基于HFC技術的視頻融合指揮可靠性研究

吳 儉

(福建廣電網絡實業(yè)集團有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

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

1 視頻融合指揮的MSTP模式

1.1 MSTP通信技術

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

1.2 視頻融合指揮應急保障

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

1.3 視頻融合指揮的MSTP傳輸模式

MSTP作為重要的網絡傳輸技術，被廣泛應用在各系統(tǒng)的網絡傳輸上。在實際應用期間，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，以此實現通信效果。MSTP在現有視頻融合指揮應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7×24小時連續(xù)不中斷[1]，確保通信傳輸的可靠性。但若遭遇嚴重自然災害，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《省政務視頻會議公共平臺2020年度報告》中故障分類統(tǒng)計，網絡傳輸中斷占比達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技術的視頻融合指揮方案有建設成本低、組網快、可靠性高等優(yōu)勢，不失為一種有效的技術方案，具有較高的研究價值。

2 基于HFC技術的視頻融合指揮傳輸研究

2.1 HFC技術分析

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

2.2 HFC的業(yè)務設計

HFC網絡上可以實現ITU和ATM論壇定義的全數據業(yè)務，從信息內容上，可分為數字視頻業(yè)務和數據業(yè)務兩大部分。

2.2.1 視頻業(yè)務

HFC網絡支持同時發(fā)送模擬和數字視頻信號，模擬信號分布在54～400 MHz頻段，數字信號分布式400～750 MHz。模擬信號可直接在電視機中進行播放，數字信號則通過數字解碼器(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 數據業(yè)務

HFC傳輸數據業(yè)務主要是通過電纜調制解調器終結系統(tǒng)(CMTS)和電纜調制解調器(CM)實現。其中，CMTS部署在中心機房，CM部署在接收端[3]，實現網絡數據的接入業(yè)務、數字廣播及互聯網業(yè)務。數據業(yè)務主要通過啟動及數據交換來實現。

(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，以實現信息同步，并向中心端發(fā)出DHCP請求，以此獲得IP地址。

(2)數據交換。經過測距、確定上下行頻率及IP地址后，CM系統(tǒng)就可以進行數據交換，IP數據在CMTS處從網絡上接收下來，數據經過調試解調后傳送到接收端。

HFC不僅是將同軸電纜升級改造成雙向傳輸，而且實現了高速數據通信的雙向傳輸，除了在數字電視廣泛應用外，也可以基于其數據交換的業(yè)務設計，利用現有數字電視網的廣泛覆蓋，實現視頻融合指揮的可靠性傳輸及數據交換。

2.3 基于HFC技術的視頻融合指揮的總體傳輸結構

當MSTP傳輸模式異?；虿荒芄ぷ鲿r，設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技術的分發(fā)平臺和網絡傳到各個會場，由解碼設備(機頂盒)條件接收，實現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構

3 視頻融合指揮HFC模式下的高可靠性設計

3.1 中心模塊可靠性設計

在各級視頻融合指揮主會場各設置一臺視頻編碼器，將會場中攝像頭或攝像機輸出的HDMI數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、音頻信號由調音臺采集)，以IP格式將節(jié)目流輸入傳輸設備，通過MSTP及HFC雙路由保護網絡回傳至中心機房的交換設備，實現中心模塊的可靠性設計。

3.2 接入模塊可靠性設計

中心機房接收回傳的主會場數字視頻流，通過MSTP及HFC分發(fā)平臺將其復用到特定的數字電視節(jié)目流中，與其他的數字電視節(jié)目一起通過直播網和推流網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字視頻流采用64QAM方式調制到視頻會議播出的專屬頻道中，混入當地的HFC網絡；再由接入分會場的數字電視機頂盒接收主會場的視音頻信號，實現獨立于主用系統(tǒng)之外的接入模塊可靠性設計。

3.3 傳輸安全可靠性設計

為確保視頻融合指揮傳輸的私密性，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絡，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備，手動搜索并鎖定到相應的電視會議指定頻道，接收中心節(jié)點的視音頻信號。

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

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，是目前保證數據傳輸安全的最佳方式，實現了傳輸安全可靠性設計。

3.4 系統(tǒng)安全可靠性設計

3.4.1 接收系統(tǒng)加密設計

中心機房及各接入機房利用數字電視CA加密系統(tǒng)，產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的設備解密。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。這個調制后的信號再與普通的數字電視視頻流進行混合后，送入當地HFC網絡中，同步傳送到各接入模塊。各接入模塊的專用解碼設備都有各自唯一的編碼且必須由位于中心機房的控制設備賦予相應的接收授權，再按照特定的接收參數，進行解碼后才能正常收看。

3.4.2 接收系統(tǒng)安全性設計

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備賦予相應的接收授權，再按照特定的接收參數，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。

由于存在數字電視的不同加密算法，在用戶端必須使用數字電視運營商授權指定的數字電視機頂盒進行相應的解密，任何其他來源的機頂盒都不可能收到經過加密的信號。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，只有經過授權的用戶才能收看到視頻會議的視音頻內容，未授權用戶是看不到任何內容的。

(3)授權是有時間限制的，每次授權只針對一次會議或一個固定時間，超過這個期限授權就會失效。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備進行反授權，取消其收看權限。

4 結語

綜上所述，此次研究主要是基于HFC技術探討分析了視頻融合指揮的可靠性設計，通過編碼技術、解碼技術、光纖傳輸等技術提高了傳輸的可靠性，通過CA加密技術、系統(tǒng)安全性設計提高了系統(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技術的時效性、可靠性，對現存問題進行優(yōu)化改進，以此提高視頻融合指揮的可靠性。