下一代数字电视广播IP封装与传输技术研究

徐洪亮，张文军，管云峰，何大治，史梦蕾

（1.数字电视国家工程研究中心，上海 200240；2.上海交通大学，上海 200240）

下一代数字电视广播IP封装与传输技术研究

徐洪亮1,2，张文军1,2，管云峰1,2，何大治1,2，史梦蕾1,2

（1.数字电视国家工程研究中心，上海 200240；2.上海交通大学，上海 200240）

研究了下一代数字电视广播标准中输入格式处理技术，重点关注扩展输入格式、提高封装效率、增强传输功能三个方面。提出了一种因特网协议（IP）数据包的直接封装与传输方法，还提出了一种具有更高封装效率的包头压缩方法。理论分析与仿真表明，在传输IP数据包时，新方案提出的直接封装方案能够提高传输效率约2%，提出的IP数据包包头压缩方法能够提高封装效率0.3%～1.3%。

输入格式处理；因特网协议；包头压缩

在第一代数字电视广播标准成功应用基础之上，第二代数字电视广播标准的制定也在全球范围内先后启动。2008年6月DVB组织率先公布了DVB-T2标准；2013年美国ATSC组织启动了ATSC3.0标准的制定工作。在这些已制定或正在制定的标准中，除进一步提高传输效率、改善接收质量外，增强广播系统功能，特别是多媒体传输与呈现及互动功能成为工作重点之一。基于IP的电视广播传输技术在技术层面能够支持多样化的内容传输，在业务层面有助于实现多屏互动，也是实现三网融合的重要举措。一些新的音视频编解码及传输方案也已经充分考虑了这一趋势，给出了基于IP传输的方案，包括MPEG-DASH、MMT等。

为满足这一需要，基于IP的多媒体数据封装与传输逐步成为广播新标准的主要传输协议。正处于标准制定阶段的ATSC3.0广播标准已确认选择IP作为物理层的主要传输格式。作为物理层与上层协议的接口，IP数据包需要经过输入格式处理子系统封装为符合要求的基带帧才能进行传输。针对广播系统IP化这一新趋势，文章研究并提出了一种IP数据封装传输的新方法，能够兼顾封装效率、强健性与功能性等多方面因素。文章还研究并提出了一种具有高压缩效率、适用于无线广播系统的IP包头压缩算法。

1 输入格式处理子系统

1.1 简介

输入格式处理子系统是物理层与上层协议间的接口，其主要功能是处理待传输的数据包，根据物理层传输参数以及用户的配置，将输入数据包封装为可传输的基带帧。每个物理层管道都配置有一个输入格式处理子系统独立工作。输入格式处理子系统内部又主要包括模式适配和流适配两部分，前者用于适应不同格式的输入数据流，并插入所需的传输功能字段；后者则受物理层调度子系统的控制，实现帧同步、延时补偿及带内信令插入等功能。物理层整体结构与输入格式处理子系统框架分别如图1、图2所示。

1.2 基带帧结构

基带帧是输入数据处理子系统处理和封装输入数据后所得到的数据包结构。封装得到的基带帧还需进行BCH和LDPC编码，因此在确定调制编码参数之后，基带帧的帧长是固定的。

图1 物理层框图

图2 输入格式处理子系统框图

一个基带帧由帧头、数据域和可选的填零及带内信令构成。帧头主要用于承载解析当前基带帧所需的关键参数，包括数据类型、通道信息、数据域起始与长度信息、传输功能标志位等；数据域是实际承载待传输数据的空间，在输入数据包前后插入必要的传输功能字段以后，依次填入数据域；填零及带内信令区域用于填充基带帧内未用完的空间，带内信令也通过该区域进行传输。

基带帧的结构如图3所示。

图3 基带帧结构

输入数据处理子系统除了实现不同格式输入数据到基带帧的封装外，还用于提供传输层功能，这些功能包括：二层寻址、流同步（时间标记）、TS流空包删除、CRC校验等。不同传输功能将在数据包前后插入相应的字段，并在帧头特定位置标记传输功能的配置信息。

2 IP数据传输方案

2.1 间接传输方案

第一代数字电视广播标准使用了MPEG-2传输流（TS）作为主要的多媒体内容传输协议。为了使用第一代标准传输因特网协议（IP）数据包，各标准组织与专家组制定了若干基于TS流的扩展协议。

国际电联无线电通信部电视广播业务第1887号建议书[1]中，总结了两种使用传输流来承载IP包的方法：将IP包封装为TS专用流（ULE/TS），和将IP包封装为TS的一段。

前者由IETF组织提出并标准化[2]，其具体方法是首先在一个IP包前后增加封装字头和校验字段以形成子网数据单元（SNDU），然后把SNDU数据包分割后作为负载依次填入每个TS包中。

后者则是将IP包封装为TS流的一段并使用标准的TS协议传输，其中将IP包封装为TS流的一段时即可使用由ATSC组织提出的多媒体协议封装方法[3-4]，也可使用由欧洲电信标准学会（ETSI）提出的多协议封装方法（MPE/TS）[5]。

无论使用上述哪一种方案，都存在封装效率低、容错能力弱等不足。一个IP包在进行传输时，需要经过“IP包-SNDU（或DSM-CC或ULE）-TS-基带帧”多次封装，每次封装都引入额外的协议开销，降低了总体效率；TS包的长度为固定的188 byte，而IP包长度通常数倍于此，需要将一个IP包封装为多个TS包传输，传输过程更为脆弱，误码与丢包造成的影响更大；此外，多次封装使得协议栈过于复杂，导致物理层在传输时难以了解与分析所承载的数据内容及特性，无法在物理层内实现包头压缩、寻址等一些重要功能，也不支持跨协议层功能与设计。

DVB-T2物理层标准中增加了一种新的输入格式：通用流封装（GSE）[6]。GSE作为一种通用的数据格式，可以用于IPv4和IPv6数据包的封装与传输。这种方法需要进行“IP包-GSE-基带帧”两次封装，相比借助TS流间接传输的方法减少了一次封装、部分降低了协议开销。此外GSE协议本身也有一些有利于物理层传输的优点，例如数据包长度可变、提供了更完善的传输功能等，但是仍然没有完全解决封装效率较低、缺少传输功能等不足。

由ITU提出的TLV标准是与GSE类似的一种二层封装协议[7]，在对IP数据包进行间接封装传输时，存在与GSE类似的问题，同时还缺少广播物理层标准的支持。

2.2 直接传输方案

解决上述间接传输方案不足的最有效方法是在基带帧增加对IP数据包直接传输的支持，以消除多次协议转换与封装带来的弊端。

为实现这一目标，输入格式处理子系统需要进行如下改进：在帧头指示本帧承载的数据类型为IP数据；在帧头指示本帧数据域内起始IP数据包的位置；提供分隔相邻IP数据包的机制。该方案能够同时支持IPv4和IPv6两种协议，协议版本通过IP数据包头中的版本标记位识别，不需要在基带帧帧头或其他位置另行标记。

改进后的基带帧在进行IP数据直接封装传输时，帧结构如图4所示。

图4 IP数据包直接封装示意图

图中，IPType为1 bit的标志位，用于指示帧内数据类型是否为IP；起始位置字段SYNCD是长度为2 byte的整数，用于指示数据域头部到帧内第一个完整的IP数据包起始位置的距离；包长字段PKL为2 byte的整数，用于指示其后IP数据包的长度。

当某个基带帧数据域的剩余空间不足以容纳一个完整的IP数据包时，超出部分数据直接放在下一个基带帧数据域进行传输。由于IP数据包包头内已经包含了长度信息，因此也可以不插入PKL包长字段，接收端在解封装时直接解析IP数据包包头信息，并从中提取出长度信息。

2.3 封装效率比较

传输效率是广播物理层标准的最重要指标之一。在影响传输效率的各因素中，输入数据处理子系统的封装效率有直接影响，但同时也有很大的提升空间。

封装效率的定义是在一定的参数配置下，所需传输的数据包（SDU）长度之和与封装完成后的数据包（PDU）长度之和的比值，即

在输入格式处理子系统中，SDU为IP数据包，PDU为封装完成的基带帧。

若封装完成后的数据包长度固定，且增加的封装开销（Overhead）长度也是固定的，则封装效率的极限为

若封装完成后的数据包个数不变，且增加的封装开销（Overhead）长度是固定的，则封装效率极限为

式中：LSDU,LPDU,LOverhead分别为SDU、PDU和封装开销的长度。

当系统中存在多次封装时，总体封装效率为各次封装效率的乘积为

由此可以归纳得到各封装方法的效率，如表1所示。

表1 各封装方法效率比较

上述理论分析只考虑了一些基本情况，当使用不同的配置参数时，协议开销字段长度各不相同，效率也随之变化，表中只列出了最小可能值，实际封装效率可能存在差异；同时封装效率也与待封装的IP数据包长度LIP及封装完成的基带帧帧长LBBF有关。对于MPE/TS、ULE/TS及GSE封装效率的详尽研究及仿真可参考文献[8-9]。

若进一步简化，假设每个IP数据包长度LIP均为1 000 byte，基带帧帧长LBBF分别取为240 byte和7 000 byte，则从IP到物理层基带帧全链路的综合封装效率如表2所示。

表2 综合封装效率

表中可以看到，本文提出的IP数据直接封装方法，相比其他各间接封装方法，其封装效率有2%以上的提升。

3 IP数据包头压缩新方法

3.1 简介

使用IP作为传输层协议在一定程度上降低了传输效率，原因在于：IPv4和IPv6的最小数据包包头长度分别为20 byte和40 byte；UDP协议又需要占用额外的8 byte，相较于通常长度为几百到一千多字节的IP数据包，几十字节的包头信息是不小的协议开销。为了降低信息冗余度、提高传输效率，有必要对IP数据流中的数据包包头进行压缩。

现有的IP数据包头压缩方案主要有ITU-R BT.1869建议书所提出的广播字头压缩方法（HCfB）和IETF RFC3095提出的强健字头压缩（ROHC）[10]。前者方法需要与TLV封装协议联合使用，适用范围小；而后者则未针对广播应用中数据与信道的特征进行优化。

广播系统与互联网或其他移动通信系统存在很大差异，包括：通常为一对多的发送，大部分情况不把IP地址用于接收端的寻址；多为单向网，包头压缩流程中不应依赖回传通道反馈信息；传输的内容主要是音视频内容，IP数据包的类型单一、变化较少。此外数字电视广播系统物理层系统最小逻辑传输单元是基带帧，在进行包头压缩时应尽量以基带帧为数据压缩的边界，以削弱某帧错误或丢失对接收端造成的影响。

3.2 方案描述

综合上述特点与需求，为进一步改善传输效率，文章提出了一种新的广播信道中IP数据包头压缩方案。

该方案包含了两种压缩模式：地址压缩模式和高效压缩模式。在每种模式下，经过压缩的IP数据包包头中的相应字段会被删除。输入至系统的IP包被分类为一般IP数据包和UDP/IP数据包两类，这两类在不同压缩模式下需要被删减的字段如表3所示。在压缩IP包时，应当根据包头中指示IPv4或IPv6的版本标志位，进行不同的处理。

表3 IP包头压缩工作模式

进行IP包头压缩的前提是，被压缩数据包能够在接收端得到无损恢复。必须满足该条件才能进行字段删减。对于IP地址、UDP端口号、协议类型等变化字段，接收端恢复时直接使用前一IP数据包中的同等字段直接插入；对于数据包长度、校验字等可推断字段，接收端恢复时应根据接收到数据计算后插入。其中，前一IP数据包既可以是当前数据包之前接收到的未压缩（完整）的IP数据包，也可以是经过解压缩操作后恢复得到的数据包。

可以看到，一个IP数据包是否可压缩的判断条件是是否与前一IP数据包具有相同的参数，例如：若连续两个IP数据包的IP地址（包括源地址与目标地址）相同，则可以以地址压缩模式进行压缩；若连续两个IP数据包除IP地址外，协议类型、UDP端口号等其他内容也相同，则可以以高效压缩模式进行压缩。判断时，不考察数据包长度、校验字等可推断字段。若不满足上述判断条件，则发端不应该对数据进行压缩，以避免不可恢复的数据损失。

在定义了上述IP数据包压缩、解压方法后，可以针对数字电视广播系统物理层的特性，给出一组IP压缩的状态定义。以基带帧为单元，共有3种IP压缩状态：未压缩、帧内压缩和帧间压缩。未压缩状态中，基带帧内所有IP数据都不进行压缩。帧内压缩状态中，基带帧内第一个IP数据包不进行压缩，其后的IP数据包都需要进行压缩，且所使用的压缩模式必须相同，帧内所有IP数据包的数据类型必须相同。帧间压缩状态中，一个基带帧内所有IP数据都进行了压缩，且数据类型和压缩模式必须相同，此时该帧数据不能直接使用，依赖于前一帧接收到的IP数据。压缩模式和压缩状态信息都应作为帧头的一部分，随基带帧传输，供接收端使用。3种压缩状态图如图5所示。

图5 IP数据压缩状态图

3.3 算法性能

在对IP数据包的压缩过程中，需要在压缩效率和可靠性之间寻求平衡，确定适用的压缩模式与压缩状态。对于经过帧间压缩的基带帧，容易因为误码或丢帧的原因导致连续多个经过压缩后的基带帧无法解析，使得误码被扩大。因此使用帧内压缩是一种兼顾压缩性能和可靠性的做法。

在对算法性能的评估中，使用了一段录制于实际网络的视频传输流量，并基于该数据集使用不同的压缩模式进行了算法仿真。对于不同帧长与数据类型，其压缩后的封装效率如表4所示。

表4 IP压缩方法效率

表中可以看到，当启用了IP数据包头压缩功能时，对于两种长度的基带帧，得到封装效率的增益分别为0.29%、1.33%和0.58%、1.23%。对于较长的基带帧，封装效率已经大于100%，即系统传递的信息量大于实际封装和传输的比特数。并且，压缩后的数据包可以进行无损解压，不存在不可恢复的信息损失。可见该IP包头压缩方法能够有效地压缩IP数据包，降低数据冗余度，提供封装与传输效率。

4 总结

文章首先介绍了输入格式处理子系统的功能与结构。为了适应无线电视广播系统IP化传输的趋势，文章分析了现有IP数据包间接封装方案的特点与不足之处，并提出一种IP数据直接封装方案。理论分析表明，该直接封装方案能够将封装效率提高2%以上。

文章还进一步介绍了IP数据包包头压缩的重要性，通过简要介绍现有的包头压缩方案并分析其不足之处，提出了新的IP数据包头压缩方案。该方案针对广播信道物理层的特点进行优化，原理与实现简单，具有良好的压缩性能。基于实际环境录制的数据表明，能够进一步提高封装效率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

【本文献信息】徐洪亮，张文军，管云峰，等.下一代数字电视广播IP封装与传输技术研究[J].电视技术，2014，38（21）.

国家自然科学基金项目（61221001；61102051)；国家高技术研究发展计划项目（2012AA011701；2013AA013503）；国家自然科学基金创新团体项目（AF0300021）