DVB架构的技术特点和原理

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　　【题目】新型数字视频业务方案探究
　　【第一章】基于新媒体技术的数字视频业务发展探析绪论
　　【第二章】数字视频编码与新媒体技术基础
　　【3.1 - 3.3】DVB架构的技术特点和原理
　　【3.4】本文提出的DVB视频交互平台解决方案
　　【第四章】融合互联网技术的视频解决方案
　　【结语/参考文献】数字视频业务构建研究结语与参考文献
　　
　　第三章基于 DVB-C/C2 架构的视频业务解决方案
　　
　　随着新媒体技术的发展，高品质的视频节目是用户的必然选择，因此支持高清晰度视频是广电视频业务的必然选择。由于用户需求的多样化和个性化，造成了电视由一起的被动观看直播，到现在的按需点播视频和业务，所以交互性业务也是广播电视业务的必备功能。灵活的接入方式将满足用户不同终端的要求，因此未来的视频业务必须能够满足多样化的用户网络接入需求。尤其是高清、交互电视则是数字电视发展的总趋势和大方向，其互动式点播模式有效实现了数字电视的跨越式发展。因此，高清互动是数字电视发展的总趋势和大方向，它将改变传统电视的单向、广播、标清的模式，进入双向、交互、高清的模式，使观众从“你播-我看”的被动接收转变成“我点-你播”的自主选择，从而实现从“看电视”到“用电视”的飞跃。有线数字广播电视的主要技术标准是基于欧广联的DVB-C/C2,因此有线数字电视高清交互平台是在DVB-C/C2标准的框架下进行设计和实施的。视频编码标准在直播视频主要标清内容采用的MPEG-2标准，高清直播采用的是H.264标准，点播视频编码采用的是MPEG-2和H.264标准共用的方式。
　　
　　本文所提方案将针对目前我国有线广播电视网络的业务需求和网络状况进行的分析和设计。鉴于目前大多数网络已经完成了在单向直播情况下基于DVB-C技术的有线电视数字网络改造工作，同时已经开始在现有的HFC接入网络和骨干传输网络的基础上进行用户的双向化接入网络改造（采用PON+EOC技术模式为主，LAN接入为辅的方式进行），主要接入方式为PON+EOC和LAN接入两种方式。建设一个具备层次化管理、系统开放的高清有线数字电视互动平台，实现多种用户交互业务，同时支持未来业务应用的灵活扩展，必须满足以下三点要求：
　　
　　1、统一技术体系：将支持各类增值业务的应用管理功能统一的定义和处理，采用标准接口的方式将业务内容提供给上层的处理单元，确保系统统一标准的接口定义和视频编码格式。2、网络互联互通、前端分级管理、资源合理共享：在网络内系统共享使用增值业务平台，互通互联，各地结合实际灵活设置前端系统，系统平台的内容共享、分级运营、频道资源实现统一管理。3、交互业务和全业务的支持：系统高标清等数字电视业务；包括视频点播、时移电视、游戏、证券等交互业务；可以允许外部的CP/SP接入服务。同时还可以支持在线电子支付、终端应用下载、用户自助服务、语音通信、视频通信、家庭娱乐、智能家居等多种增值和互动应用。，实现全业务的支持。
　　
　　3.1 DVB架构的技术特点和原理
　　
　　有线DVB-C/C2标准的主要特点是：采用MPEG-2压缩编码的传输流，由于传输介质采用的是同轴电缆，与卫星传输相比抗外界干扰能力强，信号强度相对较高。调制方式有16、32、64、128、256QAM等方式，对于QAM调制而言，传输信息速率越高，抗干扰能力越低。DVB-C2标准在DVB-C的基础上对信源编码和信道编码给出了更高效的技术解决方案，其中可以支持的信源编码不仅仅是MPEG-2标准，还包括H.264和未来符合TS封装的数字视频编码方案（例如H.265和AVS的新标准等。而传输方式更是提供了1024和4096QAM两种更加高效的信道传输方式，能够大幅提升原有带宽下的信道传输性能，4096QAM的最大频率利用率可以超过10bps/Hz,也就是说在8MHz的有线电视频道带宽上至少可以使用超过80Mbps的有效传输码率，如果采用H.264编码的高清节目计算，至少可以在一个频道带宽内传输超过10套以上的高清数字电视节目。当然，也支持DVBOVER  IP的方式进行业务分发，其中直播视频内容主要是通过组播方式进行传输，点播视频内容通过单播方式传输到用户。[8][9][13][14]
　　
　　DVB-C标准主要包括加扰、编码、交织等几个方面，可以通过以下的框图（图3.1.1）来简要说明。我们对其中采用的一些关键技术及其目的简要分析。
　　
　　输入系统的数据信息是基于MPEG-2 TS格式的视频编码，固定数据包长度为188.我们知道，避免连“0”或连“1”码是确保数字基带信号位定时同步恢复质量的关键问题。采用扰码技术可以控制“0”或连“1”码的长度，从更加深入的角度而言，通过扰码技术可以使数字传输系统对数字信息具有透明性。这比较是因为扰码避免了位定时恢复的错误，而且还可以使信号频谱弥散而保持稳恒，从而改善帧同步和自适应均衡等子系统的系统性能。为了确保同卫星系统相兼容的同时，保证比特时钟的正确恢复，先对数据进行预处理，包括同步字节翻转和数据随机化处理。伪随机序列发生器的多项式为：
　　
　　

　　
　　数数据随机化处理以8个TS包为基本周期，当每8个TS包的数据完成随机化 处 理 后 , 伪 随 机 序 列 发 生 器 将 重 新 进 行 初 始 化 , 初 始 化 序 列 是100101010000000.为了提供一个标识确保顺利解码，将第一个TS数据包的同步字节按位取反，即由47H变换为B8H.伪随机序列发生器完成初始化后，输出的第一个比特数据将作用于已翻转的数据同步字节后的第一个比特位。为了确保其他同步功能的实现，后续的7个传送流TS包中，每个同步字节不参与随机化处理，伪随机序列发生器在传送同步字节的过程中继续工作，不输出产生的伪随机序列，所以伪随机序列周期为1503个字节。当没有码流进入到调制器或者不是MPEG-2格式的码流输入时，该过程仍然继续进行，这样调制器就不会发射未经调制的载波。[15][16][17]
　　
　　随机化处理完成后，为了提高系统的抗干扰能力，通过RS纠错编码对每个包进行处理（204,188），可以纠正一个TS包内小于8个字节的误码。因为16个校验数据是根据包括同步字节（47H/B8H）在内的完整TS包的数据产生的，也就是说RS编码的保护包括同步字节。
　　
　　

　　
　　编码的具体过程如下所述：在码流数据进入（255,239）的标准RS编码器前，每一组188字节的数据包添加51个字节数据，这51个字节全置为“0”后进行RS编码，RS编码完成后去掉这51个为0的字节就实现了截短的RS编码。[10][18][29][52]
　　
　　纠错编码后的TS包，为了避免由于其他突发等原因造成的连续错误，还需要卷积交织深度为I=12的处理过程。由重叠的误码保护数据包组成已交织的帧，同步字节可以界定，有12个支路构成交织处理，由输入开关轮换向各支路输入包数据。每一个支路都有一个FIFO的移位寄存器，寄存器的单元数是Mj,每个单元是一个字节，输入输出的工作必须同步。为了实现同步，将同步字节放在第0条支路上传送。卷织交织完成后，进行字节到符号的精确映射，该映射主要是取决于调制系统使用的字节边界，无论何种情况，符号的最高有效位和字节的最高有效位相对应。为了确保获得π2/旋转不变的 QAM 调制星座图，在 QAM 调制前须对每个 m 位符号的两个最高有效位进行差分编码。差分编码规则如下：
　　
　　

　　
　　调制时通过变换两个最高有效位和旋转 q 个最低有效位，就可以将第一象限的星座点变换到第二、三、四象限的。在调制前进行基带成型处理，对 I、Q 信号使用平方根升余弦滚降滤波器进行滤波，基带滤波器的有几个设计要求，考虑了数字滤波器的设计限定，以及系统模拟部分时如 D/A 转换、模拟滤波器等因素的影响，滚降系数选用0.15,其理论频响函数为：
　　
　　

　　
　　其中 f N 为 Nyquist 频率，其值为 1/2 符号率。[7][19][20]
　　
　　3.2有线数字电视交互平台设计原则与技术需求
　　
　　作为一个能够支撑未来业务，面向“三网融合”的有线数字电视高清交互平台，在设计之初应当遵照以下原则：
　　
　　1、标准性和开放性原则：高清互动平台解决方案中的各类设备和技术均遵照国际、国内和内相关行业标准，整个系统采用开放的系统架构，支持业务组件的可拆卸性和可替换性。系统提供开放的标准协议接口，使得整个系统平台解决方案具有良好的交互操作性。2、先进性和实用性：系统设计采用先进而科学的理念、成熟的技术和方法，确保系统平台的稳定性、流畅性达到行业的一流水平。系统可以支持多种先进的主流视音频编码格式。3、可靠性和安全性：系统设计需要从系统结构、设备性能、技术措施、系统管理及后期维护等方面重点保证系统运行的可靠性和稳定性。通过日常例行故障检查、告警和处理机制，保证系统平台数据的丢失和损坏；采用灵活的任务调度机制实现负载均衡，达到最大的平均无故障时间。在系统出现故障时，可以做到主备设备或系统的无缝切换。4、灵活性和扩展性：系统软硬件采用模块化结构设计，将来业务种类的增加和用户数量的增长后，系统可以根据实际情况平滑升级。5、可运营和可管理性：系统具有先进完善的运行管理和监控功能，通过网管系统提供设备性能检测、记录、告警，具备故障自动诊断和恢复的能力，不影响正常业务的进行。
　　
　　综合考虑技术、市场、投资等因素，将业务分成项目一期需要实现的业务和未来规划实现的业务，共两个阶段业务需求进行规划，同时考虑后期的功能扩展，以方便支持未来的新兴业务需求。两个阶段的具体业务需求规划详见表3.1和表3.2所列出的内容。
　　
　　通过上述表格可见主要的业务需求包括各类点播业务、时移电视业务、音乐点播业务（包含网络卡拉OK等）、广告点播、交互教育业务、在线购物业务、交互信息业务、本地节目和信息业务、政府阳光政务业务。考虑节目源初期主要采用MPEG-2@3.75Mbps的编码方式存储，设计首期建设存储容量为2.5-3万个小时，每小时的MPEG-2节目存储需要 1.4-1.7GB 的空间，2.5-3 万小时的节目共需要45TB左右的存储空间。考虑在初期建设部分H.264 信源编码标准的节目，实现不同编码格式的信源接入。不同信源编码方式的实现主要通过提供的业务类型加以区分，MPEG-2 信源实现标清业务、H.264 信源实现高清业务。在前端通过高清、标清不同的 EPG  portal 页面，实现不同信源的节目索引；在终端通过标清、高清的不同类型机顶盒终端，写入不同的 URL,找到相应的业务连接；通过后台管理系统（BO）实现高清、标清节目内容的分发、调度。
　　
　　交互业务平台分步骤、分阶段逐步实施。初期建设3000个并发流（系统支持5000流），覆盖4个试点城市，达到3万交互用户的覆盖规模。使用MPEG-2的编码方式后，经过IPQAM调制后的每个有线电视频点可以传输十个并发流，3000个并发流占用300个频点（不同地市之间和同一城市内采用空分复用的方式解决频点资源不足的问题），使用 1:10 的用户覆盖率来计算，3000 个并发流可以实现3 万用户的用户覆盖。后期随着交互业务和用户的发展可以增加播发服务器和边缘节点 IPQAM 的方式平滑升级扩容，最终达到300 万用户覆盖的用户规模，实现有线电视用户的交互业务全覆盖。[54][55]
　　
　　3.3 DVB架构中视频交互问题的讨论
　　
　　本本节将根据以上设计原则和业务需求情况，针对现有情况进行分析汇总，给出以下方案建设原则。高清互动平台的建设是在实现高清交互业务，同时将有线电视网络和宽带网络及网络上承载的数字电视和宽带接入等业务相融合，在终端机顶盒上实现多个类型的业务，并支持扩展增值应用的全业务模式，从业务层面上实现三网融合。在高清互动系统建设上遵循以下原则：（1）实用性与可靠性。系统设计中交互点播业务应当功能提示明确，操作简单方便，适应不同类型和层次用户的消费需求。系统和业务具有容错功能和灾难备份能力，抗干扰能力强。处理多种类型数据。在操作或运行异常时，系统具备较强的恢复能力。（2）先进性、可扩展性与可维护性。采用先进的设计思想和开放的体系结构；采用相关专业技术领域的主流先进应用技术；选用市场覆盖率高和技术成熟的设备和产品；系统可以根据未来业务的需要通过修改相应的系统模块、增加新的功能，系统要易于扩展；系统结构、资源存储结构和设备选型，在性能和功能满足的情况下，要便于维护。（3）安全性。确保传输信号、节目内容的政治安全和质量安全。确保网络架构、系统设备在安全运行。采用多层次的安全控制手段，建立完善的安全管理维护体系。（4）经济性。在满足系统功能和性能要求的同时，选用高性价比的设备，以经济的系统造价完成平台项目的设计、实施，确保系统平台的可持续发展；充分利用已有基础网络和设施资源，合理规划、共享使用。
　　
　　综合考虑现有网络资源和实际情况，还要遵循以下原则：（1）、标准开放的体系架构：早期的交互平台解决方案多采用私有协议对接通信，大大减弱了系统平台的后续业务扩展和系统扩容能力、与第三方厂商的互联互通能力。高清交互平台各个功能部件间必须采用行业通用的标准协议和接口模式，保证平台扩展的灵活性，降低公司的投资风险，可以快速地与第三方业务系统进行互联互通。（2）、多种媒体内容格式：支持多种媒体文件格式的生成和存储。方便不同厂家不同格式之间共享存储空间，降低媒体资源存储成本。当系统平台大规模部署，发展多种类型媒体业务和增值业务时，内容将需要海量存储，支持多种不同的媒体内容格式（标清 MPEG-2、高清 H.264），将显得尤为重要。（3）、负载均衡和关键设备冗余：对于高清交互系统平台，能否实现未来海量用户下多种业务的可靠运营，全局策略和设备安全性是非常关键的。平台主要系统部件采用双机备份负载均担、由保护技术，避免单点故障，提高关键设备的可用性。骨干网基于全路由保护的IP 宽带网和环网保护的 SDH 传输网。全局均衡策略负责全网用户的访问请求响应，将用户的请求定向到合适的服务节点。（4）、分布式存储分发和分布式结构、混合组网、多级管理：高清交互平台采用分布式 CDN 部署，支持多种类型的媒体分发策略，包括主动 PUSH、被动 PULL、组播分发等技术模式，能够有效地节省运营商的骨干带宽；交互平台采用分布式结构，支持省、市、县三级管理模式，采用集中+边缘的组网方式。部署平台中心节点、分中心节点和服务节点。统一资源调度，统一平台门户，服务节点尽量靠近用户，部署分布式 EPG 服务器系统、存储系统、IP-QAM 系统等，有效实现用户高效、大并发量访问交互平台系统，可以轻松保证多用户并发访问不会造成系统整体性能的下降，提高了系统的稳定性，保证了系统的整体性能。同时还可以支持个性化 EPG 方案，可以针对不同客户群提供不同的 EPG 界面展示。[38, 39, 54]