直播卫星传输中应急广播技术开发及应用

2024-01-16贵州省思南县双塘街道办事处文化站任廷霞

卫星电视与宽带多媒体 2023年23期

■ 贵州省思南县双塘街道办事处文化站：任廷霞

随着我国应急广播体系建设的逐渐完善与成熟，为保证人民生命财产安全，在我国各个省市区域分别建立了应急广播系统，在面对重大自然灾害、重大突发事件以及公共卫生事件时，能在第一时间进行预警，从而将影响降至最低。现阶段我国主要应用的应急广播技术主要采用“有线+无线”的传输模式，覆盖面积相当广阔，针对我国部分偏远地区则采用中波、调频的形式进行覆盖，该方式对外部环境有着较强的抗干扰能力，其信号传输质量更高，能保证消息的及时传递。

1. 研发与设计应急广播技术的背景

迄今为止，我国主要应用的直播卫星分别是中星六号和中星九号。中星六号主要利用C频带进行信号传输，在卫星中搭载了1 m左右的信号接收器；而中星9号则采用Ku频带进行传输，相较于中星6号，其天线接收器的口径更小，只有30～40 cm。中星9号在发射部署到后续投入运营使用，均有着良好的表现，在对外部环境的抗干扰能力上也有着不俗的表现，由于在天线接收器的口径上做出调整，该直播卫星与地面部署的应急广播终端有着较高的契合度。而在2021年发射的中星9B卫星则是在原有中星9号的基础上进行了升级，采用了KuBSS频带，传输能力得到提升，传播效果得到增强。

2. 系统框架及业务流程

本文以内蒙古地区应急广播系统为例进行分析和介绍。在最新发布与实施的《应急广播平台接口规范》中，对内蒙古地区应急广播消息传播流程进行规范，所配置的直播卫星紧急广播适配器，将收到的紧急广播信息TAR分组，转换成含有紧急广播命令和紧急广播数据的TS流。修改后的紧急情况下的TS信号，通过内蒙古地区的电视信号多路传输，将原来发送到现场的多路信号组合成一个信号，再通过省级网络备用光纤电缆，将其发送到中国有线电视网络内蒙古网络，接入骨干网络。骨干网络主要备用光纤传输这一套程序的资料，并将其传输到综合的卫星电视播放平台上作为备用资料的主要来源。经现场卫星综合播放平台多路复用，经DCAS加密后，再经WEB京内地基光纤传输网，经北京大地观测站542台，再经信号处理后，上行链路，发送到卫星转发器，完成内蒙古地区紧急情况下的现场信号处理工作。

2.1 应急广播数据前端集成

我国内蒙古自治区的紧急广播平台的建设是完全按照国家规定标准，所有通过该平台发布的消息都需要经过国家密码的签署，并进行TAR封包后，上传至直播卫星适配器中集中转换，并以TS流形式传输至地面接收设备当中，再由当地的主要光缆进行输送。由于应急广播是在面对重大以及突发事件时启用的应急安全设备，在消息的传递上必须有国家密码的签名，紧急广播消息上传至直播卫星后，系统对消息指令进行验证，一旦出现验证失败的情况，便会将紧急广播消息返回地面单位，也不会对消息进行广播。该系统流程是防止不法分子利用系统中的漏洞，发布不实信息与虚假指令，进而影响社会秩序，在社会中造成恐慌。通过假设国家密码验签，能在最大程度上确保命令的正确性、真实性和完整性。

2.2 干线网传输

在整个网络中，通过路由保护、复用段环保护、信道环境保护以及端口SNCP选择保护，来保证网络的安全性。骨干网络的传送设备，配电盘，交叉盘，线路板，分支板，全部都是1+1的备用模式，实现了“双环，双通道，双设备，无交叉”的安保措施，符合《广电网络安全播放条例》的有关规定。紧急情况下，通过主备份线光纤传输到内蒙古地区中国有线电视内蒙古分公司，采用ASI文件传输方式。中国已有线将主路上的ASI信号经过调整，并与SDH传送装置相连接；再将备路的ASI信号，直接与DTM传送装置相连，将主、备信号经异质传送网络传送到中国的第一个有线基站。

2.3 卫星直播中心播出机房前端集成

中国有线电视第一台以SDH从骨干网络主路上的SDH装置发出的E12M讯号为主要讯号，经由京内10 GSDH主路由传送到卫星转播台，再经由E1/ASI转接器，将ASI信号送出；将骨干DTM装置所发出的ASI信号，以其为后备信号，经京内DTM系统传送到电视转播室。中国有线两条主、备用ASI线路通过转接器适配进入ASI转换开关，转换后与1∶1的主、备用多工器连接。主备复用器每一次都会输出2个ASI信号，这些ASI信号将会被送到主备1：1ASI开关器中，经过独立保护开关之后，主备开关器每一次都会输出一条ASI信号，这些ASI信号将会被用作主系统的输出信号，总的码率大约是43.1 Mbps。为了确保信号传输的安全，在卫星直播中心构建了1∶1备用系统，其中，主备复用器每一次都会输出2个ASI信号，并将其分别送入到主备1∶1ASI开关器中，而主备切换器则会每一次都会输出1个ASI信号，并将其作为备用系统的输出信号。

主备用系统的ASI信号与两个系统之间的终端交换器相连，有一条线路用作系统的备用，而主备用终端交换器又将两条线路输出到地球站的上行。

2.4 地球站上行传输

（1）监测系统：地面站的音/影监控系统，在主备路节目源，调制器切换输出，大小天线接收，在大小天线接收等关键节点上，都会进行音/影监控，并具有黑屏、静帧、马赛克、伴音丢失等自动报警，使之能够快速找到并判定出问题所在，并通过摄像、记录码流等手段，记录下这些信号，24小时监控下行接收频谱。

（2）配电系统：地球站的建设符合国家电网的标准，高低压供电均符合现行的国家及行业标准。地球站由两条来自上行的不同变电所的外部电源组成，一条是专用线路，在一条线路出现故障时，另一条线路不会受到影响。满足产品质量检验标准。

（3）自动调度系统：将地球站的上行系统，并入到现有的无线局自动调度系统中，对其进行统一的管理，从而能够完成对播出方案的自动执行，对播出异态进行准确判断、定位及处理提示、异态信息自动发布、运行数据的定制分析及播出信息服务等功能，从而可以对其进行有效的保障，确保其安全播出及抗干扰要求。

（4）其他技术配置：该系统配备了具有异态声光预警功能的电力和环境监控系统，并对其进行了实时监控。另外，在设备机房，供配电机房，天线场区等重要区域安装了摄像头和摄像头。

3. 技术要点分析

3.1 新型应急广播应用模式

现有的GD/J084～GD/j087技术，只针对调频、中波、有线和地面数字电视等常规的广电业系统，而该技术在内蒙古局部区域并不适合，并且需要大量的人力和物力投资。本课题采用的是实况星信道，其直播星信道的覆盖率经过了内蒙古地区“户户通”长时间的实际应用检验，同时采用了圆偏振的卫星接收机，具有体积小，成本低等优点。紧急广播数据信息使用了直播卫星数据信道来进行传送，PID识别的数据传送方式与TS流中用Service组建来描述服务类型的方式不同，使用了一个不同的PID来识别不同类型的紧急广播数据，使得服务类型识别更为清晰。本项目拟通过卫星实况转播技术，对新链路进行卫星实况转播，并利用“户户通”的接收机实现对突发事件的快速反应和快速播放，其体系架构扁平化，全面符合I类突发事件的时效性需求，全面保证其高可用性，目前尚无此方面的研究。

3.2 双国家密码技术体系

（1）应急广播指令安全保护机制：针对紧急广播信息和命令的安全性问题，提出了一种基于数字签名的紧急广播信息和命令的安全性保障方法，该方法使用了SM2和SM3加密算法。在紧急广播信息或者命令的发送者使用该信息或者命令计算将被传送的紧急广播信息和命令以及带有随机数的数字签字；应急广播报文或命令发送者，其将所算得的应急广播报文或命令、随机数和应急广播发送者的安全组件的数字凭证号码一起发送；在收到该紧急广播信息或指示之后，使用该紧急广播信息或指示的发送者的数字证书来对该紧急广播信息或指示进行确认，确认通过后，该接收者开始执行该紧急广播信息或指示；如果确认失败，那么接收方将不会进行，并对其进行处理，而确认失败的指示或者信息将会被返回到紧急广播平台上。

（2）DCAS系统的密钥机制：DCAS密钥生成机制主要有：根密钥生成机制，层次密钥生成机制，数据安全管理机制，服务加解密机制等。所述的根密钥衍生机构使得所述的安全性晶片可以使用其内部的根密钥衍生模组来即时衍生出个人化的根密钥；采用分布式的数据安全管理方法，保证了根密码的产生和管理的安全性；在此基础上，通过对根密钥的衍生与信息的处理，实现了多个DCAS系统在相同的安全性基础上，对其进行了深入的研究。

3.3 超低带宽

在数据编码和压缩方面，每一台PID都是一个单独的广播服务，将其作为一种标准AAC的数据编码模式从MPEG-1Layer2进行了改进，将其作为基准AAC进行改进，将其比特速率从128 kbps降低到小于20 kbps（实际大约15 kbps），从而大大节省了带宽。从本工程的具体要求来看，乡村大喇叭应满足基本的广播播发，其要求是可以被接收到，并且可以进行远距离的传输，因此，在此参照AAC对其进行数据压缩。在原来的模式下，20个紧急信号的传输所需的带宽大约为4 Mbps；经过改进，该方案所需的宽带仅为0.5 Mbps，比原方案减少了80%。在PID的传递过程中，用紧急广播命令来表示，无需PMT表、SDT表、PCR等内容来说明。根据这一点，多个并发紧急广播数据与应急广播指令复用下发，在除去PMT表、SDT表、PCR等之后，可以大幅节省传送带宽。以20个通道的紧急广播为例，在进行优化之前，PSI/SI的这一段要占据1 Mbps的带宽；经优化后，此段时间的带宽利用率为0。

3.4 超低时延

（1）系统平台端口：原本的处理模式，是在接到消息之后，依照消息接入与审核、媒资采集与入库、调度控制、预案生成、指令生成、打包加签、数据入库、分发传输等步骤来对其进行处理，而且在处理的时候，还必须与大屏展示部分进行实时交互与通信。经过优化的过程：对过程进行理性计划，对最终结果进行大屏幕显示。在满足基础服务要求的前提下，可以迅速地完成对信息的访问和审核，对资源进行调度和筛选，对计划和指令进行生成和发布，对数据进行打包和签名，然后进行数据的直接传送。最后，对过程中所需的媒体资源入库，数据入库等进行后台处理；同时，通过与大屏幕的互动，实现了大屏幕的显示。

（2）卫星适配器端口：对于时延的需求，适配器也是如此，按照服务第一的原则，在设置好信息服务要求之后，接收TAR数据包，迅速地进行安全验证，在完成对整体业务内容的处理后，对数据库进行了相应的修改，这样就不会对系统造成任何影响了。

（3）传输终端：通过多线程的方式，在接收到紧急广播命令后，对命令的解释性和命令的安全性验证同时进行，通过对判决逻辑的优化，迅速找到与紧急广播相对应的报文，在命令的安全性验证与命令的同步后，由局部译码器执行紧急广播。

4. 直播卫星应急广播技术的具体应用

直播卫星应急广播技术主要应用于我国乡镇及偏远地区，信号接受相对较差的区域，借助有线电视网络或卫星传输信号，实现应急广播系统的建设与有效应用，在面对重大突发事件与自然灾害的情况下当地广播电视台快速做出反应。同时，基于直播卫星应急广播技术，覆盖面积极其广泛。首先，该地区的广播电视台可从整体角度出发，构建区级的应急广播控制中心，在面对突发险情时，将需要传播的信息利用调频调制器进行输送，并以无线电信号的形式进行传输，借助主要网络干线，利用当地区域的光缆网将射频信号输送至乡镇或农村地区的广播电视接收站，再利用调频系统将射频信号转换为音频信号进行传播。最后，使用应急广播的各种功能，来完成对紧急消息的播放。这种自上而下的信息传递，还可以用于乡镇以下农村地区的应急广播信息的接收，从而使得应急广播技术在地区、乡镇及农村之间，构成了一个互动的应急广播信息网络，并可以完全覆盖应急广播所属地区。另外，乡镇及以下的农村区域，所使用的调频控制系统具有极高的自动化程度，其信号传输与转换皆是由自动接收机完成。若无射频信号传输，其系统就不会被触发，调制器也不会被启动。从而在不影响工作的前提下，实现了很好的资源和能源节约。