前存在的3个流复用生成MPTS给发射机激励器。当主路ASI信号恢复，接收终端自动停止公网取流。整个备份信号源投入和退出过程都是自动进行的，无需值守人员参与。

4 结 语

备份信号源传输系统可用于由节目分发中心至多个接收点的信号传输系统的备份信号，以解决由于主用链路和设备故障导致主用信号中断的应急保障；也可作为现场活动直播的信号备份，能够大大提高网络直播的安全性和可靠性；还可用于应急广播等应用场景，在应急状态下，可按照应急广播发布区域要求对相应的区域发送应急信息内容，实现平战结合的应急广播目标。该系统可依据使用场景灵活调度，能够简化传输系统的环节，节约 成本。