廣播電視衛星地球站傳輸中的冗余設計及風險點分析

周賢祿

（西藏廣播影視節目傳輸中心，西藏拉薩 850000）

0 引言

廣播電視衛星傳輸是由廣播電視衛星地球站通過同步衛星將數字電視信號（可同時混入廣播音頻信號）經過壓縮編碼后，傳輸到用戶端的一種廣播傳輸形式。用戶端可以有兩種形式，一是將數字電視信號傳送到授權分發端，再由有線電視臺或電信運營商授權打包發送至授權用戶家中；二是由授權用戶直接在家中接收并解碼衛星數字電視，即直播衛星采用的傳輸方式。由于衛星對于廣播電視地球站發送來的信息進行了實時轉發，廣播電視節目信息從地球站傳送至用戶家中只有秒級的時間，這是衛星傳輸的重要特性。與此同時，對廣播電視衛星地球站傳送節目信息的安全穩定性提出了相當高的要求。由于目前我國各省級電視臺頻道播出內容相當豐富，且全年全天幾乎不間斷播放，如何保障廣播電視衛星地球站不間斷上行播出，也成為安全播出工作的關鍵。本文即從播出系統的冗余設計展開淺析。

1 供配電冗余

1.1 UPS 系統

UPS 冗余系統不間斷電源系統（簡稱UPS）是保障電子設備供配電的關鍵設備。UPS 是將電能儲存在電池組中，在市電中斷后或存在市電閃斷、波形不穩定時，不間斷地為用戶設備供電的一種能量轉換裝置。對于廣播電視地球站而言，在電源系統的配置上需要連接來自不同路徑的外電，其中一路為專電線路；當其中一路外部供電出現問題后，其他的外部供電（也可包含發電機）可進行接替。多路外部供電只有通過UPS 后才能為負載供電，UPS 根據不同的負載播出設備，設置電池組供電時間應達到30min 以上。

UPS 電源可以為衛星地球站提供如下優勢。（1）UPS電源可以提供較好的電源輸出特性。在外電正常供電時，外電經UPS 濾波回路后，再通過兩個回路實現輸出功能，一方面通過充電回路對電池組充電，另一方面經逆變回路，將電池組儲存的電能逆變轉換成220V 交流電，提供給負載設備使用。除了應對停電之外，在外電傳入過程遇到電壓過低或突變等情況時，UPS 均可以提供設備穩定且干凈的電力。UPS 可得到較好的控制輸出電壓、幅值、頻率，確保衛星地球站設備供電的穩定性、持續性。（2）增加電路隔離度。在正常的工作模式下，設備供電能源全部來自UPS 電池組，外電電力波形不會對UPS 電源輸出造成影響，可對設備可起到保護作用，可以有效應對外電瞬間突變等危險情況，一些UPS 系統本身還內置防浪涌等保護裝置，減少突然斷電或雷電造成的電壓尖峰，防止敏感電子設備受到損壞。（3）降低故障發生概率。UPS 并機是指兩個或多個UPS 在同時工作的過程中，讓相關的負載得以分散，降低故障發生概率，并在外電中斷、UPS 單機故障時起到備份冗余的作用[1]。

在廣播電視衛星地球站建設歷史中，UPS 系統主要采用幾種并機模式。（1）主從式熱備份。一般情況下，主機承受全部負荷，從機處于空載。主從熱備份系統通常是由一臺UPS 的輸出線接入到另一臺UPS 的旁路，正常工作時其中一臺UPS 在線，另一臺處于備用狀態。雖然主從串聯熱備份系統設備選擇靈活，無負載均分問題，對機器同步跟蹤要求也不高，但整個系統并沒有達到相互備份的基本條件，因為有兩個電源支路，所以主從機之間無法相互備用。切換時，從機需要帶階躍性負載能力，主從機互換困難，該方法目前已基本不再使用。（2）冗余并聯（N+X）。并聯冗余常采用N+1 方式，其中N 為主用，1為備用，當使用兩臺UPS 時，就構成1+1 方式，兩臺機器同時輸出，各帶50%負荷，過載能力強。兩臺UPS 輸入輸出直接并聯；并聯冗余要求并聯的UPS 同幅、同頻率、同相位；兩臺UPS 以及外電旁路可以形成3 條供電支路，兩臺UPS 能互為備份。當N+X 中的X>1 時，可以使用兩臺以上的UPS 組網并機，擴容較為方便。這種技術具有自主均分負載的優勢，配備并機控制系統、并機控制器、并機模塊、數碼智能控制系統，冗余并聯方式的技術手段一直在不斷進步，應用較為普遍。缺點是并聯的UPS 要求比較高，往往需要同一公司、同一類型的UPS，在系統中受互相控制因素和外界影響因素較多。因此，不同的并聯冗余方式具有不同環流無功損耗，需要添加額外的電路來降低損耗，由此會導致成本和事故發生率的增加，額外電路的穩定性又會直接降低整套并機系統的可靠性，但因其具備較多優勢，仍然作為比較常用的并機模式。（3）雙總線供電。雙總線供電可同時輸出兩路互不干擾的供電母線，各自獨立接駁雙電源負載，采用模塊化的并機，設置獨立靜態切換開關，同時為靜態切換開關設立維修旁路，減少風險系數。總負載為所有UPS 共同分擔，該方法雖然較好地消除了單點故障，但由于需要在電路增加同步控制模塊和雙路智能切換模塊，所以有可能產生新的故障點。（4）系統質量風險點。UPS 系統3 個最重要的作用在于穩定電力波形、消除雜波干擾和不間斷供電，一旦選擇或使用劣質UPS 產品，會對整個機房設備的正常工作產生很大的風險，UPS 系統作為廣播電視衛星地球站播出機房的生命線，一旦癱瘓，會引起廣播電視節目的非正常中斷。在決定UPS 系統時，不能單純把產品價格置于首位，因為低質量和高質量產品的價值差距甚大。盡量根據UPS 系統的實際需求、并機方式，選擇知名廠家、技術先進、質量和服務均有優良保障的產品。

1.2 雙電源供電系統

廣播電視地球站的播出設備全天不間斷運行，對于電力的保障尤為重要，不同于故障率要求較低的場合，廣播電視傳輸的安全性以秒為安全度量單位。因此，在設計和裝配地球站系統時，所有的播出設備原則上都應具備雙電源供電方案。絕大多數的計算機服務器、數字處理設備都會經過內部電源模塊將220V 交流外電轉換成適合本機工作所需的直流供電，一旦電源模塊故障，設備將失去工作能力，選用配備雙電源模塊的設備是重要的防御手段。為了增加冗余能力，理想條件下同一臺設備的雙電源模塊供電應分別取自不同的UPS 并機系統，如果采用單UPS 供電或多個UPS 并機供電，表面是雙路供電，但實際上是由同一臺UPS 或是并機UPS 系統通過不同的供電斷路器和回路向雙電源設備供電，仍然存在兩路電源回路同時斷開的風險。

2 節目信號傳輸通道冗余

一個常見的數字衛星電視系統包括前端系統、傳輸和上行系統、衛星、用戶管理系統、條件接收系統。這里的傳輸和上行系統是指廣播電視衛星地球站，把前端送來的廣播電視節目信息經站內的上行通信系統上行至通信衛星。站內的信號傳輸方式主要有數字基帶傳輸、中頻傳輸、射頻傳輸3 種。為了滿足廣播電視衛星不間斷傳送的需求，傳輸網絡的可靠性變得極為重要，為了地球站通信網絡的可靠性，需要進行冗余設計。

電子設備是構成廣播電視衛星地球站系統的基石，其運行狀態直接決定了系統運行的安全性與穩定性。盡管當前科技水平和設備制造工藝飛速提升，改善了播出設備運行的穩定性，但依然無法徹底避免電子設備故障的出現。廣電衛星地球站系統除了上面提到的3 種信號傳輸方式外，還包括下行設備系統、監管設備系統等技術設備，具有類型多、品牌多、設備數量大等特征，而設備的適配性、使用壽命等因素都有可能產生故障節點。為了保證系統的不間斷運行，在冗余設計時可考慮以下設計。

（1）前端傳輸鏈路的冗余設計：前端系統（這里一般指廣播電視臺的播出機房）將廣播電視節目傳送至地球站播出機房，傳輸方式一般分為有線方式（光通訊）或無線方式（微波），為保證傳輸鏈路意外中斷時不影響節目播出，需要具備冗余傳輸鏈路，以不同的地理路徑進行傳輸。（2）單元設備冗余可靠設計：任意一個設備出現故障都不會影響廣播電視節目的上行業務，這就要求硬件上必須有冗余，在軟件上必須考慮當硬件設備出現故障時，業務可以由其他備份設備承接。同時也要求軟件組件出現故障時，業務可以由其他軟件處理組件承接，使得廣播電視節目上行不中斷/快速恢復。單元設備的冗余包括網絡通信設備、音視頻編碼設備、碼流復用設備、中頻設備、射頻設備、數據交換設備、計算機服務器等，遵循組件1+1備份或者N+1 備份機制等[2]。（3）地理災備設計：在出現地震等地理災害時，兩個相同功能的上行系統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）冗余上行系統：在條件允許的情況下，按照整套上行系統的1:1 模式或者精簡化模式建立冗余上行系統，緊急狀態下接替上行系統的業務，也可提供日常值機人員開展模擬操作和演練。但不同品牌的編碼復用設備的軟硬件設置上均有各自的方法，需要獨立進行設置；其設備兼容性要在設計完成后嚴格測試；最終冗余上行系統輸出的碼流，需經過碼流測試儀的檢測，通過微調冗余上行系統確保與主用上行系統的碼流參數一致。（5）風險點：冗余切換。傳輸網絡冗余的設計，除了配置硬件冗余資源以外，最重要的是檢測到設備、子系統、鏈路的異常，并在檢測到異常后，隔離異常的鏈路以及組件，使得廣播電視節目上行業務運行在正常的設備、組件鏈路中，這就需要建立單元設備、子系統、軟件之間的配合與聯動機制[3]。

除了設備的N+1 配置保證安全外，上行播出系統一般采用科學先進的冗余切換機制，以保證系統進行“無縫切換”。工作原理為，前端傳送來的主備用節目源信號都會被同步分配到不同的基帶、中頻、高頻冗余鏈路中，由計算機服務器進行各環節的信息采樣，并交由軟件進行自動檢測，根據提前設定好的邏輯進行冗余切換操作。冗余切換可以看成對倒換開關的操作，這樣就存在兩類“開關”類型，即實體“開關”與電子板卡“開關”[4-5]。常見的實體“開關”有音視頻切換矩陣、中頻及ASI 信號倒換開關、波導切換開關等，電子板卡“開關”常集成于編碼器、復用器等基帶處理設備內部，輸入及輸出均有冗余通道，由設備按邏輯自主設定在線通道和熱備份通道。

冗余切換設計時應注意：（1）切換開關及帶有智能化切換功能的設備必須提供雙電源供電，并在條件允許的情況下，盡可能采用不同的UPS 供電回路。（2）切換開關應具備掉電直通和掉電記憶功能，并在合理環節設置跳線盤。如開關器件徹底失效時，通過跳線盤屏蔽蓋器件[6]。（3）各類傳輸控制信號及采樣信號的以太網交換機也需使用雙電源供電，并在條件允許的情況下，盡可能采用不同的UPS 供電回路。目前計算機自動控制廣泛使用于廣播電視播出系統中，而交換機等小型設備的雙電源供電往往會被忽視，當交換機斷電時，意味著控制端與受控端無法正常通信，由服務器軟件發出的冗余切換指令很有可能無法正確傳遞給目標設備或器件，造成播出中斷。（4）在冗余設計的思想下，交換機產品也需要有主備配置。（5）電子產品常年處于運行狀態，必須關注器件是否有老化及失靈現象。可在維護時間段，手動對切換器件進行檢測，觀察切換功能是否正常，切換延遲是否在允許時間范圍內[7]。（6）在停機維護時間段，對各服務器軟硬件進行重啟，以避免服務器操作系統及軟件“卡死”。（7）切換邏輯的合理性和科學性，是否存在BUG 造成系統漏判異態而不能自動切換，迫使人工干預，造成異態時間延長。

3 結語

廣播電視衛星地球站播出系統，從源頭至發送端設備功能復雜、設備種類繁雜，冗余設計思想體現在系統的方方面面，有效規避系統鏈路中出現單一節點環節、提高播出系統的冗余能力是廣播電視衛星傳輸系統設計時的重要目標之一。