Client-server system for monitoring the quality of TV broadcasting in Russia

Full Text

Введение

Качество телерадиовещания стандарта DVB-T2 оценивается скоростью передачи данных и запасом устойчивости по коэффициенту битовых ошибок BER (Bit Error Ratio) «на последней миле» в зонах вещания ретрансляторов [1]. В качестве датчика битовых ошибок предлагается использовать приемник [2], реализованный на основе стандартного коммерческого чипа Sony SMT-EW100 (CXD2880), в котором имплементирован функционал DVB-T2 ТВ-тюнера (рис. 1). ТВ-тюнер позволяет выделить из принимаемого потока T2-MI помимо значений BER текущие значения других параметров, необходимых для всестороннего анализа качества приема в исследуемой зоне телевизионного вещания.

Рис. 1. Плата прототипирования на основе чипа Sony SMT-EW100 (CXD2880)

Fig. 1. Prototyping board based on Sony SMT-EW100 chip (CXD2880)

В стратегии развития телерадиовещания в Российской Федерации до 2025 года [3] особо указывается на необходимость обеспечения надежности бесперебойного телерадиовещания. В работе [4] обсуждаются основные проблемы развития региональных сетей, без решения которых невозможно обеспечить надежное и бесперебойное телерадиовещание в РФ.

Кратко перечислим основные проблемы в современном телерадиовещании РФ.

1. Отсутствие сертификации передатчиков, находящихся в эксплуатации на территории 85 регионов России.
2. Отсутствие возможности в полной мере реализовать на практике стандарт DVB-T2, в котором по каждому параметру, включая защитный интервал, зависящий от расположения передатчиков на территории вещания, предлагается выбор до восьми значений.
3. Третья проблема существующих сетей – низкая надежность, обусловленная, прежде всего, перечисленными выше факторами, а также значительным усложнением ретрансляторов, работающих удаленно от регионального центра мультиплексирования.
4. Отсутствие технической возможности оценки запасов устойчивости сети, что неизбежно приводит к неопределенности в определении ее работоспособности при эксплуатации и сложности оперативной оценки причин возникновения брака и технических остановок. Это, в свою очередь, приводит к тому, что операторы решают проблемы реактивно – узнают о локальных проблемах в работе сетей от телезрителей по горячей линии, а о глобальных проблемах – при полной или частичной остановке вещания. При этом диагностика не является объективной, т.к. служба эксплуатации не владеет гарантированной и достоверной информацией обо всех инцидентах – большинство потребителей просто не сообщает о проблемах или сообщает со значительным запозданием.

Решение данных проблем возможно путем модернизации и технического перевооружения существующих сетей телерадиовещания на основе научного подхода с целью предоставления различных сервисов и услуг населению с высоким качеством.

Инновационный путь решения проблем цифрового ТВ изложен в ряде научных статей и обобщен в [1], в преамбуле которой предлагаются отечественные технологии, защищенные патентами РФ.

Первым и ключевым этапом решения задачи повышения надежности системы телерадиовещания является диагностика работоспособности региональных сетей SFN путем мониторинга [5]. Такой подход позволит перейти с реактивного на проактивное разрешение технических проблем, до момента возникновения факта обращения конечного потребителя в службу технической поддержки.

Отмечается, что способы и устройства мониторинга, запатентованные в РФ [6; 7], позволяют провести диагностику запасов устойчивости сетей SFN, выявить и устранить причины отсутствия необходимых запасов устойчивости, перейти к параметрической оптимизации SFN, обеспечивающей заданную скорость передачи данных и требуемый запас устойчивости.

В работе рассмотрен прототип системы только для пилотной зоны, которая в дальнейшем может быть масштабирована на все регионы РФ для комплексной диагностики работоспособности сетей SFN.

Целью данной работы является развитие предлагаемого в патентах [6; 7] технического решения для обеспечения надежного и бесперебойного телерадиовещания в стандарте DVB-T2 на всей территории РФ с использованием необходимого оборудования и распределенной клиент-серверной архитектуры, датчиков коэффициента битовых ошибок BER на основе программируемых приемников, совмещенных с одноплатными микрокомпьютерами, реализованными на процессорах SoC (System-on-Chip).

Актуальность цели, сформулированной в данной статье по развитию технического решения, запатентованного в РФ [6; 7], для обеспечения надежного и бесперебойного телерадиовещания в стандарте DVB-T2 на всей территории РФ, подтверждается стратегией развития телерадиовещания в Российской Федерации до 2025 года [3], а также соответствием целям и задачам «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года» [8].

Стратегия развития электронной промышленности РФ направлена, в частности, на оптимизацию существующего телекоммуникационного оборудования, его модернизацию и техническое перевооружение на основе научного подхода к решению новых технологических направлений и технологий, с целью предоставления различных сервисов и услуг населению с высоким качеством.

1. Общие сведения о платформе мониторинга

Применение распределенной клиент-серверной архитектуры для реализации платформы системы мониторинга позволяет масштабировать количество пробников – приемников DVB-T2, терминировать и анализировать данные в центрах обработки данных и обеспечить отказоустойчивый доступ к данным всем заинтересованным лицам компании Российской телевизионной и радиовещательной сети (рис. 2). Здесь МП мультиплексор, ЦОД – центр обработки данных.

Рис. 2. Клиент-серверная архитектура платформы мониторинга

Fig. 2. Client-server architecture of the monitoring platform

Разрабатываемая платформа преимущественно использует компоненты и библиотеки свободного программного обеспечения с открытым исходным кодом для обеспечения сбора, обработки, анализа данных работоспособности региональных сетей телерадиовещания, а также позволяет визуализировать интегральную информацию для операторов, реализовать триггеры оперативного оповещения в случае детектирования в нештатных ситуациях.

В основе пробника используется операционная система Linux с модулями ядра DVB для взаимодействия с ТВ-тюнером, которая является источником исходных данных состояния DVB-T2 потока. Непрерывный и постоянный мониторинг связан с генерацией специфичных данных, которые требуют агрегацию, хранение и последующий анализ. В прототипе системы для хранения данных предлагается использовать базу данных временных рядов (time series database) InfluxDB [9], которая оптимизирована для хранения и обслуживания данных через связанные пары времени и значения. База данных написана на языке программирования Go и не требует внешних зависимостей. Основным назначением является хранение больших объемов данных с метками времени и предназначены для таких приложений, как данные мониторинга, метрики приложений, данные датчиков IoT. База данных отлично масштабируется с применением контейнеризации.

Для визуализации данных предлагается использовать инструмент Grafana – мультиплатформенное веб-приложение для аналитики и интерактивной визуализации с открытым исходным кодом [10; 11]. Приложение поддерживает множество вариантов анализа и обработки данных, а также позволяет применить собственные алгоритмы и формулы.

Приложения хранения, анализа и визуализации данных могут использовать как выделенные вычислительные ресурсы в приватных центрах обработки данных (ЦОД), так использовать универсальные облачные платформы, такие как российские Яндекс.Облако, VK Cloud Solutions (ранее Mail.ru Cloud Solutions) или зарубежные Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure, Google Cloud Platform (GCP) и другие.

Панели мониторинга (рис. 2) не только придают информативное значение данным в графическом виде [10], собранным из различных регионов РФ, но позволяют контролировать качество вещания в онлайн режиме из Федерального Центра Формирования Мультиплексов.

Предлагаемая методика мониторинга [6; 7] позволяет создавать информационные панели в каждом из 85 Региональных Центров Мультиплексирования и делиться результатами качества телерадиовещания, чтобы способствовать сотрудничеству в управлении работой региональных сетей SFN.

Платформа сочетает в себе масштабируемость, отказоустойчивость, производительность и обеспечивает сохранность данных, поступающих из приемников DVB-T2 ТВ-тюнеров. Пробники системы мониторинга выделяют из потока T2-MI помимо значений BER текущие значения других параметров, которые необходимы для всестороннего анализа качества приема в исследуемой зоне телевизионного вещания.

Взаимодействие между пробниками и центром обработки данных обеспечивается через структурированный интерфейс взаимодействия REST API (Representational State Transfer Application Programming Interface) с использованием шифрованного транспорта HTTPS с поддержкой криптографического протокола TLS поверх публичной интернет-сети. Особое внимание уделяется безопасности взаимодействия пробников и коллекторов сбора данных: предлагается механизм аутентификации каждого устройства, чтобы избежать обогащение недостоверными данными и искажения работы системы в целом.

Цифровое телевидение – это развивающаяся область, в которой постоянно разрабатываются и становятся доступными новые чипсеты, ресиверы цифрового телевидения и программное обеспечение. Предлагаемое техническое решение является универсальным и адаптированным к технологическим достижениям. Благодаря модульной архитектуре как программного обеспечения, так и аппаратной части, существует возможность оперативного обновления только необходимых компонент для удовлетворения текущих потребностей существующей инфраструктуры мониторинга региональных сетей SFN.

2. Техническая реализация датчиков BER

Прототип датчиков BER (пробников) реализован с использованием программируемых приемников на базе чипа ТВ-тюнера Sony SMT-EW100 (CXD2880) и микрокомпьютера на основе 64-битного 4-х ядерного ARM микропроцессора Broadcom BCM2711. Взаимодействие ТВ-тюнера с микропроцессором осуществляется через шину SPI (Serial Peripheral Interface), по которой передается поток MPEG-2 TS. Встроенный в ТВ-тюнер фильтр Packet ID (PID) уменьшает скорость передачи данных и делает возможным применение SPI шины.

Программный стек пробника состоит из компонент, которые можно принципиально разделить на два уровня: ядра (Kernel Linux Space) операционной системы (ОС) и пользовательского пространства (User Space). На уровне ядра ОС применяется драйвер аппаратной шины SPI, драйвер взаимодействия с чипом CXD2880 и универсальный модуль DVB API. На уровне пользовательского пространства выделяются два приложения: агент сбора данных о состоянии цифрового DVB потока (включая BER) и опционально – сервер потокового вещания. В диагностических целях микрокомпьютер позволяет декодировать и выводить изображение непосредственно на монитор. Однако, предполагается внедрение пробников без какого-либо периферийного оборудования, таких как, монитор, клавиатура, мышь и прочие атрибуты взаимодействия.

Инструментарий пробника имеет гибкие возможности для конфигурации приемника, получения значений параметров на его выходе, работающего в качестве датчика коэффициентов битовых ошибок BER и других важных параметров работы одночастотной сети телерадиовещания. Кроме того, устройство обеспечивает сбор данных телеметрии и потоковую передачу видеопотока в точке присутствия пробника ровно в том виде, в котором его получают конечные потребители, для последующей обработки и/или выборочно визуальной оценки в федеральном центре мониторинга и управления платформы мониторинга (рис. 2) эксплуатирующей компании РТРС – Российская телевизионная и радиовещательная сеть, а также филиалам контролирующей компании ГРЧЦ - Главный радиочастотный центр. Обе компании заинтересованы в достоверной информации об устойчивой и бесперебойной работе сетей телерадиовещания России, включая «последнюю милю». Специфика цифрового телевидения заключается в том, что передатчики в зонах вещания могут излучать номинальную мощность, а прием у некоторых телезрителей отсутствует по разным причинам. Система позволит достоверно дифференцировать и локализовать проблему, которая может быть как со стороны телезрителя, так и со стороны центров вещания. При этом важным фактором является поиск первопричины неисправности, который в большинстве случаев ошибочно приводит к неисправности бытового оборудования телезрителей из-за стереотипного подхода диагностики аналогового телевизионного приема, когда фактически происходит локальный сбой передающего оборудования.

Для вывода информации от датчика битовых ошибок в системе применяется специальный инструмент, который может быть использован для изменения некоторых параметров, для получения текущих настроек. Имеется возможность считывания исходной статистики работы чипа ТВ-тюнера во время приема телевизионных программ с ее последующей графической обработкой.

В качестве примера на рис. 3 приводятся значения Kber = lg(1/BER) во время воспроизведения видеопотока приемником на интервале 10 с в непосредственной близости от порога устойчивости с запасом менее одного дБ. На интервалах менее 10 с изображение визуально устойчиво, однако при увеличении времени приема на картинке иногда появляются артефакты и искажения – изображение «рассыпается на квадраты и пиксели», либо вовсе происходит полное замораживание.

Учитывая непостоянство во времени Kber, для надежного и бесперебойного приема необходимо запас устойчивости увеличить до значений 5–6 дБ.

Рис. 3. Временная зависимость показателя качества при запасе устойчивости менее одного дБ

Fig. 3. Time dependence of the quality index with a stability margin of less than one dB

Анализ полученных результатов, представленных на рис. 3, и визуализация данных состояния на индикаторной панели, позволяет количественно судить о качестве приема в одной из зон вещания. Сбор и обработка данных в областях вещания с помощью предлагаемой платформы мониторинга (рис. 2) позволит специалистам РТРС, занимающимся на практике развитием сетей, с учетом рекомендаций [1] дать объективное заключение о необходимости и путях реконструкции сетей SFN для обеспечения бесперебойного телерадиовещания в РФ.

Кроме того, специалисты РТРС и РЧЦ смогут перейти с реактивного на проактивное разрешение технических проблем, до момента возникновения факта обращения конечного потребителя в службу технической поддержки, получить область затронутых проблемой телезрителей и таким образом оценить приоритет при принятии решении распределения инженерных ресурсов, дифференцировать обращения со стороны телезрителей по причине неработоспособности собственного бытового оборудования приема или по причине неработоспособности сети SFN в локальной зоне вещания, в конечном итоге снизить нагрузку как на службу технической поддержки, так и на инженерный состав эксплуатирующего персонала. В результате, несомненно, повысить качество предоставляемых услуг и оперативность устранения возникающих проблем

Заключение

1. Разработка распределенной системы мониторинга качества телерадиовещания стандарта DVB-T2 является первостепенной задачей по завершению Федеральной целевой программы «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2018 годы» и переходу в штатный режим эксплуатации сетей SFN.
2. Актуальность цели, сформулированной в данной статье по развитию технического решения, защищенного патентами РФ [6; 7] для обеспечения надежного и бесперебойного телерадиовещания в стандарте DVB-T2 на всей территории РФ, подтверждается стратегией развития телерадиовещания в Российской Федерации до 2025 года [3], а также соответствием целям и задачам «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года» [8].
3. Предлагаемая методика мониторинга с использованием распределенной клиент-серверной архитектуры, в которой датчики коэффициентов битовых ошибок BER выполнены на основе программируемых приемников, совмещенных с одноплатными микрокомпьютерами, позволит специалистам РТРС перейти с реактивного на проактивное разрешение технических проблем, до момента возникновения факта обращения конечного потребителя в службу технической поддержки.
4. Сбор и обработка данных в областях вещания с помощью предлагаемой платформы мониторинга (рис. 2) позволит специалистам РТРС, занимающимся на практике развитием сетей, с учетом рекомендаций [1] дать объективное заключение о необходимости и путях реконструкции сетей SFN для обеспечения бесперебойного телерадиовещания в РФ.
5. Оптимизация существующего телекоммуникационного оборудования, его модернизация и техническое перевооружение на основе научного подхода к оценке работоспособности сетей SFN [8] обеспечит решение перечисленных выше проблем [4], связанных с сертификацией передатчиков, реализации возможностей стандарта по выбору оптимальных параметров SFN, повышению надежности вещания, предоставлению различных сервисов и услуг телерадиовещания стандарта DVB-T2 населению с высоким качеством.

About the authors

Vladimir L. Karyakin

Author for correspondence.
Email: vl@karyakin.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Prototyping board based on Sony SMT-EW100 chip (CXD2880)

Download (148KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Client-server architecture of the monitoring platform

Download (278KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Time dependence of the quality index with a stability margin of less than one dB

Download (119KB)

Indexing metadata