广播电视卫星地球站传输中的冗余设计及风险点分析

2023-10-30周贤禄

中国科技纵横 2023年15期

周贤禄

（西藏广播影视节目传输中心，西藏拉萨 850000）

0 引言

广播电视卫星传输是由广播电视卫星地球站通过同步卫星将数字电视信号（可同时混入广播音频信号）经过压缩编码后，传输到用户端的一种广播传输形式。用户端可以有两种形式，一是将数字电视信号传送到授权分发端，再由有线电视台或电信运营商授权打包发送至授权用户家中；二是由授权用户直接在家中接收并解码卫星数字电视，即直播卫星采用的传输方式。由于卫星对于广播电视地球站发送来的信息进行了实时转发，广播电视节目信息从地球站传送至用户家中只有秒级的时间，这是卫星传输的重要特性。与此同时，对广播电视卫星地球站传送节目信息的安全稳定性提出了相当高的要求。由于目前我国各省级电视台频道播出内容相当丰富，且全年全天几乎不间断播放，如何保障广播电视卫星地球站不间断上行播出，也成为安全播出工作的关键。本文即从播出系统的冗余设计展开浅析。

1 供配电冗余

1.1 UPS 系统

UPS 冗余系统不间断电源系统（简称UPS）是保障电子设备供配电的关键设备。UPS 是将电能储存在电池组中，在市电中断后或存在市电闪断、波形不稳定时，不间断地为用户设备供电的一种能量转换装置。对于广播电视地球站而言，在电源系统的配置上需要连接来自不同路径的外电，其中一路为专电线路；当其中一路外部供电出现问题后，其他的外部供电（也可包含发电机）可进行接替。多路外部供电只有通过UPS 后才能为负载供电，UPS 根据不同的负载播出设备，设置电池组供电时间应达到30min 以上。

UPS 电源可以为卫星地球站提供如下优势。（1）UPS电源可以提供较好的电源输出特性。在外电正常供电时，外电经UPS 滤波回路后，再通过两个回路实现输出功能，一方面通过充电回路对电池组充电，另一方面经逆变回路，将电池组储存的电能逆变转换成220V 交流电，提供给负载设备使用。除了应对停电之外，在外电传入过程遇到电压过低或突变等情况时，UPS 均可以提供设备稳定且干净的电力。UPS 可得到较好的控制输出电压、幅值、频率，确保卫星地球站设备供电的稳定性、持续性。（2）增加电路隔离度。在正常的工作模式下，设备供电能源全部来自UPS 电池组，外电电力波形不会对UPS 电源输出造成影响，可对设备可起到保护作用，可以有效应对外电瞬间突变等危险情况，一些UPS 系统本身还内置防浪涌等保护装置，减少突然断电或雷电造成的电压尖峰，防止敏感电子设备受到损坏。（3）降低故障发生概率。UPS 并机是指两个或多个UPS 在同时工作的过程中，让相关的负载得以分散，降低故障发生概率，并在外电中断、UPS 单机故障时起到备份冗余的作用[1]。

在广播电视卫星地球站建设历史中，UPS 系统主要采用几种并机模式。（1）主从式热备份。一般情况下，主机承受全部负荷，从机处于空载。主从热备份系统通常是由一台UPS 的输出线接入到另一台UPS 的旁路，正常工作时其中一台UPS 在线，另一台处于备用状态。虽然主从串联热备份系统设备选择灵活，无负载均分问题，对机器同步跟踪要求也不高，但整个系统并没有达到相互备份的基本条件，因为有两个电源支路，所以主从机之间无法相互备用。切换时，从机需要带阶跃性负载能力，主从机互换困难，该方法目前已基本不再使用。（2）冗余并联（N+X）。并联冗余常采用N+1 方式，其中N 为主用，1为备用，当使用两台UPS 时，就构成1+1 方式，两台机器同时输出，各带50%负荷，过载能力强。两台UPS 输入输出直接并联；并联冗余要求并联的UPS 同幅、同频率、同相位；两台UPS 以及外电旁路可以形成3 条供电支路，两台UPS 能互为备份。当N+X 中的X>1 时，可以使用两台以上的UPS 组网并机，扩容较为方便。这种技术具有自主均分负载的优势，配备并机控制系统、并机控制器、并机模块、数码智能控制系统，冗余并联方式的技术手段一直在不断进步，应用较为普遍。缺点是并联的UPS 要求比较高，往往需要同一公司、同一类型的UPS，在系统中受互相控制因素和外界影响因素较多。因此，不同的并联冗余方式具有不同环流无功损耗，需要添加额外的电路来降低损耗，由此会导致成本和事故发生率的增加，额外电路的稳定性又会直接降低整套并机系统的可靠性，但因其具备较多优势，仍然作为比较常用的并机模式。（3）双总线供电。双总线供电可同时输出两路互不干扰的供电母线，各自独立接驳双电源负载，采用模块化的并机，设置独立静态切换开关，同时为静态切换开关设立维修旁路，减少风险系数。总负载为所有UPS 共同分担，该方法虽然较好地消除了单点故障，但由于需要在电路增加同步控制模块和双路智能切换模块，所以有可能产生新的故障点。（4）系统质量风险点。UPS 系统3 个最重要的作用在于稳定电力波形、消除杂波干扰和不间断供电，一旦选择或使用劣质UPS 产品，会对整个机房设备的正常工作产生很大的风险，UPS 系统作为广播电视卫星地球站播出机房的生命线，一旦瘫痪，会引起广播电视节目的非正常中断。在决定UPS 系统时，不能单纯把产品价格置于首位，因为低质量和高质量产品的价值差距甚大。尽量根据UPS 系统的实际需求、并机方式，选择知名厂家、技术先进、质量和服务均有优良保障的产品。

1.2 双电源供电系统

广播电视地球站的播出设备全天不间断运行，对于电力的保障尤为重要，不同于故障率要求较低的场合，广播电视传输的安全性以秒为安全度量单位。因此，在设计和装配地球站系统时，所有的播出设备原则上都应具备双电源供电方案。绝大多数的计算机服务器、数字处理设备都会经过内部电源模块将220V 交流外电转换成适合本机工作所需的直流供电，一旦电源模块故障，设备将失去工作能力，选用配备双电源模块的设备是重要的防御手段。为了增加冗余能力，理想条件下同一台设备的双电源模块供电应分别取自不同的UPS 并机系统，如果采用单UPS 供电或多个UPS 并机供电，表面是双路供电，但实际上是由同一台UPS 或是并机UPS 系统通过不同的供电断路器和回路向双电源设备供电，仍然存在两路电源回路同时断开的风险。

2 节目信号传输通道冗余

一个常见的数字卫星电视系统包括前端系统、传输和上行系统、卫星、用户管理系统、条件接收系统。这里的传输和上行系统是指广播电视卫星地球站，把前端送来的广播电视节目信息经站内的上行通信系统上行至通信卫星。站内的信号传输方式主要有数字基带传输、中频传输、射频传输3 种。为了满足广播电视卫星不间断传送的需求，传输网络的可靠性变得极为重要，为了地球站通信网络的可靠性，需要进行冗余设计。

电子设备是构成广播电视卫星地球站系统的基石，其运行状态直接决定了系统运行的安全性与稳定性。尽管当前科技水平和设备制造工艺飞速提升，改善了播出设备运行的稳定性，但依然无法彻底避免电子设备故障的出现。广电卫星地球站系统除了上面提到的3 种信号传输方式外，还包括下行设备系统、监管设备系统等技术设备，具有类型多、品牌多、设备数量大等特征，而设备的适配性、使用寿命等因素都有可能产生故障节点。为了保证系统的不间断运行，在冗余设计时可考虑以下设计。

（1）前端传输链路的冗余设计：前端系统（这里一般指广播电视台的播出机房）将广播电视节目传送至地球站播出机房，传输方式一般分为有线方式（光通讯）或无线方式（微波），为保证传输链路意外中断时不影响节目播出，需要具备冗余传输链路，以不同的地理路径进行传输。（2）单元设备冗余可靠设计：任意一个设备出现故障都不会影响广播电视节目的上行业务，这就要求硬件上必须有冗余，在软件上必须考虑当硬件设备出现故障时，业务可以由其他备份设备承接。同时也要求软件组件出现故障时，业务可以由其他软件处理组件承接，使得广播电视节目上行不中断/快速恢复。单元设备的冗余包括网络通信设备、音视频编码设备、码流复用设备、中频设备、射频设备、数据交换设备、计算机服务器等，遵循组件1+1备份或者N+1 备份机制等[2]。（3）地理灾备设计：在出现地震等地理灾害时，两个相同功能的上行系统要部署在不同的地方。比如，部署在不同的城市，甚至在不同的省份。（4）冗余上行系统：在条件允许的情况下，按照整套上行系统的1:1 模式或者精简化模式建立冗余上行系统，紧急状态下接替上行系统的业务，也可提供日常值机人员开展模拟操作和演练。但不同品牌的编码复用设备的软硬件设置上均有各自的方法，需要独立进行设置；其设备兼容性要在设计完成后严格测试；最终冗余上行系统输出的码流，需经过码流测试仪的检测，通过微调冗余上行系统确保与主用上行系统的码流参数一致。（5）风险点：冗余切换。传输网络冗余的设计，除了配置硬件冗余资源以外，最重要的是检测到设备、子系统、链路的异常，并在检测到异常后，隔离异常的链路以及组件，使得广播电视节目上行业务运行在正常的设备、组件链路中，这就需要建立单元设备、子系统、软件之间的配合与联动机制[3]。

除了设备的N+1 配置保证安全外，上行播出系统一般采用科学先进的冗余切换机制，以保证系统进行“无缝切换”。工作原理为，前端传送来的主备用节目源信号都会被同步分配到不同的基带、中频、高频冗余链路中，由计算机服务器进行各环节的信息采样，并交由软件进行自动检测，根据提前设定好的逻辑进行冗余切换操作。冗余切换可以看成对倒换开关的操作，这样就存在两类“开关”类型，即实体“开关”与电子板卡“开关”[4-5]。常见的实体“开关”有音视频切换矩阵、中频及ASI 信号倒换开关、波导切换开关等，电子板卡“开关”常集成于编码器、复用器等基带处理设备内部，输入及输出均有冗余通道，由设备按逻辑自主设定在线通道和热备份通道。

冗余切换设计时应注意：（1）切换开关及带有智能化切换功能的设备必须提供双电源供电，并在条件允许的情况下，尽可能采用不同的UPS 供电回路。（2）切换开关应具备掉电直通和掉电记忆功能，并在合理环节设置跳线盘。如开关器件彻底失效时，通过跳线盘屏蔽盖器件[6]。（3）各类传输控制信号及采样信号的以太网交换机也需使用双电源供电，并在条件允许的情况下，尽可能采用不同的UPS 供电回路。目前计算机自动控制广泛使用于广播电视播出系统中，而交换机等小型设备的双电源供电往往会被忽视，当交换机断电时，意味着控制端与受控端无法正常通信，由服务器软件发出的冗余切换指令很有可能无法正确传递给目标设备或器件，造成播出中断。（4）在冗余设计的思想下，交换机产品也需要有主备配置。（5）电子产品常年处于运行状态，必须关注器件是否有老化及失灵现象。可在维护时间段，手动对切换器件进行检测，观察切换功能是否正常，切换延迟是否在允许时间范围内[7]。（6）在停机维护时间段，对各服务器软硬件进行重启，以避免服务器操作系统及软件“卡死”。（7）切换逻辑的合理性和科学性，是否存在BUG 造成系统漏判异态而不能自动切换，迫使人工干预，造成异态时间延长。