摘要：本文就有线数字电视前端各个环节的安全播出进行详细的讨论，对有线数字电视的安全播出有一定的借鉴作用。

    关键词：数字电视，安全播出，业务信息，时间同步，监测

    1．前言

    随着有线数字电视整体转换的稳步推进，有线模拟节目将逐步减少到六套，有线电视已由原来的模拟播出、模拟传输逐步向数字播出、数字传输转变，原来适应模拟前端安全播出的技术体系面临着新的课题和挑战。本文结合广州市电视台、广州市广播电视网络有限公司在有线数字电视前端建设的经验，对此进行初步的探讨。

    2．数字电视前端和模拟前端的技术特点

    模拟前端是一个“线性”系统，只要接线正确，电平幅度正常，信号就能正常传输，用户就能正常收看。数字电视前端则不同,相对于模拟电视前端，它具有以下四个突出特点：

    （1）标准多，已公布的DVB和MPEG2标准将近一百个，基础和常用标准也有三十多个。

    （2）设备种类多，省会以上城市的数字电视前端，一般都会有近二十个子系统，近百种不同的前端设备。

    （3）软件支撑系统复杂，不同的前端设备往往会采用不同的软件平台和技术，如windows、linux操作系统；SQL、Oracle和XML数据库；TCP/IP协议、防火墙和病毒防护等。假定某次数字电视故障是计算机操作系统问题引起的，即使是windows和数据库方面的专家，要在数分钟内使其恢复正常运转也是有相当难度的。

    （4）模数混传，技术人员还必须对原有的模拟电视和系统有相当的了解。另外，数字电视前端系统和设备的技术资料基本上都是英文，通读和正确理解这些资料需要较长时间，而且标准还在不断变化，设备也在不断增加，需要系统工程师具备相当扎实的基础和跨专业的知识，而国内目前这方面的人才数量还难以满足广电业务快速发展的需要。

    因此，前端系统的保障需要不同专业的技术人才紧密配合，取长补短，才能共同完成系统的建设和维护。整个技术体系已经由传统的“榜样的力量是无穷的”转变为要靠集体的力量，要靠系统建设的前瞻性、稳定性和安全性来保证。

    3．数字电视前端的安全播出保障建设

    3.1系统安全播出的重要原则

    在搭建数字电视前端时，广州有线就从播出安全的角度确定了一些重要原则：

    （1）系统故障恢复以“硬件备份恢复为主，故障设备离线修复为辅”的方式。不把系统的修复仅仅寄托在高水平技术人员的身上。鉴于系统的复杂性，系统中的核心设备、唯一设备、易发故障设备一定要有双备份。根据备份等级和设备特点，分别确定是系统备份、板卡备份、端口备份还是线路备份方式。

    （2）在系统设计阶段就结合系统和设备特点，着手制定周密的应急预案。对每个环节设备故障引发的故障面、故障修复时间、人员技术水平需求等要素做全面细致分析，对系统方案进行反复的优化和评估，尽可能地减少系统中的单点故障点和技术隐患，将故障时间控制在允许和可控制的范围。

    3.2保障安全播出的备份方式

    根据上述原则，确定了各种设备的备份方式，如图1所示。电源的备份是系统安全的重要保障，机架均为A、B双路UPS供电。主备系统分别采用不同的UPS电源，主系统的所有设备均需采用同一路UPS供电，备用系统也一样。对于在主备系统中均需同时使用的设备，如矩阵、切换器、网管电脑等均配备双模块电源。确实无法自动备份的设备，采取负载均衡方式合理安排布局，防止机架单路电源故障导致大面积信号中断。

    （8）系统中的各种服务器均为专业系统，无法安装防病毒软件，网络安全问题尤为突出，为此对系统中IP网络进行了合理规划，安装了硬件防火墙，各子系统在物理上隔离，确保相互独立，将病毒对系统可能的影响控制在最小范围，避免造成连锁反应。

    同时，为了降低前端故障处理的难度，保证节目的视频质量，决定对于来自卫星、SDH的外来码流，尽量维持原有的码流结构，仅对其作SI/PSI参数的调整和配置，不进行解码和二次编码，不调整MPEG2层面的码流结构和码率。重要信号的码流，采取整个MPTS码流转发的方式，如中央台的两个MPTS码流、南方台的MPTS码流。这样，降低了系统复杂性，信号流程清晰明了，有利于和上游的节目供应商进行技术协调工作，有利于分清各自的责任，易于系统管理员分析和定位故障。

    在前端系统建设过程中，除了依靠自己和厂家的技术人员不断进行优化设计，广州有线还邀请了国内的一些专家对系统进行了详细评审，集思广益，从不同角度保证系统的可靠性和安全性。

    4．业务信息（SI）播发安全规划

    业务信息（SI）服务器的主要任务是生成数字电视系统所需的业务信息（SI）。如果业务信息（SI）中断，所有的机顶盒将无法正常搜索和收看节目，相当于全网中断的播出事故。因此，业务信息（SI）播发的稳定性和准确性是衡量数字前端系统的重要指标之一。

    4.1业务信息（SI）播发的机制

    现在的系统一般都包括广播电视、NVOD(准视频点播)、数据广播这几种业务，一般而言，广播电视节目的业务信息（SI）都是由业务信息（SI）服务器产生的，而NVOD的视频服务和数据广播的打包机也会产生本身系统的业务信息（SI）。从规范和长远的角度考虑，所有业务采用统一的业务信息（SI）发生器最能保证系统业务信息（SI）的准确性和一致性。但在实际工作中，三个子系统一般是由不同供货商提供的，大家对业务信息（SI）的理解和配置方法并不完全相同，协调难度较大，系统集成时间长。加上数据广播、NVOD业务的发展时间不长，业务形态不确定，业务信息（SI）的调整和更新较为频繁。因此，我们采取了以下业务信息（SI）播发机制：

    采用以上折衷方式，既实现了对所有业务信息（SI）的统一规划和引导，又将广播电视的基本业务和增值业务有效分离。当NVOD和数据广播业务信息（SI）更新或出现播发故障时，都不会影响到广播电视业务信息（SI）的正常播发，不会对广播电视业务的正常运行产生任何影响，反之亦然，这有利于系统的稳定运行，安全播出得到了有效保障。

    4.2业务信息的带宽分配

    随着数字前端的业务和节目的不断增加，业务信息（SI）对带宽的需求也会同步增加，在带宽分配上，需同时兼顾节目和业务信息（SI）对带宽的要求，不能单纯追求每频点节目传送的数量，要为未来数年业务信息（SI）的增加预留足够的带宽。

    根据DVB标准，在符号率为6.875Mbaud时，每个频点的最大带宽=6.875*6=41.25Mbps；除去纠错保护字节实际有效带宽约为38Mbps。根据经验，视频节目在4.5Mbps以上时，节目质量才比较有保障，按5Mbps规划，每个频点传六套节目，共需30Mbps。广州节目规划目标为200套，一周的节目表和节目简介对带宽需求较大，SI分配1－2Mbps带宽；广州目前用户已经有一百万，需按两百万考虑，ECM和EMM分配1－2Mbps带宽；同密情况下分配2－4Mbps带宽。这样规划，既保证了视频节目的基本质量，又保证了机顶盒能快速接收到业务信息（SI），每个频点的带宽还留有2－4Mbps左右的带宽余量，当节目码率增加或CAEMM带宽增加时，只需对系统进行简单调整，有效地保证了安全播出。

    5．系统的时间同步

    在广播电视发展史上，中央台的报时信号曾经对社会生活产生了不可估量的积极作用。数字电视时代，这一影响依然存在。如果各电视台之间的时间如果不同步，就无法充分发挥电子节目指南(EPG)的作用。如果电视节目码流和NVOD码流的时间不一致，节目预约功能就不能实现，机顶盒就会出现异常状态。数字前端各子系统内部的时间不同步，不仅会增加日常故障分析的难度，严重的还会影响到节目的安全播出。

    广州数字前端有SDH网、业务信息（SI）系统、CA系统、用户管理系统、复用加扰系统、NVOD系统、VOD系统、数据广播系统等，总共有约16个子系统需要定时同步信号。鉴于IP网络安全的特殊性和复杂行，每个子系统均设置一个单独的NTP时间源，各子系统之间不发生物理上的连接，以确保网络安全。

    传统的定时方法如图二所示：

    图2中的时码分配器可提供多路RS232接口方式的定时信号，在校时服务器上安装专用的定时软件获得标准时间，子系统内的服务器采用NTP网络校时方式与校时服务器同步。由于数字前端不少系统属专业系统，如CA、网管等，不能安装未经兼容性测试的软件，需使用专用的时间同步服务器。因此，这一方案实际上仍属计算机方式的软件定时方案，设备数量多，维护不便，耗电量大，可靠性低。

    经过分析，可以知道对定时要求最高的几个子系统依次为SDH网、业务信息（SI）系统、CA系统、NVOD系统，其中定时要求最高的是SDH，因此决定以SDH网定时供给系统（BITS）为核心的时间同步方案：

    （1）系统同时配备GPS和铷钟，时间精度可达纳秒级；

    （2）可向SDH网输出2M标准的BITS信号，作为广州城域SDH网的同步

    信号；

    （3）配备20路独立的时间同步输出，物理接口为RJ45，可同时向20个子系统提供时间同步信号。

    上述方案，标准统一规范，已在电信网广泛使用多年。为纯硬件方式，设备可靠性高，维护简单，设备的总造价也低于传统定时方式。如果扩展为全电视台的时间同步系统，性价比则更为突出。

    6．数字电视前端系统的监测

    6.1监测的层次

    一个完善的数字前端，除了系统本身的可靠性，必要的监测手段也是不可少。

    系统的监测分为两个层次：

    （1）码流分析：侧重点是码流深度分析，需完成MPEG2和DVB标准各个层次的分析，甚至要求精确到BIT位，以便在必要时候按照标准和规范对码流进行逐位分析以定位和解决问题，保障前端系统的标准性和开放性。

    （2）传输流监测：重点是系统的安全播出，要求做到快速反应，快速定位故障点，缩短系统和设备的修复时间。

    6.2监测的难点

    对于多数前端系统而言，码流分析这一层次较易达到，而传输流监测则存在较多的困难：

    （1）监测点非常多：卫星机、编码器、复用器、加扰器、适配器、调制器从理论上都需要监测，对于广州有线的前端系统总共有约300个监测点；

    （2）信号格式多样化：可分为ASI透明信号、ASI加密信号；还可分为ASI、QPSK、QAM信号；

    6.3监测的分类

    如果按上述情况配置，前端系统在传输流监测上的投入将不少于2000万，成本较高。因此有必要对监测点进行了细分归类：

    （1）复用器是整个前端系统中最复杂和最关键的，对复用器输出的透明ASI信号均需实时监测，可监测到视音频信号丢失，识别卫星机和编码器设备引起的节目源故障；有完整的业务信息（除CAT外），可判别业务信息（SI）是否正常；结合复用器网管，可及时发现和定位故障范围。

    （2）信号加密后，传输流监测仅能分析业务信息，监测加扰器输出意义不大；

    （3）QAM信号也是加密信号，无法监测视频，但可证明数字电视信号进行了有效传输。QAM信号监测，虽然价格是ASI码流监测两倍以上，但无须增加外加设备就可自动轮询，每个频点需30秒左右时间。综合考虑安全播出和成本，可对中央、省、市一套的QAM信号实时监测，其他QAM信号采用轮询方式。

    采用上述方案，结合屏幕墙监视，整个数字前端的管理和监测手段达到了一个较高水平，有利于安全播出工作的顺利进行。

    7．信号备份与业务信息(SI)规划

    在模拟前端系统中，只要同样是复合视频信号，就可以实现信号的备份和垫播。在数字电视系统中，主、备信号的参数必须完全一致，信号的备份和垫播才能顺利进行。

    众所周知，中央电视台的SDH信号和卫星信号的参数是完全一致的，因此，在各省的有线前端非常容易实现中央台信号的自动备份。经过省平台后，中央台的节目参数往往会有所变化，如表一所示。这样，地级市所接收到的中央台卫星信号和来自于省的中央台信号相关技术参数并不相同，一旦省骨干的光纤SDH网故障，卫星备份信号将无法使用在数字电视平台使用。

    目前，为保障信号传输的安全，各地正在进行数字微波改造，作为光纤SDH网的备份传输通道。但在不少实际系统中，通过微波传送的数字电视信号参数与光纤SDH中的也不同，只能实现模拟电视的备份，并未实现数字电视信号的备份传送。

    由此可见，数字电视的信号备份，除了设备和传输通道的备份，最重要的是PSI/SI的统一规划。要做到这一点，涉及到中央、省、市、县前端，涉及到光纤SDH、卫星、微波不同的传输方式，涉及到国内外不同厂家的设备，涉及到终端用户的正常接收，牵涉面非常广，涉及的技术细节也较复杂，是今后安全播出有待解决的一个重要技术课题。

    8．容灾系统的建立

    数字电视系统由于节目和新业务的增加经常需要进行一些调整，主要工作是对系统参数进行重新配置，在这种情况下，即使是冗余备份系统，由于系统处于调整中，网管在逻辑上将处于“思维停顿”状态，难以确定自动倒换的原则，常规的备份手段难以充分发挥作用。万一参数配置错误，引起系统级的瘫痪，需要重写系统的所有参数，系统的恢复时间将可能很长。同时，由于数字电视前端系统需要和CA、用户管理系统、广电总局监管平台、EPG信息提供商相连，相当于和全国广电行业的数万台业务受理电脑连在了一起，网络安全工作十分重要。即使已经采用了防火墙和完善的防护体系，整个系统中依然可能出现因某台电脑受到病毒或黑客攻击造成核心网管瘫痪，导致数字电视节目长时间停播的风险。其次，不少地方都采用了CA同密，任一CA系统故障都会导致大量的用户收视中断，也属于事实上的播出中断。

    在数字电视前端系统中，由于要实现设备自动备份和信号分配，就必然和模拟前端系统一样存在单点故障点，如系统中的切换矩阵、二选一切换器、ASI放大分配（见参图一）。

    因此，广州数字前端除采取冗余备份外，还建设了一套“透明流容灾系统”，它不需要连接CA、用户管理系统、EPG信息提供商，和外网没有任何联系，黑客和病毒无法攻击，完全自成体系，不存在单点故障，可以确保在上述三种情况下快速投入使用，整个前端系统的健壮性和可靠性有了更好的保障。

    9．测试实验室的建立

    在数字电视的实际运营中，会出现一些意想不到的情况，最直接的表现往往是在机顶盒上呈现出来的，我们曾经碰到的有：

    （1）节目搜索，70套节目时搜索正常，100套节目时无法搜索到所有节目；

    （2）EPG接收，前端播发70节目一周的节目信息时正常，播发94套节目一周的节目信息机顶盒死机；

    （3）NVOD，修改NVOD时移节目数量会导致机顶盒搜不到NVOD节目；

    （4）股票加密后不能解密收看；

    （5）马赛克业务可以识别1－11个画面，不能识别20个画面和嵌套；

    上述情况出现时，往往是软件版本相同的所有机顶盒都会出现，对用户而言实际上也相当于播出中断，属于广义上的播出安全。这一方面是机顶盒的软件设计不合理或容错能力不强造成的，需要机顶盒厂家加强软件的测试和质量控制。另一方面也与前端系统的架构密切相关，为保证新业务和新设备的可靠运转，应建立一个同前端系统架构完全相同的测试平台，模拟实际网络可能发生的各种情况，对前端设备和机顶盒进行容错兼容测试。所有设备的软件升级和新业务需在测试平台测试正常后才转到正式平台运行。广州有线根据机顶盒厂家在研发中碰到的问题，在实验室生成了数十个专用的测试码流，对机顶盒进行了针对性的协议适应性测试，使机顶盒开发工作得以顺利进行，保障了机顶盒的安全和可靠使用，减轻了前端系统调整的压力，从终端的角度保证了安全播出。

    10．总结

    安全播出是电视台和网络传输的生命，数字电视前端安全播出的复杂性远远超过模拟前端，各级广电部门现有的技术管理面临前所未有的严峻挑战。广州有线在七年多来的有线数字电视工作中对此进行了多角度、多方位的探索，取得一些宝贵的经验，为今后的业务发展奠定了良好的基础。广电总局在二〇〇三年就明确提出了建立有线数字电视技术新体系的要求，这具有相当的前瞻性和紧迫性，是今后安全播出的重点研究方向。