数字电视系统的实时监测

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2002-1-15 /Norberg、TommyJensen
在过去的几年中,采用基于QAM调标准的数字有线广播网已在全球许多地方建立起来。运营商在验证网络服务的质量时,需要一套监测系统对错误进行尽可能快的记录和跟踪。为此,监测系统要能做到:(1)尽快检测到错误并进行记录(最好是在用户察觉到错误之前);(2)用简洁明了的方法将故障的严重性和所影响的服务告知运营商;(3)找出错误的根源,以便尽快纠正。
数字有线网络的组成结构:
图1给出了DVB-C系统的示意图,该系统主要由压缩前端、分配网络和区域前端组成。

中央压缩前端(也称超级前端)的作用是汇集所有的内容,建立起将在DVB-C网络中分配的整套传输流。所汇集的内容主要是传统电视/广播服务、服务信息、交互应用、数据广播及其他成分。
压缩前端产生的信号要由某种分配网络来分配,分配方法有多种,例如通过SDH网络的异步传输模式(ATM)。不管什么方法,其要点是,让信号由A传到B,其间不能引人任何差错,像误码或包抖动。分配网络的稳定性对网络的正确运行至关重要。
在区域前端,来自中央压缩前端的信号被改变,并接受QAM调制。从调制器的射频输出端到客户端实际机顶盒的路径,可能是传输链中最薄弱的环节。
监测对象
以DVB-C有线网为例,数字电视系统在结构上确比模拟广播系统更为复杂,所要监测的参数也更多。主要应关注一些基本的参数。
对系统中的实际设备实施监测是理所当然的——对于不再有响应的编码器,管理系统要立即捕捉。但是,如果所有的设备都报告“运行正常”又如何呢?有可能错误依然存在,需要由测量设备来监测。
所需的测量设备类型取决于你在系统中所处的位置。图2就应用在系统不同部分的测试提出建议。

基本传输流测试
所产生的传输流是否包含了所有信号化的内容?解码器是否能对信号正确解码?
DVB ETR290技术规范(现在也有了新版本)规定了许多需测参数,提供了一套基本的“健康检查”。但在许多情况下还要有附加测试,包括比特率扰乱的检查及服务是否存在的验证。
要在系统多处进行基本传输流测试,特别是在传输流被改动的站点之后。
图像质量测量
图像质量在任何DVB系统中都是非常重要的。视频信号是否被正常地编码而没有任何“马赛克”或其它看得见的错误?为此,在许多运营系统中使用监视墙对解码信号进行人工监管。
更有效的办法可能是使用视频质量分析仪。已经开发出几项技术对视频质量进行客观测量,目前这些方法与感受到的主观质量有很好的一致性。
在中央前端,其它能校验的参数还有“对白同期录音”和“解码器缓存填充”。
条件访问系统的相关问题,在机顶盒中进行扰频加密和切换,可能导致图像消失或劣化。为了检测这些差错,要对系统所用实际机顶盒输出的图像进行监测。
传输测量
监测传输链,对于检测网络中两个节点之间“原始”数据包的传输来说,非常有用。在传输方面,会产生误码、包丢失或抖动等问题,这将对传输流的所有内容产生随机影响。
在MPEG级,典型地会观察到数量巨大的各种错误——图像“马赛克”、包丢失、CRC错误、同步错误,以及最糟糕的情形——根本不同步。
如果传输流的分配采用ATM/SDH网,就应该对来自系统本身的报警进行监测。
如果传输流的分配采用卫星链路,就要对来自接收器端的QPSK解调器的射频参数进行监测。在应用前向纠错(RS码)之前,对误码率实施监测往往很有用。这样,在引入的错误过于严重、以至于纠错无能为力之前,可以及时检测出与传输有关的问题。
射频和调制测量
QAM调制器和射频发送器处理传送链的最后部分,以服务于诸如机顶盒等的接收终端。
发送设备中的错误可以导致信号劣化,增加在解调器中引入的误码率。最终,差错的数量变得很大,以至于前向纠错已无能为力。这便导致接收信号的突然崩溃。
为了检测这些问题,应该在有线网的各个接收站点上设置带有QAM解调器和射频测量效能的传输流监视器。
监测系统总览
前面所述要点在实践中如何操作?答案是,除了监测包含在系统中的现有设备以外,还应该在传输链有需要的地方设置监测设备。
在大型的中央前端,对于编码视频信号,应该使用像“图像质量分析仪”这样的专用设备去捕捉问题。
应该对传输链中的设备进行监管。对于SDH网络,要监测电信设备,以俘获与较低层协议有关的问题。
应该在贯穿系统的合适地方设置具有监测作用的“看门狗”,其性价比高,具有解调能力,能对基本传输流内容进行校验。
在发射场站应该使用传输流监视器,其解调功能和射频测量能力可以对传输信号的劣化做出早期报告。
在数字网络上监测点的数量可能很多。作为一个完整的监测系统,另一个重要性能是收集和展示单个用户界面的所有报警状态。这就需要网络管理系统。
传输流监测特性
运营商需要在DVB-C网的关键位置上设置传输流监视器,其实用特性如下:
报警产生与浏览能力
传输流监视器有三项任务:(1)检测错误,报警发生时给出报告;(2)记录报警以便随后跟踪;(3)为操作者提供一套工具,可在任意时间按命令浏览内容、实施测量。正常运行时,第一项最为重要。无论何时检测到问题,“看门狗”都应能起作用。当运营商接收到报警或疑点时,便要访问监视器,进一步了解情况。随后,要允许运营商浏览传输流,并要有一个工具箱可供远程使用,这点很重要。
记录日志文件对于解决发生在网络运营商和内容提供商之间事关分清错误责任的争议很有帮助。
持续监测与循环法测试
为减少监测系统的花费,建议在大多数情况下采用循环监测的方法。其原则是使用一些外部开关,让监视器在几个流之间循环作用,每隔比如1min,从一个流切换到另一个流,进行测试。
这种方法的优点是减少了分析仪的数量。不过,也有几个不利因素:(1)如果监测10个流,花在每个流上的时间只有10%,就有可能检测不到那些杂散的错误;(2)系统中有价值的记录文件将变得不连续!无法解决网络运营商与内容提供商之间引起的争议;(3)监测系统的复杂性增加了。针对每个流的用户定制必须在每个流之间切换。
最好的方法是对每个传输流实施连续监测。当然,对每个流的监测成本要足够低方可如此。
基本传输流内容测试
测量传输流的内容在传输链的许多环节都非常有用,尤其是在前端被改动时。
DVB ETR290技术规范对应该执行的一整套基本参数作了详尽说明,通常还需要一些附加条件,理由是:(1)一个根本没有服务信号的空PAT传输流可能被视为“良好”。实际上,对于运营商来说,流的内容可能是灾难。(2)某一特殊成分的比特率可能有明显的跌落。但由于ETR290技术规范对比特率无任何限制,有可能监测不到错误。
解决方案是引入基于模板的测试,例如:“如果ID4服务在系统中不再有信号响应,就产生一个报警”。
在许多情况下,比特率的测量都很重要。不同的内容提供商必须在单个传输流上分享带宽的情况下,对于来自内容提供商的信号,合同中一般都规定了最大比特率。对于监测系统来说,记录比特率的超限就非常重要。这个记录对于解决运营商和内容提供商之间的“比特率争议”来说会是有用的。
内部报警记录
报警记录有两种位置:在中央的顶级管理系统和在本地的每个传输流监视器。后者应能在本地记录和存储事件,这将为每一个随时可按命令调用的流提供完整而持续的记录。
通常这两种方法都应使用,这有多方面原因:如果监视器数量过多,朝向顶级系统的通信可能变得非常拥挤。此外,为顶级监管系统提供的简单网络管理协议(SNMP)俘获信息可能丢失,这会产生一个不完整的记录。
射频与调制测量
为在现场测量验证发射机运作是否正常,这一点十分重要。ETR290技术规范指定了一套针对传输的测量。在DVB-C系统中,对于生成报警来说,可能最重要的参数是误码率(BER)。
BER参数应该被持续监测,并能设置生成报警的阈值。这将使运营商了解信号“离崩溃还有多远”。
监测阈值的适应性
没有两个传输流是等同的;而如果启动所有测试,通常总会生成某种报警。在鉴定一套新系统时,可以报告这些错误。但在实际的系统中,应该使用其它阈值。
传输流监测设备应当是对于特定的流可配置的,以便“量体裁衣”。另一种情形是桌面重复率:如果PMT重复率只有ETR290设定值的一半,解码器将不予理睬。
一个很常见的问题是“在特定的重影PID问题上的包丢失”。对于系统中的一些PID有时可能出现包丢失。包丢失对于视频PID来说往往很严重。
对于一个特定的测试,需要PID级的屏蔽。视频PID的包丢失将维持被报告,而私人数据PID问题将被忽略。
针对每个传输流按用户需求订制,其工作量可能很大。因此,对于设备来说,提供完整的调用和下载配置方法十分有用。在设备改变或在传输流之间切换的情形下,操作者可以容易地快速恢复先前的配置。
用户界面
一方面要检测传输流的异常情况;另一方面要将问题向用户表述准确。
假设一个信息单元在传输流中突然丢失,指出错误可有多种方式。一种方法是在ETR290测试中使用常见的“正常/出错”显示,但此时我们无法判断什么服务受到影响。
另一种办法是将其与服务相关联。图3显示可能出现的画面。
使用后一种方法,操作者能立即看到哪一个服务受到包丢失问题的影响。通过扩展一棵“报警树”,操作者能够“近镜头”观察到问题内部,看到是PID 257(PMT PID)代表了所选出服务遭受包丢失。
远程控制
对于传输流监视器来说,远程访问功能往往很关键,因为监测设备可能要监测很远站点的数据流。
TCP/IP协议是远程控制“既成事实”的标准,监测系统必须支持这一协议。该协议涵盖了光纤网、本地以太网甚至电话拨号网等各种传输媒介。
对于传输流监视器的访问,需要在一个外部终端运行一个客户程序。使用WEB浏览器作为客户终端是很有用的,任何与Modem相连接的PC,都可以通过WEB浏览器与设备进行通讯。
当监测多个设备时,需要一个外部管理系统。在这种情况下,可以用SNMP报告来自设备的报警。
远程内容提取
设想这样一种情形:一个安静的夜晚,在网络运营中心,系统报告一切正常,没有错误。突然收到某个区域电视观众的几个电话,投诉在接收DVB-C信号时“没有图像”或其它问题。在此情况下,运营商能够接收区域信号来检查“解码能力”并实施其它的诊断,这是一个很有创意的特征。监测设备能够在此情况下提取内容,并把它通过一个TCP/IP网络传回运营中心,如图4所示。

如果TCP/IP网络带宽允许,可以传送“原始数据”。
如果使用的是一条低带宽链路,则必须将视频内容转换为一个适当的格式。例如,从视频流中提取一些小块的图像,并有规律地发回,以验证是否可以对视频图像正常解码。
顶级监管系统
监测点的数量很大时,通常要使用一个顶级监管系统收集所有报警。如图5。

基本特征
图5所示系统既可监测传输流监视器,也可以监测传输链上的其它设备。总是使用SNMP作为状态轮检和报警记录的协议。
顶级监管系统应该有助于操作者快速找到出错的位置。一旦接收到报警,系统应能发送信息到传呼机、E-mail信箱和移动电话。对报警作出记录,以便事后调用,这是另一个本质特性。
报警的相关性
大型监测系统所面临的一个挑战是,如何做到让一个错误只产生一定次数的报警?否则,一个重要事件可能会被其它不太重要的报警所掩盖。
因此,每台设备应具备基本的智能,应免去各环节不重要的检查,以免产生不必要的报警;顶级系统应与报警相关联。
在一个传输链中,当一个信号在几个点受到监测时,可根据需要做出一个方案。如果在传输链的前部有一个传输环节中断,其后所有监视器都将报告错误。
在此情形下,顶级监理系统应与报警相关联,以便找出问题的起源。其它报警应被理解为第一个报警的后果。
结论
DVB-C有线网通常只在压缩前端需要图像质量分析仪和其它专用设备。至于网络中的其它位置,需要的是灵活、高性价比的传输流监视器。其重要特性是:(1)支持有线网信号质量监测的射频测量;(2)可配置性;(3)支持根据ETR290标准的基本的传输流监测;(4)报警记录;(5)用户操作界面友好;(6)TCP/IP远程控制。
此外,传输流监视器应能与一个顶级网络监管系统通信,该监管系统除了能收集传输链上其它设备的报警外,还能收集来自大量监测设备的报警。该顶级系统应能对众多的监测设备进行管理,并能将网络图形化地呈现在用户界面上。
把注意集中在重要参数上,运营商就能够掌握其网络的服务质量