IP数字电视播出系统质量与服务解决方案

IP数字电视播出系统质量与服务解决方案

【摘要】本文以江苏省姜堰市广播电视台的播出监测系统为例，阐述有线运营商如何在全IP化数字电视前端系统上建立内容、服务质量的监测平台，以及前端图像质量监测的相关指标。

【关键词】IP数字电视播出系统MDI前端监测

为了应对电信网、广电网、互联网三大网络技术融合的趋势，江苏省姜堰市广播电视台在2010年建设了全IP化数字电视播出系统。该系统具有视频数字化、传输双向IP化、收视(听)互动化和个性化等技术特点，是一个包括多层面技术在内的综合技术体系。为确保该系统能够对节目的内容、安全、质量、服务等监测信号及时进行采集和处理，确保图像压缩编码和图像质量经过监测后图像质量更为清晰，姜堰广电同步建设了一套全IP化的监测保障系统。该系统以基于传统广电DVB平台的码流及物理层的监测为基础，借鉴电信IPTV网络系统码流层与传输网络的监测，可从内容、安全、质量、服务4个方面确保节目的稳定播出。

节目内容监测

1三大监测手段

节目内容监测包括针对接收信源的监测以及播出信号的监测，具体涉及以下三大监测手段：

传输质量监测。其主要监测承载网中信号传输产生的延时、抖动和丢包。

播出服务监测。它属于日志管理系统，包括预防性的监测以及对网络进行优化；同时它还是IP监测系统的中央网络管理平台，支持简单的网络管理协议，可通过SNMP协议发布报警。

压缩编码及图像质量监测。压缩编码分析软件可以对压缩编码器的效率、压缩质量直接进行分析；图像质量分析系统可以对压缩编码的图像质量做实时的分析。

以上三大监测手段可以对节目内容主动监测，形成一个7×24小时的实时监测与分析管理机制，而不是等到问题出现后再对故障进行测试分析。

2实现方法

姜堰广电作为县级市的运营商，节目信源是通过不同方式从节目内容商手中获取，包括从江苏省广电的省干网获得的DWDM IP信号，通过SDH平台传输

的本地节目内容，以及本地编码节目等。信号格式包括Ts overIP码流、本地SDI基带信号以及通过本地模

拟信号编码器编码后的ASI信号，节目信源的质量决

定了IPTV系统播出的节目质量。另外，前端服务质量监测还表现在对播出的监测，rrS码流通过UDP的方

式打包并在前端IP网络中传输，所以需要监测系统可以在IP层面上对TS码流进行监测，以保证节目播出

的质量和服务。

监测点分为信源监测和播出监测两大方式(如图1所示)。

其一，在信源的监测方面主要针对江苏省干线网络DWDM传输的Ts Over IP进行信号监测，其中，码

流监测可以针对不同的编码方式如MPEG2 TS OVERIP

以及高清信号MPEG4 Ts OVER IP的传输码流进行监测，监测内容包括带宽、PCR抖动、TR 101 290的三级报

警监测，从而确保节目的质量、安全和服务。对信源的监测采用两种方式进行，一种方式是实时码流监测，包括对关键的TS流信源进行监测，另一种方式是可以通过IP组播切换的方式从交换机上通过IGMP协议的JOIN／LEAVE进行监测，从而对重要节目的码流，以

及次要的码流进行轮询监测。

其二，江苏省广电系统技术体系数字电视的播出

方式有两种：一种方式是广播信号的传输和接收通过QAM调制后进入HFC网络，用户通过DVB-C机顶盒接收；另一种方式是点播前端系统采用IP方式播出，终端通过IPQAM进行解调。

目前广播监测和点播监测有两种监测方式：广播方式及点播方式。其中，广播方式的监测(如图2所示)是通过在组播源核心交换机(路由器)的端口镜像中抽取传输内容进行监测；点播监测目前在国际上主要是采用Video Over IP+TS监测的组合方式，这种方式可以对核心交换机数千个并发流进行测试并报警，虽然姜堰市目前的系统中还不具备此功能，但已规划并希望在二期系统的扩容中实现。

综上所述，实际监测解决方案需要根据运营商的具体营运模式来实现。

3功能和指标要求

安全监测功能：

●传输码流验证(防止非法信号的侵入以及码流身份的识别)。传输码流验证是一种防止非法信号侵入的方法，由客户自行捕捉正确播出的传输流，包括TS 流ID、服务层数量、服务商名称、复用器最大最小带宽、CA状态、所有PID信息和服务种类等共18项基

本信息。传输码流验证可以将这些基本信息保存到系统内部并作为参考模板，进行安全监测时，将正在播出的码流与参考模板的码流进行比较，如果有不一致的地方，系统将发出报警信号。

●播出的安全监测(确保CA安全性)。安全监测系统可以对ECM、EMM信息进行监测，在OCV功能中确认ECM、EMM信息的存在，如果信息丢失将发出报警信号，并且在带宽测试中判断ECM的CW变化周期，如果超过时间CW未被刷新，系统将及时报警。内容及服务质量的监测功能：

●码流复用带宽的监测。其可以实时监测复用节目内容所占用的带宽，以及每个PID的带宽。当节目源丢失、占用带宽溢出或带宽的范围超出设定门限值时，系统将发出报警信号并且进行错误日志记录或SNMP报警。同时对有效值、当前值、TS流中每路节目的码率和所占带宽的比率、PSI／SI中每个PES的码率、空包率和其它数据码率的每个PID进行监测，并能通过圆饼图、坐标图、列表等方式进行察看。

●TR 101 290的监测报警。TR 101 290的监测报警可以同时监测三级报警中的每一级报警，包括信号丢失、同步错误、包结构错误、PCR错误，以及是否在规定的时间内收到应该收到的表格等，每个监测内容

都可以由客户设定，从而减少误报警的发生，同样也可以触发不同的报警方式，将报警值进行存储或发送到信号网关平台。每项错误的报警都有统计数据，包括这些错误的频率和次数，甚至可以选择监测PID、PCR等错误，减少误报率的发生。

●IP数据广播的显示。该系统可以检测到IP数据广播，显示数据广播的PID值、发送数据的IP地址、接收数据的IP地址、服务器端口地址、封装包的数目、占用的带宽信息，以及数据广播占用总带宽的信息。支持不同的数据广播方式或是客户自定义的数据广播形式；支持DCM、DG等所有数据广播的方式(如果是私有协议可以通过图3 TDL表格解析来实现)。

●对自定义表格的解析、监测、报警。对TS流的表单进行解析，采用XML语法对用户全部开放。允许客户对任意的私有信息表格进行编程解析，并且系统会对表格进行校验，出现不符合DVB语法规范的部分，系统给予报警。

●PID包间隔抖动信息的监测。该系统可以对所有PSI／SI信息、所有PID包括音视频等作包间隔抖动的监测。包间抖动信息的监测虽然不在DVB标准中，但是当包间隔的抖动值过大时，会导致图像质量的变化，造成马赛克或者是局部马赛克现象，而当通过设

定包间隔抖动所下面以2010年3月江苏广电系统的总前端与姜堰广电分前端的分配网络输出端的测试报告为例，说明MDI在IP视频网络中的运用。测试点的示意图如图5所示：省网前端测试点为A，县市网终端测试点为D。

测试指标：

DF Avg为网络延迟率的平均值，其采样时间为测试时间段内的平均值；DF平均值应小于等于9。

DF MAX为网络延迟率的最大值，其中DF最大值应该小于等于9。

ML为媒体(视频)丢包率，作为IP数据传输丢包率小于3％即可，但是在广播级的播出要求下，ML的丢包率应为0。

IFR Avg，为IP流的平均带宽(Mbit)，采样时间为整个测试时间段内的平均值。

Pkts Arr，Avg，为包到达时间的平均值(ms)，其采样时间段为整个测试时间段。NU Avg，为网络占用率(输入带宽为100Mbit／sec，所以单位为％)，所以当输入流量为1.6Mb时，其NUAvg应该为1.6％。

根据IETF作为Mpeg over IP测试规范草案，并由IQ公司提出的MDL指标中所规定的DF，ML参数即通过对以上的参数测算后得到，并可以整体反映出Mpeg

over IP的性能(见表1)。

总前端测试数据分析：

前端测试数据显示，前端输出DF延迟率的平均值在近12小时的纪录中为6.7-6.8，属于合理范围。而ITU提出的默认理想值在9以内。

通过12小时纪录，劲爆体育的DF最大值为7，535，在9以内，属于合理范围内。而东方卫视的最大值曾经多次出现瞬间随机的7.9左右，数值小于9，也属于合理范围内。

ML丢包率都为0，说明没有丢包。

Package Arr，平均值都在6.57左右，说明曾经出现过较大的延时，但都为瞬间发生，对平均的包计收时间未造成过大影响。

Nu Avg，流带宽利用率都为1.67，说明传输流基本稳定。

综合以上数据分析得出，由于UDP打包后到核心交换机之间未经过其他传输设备，所以测试值基本反映了江苏省广电前端的播出状态。其判断依据是东方卫视的基本带宽等参数相当稳定，基本没有波动，而且我们同时采样了其他频道12小时的监测数据，并未出现类似随机瞬间的DF波动，这说明测试点的核心交换机端口以及数据交换都正常。

播出端测试数据分析：

由于姜堰广电的播出前端到省总前端经过了约300公里的省干线传输、泰州市前端的预处理，以及

姜堰本市系统的处理，及多重路由的交换，所以DF

平均值都大于前端的测试值(本测试进行了约12小时

的数据采样)。

DF MAX值显示姜堰广电播出的前端数据采样测

量(劲爆体育和东方卫视)出现最大的延时达10.955。

将其与前一天12小时总前端的测试记录相比后发现，在总前端输出正常的情况下，通道的路由路径中会带来瞬间的随机延迟。在如此大的延迟率情况下，监视器是否出现静帧及马赛克现象，取决于接收端IP STB

缓冲区的大小。

丢包率为0说明所有接收端的视频包未有丢失。

通过IFR和NU的采样值发现前端平均带宽为

3.6M，与县市播出节目实际平均带宽基本相同。而整条链路中未进行统计复用等码率修正计算，这说明总前端与姜堰播出系统的图像质量相同。

传输包的抖动测试反映出前端与终端包间隔一致，正是这种包与包到达时间的统计，反映了实际运营中系统的稳定性。

MPEG视频传输流通过常规以太网打包，通过网

络交换到达目标节点时，都会有一定时序上的失真。这些失真是由于包和包之间的时序，与发送源和源之间的时序不同所造成的。

例如，包在网络中产生的延时现象(如图6所示)，第一组包到达时比它们在传输前的延时要短；第二组包到达时比它们在传输前的延时要长。通过与理想状态下包的时序对比就能测算出包的抖动情况。接收机(IP解码器)要以正常码流速率来显示视频图像就必须通过缓冲区来调节输入的速率时序，而缓冲区需要足够空间来存储接收的数据，并确保接收机在播出视频图像时将延时过长的数据包存储起来。显然，这将与系统设计产生矛盾：一方面需要足够的内存缓冲来处理网络延时，而另外一方面过大的内存缓冲区会造成视频播放时更长时间的延迟。

因此，一个固定的缓冲区就一定会有调节网络抖动的一个最大值。无论是缓冲区溢出或者缓冲区被上载都会造成视频图像的暂停或者图像质量的下降。而网络路由器也使用缓冲区来调节，当多路输入的数据流同时到达一个网络节点并需要被传送到同一个输出端口时，这些缓冲区(缓冲队列)必须控制为合适的大小以防止网络堵塞。而网络堵塞往往由于路由器流量过大或者是不同输入端口的连接速率所造成。有些路

由器运用实时测量数据包的方法来实现QoS，这些路由器也会利用缓冲区有意阻止一些数据包而实现QoS 数据包传输规范。但如果缓冲区溢出，这些数据包就会丢失，或者是电器的噪音造成数据包毁坏而导致数据包丢失。以上不难看到，只要很小的丢包率就会导致视频数据的严重错损。

包延迟的变化和丢包率是决定网络能否传送高质量视频的关键，而这些关键特性可以组成MDI测量参数。MDI可以用于对IP网络视频传输质量的评估，还可以用于网络负载或者配置原因造成网络性能恶化的故障诊断。

在一段时间内捕捉、显示和记录MLR的最大值就可以了解这一段时间内出现的最大网络误差。缓冲区溢出造成数据丢包现象可以表明网络阻塞的状况，或者是由于电器噪音干扰所造成的间歇性错误，在这种情况下MLR值会不断地跳变。如果MLR保持一个固定值但网络负载却不高，则表明服务器或者是信号源出现了问题。

3MDI的作用

MDI可以用于安装、调试或者评估一个视频网络的质量，具体作用包括以下内容：

通过测量MLR可以确认、定位并跟踪网络的丢包状况。

使用DF参数可以确认、定位并且跟踪网络的抖动情况。

实时监测DF和MLR参数并设定域值可以实时报告网络服务器故障、网络配置问题或者通讯错误等问题，域值的设定需要根据网络中服务器设备、解码设备以及对网络质量的不同要求来具体设定。另外，其他的测量手段除了MDI指标外，在进行网络监测、故障诊断和系统配置时还需要一些其他的测量参数。

通过全面跟踪瞬间、最大、最小的NU(网络利用率)就能够检验网络是否有足够的带宽传输视频流。网络设备的NU值过高说明网络中队列阻塞的情况，DF 值则是给出了一个已知数据流的网络拥堵情况。

通过测量IFR(瞬间流动率、瞬间带宽)可以发现网络传输质量变化的过程。

AR(平均带宽)的测试可以反映在一段测试时间内网络传输带宽是否和设定的带宽相同。AR是一段时间内IFR的平均值。

SU(流利用率)按百分比的方式来显示有多少可用的网络带宽用于视频流的传输。

总结

姜堰广电的IP化数字电视前端监控系统依据江苏有线网络整体技术体系，实现了整个系统的设备采购、软件开发和系统集成。该工程于2010年1月31日基本完成设备、软件的安装调试，进入试运行阶段。IP

化数字电视前端监控系统可以通过对信号传输层与码流层的参数监测，实现对江苏广电IP数字电视信源，以及姜堰市本地播出的数字电视信号进行实时监测，在出现异常监测结果时能够判断干扰类型并及时报警。IP化数字电视前端监控系统成为姜堰市数字电视整体平移安全播出工作强有力的辅助手段。