4K超高清电视传输监测系统的设计与实现

李仁杰，许柳竣熙，刘 屹

（云南广播电视台，云南 昆明 650050）

1 信号传输网络

当前，在广播电视行业，4K技术发展迅速。4K电视信号主要分为未经压缩的基带信号和经过压缩的编码信号两大类。压缩会造成原始数据的信息丢失。压缩得越厉害，丢失的信息越多。由于制作过程中需要对视音频内容进行再处理，应尽量避免压缩造成的数据损失、视音频质量下降，所以制作域一般使用基带信号。国家广播电视总局发布的《4K超高清电视节目制作技术实施指南（2020版）》推荐的4K节目技术参数为3 840×2 160/50P/10 bit，采样格式为4∶2∶2[1]。一套未压缩的4K节目信号需要接近10 Gb·s-1的传输带宽，并不适合在网络中大量分发和远距离传输。传输域一般不涉及电视内容的再处理，主要传输的是编码压缩后的电视信号，编码格式主要包括AVS2、H265、H264等，一套节目占用的带宽一般在20 Mb·s-1左右。

图1为简化的4K电视信号传输网络。4K电视信号通过总控网络、电视专网、互联网分发到有线电视平台、IPTV/OTT播控平台、云平台及其他网络平台，用户通过互联网（宽带、4G、5G）、有线电视网络观看各平台播放的4K电视。总控网络位于4K传输网络的中心，集成了大量的信源设备，承担了4K信号的编码、转码、协议转换、卫星接收等功能，负责为不同的平台和系统提供不同的信号格式和传输方式。内网和专网的核心是通过PIM协议（Protocol Independent Multicast，PIM）和IGMP协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）搭建的组播传输网络。通过组播分发4K信号，能够大大减少源端压力和网络负载。其他需要穿越互联网的4K信号则通过RTMP、RTSP、SRT等单播协议进行传输。

图1 4K电视信号传输网络示意图

2 信号故障因素

2.1 时延、丢包、乱序、抖动

IP网络通过分组交换的传输方式实现了通信线路的共享，大大简化了网络，节约了资源，但同时也引入了时延、丢包、乱序和抖动的问题。IP传输是通过分组存储转发实现的。IP网络中的交换机需要将整个分组存储到缓冲区，排队等待着有序地从输出链路输出。所以分组在传输过程中，除了相对固定的传播时延、存储转发时延，还会产生排队时延。排队时延取决于当时网络的拥塞情况。如果分组到达交换设备时设备的缓冲区已满，设备会丢弃刚到达的分组或者排队的分组；或是分组在传输过程中发生错误，交换机对分组进行校验时发现错误，则会丢弃该分组[2]。分组被丢弃简称丢包。属于同一4K信号的不同分组从源端发出，但可能会经由不同的路由到达目的端，导致目的端收到的分组乱序。而时延、丢包、乱序会导致用户侧信号抖动，直观表现为4K信号马赛克、花屏、黑屏等。

2.2 设备或传输介质故障

4K信号传输必须经过源端设备、交换设备、传输介质。设备和介质故障都有可能导致4K信号异常或断流。例如，信源设备、交换损坏或性能不足导致输出的数据错误，人为的设备配置错误导致信号不符合要求，信号在光纤、双绞线、电磁波中传输时造成的数据丢失或者数据失真等。

3 信号的监测

3.1 视音频质量监测

视音频质量监测指的是对解码后的4K电视节目进行监测，这是一种最常用的监测手段，也是最直观的监测手段。视音频质量监测主要是对视频内容和音频内容出现的问题进行监测，包括信号中断、视频静帧、黑场、彩条、台标丢失以及音频响度异常等。解码后的4K电视信号可以由监视器直接播放，所以音频质量监测是搭配画面监测一起使用的，便于值班员判断某些监测设备无法识别的异常，例如4K电视信号在基带侧使用4路3G-SDI进行传输，由于线序混乱造成的画面异常。为了减少告警误差，管理员对每一项监测指标都设置了报警门限，如图2所示。指标超出门限，系统才发送告警。视音频质量是影响用户体验的最终标准。

图2 视音频质量监测指标

3.2 MPEG2-TS传输流监测

总控网络主要通过组播的方式分发TS over UDP的4K电视信号。TS over UDP即应用层实体根据MPEG2-TS标准对编码的视音频数据进行封装，并使用传输层用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）提供服务进行通信。TR101-290标准提供了对TS流的三级错误监测。为了减少报警信息，只对可能导致TS流无法正确解码的致命错误进行监测，包括同步丢失错误、同步字节错误、PAT错误、连续计数错误、PMT错误、PID错误，传输错误、CRC错误以及CAT错误，如图3所示。每个TS流中可以包含多套节目，每套节目一般包含一个视频流和多个音频流，其中每个视频流或音频流都通过唯一的PID进行标识。TS流监测能够提供基于单个视频流或者音频流的错误告警，而且对于传输错误相较视音频质量监测更敏感[3]。

图3 可能导致TS流无法正确解码的致命错误

3.3 IP网络传输质量监测

3.3.1 交换设备监测

交换设备监测对于故障的定位、诊断和预测有重要意义。交换设备的状态会直接影响4K信号的传输。通常，传输介质的故障也能通过交换设备的端口状态变化获知。使用简单网络管理协议SNMP对网络中的交换设备进行监测[4]，SNMP协议可以提供设备的CPU使用率、内存使用率、设备温度、光模块收发功率以及接口当前状态等重要信息。总控网络中部署了统一的网络管理系统NMS（版本SNMPv2c），被管设备启用SNMP-agent协议，NMS可以向SNMP-agent查询设备状态，设备也可以通过SNMP-agent协议向NMS上报trap和inform告警。图4为交换机的SNMP相关配置。SNMP为交换机基本特性，不需要额外的硬件支持和软件许可。交换机可以同时使能SNMP所有版本，保证可以和网络中的不同版本的NMS通信。如果系统有信息安全的相关要求，可使用SNMPv3版本。该版本提供了认证加密和基于用户的访问控制。

图4 交换机SNMP相关配置

3.3.2 网络性能监测

统计周期内的丢包率，可以监测当前IP网络的性能[5]。例如，启用交换机提供的iPCA功能，可以统计某个设备整体的丢包率、两个设备间直连链路的丢包率以及目标IP流在某个网络区域内的丢包率。IP分组的网络层头部和传输层头部携带的五元组信息（协议、源地址、源端口、目的地址、目的端口）可以用来唯一标识一个目标IP流。统计设备整体的丢包率，可以快速定位某个交换设备导致的网络故障。统计设备间直连链路的丢包率，可以快速定位连接两台设备的物理传输介质的故障。统计目标IP流在某个网络区域内的丢包率，可以测定该区域的网络性能，适用于4K信号需要穿越外部网络，或者区域内部的交换机不支持iPCA功能的情况。例如，总控网络中的流媒体服务器向云平台推送基于RTMP协议的4K流时，需要穿越业务外网，一旦信号出现异常，通过测定4K流在该区域内的丢包率，可以快速定位故障点。一旦确认业务外网存在网络故障，相关统计数据可以作为与其他部门协调的依据。

3.3.3 媒体传输质量监测

对目标流出现的丢包、抖动、乱序等情况进行监控，需要分析TCP报文、RTP报文等来获取信息。例如，通过TCP报文的重传数量计算丢包率，通过RTP报文中的时间戳计算抖动等。可以直接启用交换机提供的eMDI功能或者通过独立的监测设备对媒体传输质量进行监测。

视音频质量监测需要读取4K信号的外层头部（网络接口层、网络层、传输层、应用层）信息，对分组数据进行解封装、重组、解码之后才能对内容进行分析。而TS流监测和媒体质量监测都只需要对4K信号进行解封装，并分析外层头部数据。因此，独立的视音频质量监测设备也具备TS流监测和媒体质量监测的功能。

4 监测系统的设计

4.1 系统时间同步

系统中的设备达到时间同步是为了保证告警的准确性，提高告警记录的可读性，有利于排除故障。设备时间同步是对IP传输质量进行监测的先决条件。4K压缩信号传输系统通过网络时间协议NTP进行设备时间同步。在时间同步子网中，设备所处的层数代表时间的精确度，层数越低，精确度越高。总控网络中的主时间服务器直接同步到标准参考时间，时间精确度最高，处在1层。当设备同步到处于N层的另一台设备，则该设备处于N+1层。设备处于16层代表时钟未同步。总控网络中部署了两台主时间服务器。一般情况下，与主时间服务器直连的核心交换机通过单播Client/Server模式同步到服务器，其他交换机通过对等体模式，由高层的对等体向低层的对等体同步。网络末端的主机直接同步最近的交换机，减少NTP报文穿越网络。图4为其中一台核心交换机的NTP配置。该设备配置了三个时钟源（主时间服务器、对等体、设备本身），并择优同步到了时钟精确度最高的主时间服务器，处于时钟同步子网的2层。一旦主时间服务器失效，设备会择优同步到其他时钟源。

4.2 监测部署方式

当目的端的4K电视节目发生异常，需要逆着传输方向一段链路一段链路地向前排查，或者根据经验去排查概率较高的故障点。由于4K信号的传输线路一般需要经过几台甚至十几台分组交换设备，会增加故障排查的难度和时间。因此需要设计一个合理的监测部署方式来加快故障排查的速度。对上文提到的三种监测方式进行对比，如表1所示。

表1 三种监测方式对比

图5 交换机NTP配置

由表1可知，视音频质量监测除了需要对4K网络信号进行解封装外，还要解码，耗费资源最多、时间最长、成本最高。TR101-290只能监测应用层使用了TS封装的信号。传输信号包含大量TS over IP信号，例如总控网络中以组播方式传输的TS over UDP信号。IP传输质量监测不需要增加单独的监测设备，可以利用传输链路原本存在的交换机来实现，成本最低。视音频质量监测成本最高，但有其必要性，IP传输质量监测和TR101-290三级错误监测主要针对信号在传输过程中出现的数据丢失和数据失真问题，TR101-290还能识别流故障，但是无法识别视音频编码数据原本就存在的错误，这种错误是信源设备在对4K信号进行编码、转码等相关操作时导致的，可能是设备性能不足或者人为操作失误造成的。例如，当信源设备的编码功能主要依靠GPU，且使用独立的通道控制输入输出，设备编码能力不足会导致视音频数据异常但不会影响信号的输入及输出。以上情况导致的信号异常不会表现在IP层面和TS层面，因此，IP传输监测和TS流监测并不能识别此种信号故障，此时只能依靠视音频质量监测。

为了尽可能减少成本，且达到最好的监测效果，需要在传输线路的所有交换机上都启用IP传输质量监测；在源端和末端部署视音频质量监测；对于TS流的传输，需要在网络中的重要节点部署TS流监测。

4.3 监测管理模式

监测管理采用近端监测、分散采集，远端记录、集中管理的模式。为了尽可能保证告警的准确性，部署的信号监测设备应当尽可能靠近传输线路，避免多余设备和传输链路引入新的故障。需将监测设备分散部署到网络的各节点中。监测信号为组播流时，利用组播的泛洪特性，将监测口与传输口加入同一虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）；监测信号为单播流时，在传输交换机配置本地端口镜像，将4K信号镜像到同一台交换机的监测口。

为了对告警数据进行统一记录和查询，需建立单独的管理网络。传输设备和监测设备的日志、告警数据通过管理网络回传到远端的总控系统中，由统一的管理服务器进行记录和分析。

5 结 语

在4K超高清电视信号传输过程中，通过对解码后的视音频质量、TS流传输质量以及IP网络传输质量进行监测，可以提供全面的报警信息，有利于故障的排查和传输链路的切换。其中，在IP网络传输质量监测层面，利用传输链路上的分组交换设备提供设备报警以及网络性能和媒体传输质量的监测，不但节约监测设备的成本，最大程度上简化网络结构，同时能够掌握整个传输网络的变化情况。随着4K超高清电视信号的发展，通过IP网络传输的未压缩电视信号的监测也需要增加到现有系统中，提供全信号的监测能力。