有线电视前端信源IP化系统设计与实现

和挺 杨金光 赵宇

（北京歌华有线电视网络股份有限公司）

摘要：本文论述了在三网融合大背景下，有线电视运营商为应对新形势发展的要求，对有线电视总前端进行IP化改造的设计思路和实施方案。介绍了基于ASI信号的有线电视前端系统结构和存在缺陷，阐述了在不影响现有系统安全运行的条件下，对前端系统进行局部IP化改造的可行性。重点论述歌华有线电视总前端针对信号源进行IP化处理的设计思路与实施方案。利用选取的网元设备及配置方案来保证系统安全播出的可靠性，在满足公司对发展新业务要求的同时，实现了新旧平台同时在线运行，并为将来实现新旧平台在有线电视前端中的平滑过渡打下坚实基础。关键词：UDP/IPASI电视前端三网融合 1.引言有线电视网络在我国经过了十几年的发展。目前，传统的基于ASI（Asynchronous Serial Interface，异步串行接口）接口建设的有线电视平台技术已经成熟。然而，随着近年三网融合的快速发展，传统有线电视运营商面临着来自电信运营商和互联网运营商的巨大竞争压力。面对挑战，有线电视运营商积极拓展新的业务增长点，例如互动电视业务、视频点播业务、时移电视业务和宽带业务等。随着这些业务的展开，基于ASI接口架构的传统有线电视前端逐渐暴露出系统结构复杂，信号调度不灵活，扩容困难等问题。为应对挑战，满足业务发展需要，需要建设以IP（Internet Protocol，网络互连协议）架构为核心的有线电视总前端平台。IP化的有线电视前端系统不管是码率修整、备份方案、信号切换、码流重组，都可以实现灵活的调度和配置，并且技术趋于成熟，是未来有线电视前端发展的必然选择^[1-4]。 2.传统有线系统架构有线电视总前端系统是由信号输入、信号处理、信号输出和系统管理四大部分组成。总前端系统通过对采集到的信号进行码率调整，复用加扰等处理，最终将信号进行射频调制并送入下级分配网络^[5]。 2.1 歌华有线电视总前端系统架构歌华有线总前端系统可以分为信源接收，信源处理和调制输出三大系统。信号源主要来自三个方面：卫星信号、本地节目信号源和国干网下传的节目信号源。节目源可分为标清节目和高清节目，视频编码格式大多为MPEG-2，少量高清节目使用H.264编码方式。信源接收系统输出的均为ASI接口的信号（格式为TS流）。在信源处理环节，需要对各码流进行预复用、码率调整、码流调度，再复用和加扰等处理环节。处理过程中各设备间信号均使用ASI接口线缆进行传输。 2.2 传统有线电视前端存在问题首先，传统的基于ASI接口架构有线电视前端系统设备功能单一，业务扩展能力差。系统中需要ASI码流分配器，ASI节目调度矩阵，ASI切换矩阵等设备，使得系统设备数量庞大，设备间连线复杂。其次，高清电视节目的大量推出使得传输带宽资源变得更加紧张，增加了前端系统的运载负荷，给设备稳定运行带来隐患。第三，公司相继推出了以歌华飞视、时移回看、视频点播VOD为代表的新业务，这些新业务的上线也对现有前端系统信源处理能力提出了严峻挑战。 3.基于IP的有线电视前端系统设计3.1 总体设计方案为了解决上节所述问题，就需要对前端系统接收的信号源进行IP化改造，这是有线电视前端进行整体IP化的前提和基础。系统设计要考虑到现有系统结构，以及未来扩容需要，同时还要保证在系统改造过程中不对安全播出造成影响。图1为信源IP化系统的设计简图

图1信源IP化系统的设计简图

信源IP系统直接与信源接收系统输出的ASI接口信号相连，保证信号源质量与原有系统一直。这些信号经IP打包器之后，形成千兆IP组播，送入第一级交换机。由交换机进行主备选择，并将信号分发至后级转码设备。转码器将所有标清和高清节目进行H.264编码转换。转码器可以将信号以ASI接口格式和IP组播格式分别输出。ASI接口输出后与原有系统相连，进入后级复用加扰环节；IP组播输出则进入第二级交换机。第二级交换完成主备信号选择后将信号送入第三级交换机，由后者进行最终的业务下发。同时在第三级交换机上配置独立端口将各级输出信号送入监测系统。 3.2 信源IP打包打包器负责将ASI接口的MPTS节目信号转换为SPTS的IP组播信号。系统配置多台打包设备，分主备两组。IP打包器选取的信号源均来自第一级切换器输出，对于没有切换设备的信源则将主备路信源同时输入进IP打包器，由打包器进行主备信源节目级自动切换。IP打包器输出为千兆光信号，并且配置输出主备冗余，由后级交换机进行主备选择。 3.3 H.264转码根据后级具体业务需要，以及为高清电视传输预留带宽，需要对标清和高清电视节目进行H.264转码，将其MPEG-2格式的IP信号转换为H.264编码格式的IP信号，供低码率业务应用。同时，考虑现有基于ASI接口架构的总前端播出系统，对于新增高清电视节目，入网时利用转码器的ASI接口输出H.264编码格式的高清节目信号，这样可以做到无缝匹配原有播出系统。 3.4IP组播信号分发IP组播信号分发主要由三级交换机承担，他们对前级设备输出的信号进行主备选择，并为下级设备进行信号分发。每级交换均配置主备两台设备，在信号分发时也配置主备链路的冗余备份，主备链路切换则由后级设备负责。第三级交换机负责将MEPG-2格式和H.264格式信号送入后级各业务子系统的视频服务器中，后级系统根据需要提取不同格式的信号。同时，第三级交换机也为监视系统提供打包后和转码后，两个环节的IP组播信号。 4.基于IP的有线电视前端实施方案4.1 IP打包器设备选择及配置方案IP打包器选用思科的DCM设备，该设备运行稳定且功能强大。DCM具有4个输入/输出板卡槽位，每台设备配置3块ASI接口板卡和1块Gbe千兆接口板卡。每块ASI接口板卡拥有10路ASI端口，每个端口支持213Mbps的数据传输速率，端口输入/输出可由用户定义。Gbe千兆接口板卡拥有4个双向Gbe端口，吞吐量为2Gbps。4个端口可相互独立，也可分为两组互为主备，DCM可根据端口状态自动进行主备切换。总前端机房配置4台DCM打包器，完成所有广播电视信号的IP打包。4台打包器分为两组，每组配置主备两台。打包时配置每套标清节目带宽为8Mbps,高清节目为25Mbps。后级与第一级交换机相连。 4.2 交换机设备选择及配置方案第一和第二级交换机选用华为9306交换机，用于分发打包后和转码后的IP信号；第三级则选用华为9303交换机，用于给下级各子业务系统提供组播信号。各级交换输入端口处开启链路保护措施（Smart-link保护策略），可实现在光链路中断或者光模块损坏的情况下自动倒换至备路输入，保证后面信号正常访问。各级交换机输入输出端口间需要配置三层组播路由协议。将输入端口划分VLAN，将输出端口也划分VLAN，每个VLAN中起组播抑制协议，所有UDP组播数据都经过Rendevoze Point转发，各客户端可以按需所取。交换机主备输入端口和主备输出端口分配在不同的业务板卡上，以增强安全性。 4.3 H.264转码器设备选取及配置方案H.264转码器设备选择哈雷Pro-stream 1000和Pro-stream 8000。前者承担标清和高清转码，后者则主要负责高清转码。（1）哈雷Prostream1000系列转码器能完成MPEG-2标清/高清至H.264标清/高清转码，每台可转60套标清或者20套高清，二者可同时放在一台设备中转码，不具有统计复用功能。总前端配置2主2备，每台设备配置两块Gbe千兆板卡，一块用做输入，另一块用做输出。输入信号取自第一级交换机，在转码器本机输入口实现端口级的主备切换。输出端口启用Port-Mirroring，在第二级分发交换机中实现了双链路保护。配置标清节目总码率2.5Mbps，高清节目10Mbps。（2）哈雷Pro-stream 8000系列转码器能完成MPEG-2高清至H.264高清转码，每台最多可转4套高清，并能实现统计复用输出，用于与原有播出系统进行对接，实现高清节目的在线播出。总前端配置3主3备，每台设备配置一块Gbe千兆板卡作为输入，一块ASI板卡作为输出。转码后的ASI接口信号进入原有总前端播信号处理系统，由后级ASI接口设备负责主备信号切换，实现与原有播出系统的无缝连接。配置ASI接口输出总码率38.8Mbps，单套高清节目9Mbps。 4.4 安全播出方案通过上述方案可以看出，在信源IP化系统设计中，所有设备均配置备机以防止设备损坏；各设备输入和输出均有主备两路互为冗余备份，主备路切换由后级设备负责；IP打包器（DCM）和转码器输入端口均配置主备链路保护外，并配置节目一级主备切换。为了进一步达到安全播出的要求，系统在第三级主备两台交换机处配置独立的Gbe千兆端口，将H.264转码后的IP组播接入Tektronix公司的Sentry设备。利用该设备监测每个组播流中的视音频码流，并对视音频质量进行打分评价，将问题码流通过安奈特综合网管上报告警。同时，系统也将上述IP组播接入总前端大屏监测系统，并根据节目重要性有选择的进行上屏监测。值班员可以通过大屏画面实时查看节目播出状态。最后，针对系统中各设备特点撰写了详细的技术文档，以及故障处理流程，保证技术人员可以快速、准确的对故障点进行定位和排除。 5.结论本文介绍了歌华有线信源IP化系统设计与实施方案。新系统将基于ASI接口架构的总前端系统进行局部IP化改造。利用IP打包器将所有广播电视信号进行IP组播打包，实现千兆光信号传输。通过转码器实现对信源的H.264编码变换，压缩传输流码率，为将来传输更多高清电视节目预留了充足带宽。系统通过三级交换机实现对IP组播信号的灵活调度，并为后级各子业务提供多种格式信号选择。本系统目前已经成为总前端播出系统中一个重要的组成部分，承担了为各增值子业务提供可靠信号源以及高清电视节目播出等重要任务。系统充分考虑了总前端播出系统现状，实现了与原有系统的无缝连接。同时，设计了多种安全策略以保证电视节目的安全播出。随着技术的革新，未来的发展趋势将是建立一套全IP化的总前端播出系统。本文所述的信源IP化系统实时方案将为未来改造打下坚实的基础。 参考文献[1] 周冲. 数字电视IP前端系统的构建.有线电视技术，2013；03：18.[2] 郝宇航. 数字电视前端播出系统的分析和比较. 黑龙江科技信息，2013；07：24.[3] 张刚.深入浅出数字电视.北京：电子工业出版社，2007.[4] 卢官明.数字电视原理.北京：机械工业出版社，2009.[5] 范晔. 有线ASI数字前端像IP数字前端的割接实现. 广播与电视技术，2013；01：66 联系方式和挺 联系电话：13911357789 E-MAIL:heting@bgctv.com.cn杨金光 联系电话：13911357673 E-MAIL:yangjinguang@bgctv.com.cn赵宇 联系电话：13311063209 E-MAIL:zhaoyu@bgctv.com.cn 编辑：中国新闻技术工作者联合会