徐洪亮，張文軍，管云峰，何大治，史夢蕾

（1.數(shù)字電視國家工程研究中心，上海 200240；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

下一代數(shù)字電視廣播IP封裝與傳輸技術(shù)研究

徐洪亮1,2，張文軍1,2，管云峰1,2，何大治1,2，史夢蕾1,2

（1.數(shù)字電視國家工程研究中心，上海 200240；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

研究了下一代數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)中輸入格式處理技術(shù)，重點關(guān)注擴展輸入格式、提高封裝效率、增強傳輸功能三個方面。提出了一種因特網(wǎng)協(xié)議（IP）數(shù)據(jù)包的直接封裝與傳輸方法，還提出了一種具有更高封裝效率的包頭壓縮方法。理論分析與仿真表明，在傳輸IP數(shù)據(jù)包時，新方案提出的直接封裝方案能夠提高傳輸效率約2%，提出的IP數(shù)據(jù)包包頭壓縮方法能夠提高封裝效率0.3%～1.3%。

輸入格式處理；因特網(wǎng)協(xié)議；包頭壓縮

在第一代數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)成功應(yīng)用基礎(chǔ)之上，第二代數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)的制定也在全球范圍內(nèi)先后啟動。2008年6月DVB組織率先公布了DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)；2013年美國ATSC組織啟動了ATSC3.0標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。在這些已制定或正在制定的標(biāo)準(zhǔn)中，除進一步提高傳輸效率、改善接收質(zhì)量外，增強廣播系統(tǒng)功能，特別是多媒體傳輸與呈現(xiàn)及互動功能成為工作重點之一。基于IP的電視廣播傳輸技術(shù)在技術(shù)層面能夠支持多樣化的內(nèi)容傳輸，在業(yè)務(wù)層面有助于實現(xiàn)多屏互動，也是實現(xiàn)三網(wǎng)融合的重要舉措。一些新的音視頻編解碼及傳輸方案也已經(jīng)充分考慮了這一趨勢，給出了基于IP傳輸?shù)姆桨?，包括MPEG-DASH、MMT等。

為滿足這一需要，基于IP的多媒體數(shù)據(jù)封裝與傳輸逐步成為廣播新標(biāo)準(zhǔn)的主要傳輸協(xié)議。正處于標(biāo)準(zhǔn)制定階段的ATSC3.0廣播標(biāo)準(zhǔn)已確認(rèn)選擇IP作為物理層的主要傳輸格式。作為物理層與上層協(xié)議的接口，IP數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過輸入格式處理子系統(tǒng)封裝為符合要求的基帶幀才能進行傳輸。針對廣播系統(tǒng)IP化這一新趨勢，文章研究并提出了一種IP數(shù)據(jù)封裝傳輸?shù)男路椒ǎ軌蚣骖櫡庋b效率、強健性與功能性等多方面因素。文章還研究并提出了一種具有高壓縮效率、適用于無線廣播系統(tǒng)的IP包頭壓縮算法。

1 輸入格式處理子系統(tǒng)

1.1 簡介

輸入格式處理子系統(tǒng)是物理層與上層協(xié)議間的接口，其主要功能是處理待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，根據(jù)物理層傳輸參數(shù)以及用戶的配置，將輸入數(shù)據(jù)包封裝為可傳輸?shù)幕鶐?。每個物理層管道都配置有一個輸入格式處理子系統(tǒng)獨立工作。輸入格式處理子系統(tǒng)內(nèi)部又主要包括模式適配和流適配兩部分，前者用于適應(yīng)不同格式的輸入數(shù)據(jù)流，并插入所需的傳輸功能字段；后者則受物理層調(diào)度子系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)幀同步、延時補償及帶內(nèi)信令插入等功能。物理層整體結(jié)構(gòu)與輸入格式處理子系統(tǒng)框架分別如圖1、圖2所示。

1.2 基帶幀結(jié)構(gòu)

基帶幀是輸入數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)處理和封裝輸入數(shù)據(jù)后所得到的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。封裝得到的基帶幀還需進行BCH和LDPC編碼，因此在確定調(diào)制編碼參數(shù)之后，基帶幀的幀長是固定的。

圖1 物理層框圖

圖2 輸入格式處理子系統(tǒng)框圖

一個基帶幀由幀頭、數(shù)據(jù)域和可選的填零及帶內(nèi)信令構(gòu)成。幀頭主要用于承載解析當(dāng)前基帶幀所需的關(guān)鍵參數(shù)，包括數(shù)據(jù)類型、通道信息、數(shù)據(jù)域起始與長度信息、傳輸功能標(biāo)志位等；數(shù)據(jù)域是實際承載待傳輸數(shù)據(jù)的空間，在輸入數(shù)據(jù)包前后插入必要的傳輸功能字段以后，依次填入數(shù)據(jù)域；填零及帶內(nèi)信令區(qū)域用于填充基帶幀內(nèi)未用完的空間，帶內(nèi)信令也通過該區(qū)域進行傳輸。

基帶幀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基帶幀結(jié)構(gòu)

輸入數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)除了實現(xiàn)不同格式輸入數(shù)據(jù)到基帶幀的封裝外，還用于提供傳輸層功能，這些功能包括：二層尋址、流同步（時間標(biāo)記）、TS流空包刪除、CRC校驗等。不同傳輸功能將在數(shù)據(jù)包前后插入相應(yīng)的字段，并在幀頭特定位置標(biāo)記傳輸功能的配置信息。

2 IP數(shù)據(jù)傳輸方案

2.1 間接傳輸方案

第一代數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)使用了MPEG-2傳輸流（TS）作為主要的多媒體內(nèi)容傳輸協(xié)議。為了使用第一代標(biāo)準(zhǔn)傳輸因特網(wǎng)協(xié)議（IP）數(shù)據(jù)包，各標(biāo)準(zhǔn)組織與專家組制定了若干基于TS流的擴展協(xié)議。

國際電聯(lián)無線電通信部電視廣播業(yè)務(wù)第1887號建議書[1]中，總結(jié)了兩種使用傳輸流來承載IP包的方法：將IP包封裝為TS專用流（ULE/TS），和將IP包封裝為TS的一段。

前者由IETF組織提出并標(biāo)準(zhǔn)化[2]，其具體方法是首先在一個IP包前后增加封裝字頭和校驗字段以形成子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元（SNDU），然后把SNDU數(shù)據(jù)包分割后作為負(fù)載依次填入每個TS包中。

后者則是將IP包封裝為TS流的一段并使用標(biāo)準(zhǔn)的TS協(xié)議傳輸，其中將IP包封裝為TS流的一段時即可使用由ATSC組織提出的多媒體協(xié)議封裝方法[3-4]，也可使用由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ETSI）提出的多協(xié)議封裝方法（MPE/TS）[5]。

無論使用上述哪一種方案，都存在封裝效率低、容錯能力弱等不足。一個IP包在進行傳輸時，需要經(jīng)過“IP包-SNDU（或DSM-CC或ULE）-TS-基帶幀”多次封裝，每次封裝都引入額外的協(xié)議開銷，降低了總體效率；TS包的長度為固定的188 byte，而IP包長度通常數(shù)倍于此，需要將一個IP包封裝為多個TS包傳輸，傳輸過程更為脆弱，誤碼與丟包造成的影響更大；此外，多次封裝使得協(xié)議棧過于復(fù)雜，導(dǎo)致物理層在傳輸時難以了解與分析所承載的數(shù)據(jù)內(nèi)容及特性，無法在物理層內(nèi)實現(xiàn)包頭壓縮、尋址等一些重要功能，也不支持跨協(xié)議層功能與設(shè)計。

DVB-T2物理層標(biāo)準(zhǔn)中增加了一種新的輸入格式：通用流封裝（GSE）[6]。GSE作為一種通用的數(shù)據(jù)格式，可以用于IPv4和IPv6數(shù)據(jù)包的封裝與傳輸。這種方法需要進行“IP包-GSE-基帶幀”兩次封裝，相比借助TS流間接傳輸?shù)姆椒p少了一次封裝、部分降低了協(xié)議開銷。此外GSE協(xié)議本身也有一些有利于物理層傳輸?shù)膬?yōu)點，例如數(shù)據(jù)包長度可變、提供了更完善的傳輸功能等，但是仍然沒有完全解決封裝效率較低、缺少傳輸功能等不足。

由ITU提出的TLV標(biāo)準(zhǔn)是與GSE類似的一種二層封裝協(xié)議[7]，在對IP數(shù)據(jù)包進行間接封裝傳輸時，存在與GSE類似的問題，同時還缺少廣播物理層標(biāo)準(zhǔn)的支持。

2.2 直接傳輸方案

解決上述間接傳輸方案不足的最有效方法是在基帶幀增加對IP數(shù)據(jù)包直接傳輸?shù)闹С?，以消除多次協(xié)議轉(zhuǎn)換與封裝帶來的弊端。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，輸入格式處理子系統(tǒng)需要進行如下改進：在幀頭指示本幀承載的數(shù)據(jù)類型為IP數(shù)據(jù)；在幀頭指示本幀數(shù)據(jù)域內(nèi)起始IP數(shù)據(jù)包的位置；提供分隔相鄰IP數(shù)據(jù)包的機制。該方案能夠同時支持IPv4和IPv6兩種協(xié)議，協(xié)議版本通過IP數(shù)據(jù)包頭中的版本標(biāo)記位識別，不需要在基帶幀幀頭或其他位置另行標(biāo)記。

改進后的基帶幀在進行IP數(shù)據(jù)直接封裝傳輸時，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 IP數(shù)據(jù)包直接封裝示意圖

圖中，IPType為1 bit的標(biāo)志位，用于指示幀內(nèi)數(shù)據(jù)類型是否為IP；起始位置字段SYNCD是長度為2 byte的整數(shù)，用于指示數(shù)據(jù)域頭部到幀內(nèi)第一個完整的IP數(shù)據(jù)包起始位置的距離；包長字段PKL為2 byte的整數(shù)，用于指示其后IP數(shù)據(jù)包的長度。

當(dāng)某個基帶幀數(shù)據(jù)域的剩余空間不足以容納一個完整的IP數(shù)據(jù)包時，超出部分?jǐn)?shù)據(jù)直接放在下一個基帶幀數(shù)據(jù)域進行傳輸。由于IP數(shù)據(jù)包包頭內(nèi)已經(jīng)包含了長度信息，因此也可以不插入PKL包長字段，接收端在解封裝時直接解析IP數(shù)據(jù)包包頭信息，并從中提取出長度信息。

2.3 封裝效率比較

傳輸效率是廣播物理層標(biāo)準(zhǔn)的最重要指標(biāo)之一。在影響傳輸效率的各因素中，輸入數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的封裝效率有直接影響，但同時也有很大的提升空間。

封裝效率的定義是在一定的參數(shù)配置下，所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包（SDU）長度之和與封裝完成后的數(shù)據(jù)包（PDU）長度之和的比值，即

在輸入格式處理子系統(tǒng)中，SDU為IP數(shù)據(jù)包，PDU為封裝完成的基帶幀。

若封裝完成后的數(shù)據(jù)包長度固定，且增加的封裝開銷（Overhead）長度也是固定的，則封裝效率的極限為

若封裝完成后的數(shù)據(jù)包個數(shù)不變，且增加的封裝開銷（Overhead）長度是固定的，則封裝效率極限為

式中：LSDU,LPDU,LOverhead分別為SDU、PDU和封裝開銷的長度。

當(dāng)系統(tǒng)中存在多次封裝時，總體封裝效率為各次封裝效率的乘積為

由此可以歸納得到各封裝方法的效率，如表1所示。

表1 各封裝方法效率比較

上述理論分析只考慮了一些基本情況，當(dāng)使用不同的配置參數(shù)時，協(xié)議開銷字段長度各不相同，效率也隨之變化，表中只列出了最小可能值，實際封裝效率可能存在差異；同時封裝效率也與待封裝的IP數(shù)據(jù)包長度LIP及封裝完成的基帶幀幀長LBBF有關(guān)。對于MPE/TS、ULE/TS及GSE封裝效率的詳盡研究及仿真可參考文獻(xiàn)[8-9]。

若進一步簡化，假設(shè)每個IP數(shù)據(jù)包長度LIP均為1 000 byte，基帶幀幀長LBBF分別取為240 byte和7 000 byte，則從IP到物理層基帶幀全鏈路的綜合封裝效率如表2所示。

表2 綜合封裝效率

表中可以看到，本文提出的IP數(shù)據(jù)直接封裝方法，相比其他各間接封裝方法，其封裝效率有2%以上的提升。

3 IP數(shù)據(jù)包頭壓縮新方法

3.1 簡介

使用IP作為傳輸層協(xié)議在一定程度上降低了傳輸效率，原因在于：IPv4和IPv6的最小數(shù)據(jù)包包頭長度分別為20 byte和40 byte；UDP協(xié)議又需要占用額外的8 byte，相較于通常長度為幾百到一千多字節(jié)的IP數(shù)據(jù)包，幾十字節(jié)的包頭信息是不小的協(xié)議開銷。為了降低信息冗余度、提高傳輸效率，有必要對IP數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包包頭進行壓縮。

現(xiàn)有的IP數(shù)據(jù)包頭壓縮方案主要有ITU-R BT.1869建議書所提出的廣播字頭壓縮方法（HCfB）和IETF RFC3095提出的強健字頭壓縮（ROHC）[10]。前者方法需要與TLV封裝協(xié)議聯(lián)合使用，適用范圍小；而后者則未針對廣播應(yīng)用中數(shù)據(jù)與信道的特征進行優(yōu)化。

廣播系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)或其他移動通信系統(tǒng)存在很大差異，包括：通常為一對多的發(fā)送，大部分情況不把IP地址用于接收端的尋址；多為單向網(wǎng)，包頭壓縮流程中不應(yīng)依賴回傳通道反饋信息；傳輸?shù)膬?nèi)容主要是音視頻內(nèi)容，IP數(shù)據(jù)包的類型單一、變化較少。此外數(shù)字電視廣播系統(tǒng)物理層系統(tǒng)最小邏輯傳輸單元是基帶幀，在進行包頭壓縮時應(yīng)盡量以基帶幀為數(shù)據(jù)壓縮的邊界，以削弱某幀錯誤或丟失對接收端造成的影響。

3.2 方案描述

綜合上述特點與需求，為進一步改善傳輸效率，文章提出了一種新的廣播信道中IP數(shù)據(jù)包頭壓縮方案。

該方案包含了兩種壓縮模式：地址壓縮模式和高效壓縮模式。在每種模式下，經(jīng)過壓縮的IP數(shù)據(jù)包包頭中的相應(yīng)字段會被刪除。輸入至系統(tǒng)的IP包被分類為一般IP數(shù)據(jù)包和UDP/IP數(shù)據(jù)包兩類，這兩類在不同壓縮模式下需要被刪減的字段如表3所示。在壓縮IP包時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)包頭中指示IPv4或IPv6的版本標(biāo)志位，進行不同的處理。

表3 IP包頭壓縮工作模式

進行IP包頭壓縮的前提是，被壓縮數(shù)據(jù)包能夠在接收端得到無損恢復(fù)。必須滿足該條件才能進行字段刪減。對于IP地址、UDP端口號、協(xié)議類型等變化字段，接收端恢復(fù)時直接使用前一IP數(shù)據(jù)包中的同等字段直接插入；對于數(shù)據(jù)包長度、校驗字等可推斷字段，接收端恢復(fù)時應(yīng)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)計算后插入。其中，前一IP數(shù)據(jù)包既可以是當(dāng)前數(shù)據(jù)包之前接收到的未壓縮（完整）的IP數(shù)據(jù)包，也可以是經(jīng)過解壓縮操作后恢復(fù)得到的數(shù)據(jù)包。

可以看到，一個IP數(shù)據(jù)包是否可壓縮的判斷條件是是否與前一IP數(shù)據(jù)包具有相同的參數(shù)，例如：若連續(xù)兩個IP數(shù)據(jù)包的IP地址（包括源地址與目標(biāo)地址）相同，則可以以地址壓縮模式進行壓縮；若連續(xù)兩個IP數(shù)據(jù)包除IP地址外，協(xié)議類型、UDP端口號等其他內(nèi)容也相同，則可以以高效壓縮模式進行壓縮。判斷時，不考察數(shù)據(jù)包長度、校驗字等可推斷字段。若不滿足上述判斷條件，則發(fā)端不應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行壓縮，以避免不可恢復(fù)的數(shù)據(jù)損失。

在定義了上述IP數(shù)據(jù)包壓縮、解壓方法后，可以針對數(shù)字電視廣播系統(tǒng)物理層的特性，給出一組IP壓縮的狀態(tài)定義。以基帶幀為單元，共有3種IP壓縮狀態(tài)：未壓縮、幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮。未壓縮狀態(tài)中，基帶幀內(nèi)所有IP數(shù)據(jù)都不進行壓縮。幀內(nèi)壓縮狀態(tài)中，基帶幀內(nèi)第一個IP數(shù)據(jù)包不進行壓縮，其后的IP數(shù)據(jù)包都需要進行壓縮，且所使用的壓縮模式必須相同，幀內(nèi)所有IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)類型必須相同。幀間壓縮狀態(tài)中，一個基帶幀內(nèi)所有IP數(shù)據(jù)都進行了壓縮，且數(shù)據(jù)類型和壓縮模式必須相同，此時該幀數(shù)據(jù)不能直接使用，依賴于前一幀接收到的IP數(shù)據(jù)。壓縮模式和壓縮狀態(tài)信息都應(yīng)作為幀頭的一部分，隨基帶幀傳輸，供接收端使用。3種壓縮狀態(tài)圖如圖5所示。

圖5 IP數(shù)據(jù)壓縮狀態(tài)圖

3.3 算法性能

在對IP數(shù)據(jù)包的壓縮過程中，需要在壓縮效率和可靠性之間尋求平衡，確定適用的壓縮模式與壓縮狀態(tài)。對于經(jīng)過幀間壓縮的基帶幀，容易因為誤碼或丟幀的原因?qū)е逻B續(xù)多個經(jīng)過壓縮后的基帶幀無法解析，使得誤碼被擴大。因此使用幀內(nèi)壓縮是一種兼顧壓縮性能和可靠性的做法。

在對算法性能的評估中，使用了一段錄制于實際網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸流量，并基于該數(shù)據(jù)集使用不同的壓縮模式進行了算法仿真。對于不同幀長與數(shù)據(jù)類型，其壓縮后的封裝效率如表4所示。

表4 IP壓縮方法效率

表中可以看到，當(dāng)啟用了IP數(shù)據(jù)包頭壓縮功能時，對于兩種長度的基帶幀，得到封裝效率的增益分別為0.29%、1.33%和0.58%、1.23%。對于較長的基帶幀，封裝效率已經(jīng)大于100%，即系統(tǒng)傳遞的信息量大于實際封裝和傳輸?shù)谋忍財?shù)。并且，壓縮后的數(shù)據(jù)包可以進行無損解壓，不存在不可恢復(fù)的信息損失?？梢娫揑P包頭壓縮方法能夠有效地壓縮IP數(shù)據(jù)包，降低數(shù)據(jù)冗余度，提供封裝與傳輸效率。

4 總結(jié)

文章首先介紹了輸入格式處理子系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)無線電視廣播系統(tǒng)IP化傳輸?shù)内厔?，文章分析了現(xiàn)有IP數(shù)據(jù)包間接封裝方案的特點與不足之處，并提出一種IP數(shù)據(jù)直接封裝方案。理論分析表明，該直接封裝方案能夠?qū)⒎庋b效率提高2%以上。

文章還進一步介紹了IP數(shù)據(jù)包包頭壓縮的重要性，通過簡要介紹現(xiàn)有的包頭壓縮方案并分析其不足之處，提出了新的IP數(shù)據(jù)包頭壓縮方案。該方案針對廣播信道物理層的特點進行優(yōu)化，原理與實現(xiàn)簡單，具有良好的壓縮性能。基于實際環(huán)境錄制的數(shù)據(jù)表明，能夠進一步提高封裝效率0.3%～1.3%。

[1] ITU-R Recommendation BT.1887，Carriage of IP packets in MPEG-2 transport streams in multimedia broadcasting[S].2011.

[2] ISO/IEC 13818-6，Information technology-Generic coding ofmoving pictures associated audio information-Part6:extensions for DSM-CC [S].1998.

[3]ATSCDoc.A/90，ATSCData Broadcast Standard[S].2000.

[4] ATSC Doc.A/92，ATSC Standard：delivery of IP multicast sessions over ATSC data broadcast[S].2002.

[5] ETSI EN 301 192 v1.5.1，Digital Video Broadcasting(DVB)，DVB specification for data broadcasting[S].2009.

[6] ETSITS 102 606 v1.1.1，Digital Video Broadcasting(DVB)，Generic Stream Encapsulation(GSE)Protocol[S].2007.

[7] ITU-R Recommendation BT.1869，Multiplexing scheme for vari?able-length packets in digital multimedia broadcasting systems[S]. 2010.

[8]HONG T C，CHEEW T，BUDIARTO R.A comparison of IP data?grams transmission using MPE and ULE over MPEG-2/DVB Net?works[C]//Proc.2005 Fifth International Conference on Information, Communications and Signal Processing.Bangkok：IEEE Press，2005：1173-1177.

[9]MAYER A，COLLINI-NOCKER B，VIEIRA F，et al.Analytical and experimental IP encapsulation efficiency comparison of GSE,MPE, and ULE over DVB-S2,satellite and space communications[C]// Proc.International Workshop on Satellite and Space Communica?tions.Salzburg：IEEE Press，2007：114-118.

[10] IETF RFC 3095，Robust Header Compression(ROHC):framework and four profiles:RTP,UDP,ESP and uncompressed[S].2001.

Study of IP Encapsulation and Delivery for Next Generation Digital Television Broadcast System

XU Hongliang1,2,ZHANG Wenjun1,2,GUAN Yunfeng1,2,HE Dazhi1,2,SHI Menglei1,2
（1.National Engineering Research Center of Digital Television，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Input formatting technology for next generation digital television broadcast is studied.Three aspects are emphasized including extension of input formats,increase of encapsulation efficiency and enhancement of delivery functions.A direct Internet Protocol datagram encapsulation and delivery method and a new IP header compression method with higher compression efficiency are proposed.Theoretical analysis and simulation show the new direct encapsulation method can provide 2%increase of efficiency,and the new header compression method provides further 0.3% ～1.3%increase of efficiency.

input formatting;IP;header compression

TN915

A

?? 京

2014-09-24

【本文獻(xiàn)信息】徐洪亮，張文軍，管云峰，等.下一代數(shù)字電視廣播IP封裝與傳輸技術(shù)研究[J].電視技術(shù)，2014，38（21）.

國家自然科學(xué)基金項目（61221001；61102051)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2012AA011701；2013AA013503）；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新團體項目（AF0300021）