吳 儉

(福建廣電網(wǎng)絡(luò)實業(yè)集團有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

在現(xiàn)代科技快速發(fā)展背景下，傳統(tǒng)的HFC技術(shù)除了在數(shù)字電視上廣泛應(yīng)用，也逐漸應(yīng)用于有高可靠性要求的視頻融合指揮。在應(yīng)用HFC技術(shù)時，音視頻信號通過編碼器接入到中心模塊，應(yīng)用MSTP及HFC技術(shù)，通過光纖傳輸方式，在接入模塊以解碼器方式進行解碼，結(jié)合系統(tǒng)加密設(shè)計及安全性設(shè)計，實現(xiàn)視頻融合指揮的可靠性設(shè)計。

1 視頻融合指揮的MSTP模式

1.1 MSTP通信技術(shù)

MSTP(Multi- Service Transport Platform)是指基于SDH平臺，同時實現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)平臺。MSTP屬于標準的多生成樹協(xié)議，將RTSP的算法延伸到了多生成樹中，通過減少網(wǎng)絡(luò)中生成樹實例的數(shù)量，來降低交換機 CPU 的負載，使虛擬局域網(wǎng)有了更快的收斂速度和流量負載均衡的能力。

1.2 視頻融合指揮應(yīng)急保障

視頻融合技術(shù)在應(yīng)急指揮中具有廣泛的應(yīng)用，其基于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，通過H.323，GB28181，H.264/265等協(xié)議，將下一級指揮中心以及分散在各地的視頻信號進行融合，在應(yīng)急指揮場景中具有重要作用。視頻融合指揮的應(yīng)急保障又取決于其網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在某些極端條件下，將造成通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓、失聯(lián)，視頻融合系統(tǒng)失效等情況，嚴重影響了政府指揮機構(gòu)對重大自然災(zāi)害、防汛、抗旱、防疫等險情的調(diào)度指揮。

1.3 視頻融合指揮的MSTP傳輸模式

MSTP作為重要的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在各系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸上。在實際應(yīng)用期間，首先需要將系統(tǒng)分布在不同地理位置的節(jié)點連接起來，以此實現(xiàn)通信效果。MSTP在現(xiàn)有視頻融合指揮應(yīng)急保障中采用了雙回路路由方式，通過主備切換，避免單點故障風險，以此保障視頻融合指揮業(yè)務(wù)7×24小時連續(xù)不中斷[1]，確保通信傳輸?shù)目煽啃浴５粼庥鰢乐刈匀粸?zāi)害，將不可避免地造成傳輸終中斷，影響視頻融合指揮的效果。根據(jù)《省政務(wù)視頻會議公共平臺2020年度報告》中故障分類統(tǒng)計，網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷占比達22.7%，占較大比重。若要繼續(xù)提升視頻融合指揮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，基于HFC技術(shù)的視頻融合指揮方案有建設(shè)成本低、組網(wǎng)快、可靠性高等優(yōu)勢，不失為一種有效的技術(shù)方案，具有較高的研究價值。

2 基于HFC技術(shù)的視頻融合指揮傳輸研究

2.1 HFC技術(shù)分析

混合光纖同軸電纜網(wǎng)絡(luò)(Hybrid Fiber-Coaxial，HFC)是以光纖為骨干網(wǎng)絡(luò)，同軸電纜為分支網(wǎng)絡(luò)的高帶寬網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率可達1 000 Mb/s以上。數(shù)字電視以HFC為傳輸基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，采用IP over OTN技術(shù)，基于DVD IP光纖網(wǎng)傳輸，主要存儲及傳送的內(nèi)容是MPEG-2流。

2.2 HFC的業(yè)務(wù)設(shè)計

HFC網(wǎng)絡(luò)上可以實現(xiàn)ITU和ATM論壇定義的全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從信息內(nèi)容上，可分為數(shù)字視頻業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)兩大部分。

2.2.1 視頻業(yè)務(wù)

HFC網(wǎng)絡(luò)支持同時發(fā)送模擬和數(shù)字視頻信號，模擬信號分布在54～400 MHz頻段，數(shù)字信號分布式400～750 MHz。模擬信號可直接在電視機中進行播放，數(shù)字信號則通過數(shù)字解碼器(機頂盒)對視頻流進行解碼播放，并支持反向信號控制，以實現(xiàn)用戶信號控制功能，如頻道選擇、節(jié)目付費和故障監(jiān)測等[2]。

2.2.2 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

HFC傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要是通過電纜調(diào)制解調(diào)器終結(jié)系統(tǒng)(CMTS)和電纜調(diào)制解調(diào)器(CM)實現(xiàn)。其中，CMTS部署在中心機房，CM部署在接收端[3]，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接入業(yè)務(wù)、數(shù)字廣播及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要通過啟動及數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)。

(1)啟動。啟動主要包括了掃描、測距及獲得IP地址。當HFC啟動后，CM系統(tǒng)掃描所有下行頻率，尋找中心端發(fā)出的信息包，通過測距來確定與接收端的距離，以實現(xiàn)信息同步，并向中心端發(fā)出DHCP請求，以此獲得IP地址。

(2)數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過測距、確定上下行頻率及IP地址后，CM系統(tǒng)就可以進行數(shù)據(jù)交換，IP數(shù)據(jù)在CMTS處從網(wǎng)絡(luò)上接收下來，數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)試解調(diào)后傳送到接收端。

HFC不僅是將同軸電纜升級改造成雙向傳輸，而且實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)通信的雙向傳輸，除了在數(shù)字電視廣泛應(yīng)用外，也可以基于其數(shù)據(jù)交換的業(yè)務(wù)設(shè)計，利用現(xiàn)有數(shù)字電視網(wǎng)的廣泛覆蓋，實現(xiàn)視頻融合指揮的可靠性傳輸及數(shù)據(jù)交換。

2.3 基于HFC技術(shù)的視頻融合指揮的總體傳輸結(jié)構(gòu)

當MSTP傳輸模式異?；虿荒芄ぷ鲿r，設(shè)在各級主會場音控室的視頻編碼器接收到會場視音頻信號，并通過基于HFC技術(shù)的分發(fā)平臺和網(wǎng)絡(luò)傳到各個會場，由解碼設(shè)備(機頂盒)條件接收，實現(xiàn)視頻融合通信不中斷進行，如圖1所示。

圖1 視頻融合指揮的總體傳輸結(jié)構(gòu)

3 視頻融合指揮HFC模式下的高可靠性設(shè)計

3.1 中心模塊可靠性設(shè)計

在各級視頻融合指揮主會場各設(shè)置一臺視頻編碼器，將會場中攝像頭或攝像機輸出的HDMI數(shù)字視音頻信號進行高清編碼后(視頻信號可由高清矩陣采集、音頻信號由調(diào)音臺采集)，以IP格式將節(jié)目流輸入傳輸設(shè)備，通過MSTP及HFC雙路由保護網(wǎng)絡(luò)回傳至中心機房的交換設(shè)備，實現(xiàn)中心模塊的可靠性設(shè)計。

3.2 接入模塊可靠性設(shè)計

中心機房接收回傳的主會場數(shù)字視頻流，通過MSTP及HFC分發(fā)平臺將其復用到特定的數(shù)字電視節(jié)目流中，與其他的數(shù)字電視節(jié)目一起通過直播網(wǎng)和推流網(wǎng)傳送到各地市的傳輸干線。各接入地市先將接收到的主會場數(shù)字視頻流采用64QAM方式調(diào)制到視頻會議播出的專屬頻道中，混入當?shù)氐腍FC網(wǎng)絡(luò)；再由接入分會場的數(shù)字電視機頂盒接收主會場的視音頻信號，實現(xiàn)獨立于主用系統(tǒng)之外的接入模塊可靠性設(shè)計。

3.3 傳輸安全可靠性設(shè)計

為確保視頻融合指揮傳輸?shù)乃矫苄?，系統(tǒng)不僅采用最安全的光傳輸方式且全程使用自建的傳輸網(wǎng)絡(luò)，還對視頻融合指揮的視音頻流進行加密傳輸。在接入節(jié)點打開視頻融合指揮專用的機頂盒設(shè)備，手動搜索并鎖定到相應(yīng)的電視會議指定頻道，接收中心節(jié)點的視音頻信號。

數(shù)字視頻編碼器安裝于中心節(jié)點，編碼后的IP信號先通過樓內(nèi)光纖傳送到MSTP，HFC傳輸設(shè)備；再通過自建的光纖網(wǎng)絡(luò)雙路由回傳到中心機房；最后，中心機房通過專用OTN干線網(wǎng)絡(luò)送到各地市機房。

在主會場到地市機房之間，視頻會議信號都是以光載波的方式傳輸。光載波的傳輸方式既不易受外界干擾，也不會對外泄露信號，杜絕被監(jiān)聽的可能，是目前保證數(shù)據(jù)傳輸安全的最佳方式，實現(xiàn)了傳輸安全可靠性設(shè)計。

3.4 系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計

3.4.1 接收系統(tǒng)加密設(shè)計

中心機房及各接入機房利用數(shù)字電視CA加密系統(tǒng)，產(chǎn)生唯一密鑰對視頻融合指揮信號碼流進行加密處理，加密之后的碼流不會被任何非授權(quán)的設(shè)備解密。加密原理如圖2所示。

圖2 CA加密原理

加密后的信號被調(diào)制在一個獨立的頻道，可保證自己的通道帶寬，避免了與其他視頻流的互相影響。這個調(diào)制后的信號再與普通的數(shù)字電視視頻流進行混合后，送入當?shù)豀FC網(wǎng)絡(luò)中，同步傳送到各接入模塊。各接入模塊的專用解碼設(shè)備都有各自唯一的編碼且必須由位于中心機房的控制設(shè)備賦予相應(yīng)的接收授權(quán)，再按照特定的接收參數(shù)，進行解碼后才能正常收看。

3.4.2 接收系統(tǒng)安全性設(shè)計

各分會場的視頻會議專用機頂盒都有各自唯一的編碼，必須由位于核心機房的控制設(shè)備賦予相應(yīng)的接收授權(quán)，再按照特定的接收參數(shù)，手動搜索視頻會議頻道后才能正常收看。在每次會議召開前，對各分會場所需接入的視頻會議專用機頂盒進行定向定時授權(quán)。

由于存在數(shù)字電視的不同加密算法，在用戶端必須使用數(shù)字電視運營商授權(quán)指定的數(shù)字電視機頂盒進行相應(yīng)的解密，任何其他來源的機頂盒都不可能收到經(jīng)過加密的信號。在這個階段有3個措施保證了接收系統(tǒng)的安全性。

(1)由于傳送會議的頻道為獨立的專用數(shù)字電視頻道，不在普通機頂盒的搜索列表中，所以用戶的機頂盒搜索不到這個頻道的任何信息。

(2)專用機頂盒手動搜索頻道后，只有經(jīng)過授權(quán)的用戶才能收看到視頻會議的視音頻內(nèi)容，未授權(quán)用戶是看不到任何內(nèi)容的。

(3)授權(quán)是有時間限制的，每次授權(quán)只針對一次會議或一個固定時間，超過這個期限授權(quán)就會失效。這樣即使專用機頂盒丟失也不會造成泄密。即使丟失，也可以針對指定的解碼設(shè)備進行反授權(quán)，取消其收看權(quán)限。

4 結(jié)語

綜上所述，此次研究主要是基于HFC技術(shù)探討分析了視頻融合指揮的可靠性設(shè)計，通過編碼技術(shù)、解碼技術(shù)、光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)提高了傳輸?shù)目煽啃?，通過CA加密技術(shù)、系統(tǒng)安全性設(shè)計提高了系統(tǒng)安全的可靠性，采用多種方式，確保視頻融合指揮中視頻信號的不中斷。然而，在實際應(yīng)用中，環(huán)境因素會影響系統(tǒng)的可靠性，因此需要提升HFC技術(shù)的時效性、可靠性，對現(xiàn)存問題進行優(yōu)化改進，以此提高視頻融合指揮的可靠性。