Клиент-серверная система мониторинга качества ТВ-вещания в России

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 при оценке ее ра-

• в vl@karyakin.ru (Карякин Владимир Леонидович)

BSB^ei © Карякин В.Л., 2022

ботоспособности в процессе эксплуатации и к 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 статье 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 микроком- пьютерами, 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.

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 агрегации, хранения и последующего анализа. В прототипе системы для хранения

Рис. 2. Клиент-серверная архитектура платформы мониторинга

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

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, которые 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 – мультиплатформен-ное 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 и 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 и позволяют контролировать качество вещания в онлайн-режиме из Федерального центра формирования мультиплексов.

Предлагаемая методика мониторинга [6; 7] дает возможность 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 обогащения 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-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 теле- метрии 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 – Российской телевизионной и радиовещательной сети, а также филиалах контролирующей компании ГРЧЦ – Главного радиочастотного центра. 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.

Анализ полученных результатов, представленных на рис. 3, и визуализация данных состояния на индикаторной панели позволяют количествен-

Коэффициент битовых ошибок Kber = F(t)

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 но судить о качестве приема в одной из зон вещания. Сбор и обработка данных в областях вещания с помощью предлагаемой платформы мониторинга (рис. 2) позволят 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, можно повысить качество предоставляемых услуг и оперативность устранения возникающих проблем

Заключение

• 1.    Разработка распределенной системы мониторинга качества телерадиовещания стандарта

  DVB-T2 является первостепенной задачей по завершении 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) позволят 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] обеспечат решение перечисленных выше проблем [4], связанных с сертификацией передатчиков, реализацией возможностей стандарта по выбору оптимальных параметров SFN , повышению надежности вещания, предоставлению различных сервисов и услуг телерадиовещания стандарта DVB-T2 населению с высоким качеством.