下一代數字電視廣播IP封裝與傳輸技術研究

徐洪亮，張文軍，管云峰，何大治，史夢蕾

（1.數字電視國家工程研究中心，上海 200240；2.上海交通大學，上海 200240）

下一代數字電視廣播IP封裝與傳輸技術研究

徐洪亮1,2，張文軍1,2，管云峰1,2，何大治1,2，史夢蕾1,2

（1.數字電視國家工程研究中心，上海 200240；2.上海交通大學，上海 200240）

研究了下一代數字電視廣播標準中輸入格式處理技術，重點關注擴展輸入格式、提高封裝效率、增強傳輸功能三個方面。提出了一種因特網協議（IP）數據包的直接封裝與傳輸方法，還提出了一種具有更高封裝效率的包頭壓縮方法。理論分析與仿真表明，在傳輸IP數據包時，新方案提出的直接封裝方案能夠提高傳輸效率約2%，提出的IP數據包包頭壓縮方法能夠提高封裝效率0.3%～1.3%。

輸入格式處理；因特網協議；包頭壓縮

在第一代數字電視廣播標準成功應用基礎之上，第二代數字電視廣播標準的制定也在全球范圍內先后啟動。2008年6月DVB組織率先公布了DVB-T2標準；2013年美國ATSC組織啟動了ATSC3.0標準的制定工作。在這些已制定或正在制定的標準中，除進一步提高傳輸效率、改善接收質量外，增強廣播系統功能，特別是多媒體傳輸與呈現及互動功能成為工作重點之一。基于IP的電視廣播傳輸技術在技術層面能夠支持多樣化的內容傳輸，在業務層面有助于實現多屏互動，也是實現三網融合的重要舉措。一些新的音視頻編解碼及傳輸方案也已經充分考慮了這一趨勢，給出了基于IP傳輸的方案，包括MPEG-DASH、MMT等。

為滿足這一需要，基于IP的多媒體數據封裝與傳輸逐步成為廣播新標準的主要傳輸協議。正處于標準制定階段的ATSC3.0廣播標準已確認選擇IP作為物理層的主要傳輸格式。作為物理層與上層協議的接口，IP數據包需要經過輸入格式處理子系統封裝為符合要求的基帶幀才能進行傳輸。針對廣播系統IP化這一新趨勢，文章研究并提出了一種IP數據封裝傳輸的新方法，能夠兼顧封裝效率、強健性與功能性等多方面因素。文章還研究并提出了一種具有高壓縮效率、適用于無線廣播系統的IP包頭壓縮算法。

1 輸入格式處理子系統

1.1 簡介

輸入格式處理子系統是物理層與上層協議間的接口，其主要功能是處理待傳輸的數據包，根據物理層傳輸參數以及用戶的配置，將輸入數據包封裝為可傳輸的基帶幀。每個物理層管道都配置有一個輸入格式處理子系統獨立工作。輸入格式處理子系統內部又主要包括模式適配和流適配兩部分，前者用于適應不同格式的輸入數據流，并插入所需的傳輸功能字段；后者則受物理層調度子系統的控制，實現幀同步、延時補償及帶內信令插入等功能。物理層整體結構與輸入格式處理子系統框架分別如圖1、圖2所示。

1.2 基帶幀結構

基帶幀是輸入數據處理子系統處理和封裝輸入數據后所得到的數據包結構。封裝得到的基帶幀還需進行BCH和LDPC編碼，因此在確定調制編碼參數之后，基帶幀的幀長是固定的。

圖1 物理層框圖

圖2 輸入格式處理子系統框圖

一個基帶幀由幀頭、數據域和可選的填零及帶內信令構成。幀頭主要用于承載解析當前基帶幀所需的關鍵參數，包括數據類型、通道信息、數據域起始與長度信息、傳輸功能標志位等；數據域是實際承載待傳輸數據的空間，在輸入數據包前后插入必要的傳輸功能字段以后，依次填入數據域；填零及帶內信令區域用于填充基帶幀內未用完的空間，帶內信令也通過該區域進行傳輸。

基帶幀的結構如圖3所示。

圖3 基帶幀結構

輸入數據處理子系統除了實現不同格式輸入數據到基帶幀的封裝外，還用于提供傳輸層功能，這些功能包括：二層尋址、流同步（時間標記）、TS流空包刪除、CRC校驗等。不同傳輸功能將在數據包前后插入相應的字段，并在幀頭特定位置標記傳輸功能的配置信息。

2 IP數據傳輸方案

2.1 間接傳輸方案

第一代數字電視廣播標準使用了MPEG-2傳輸流（TS）作為主要的多媒體內容傳輸協議。為了使用第一代標準傳輸因特網協議（IP）數據包，各標準組織與專家組制定了若干基于TS流的擴展協議。

國際電聯無線電通信部電視廣播業務第1887號建議書[1]中，總結了兩種使用傳輸流來承載IP包的方法：將IP包封裝為TS專用流（ULE/TS），和將IP包封裝為TS的一段。

前者由IETF組織提出并標準化[2]，其具體方法是首先在一個IP包前后增加封裝字頭和校驗字段以形成子網數據單元（SNDU），然后把SNDU數據包分割后作為負載依次填入每個TS包中。

后者則是將IP包封裝為TS流的一段并使用標準的TS協議傳輸，其中將IP包封裝為TS流的一段時即可使用由ATSC組織提出的多媒體協議封裝方法[3-4]，也可使用由歐洲電信標準學會（ETSI）提出的多協議封裝方法（MPE/TS）[5]。

無論使用上述哪一種方案，都存在封裝效率低、容錯能力弱等不足。一個IP包在進行傳輸時，需要經過“IP包-SNDU（或DSM-CC或ULE）-TS-基帶幀”多次封裝，每次封裝都引入額外的協議開銷，降低了總體效率；TS包的長度為固定的188 byte，而IP包長度通常數倍于此，需要將一個IP包封裝為多個TS包傳輸，傳輸過程更為脆弱，誤碼與丟包造成的影響更大；此外，多次封裝使得協議棧過于復雜，導致物理層在傳輸時難以了解與分析所承載的數據內容及特性，無法在物理層內實現包頭壓縮、尋址等一些重要功能，也不支持跨協議層功能與設計。

DVB-T2物理層標準中增加了一種新的輸入格式：通用流封裝（GSE）[6]。GSE作為一種通用的數據格式，可以用于IPv4和IPv6數據包的封裝與傳輸。這種方法需要進行“IP包-GSE-基帶幀”兩次封裝，相比借助TS流間接傳輸的方法減少了一次封裝、部分降低了協議開銷。此外GSE協議本身也有一些有利于物理層傳輸的優點，例如數據包長度可變、提供了更完善的傳輸功能等，但是仍然沒有完全解決封裝效率較低、缺少傳輸功能等不足。

由ITU提出的TLV標準是與GSE類似的一種二層封裝協議[7]，在對IP數據包進行間接封裝傳輸時，存在與GSE類似的問題，同時還缺少廣播物理層標準的支持。

2.2 直接傳輸方案

解決上述間接傳輸方案不足的最有效方法是在基帶幀增加對IP數據包直接傳輸的支持，以消除多次協議轉換與封裝帶來的弊端。

為實現這一目標，輸入格式處理子系統需要進行如下改進：在幀頭指示本幀承載的數據類型為IP數據；在幀頭指示本幀數據域內起始IP數據包的位置；提供分隔相鄰IP數據包的機制。該方案能夠同時支持IPv4和IPv6兩種協議，協議版本通過IP數據包頭中的版本標記位識別，不需要在基帶幀幀頭或其他位置另行標記。

改進后的基帶幀在進行IP數據直接封裝傳輸時，幀結構如圖4所示。

圖4 IP數據包直接封裝示意圖

圖中，IPType為1 bit的標志位，用于指示幀內數據類型是否為IP；起始位置字段SYNCD是長度為2 byte的整數，用于指示數據域頭部到幀內第一個完整的IP數據包起始位置的距離；包長字段PKL為2 byte的整數，用于指示其后IP數據包的長度。

當某個基帶幀數據域的剩余空間不足以容納一個完整的IP數據包時，超出部分數據直接放在下一個基帶幀數據域進行傳輸。由于IP數據包包頭內已經包含了長度信息，因此也可以不插入PKL包長字段，接收端在解封裝時直接解析IP數據包包頭信息，并從中提取出長度信息。

2.3 封裝效率比較

傳輸效率是廣播物理層標準的最重要指標之一。在影響傳輸效率的各因素中，輸入數據處理子系統的封裝效率有直接影響，但同時也有很大的提升空間。

封裝效率的定義是在一定的參數配置下，所需傳輸的數據包（SDU）長度之和與封裝完成后的數據包（PDU）長度之和的比值，即

在輸入格式處理子系統中，SDU為IP數據包，PDU為封裝完成的基帶幀。

若封裝完成后的數據包長度固定，且增加的封裝開銷（Overhead）長度也是固定的，則封裝效率的極限為

若封裝完成后的數據包個數不變，且增加的封裝開銷（Overhead）長度是固定的，則封裝效率極限為

式中：LSDU,LPDU,LOverhead分別為SDU、PDU和封裝開銷的長度。

當系統中存在多次封裝時，總體封裝效率為各次封裝效率的乘積為

由此可以歸納得到各封裝方法的效率，如表1所示。

表1 各封裝方法效率比較

上述理論分析只考慮了一些基本情況，當使用不同的配置參數時，協議開銷字段長度各不相同，效率也隨之變化，表中只列出了最小可能值，實際封裝效率可能存在差異；同時封裝效率也與待封裝的IP數據包長度LIP及封裝完成的基帶幀幀長LBBF有關。對于MPE/TS、ULE/TS及GSE封裝效率的詳盡研究及仿真可參考文獻[8-9]。

若進一步簡化，假設每個IP數據包長度LIP均為1 000 byte，基帶幀幀長LBBF分別取為240 byte和7 000 byte，則從IP到物理層基帶幀全鏈路的綜合封裝效率如表2所示。

表2 綜合封裝效率

表中可以看到，本文提出的IP數據直接封裝方法，相比其他各間接封裝方法，其封裝效率有2%以上的提升。

3 IP數據包頭壓縮新方法

3.1 簡介

使用IP作為傳輸層協議在一定程度上降低了傳輸效率，原因在于：IPv4和IPv6的最小數據包包頭長度分別為20 byte和40 byte；UDP協議又需要占用額外的8 byte，相較于通常長度為幾百到一千多字節的IP數據包，幾十字節的包頭信息是不小的協議開銷。為了降低信息冗余度、提高傳輸效率，有必要對IP數據流中的數據包包頭進行壓縮。

現有的IP數據包頭壓縮方案主要有ITU-R BT.1869建議書所提出的廣播字頭壓縮方法（HCfB）和IETF RFC3095提出的強健字頭壓縮（ROHC）[10]。前者方法需要與TLV封裝協議聯合使用，適用范圍小；而后者則未針對廣播應用中數據與信道的特征進行優化。

廣播系統與互聯網或其他移動通信系統存在很大差異，包括：通常為一對多的發送，大部分情況不把IP地址用于接收端的尋址；多為單向網，包頭壓縮流程中不應依賴回傳通道反饋信息；傳輸的內容主要是音視頻內容，IP數據包的類型單一、變化較少。此外數字電視廣播系統物理層系統最小邏輯傳輸單元是基帶幀，在進行包頭壓縮時應盡量以基帶幀為數據壓縮的邊界，以削弱某幀錯誤或丟失對接收端造成的影響。

3.2 方案描述

綜合上述特點與需求，為進一步改善傳輸效率，文章提出了一種新的廣播信道中IP數據包頭壓縮方案。

該方案包含了兩種壓縮模式：地址壓縮模式和高效壓縮模式。在每種模式下，經過壓縮的IP數據包包頭中的相應字段會被刪除。輸入至系統的IP包被分類為一般IP數據包和UDP/IP數據包兩類，這兩類在不同壓縮模式下需要被刪減的字段如表3所示。在壓縮IP包時，應當根據包頭中指示IPv4或IPv6的版本標志位，進行不同的處理。

表3 IP包頭壓縮工作模式

進行IP包頭壓縮的前提是，被壓縮數據包能夠在接收端得到無損恢復。必須滿足該條件才能進行字段刪減。對于IP地址、UDP端口號、協議類型等變化字段，接收端恢復時直接使用前一IP數據包中的同等字段直接插入；對于數據包長度、校驗字等可推斷字段，接收端恢復時應根據接收到數據計算后插入。其中，前一IP數據包既可以是當前數據包之前接收到的未壓縮（完整）的IP數據包，也可以是經過解壓縮操作后恢復得到的數據包。

可以看到，一個IP數據包是否可壓縮的判斷條件是是否與前一IP數據包具有相同的參數，例如：若連續兩個IP數據包的IP地址（包括源地址與目標地址）相同，則可以以地址壓縮模式進行壓縮；若連續兩個IP數據包除IP地址外，協議類型、UDP端口號等其他內容也相同，則可以以高效壓縮模式進行壓縮。判斷時，不考察數據包長度、校驗字等可推斷字段。若不滿足上述判斷條件，則發端不應該對數據進行壓縮，以避免不可恢復的數據損失。

在定義了上述IP數據包壓縮、解壓方法后，可以針對數字電視廣播系統物理層的特性，給出一組IP壓縮的狀態定義。以基帶幀為單元，共有3種IP壓縮狀態：未壓縮、幀內壓縮和幀間壓縮。未壓縮狀態中，基帶幀內所有IP數據都不進行壓縮。幀內壓縮狀態中，基帶幀內第一個IP數據包不進行壓縮，其后的IP數據包都需要進行壓縮，且所使用的壓縮模式必須相同，幀內所有IP數據包的數據類型必須相同。幀間壓縮狀態中，一個基帶幀內所有IP數據都進行了壓縮，且數據類型和壓縮模式必須相同，此時該幀數據不能直接使用，依賴于前一幀接收到的IP數據。壓縮模式和壓縮狀態信息都應作為幀頭的一部分，隨基帶幀傳輸，供接收端使用。3種壓縮狀態圖如圖5所示。

圖5 IP數據壓縮狀態圖

3.3 算法性能

在對IP數據包的壓縮過程中，需要在壓縮效率和可靠性之間尋求平衡，確定適用的壓縮模式與壓縮狀態。對于經過幀間壓縮的基帶幀，容易因為誤碼或丟幀的原因導致連續多個經過壓縮后的基帶幀無法解析，使得誤碼被擴大。因此使用幀內壓縮是一種兼顧壓縮性能和可靠性的做法。

在對算法性能的評估中，使用了一段錄制于實際網絡的視頻傳輸流量，并基于該數據集使用不同的壓縮模式進行了算法仿真。對于不同幀長與數據類型，其壓縮后的封裝效率如表4所示。

表4 IP壓縮方法效率

表中可以看到，當啟用了IP數據包頭壓縮功能時，對于兩種長度的基帶幀，得到封裝效率的增益分別為0.29%、1.33%和0.58%、1.23%。對于較長的基帶幀，封裝效率已經大于100%，即系統傳遞的信息量大于實際封裝和傳輸的比特數。并且，壓縮后的數據包可以進行無損解壓，不存在不可恢復的信息損失。可見該IP包頭壓縮方法能夠有效地壓縮IP數據包，降低數據冗余度，提供封裝與傳輸效率。

4 總結

文章首先介紹了輸入格式處理子系統的功能與結構。為了適應無線電視廣播系統IP化傳輸的趨勢，文章分析了現有IP數據包間接封裝方案的特點與不足之處，并提出一種IP數據直接封裝方案。理論分析表明，該直接封裝方案能夠將封裝效率提高2%以上。

文章還進一步介紹了IP數據包包頭壓縮的重要性，通過簡要介紹現有的包頭壓縮方案并分析其不足之處，提出了新的IP數據包頭壓縮方案。該方案針對廣播信道物理層的特點進行優化，原理與實現簡單，具有良好的壓縮性能。基于實際環境錄制的數據表明，能夠進一步提高封裝效率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

【本文獻信息】徐洪亮，張文軍，管云峰，等.下一代數字電視廣播IP封裝與傳輸技術研究[J].電視技術，2014，38（21）.

國家自然科學基金項目（61221001；61102051)；國家高技術研究發展計劃項目（2012AA011701；2013AA013503）；國家自然科學基金創新團體項目（AF0300021）