IP數(shù)字電視播出系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)解決方案

1、IP數(shù)字電視播出系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)解決方案【摘要】本文以江蘇省姜堰市廣播電視臺的播 出監(jiān)測系統(tǒng)為例，闡述有線運營商如何在全IP化數(shù)字 電視前端系統(tǒng)上建立內(nèi)容、服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)測平臺，以 及前端圖像質(zhì)量監(jiān)測的相關(guān)指標(biāo)?！娟P(guān)鍵詞】IP數(shù)字電視播出系統(tǒng)MDI前端監(jiān)測為了應(yīng)對電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三大網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 融合的趨勢，江蘇省姜堰市廣播電視臺在2010年建設(shè) 了全IP化數(shù)字電視播出系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有視頻數(shù)字化、 傳輸雙向IP化、收視（聽）互動化和個性化等技術(shù)特點， 是一個包括多層面技術(shù)在內(nèi)的綜合技術(shù)體系。為確保 該系統(tǒng)能夠?qū)?jié)目的內(nèi)容、安全、質(zhì)量、服務(wù)等監(jiān)測 信號及時進行采集和處理，確保圖像壓縮編碼和圖像 質(zhì)

2、量經(jīng)過監(jiān)測后圖像質(zhì)量更為清晰，姜堰廣電同步建 設(shè)了一套全IP化的監(jiān)測保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)以基于傳統(tǒng) 廣電DVB平臺的碼流及物理層的監(jiān)測為基礎(chǔ)，借鑒電 信IPTV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)碼流層與傳輸網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測，可從內(nèi)容、 安全、質(zhì)量、服務(wù)4個方面確保節(jié)目的穩(wěn)定播出。節(jié)目內(nèi)容監(jiān)測1三大監(jiān)測手段節(jié)目內(nèi)容監(jiān)測包括針對接收信源的監(jiān)測以及播出 信號的監(jiān)測，具體涉及以下三大監(jiān)測手段：傳輸質(zhì)量監(jiān)測。其主要監(jiān)測承載網(wǎng)中信號傳輸產(chǎn) 生的延時、抖動和丟包。播出服務(wù)監(jiān)測。它屬于日志管理系統(tǒng)，包括預(yù)防 性的監(jiān)測以及對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化；同時它還是IP監(jiān)測系 統(tǒng)的中央網(wǎng)絡(luò)管理平臺，支持簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議， 可通過SNMP協(xié)議發(fā)布報警。壓縮編碼及圖

3、像質(zhì)量監(jiān)測。壓縮編碼分析軟件可 以對壓縮編碼器的效率、壓縮質(zhì)量直接進行分析；圖 像質(zhì)量分析系統(tǒng)可以對壓縮編碼的圖像質(zhì)量做實時的 分析。以上三大監(jiān)測手段可以對節(jié)目內(nèi)容主動監(jiān)測，形 成一個7X24小時的實時監(jiān)測與分析管理機制，而不 是等到問題出現(xiàn)后再對故障進行測試分析。2實現(xiàn)方法姜堰廣電作為縣級市的運營商，節(jié)目信源是通過 不同方式從節(jié)目內(nèi)容商手中獲取，包括從江蘇省廣電 的省干網(wǎng)獲得的DWDM IP信號，通過SDH平臺傳輸 的本地節(jié)目內(nèi)容，以及本地編碼節(jié)目等。信號格式包 括Ts overIP碼流、本地SDI基帶信號以及通過本地模 擬信號編碼器編碼后的ASI信號，節(jié)目信源的質(zhì)量決 定了尸儀系統(tǒng)播出的節(jié)

4、目質(zhì)量。另外，前端服務(wù)質(zhì)量 監(jiān)測還表現(xiàn)在對播出的監(jiān)測，rrS碼流通過UDP的方 式打包并在前端IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸，所以需要監(jiān)測系統(tǒng)可 以在IP層面上對TS碼流進行監(jiān)測，以保證節(jié)目播出 的質(zhì)量和服務(wù)。監(jiān)測點分為信源監(jiān)測和播出監(jiān)測兩大方式（如圖1 所示）。其一，在信源的監(jiān)測方面主要針對江蘇省干線網(wǎng) 絡(luò)DWDM傳輸?shù)腡s Over IP進行信號監(jiān)測，其中，碼 流監(jiān)測可以針對不同的編碼方式如MPEG2 TS OVERIP 以及高清信號MPEG4 Ts OVER IP的傳輸碼流進行監(jiān)測， 監(jiān)測內(nèi)容包括帶寬、PCR抖動、TR 101 290的三級報 警監(jiān)測，從而確保節(jié)目的質(zhì)量、安全和服務(wù)。對信源 的監(jiān)測采用兩

5、種方式進行，一種方式是實時碼流監(jiān)測， 包括對關(guān)鍵的TS流信源進行監(jiān)測，另一種方式是可以 通過IP組播切換的方式從交換機上通過IGMP協(xié)議的 JOIN / LEAVE進行監(jiān)測，從而對重要節(jié)目的碼流，以 及次要的碼流進行輪詢監(jiān)測。其二，江蘇省廣電系統(tǒng)技術(shù)體系數(shù)字電視的播出方式有兩種：一種方式是廣播信號的傳輸和接收通過 QAM調(diào)制后進入HFC網(wǎng)絡(luò)，用戶通過DVB-C機頂盒接 收；另一種方式是點播前端系統(tǒng)采用IP方式播出，終 端通過IPQAM進行解調(diào)。目前廣播監(jiān)測和點播監(jiān)測有兩種監(jiān)測方式：廣播 方式及點播方式。其中，廣播方式的監(jiān)測（如圖2所示） 是通過在組播源核心交換機（路由器）的端口鏡像中抽 取傳輸

6、內(nèi)容進行監(jiān)測；點播監(jiān)測目前在國際上主要是 采用Video Over IP+TS監(jiān)測的組合方式，這種方式可以 對核心交換機數(shù)千個并發(fā)流進行測試并報警，雖然姜 堰市目前的系統(tǒng)中還不具備此功能，但已規(guī)劃并希望 在二期系統(tǒng)的擴容中實現(xiàn)。綜上所述，實際監(jiān)測解決方案需要根據(jù)運營商的 具體營運模式來實現(xiàn)。3功能和指標(biāo)要求安全監(jiān)測功能：傳輸碼流驗證（防止非法信號的侵入以及碼流 身份的識別）。傳輸碼流驗證是一種防止非法信號侵入 的方法，由客戶自行捕捉正確播出的傳輸流，包括TS 流ID、服務(wù)層數(shù)量、服務(wù)商名稱、復(fù)用器最大最小帶 寬、CA狀態(tài)、所有PID信息和服務(wù)種類等共18項基 本信息。傳輸碼流驗證可以將這些基本

7、信息保存到系 統(tǒng)內(nèi)部并作為參考模板，進行安全監(jiān)測時，將正在播 出的碼流與參考模板的碼流進行比較，如果有不一致 的地方，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。播出的安全監(jiān)測（確保CA安全性）。安全監(jiān)測系 統(tǒng)可以對ECM、EMM信息進行監(jiān)測，在OCV功能中 確認ECM、EMM信息的存在，如果信息丟失將發(fā)出報 警信號，并且在帶寬測試中判斷ECM的CW變化周期， 如果超過時間CW未被刷新，系統(tǒng)將及時報警。內(nèi)容 及服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)測功能：碼流復(fù)用帶寬的監(jiān)測。其可以實時監(jiān)測復(fù)用節(jié) 目內(nèi)容所占用的帶寬，以及每個PID的帶寬。當(dāng)節(jié)目 源丟失、占用帶寬溢出或帶寬的范圍超出設(shè)定門限值 時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號并且進行錯誤日志記錄或 SN

8、MP報警。同時對有效值、當(dāng)前值、TS流中每路節(jié) 目的碼率和所占帶寬的比率、PSI / SI中每個PES的碼 率、空包率和其它數(shù)據(jù)碼率的每個PID進行監(jiān)測，并 能通過圓餅圖、坐標(biāo)圖、列表等方式進行察看。TR 101 290的監(jiān)測報警。TR 101 290的監(jiān)測報警 可以同時監(jiān)測三級報警中的每一級報警，包括信號丟 失、同步錯誤、包結(jié)構(gòu)錯誤、PCR錯誤，以及是否在 規(guī)定的時間內(nèi)收到應(yīng)該收到的表格等，每個監(jiān)測內(nèi)容 都可以由客戶設(shè)定，從而減少誤報警的發(fā)生，同樣也 可以觸發(fā)不同的報警方式，將報警值進行存儲或發(fā)送 到信號網(wǎng)關(guān)平臺。每項錯誤的報警都有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包 括這些錯誤的頻率和次數(shù)，甚至可以選擇監(jiān)測PID

9、、 PCR等錯誤，減少誤報率的發(fā)生。IP數(shù)據(jù)廣播的顯示。該系統(tǒng)可以檢測到IP數(shù)據(jù) 廣播，顯示數(shù)據(jù)廣播的PID值、發(fā)送數(shù)據(jù)的IP地址、 接收數(shù)據(jù)的IP地址、服務(wù)器端口地址、封裝包的數(shù)目、 占用的帶寬信息，以及數(shù)據(jù)廣播占用總帶寬的信息。 支持不同的數(shù)據(jù)廣播方式或是客戶自定義的數(shù)據(jù)廣播 形式；支持DCM、DG等所有數(shù)據(jù)廣播的方式（如果是 私有協(xié)議可以通過圖3 TDL表格解析來實現(xiàn)）。對自定義表格的解析、監(jiān)測、報警。對TS流的 表單進行解析，采用XML語法對用戶全部開放。允許 客戶對任意的私有信息表格進行編程解析，并且系統(tǒng) 會對表格進行校驗，出現(xiàn)不符合DVB語法規(guī)范的部分， 系統(tǒng)給予報警。PID包間隔

10、抖動信息的監(jiān)測。該系統(tǒng)可以對所 有PSI / SI信息、所有PID包括音視頻等作包間隔抖動 的監(jiān)測。包間抖動信息的監(jiān)測雖然不在DVB標(biāo)準(zhǔn)中， 但是當(dāng)包間隔的抖動值過大時，會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的變 化，造成馬賽克或者是局部馬賽克現(xiàn)象，而當(dāng)通過設(shè) 定包間隔抖動所 下面以2010年3月江蘇廣電 系統(tǒng)的總前端與姜堰廣電分前端的分配網(wǎng)絡(luò)輸出端的 測試報告為例，說明MDI在IP視頻網(wǎng)絡(luò)中的運用。測 試點的示意圖如圖5所示：省網(wǎng)前端測試點為A，縣 市網(wǎng)終端測試點為Do測試指標(biāo)：DF Avg為網(wǎng)絡(luò)延遲率的平均值，其采樣時間為測 試時間段內(nèi)的平均值；DF平均值應(yīng)小于等于9oDF MAX為網(wǎng)絡(luò)延遲率的最大值，其中DF最

11、大值 應(yīng)該小于等于9oML為媒體(視頻)丟包率，作為IP數(shù)據(jù)傳輸丟包率 小于3%即可，但是在廣播級的播出要求下，ML的丟 包率應(yīng)為0oIFR Avg,為IP流的平均帶寬(Mbit),采樣時間為 整個測試時間段內(nèi)的平均值。Pkts Arr, Avg,為包到達時間的平均值(ms),其采 樣時間段為整個測試時間段。NU Avg,為網(wǎng)絡(luò)占用率 (輸入帶寬為100Mbit/sec,所以單位為%)，所以當(dāng) 輸入流量為1.6Mb時，其NUAvg應(yīng)該為1.6%o根據(jù)IETF作為Mpeg over IP測試規(guī)范草案，并由 IQ公司提出的MDL指標(biāo)中所規(guī)定的DF, ML參數(shù)即通 過對以上的參數(shù)測算后得到，并可以整

12、體反映出Mpegover IP 的性能（見表1）o總前端測試數(shù)據(jù)分析：前端測試數(shù)據(jù)顯示，前端輸出DF延遲率的平均 值在近12小時的紀(jì)錄中為6.7-6.8,屬于合理范圍。 而ITU提出的默認理想值在9以內(nèi)。通過12小時紀(jì)錄，勁爆體育的DF最大值為7, 535,在9以內(nèi)，屬于合理范圍內(nèi)。而東方衛(wèi)視的最大 值曾經(jīng)多次出現(xiàn)瞬間隨機的7.9左右，數(shù)值小于9,也 屬于合理范圍內(nèi)。ML丟包率都為0,說明沒有丟包。Package Arr,平均值都在6.57左右，說明曾經(jīng)出 現(xiàn)過較大的延時，但都為瞬間發(fā)生，對平均的包計收 時間未造成過大影響。Nu Avg,流帶寬利用率都為1.67,說明傳輸流基 本穩(wěn)定。綜合以上

13、數(shù)據(jù)分析得出，由于UDP打包后到核心 交換機之間未經(jīng)過其他傳輸設(shè)備，所以測試值基本反 映了江蘇省廣電前端的播出狀態(tài)。其判斷依據(jù)是東方 衛(wèi)視的基本帶寬等參數(shù)相當(dāng)穩(wěn)定，基本沒有波動，而 且我們同時采樣了其他頻道12小時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并未 出現(xiàn)類似隨機瞬間的DF波動，這說明測試點的核心 交換機端口以及數(shù)據(jù)交換都正常。播出端測試數(shù)據(jù)分析：由于姜堰廣電的播出前端到省總前端經(jīng)過了約 300公里的省干線傳輸、泰州市前端的預(yù)處理，以及 姜堰本市系統(tǒng)的處理，及多重路由的交換，所以DF 平均值都大于前端的測試值（本測試進行了約12小時 的數(shù)據(jù)采樣）。DF MAX值顯示姜堰廣電播出的前端數(shù)據(jù)采樣測 量（勁爆體育和東方

14、衛(wèi)視）出現(xiàn)最大的延時達10.955。 將其與前一天12小時總前端的測試記錄相比后發(fā)現(xiàn)， 在總前端輸出正常的情況下，通道的路由路徑中會帶 來瞬間的隨機延遲。在如此大的延遲率情況下，監(jiān)視 器是否出現(xiàn)靜幀及馬賽克現(xiàn)象，取決于接收端IP STB 緩沖區(qū)的大小。丟包率為0說明所有接收端的視頻包未有丟失。通過IFR和NU的采樣值發(fā)現(xiàn)前端平均帶寬為 3.6M，與縣市播出節(jié)目實際平均帶寬基本相同。而整 條鏈路中未進行統(tǒng)計復(fù)用等碼率修正計算，這說明總 前端與姜堰播出系統(tǒng)的圖像質(zhì)量相同。傳輸包的抖動測試反映出前端與終端包間隔一致， 正是這種包與包到達時間的統(tǒng)計，反映了實際運營中 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MPEG視頻傳輸流通

15、過常規(guī)以太網(wǎng)打包，通過網(wǎng)絡(luò)交換到達目標(biāo)節(jié)點時，都會有一定時序上的失真。 這些失真是由于包和包之間的時序，與發(fā)送源和源之 間的時序不同所造成的。例如，包在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的延時現(xiàn)象（如圖6所示）， 第一組包到達時比它們在傳輸前的延時要短；第二組 包到達時比它們在傳輸前的延時要長。通過與理想狀 態(tài)下包的時序?qū)Ρ染湍軠y算出包的抖動情況。接收機 （IP解碼器）要以正常碼流速率來顯示視頻圖像就必須 通過緩沖區(qū)來調(diào)節(jié)輸入的速率時序，而緩沖區(qū)需要足 夠空間來存儲接收的數(shù)據(jù)，并確保接收機在播出視頻 圖像時將延時過長的數(shù)據(jù)包存儲起來。顯然，這將與 系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生矛盾：一方面需要足夠的內(nèi)存緩沖來處 理網(wǎng)絡(luò)延時，而另外一方

16、面過大的內(nèi)存緩沖區(qū)會造成 視頻播放時更長時間的延遲。因此，一個固定的緩沖區(qū)就一定會有調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)抖 動的一個最大值。無論是緩沖區(qū)溢出或者緩沖區(qū)被上 載都會造成視頻圖像的暫停或者圖像質(zhì)量的下降。而 網(wǎng)絡(luò)路由器也使用緩沖區(qū)來調(diào)節(jié)，當(dāng)多路輸入的數(shù)據(jù) 流同時到達一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并需要被傳送到同一個輸出 端口時，這些緩沖區(qū)（緩沖隊列）必須控制為合適的大 小以防止網(wǎng)絡(luò)堵塞。而網(wǎng)絡(luò)堵塞往往由于路由器流量 過大或者是不同輸入端口的連接速率所造成。有些路 由器運用實時測量數(shù)據(jù)包的方法來實現(xiàn)QoS,這些路 由器也會利用緩沖區(qū)有意阻止一些數(shù)據(jù)包而實現(xiàn)QoS 數(shù)據(jù)包傳輸規(guī)范。但如果緩沖區(qū)溢出，這些數(shù)據(jù)包就 會丟失，或者是電器

17、的噪音造成數(shù)據(jù)包毀壞而導(dǎo)致數(shù) 據(jù)包丟失。以上不難看到，只要很小的丟包率就會導(dǎo) 致視頻數(shù)據(jù)的嚴(yán)重錯損。包延遲的變化和丟包率是決定網(wǎng)絡(luò)能否傳送高質(zhì) 量視頻的關(guān)鍵，而這些關(guān)鍵特性可以組成MDI測量參 數(shù)。MDI可以用于對IP網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量的評估，還 可以用于網(wǎng)絡(luò)負載或者配置原因造成網(wǎng)絡(luò)性能惡化的 故障診斷。在一段時間內(nèi)捕捉、顯示和記錄MLR的最大值就 可以了解這一段時間內(nèi)出現(xiàn)的最大網(wǎng)絡(luò)誤差。緩沖區(qū) 溢出造成數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象可以表明網(wǎng)絡(luò)阻塞的狀況，或 者是由于電器噪音干擾所造成的間歇性錯誤，在這種 情況下MLR值會不斷地跳變。如果MLR保持一個固 定值但網(wǎng)絡(luò)負載卻不高，則表明服務(wù)器或者是信號源 出現(xiàn)了問

18、題。3 MDI的作用MDI可以用于安裝、調(diào)試或者評估一個視頻網(wǎng)絡(luò) 的質(zhì)量，具體作用包括以下內(nèi)容：通過測量MLR可以確認、定位并跟蹤網(wǎng)絡(luò)的丟包 狀況。使用DF參數(shù)可以確認、定位并且跟蹤網(wǎng)絡(luò)的抖 動情況。實時監(jiān)測DF和MLR參數(shù)并設(shè)定域值可以實時報 告網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器故障、網(wǎng)絡(luò)配置問題或者通訊錯誤等問 題，域值的設(shè)定需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器設(shè)備、解碼設(shè) 備以及對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的不同要求來具體設(shè)定。另外，其 他的測量手段除了 MDI指標(biāo)外，在進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、故 障診斷和系統(tǒng)配置時還需要一些其他的測量參數(shù)。通過全面跟蹤瞬間、最大、最小的NU（網(wǎng)絡(luò)利用 率）就能夠檢驗網(wǎng)絡(luò)是否有足夠的帶寬傳輸視頻流。網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備的NU值過高說明網(wǎng)絡(luò)中隊列阻塞的情況，DF 值則是給出了一個已知數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡(luò)擁堵情況。通過測量IFR（瞬間流動率、瞬間帶寬）可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)傳輸質(zhì)量變化的過程。AR（平均帶寬）的測試可以反映在一段測試時間內(nèi) 網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬是否和設(shè)定的帶寬相同。AR是一段時