诊断和消除IP视频网络中的故障
为管理好设施，IP和视频工程师必须紧密合作
为管理好设施，IP和视频工程师必须紧密合作 保罗·罗宾逊
在制作及其它业务应用中部署I P视频网最常为人引用的好处是能够使用基于I T的商用现货设备，这可以利用与相对较小的广电业相比大得多的I T行业的规模经济。更多的优点包括降低布线成本和电缆重量以及提供更灵活的制作选择的更大的路由灵活性。这些优点迷住了业界，广播机构已在努力尽早地部署I P视频网络。不能比部署落后太远的是需要有效诊断和解决故障。
在之前“实现混合的IP/SDI制作架构”一文中，我谈到IP产生技术和技能新挑战。这些挑战包括抖动、延迟以及丢包风险和网络不对称（这导致不同的上下行路径延迟）。
部署I P用于视频制作实际上是视频工程和网络工程两个世界的碰撞。视频工程师很舒服地使用S D I、同轴电缆、插线面板、用于定时同步的黑场参考信号和三同步信号，尤其是监测信号质量。视频工程师的挑战是了解IT技术以及IT基础设施对视频的影响。
另一方面，网络工程师熟悉和很舒服地使用I P流、协议、网络流量、路由器配置以及用于定时的精确时间协议（P T P）和网络时间协议（N T P）。不过，最大的差异是在大部分数据中心应用中，数据丢失可重新发送，而对高码率视频事实并非如此。网络工程师的挑战是了解视频技术及其对IT基础设施的影响。
克服抖动
在数字系统中，抖动是与信号的规则周期性的偏差。在I P网络中，抖动是接收端包到达间隔的偏差。如果网络路由器和交换机都正确配置和运行，那么最常见的抖动原因是在路由器/交换机接口的网络拥塞。
网络单元内的应用将可能要求数据以非猝发形式被接收，因此，接收设备采用一种去抖动缓冲器，应用接收来自该缓冲器的包而不是直接接收。如图1所示，包以常规速度从缓冲器流出，消除包流进缓冲器的时间偏差。
包从去抖动缓冲器流出的速率被称为“流失率”。缓冲器接受数据的速率被称为“填充率”。如果缓冲器尺寸太小，那么如果流失率超过填充率，则它最终将下溢，导致包流动停滞。如果下沉率超过流失率，那么缓冲器最终将溢出，导致丢包。不过， 如果缓冲器尺寸太大，那么网络单元将产生过量的延迟。
标绘出包到达时间间隔的时间标记与时间的关系，可测量抖动，如图2所示。
这对确定抖动随时间的变化是有用的，但能够以直方图形式标绘出包到达时间间隔与出现频率的分布也是有用的。如果抖动值很大，导致要接收的包超出去抖动缓冲器范围，那么这些超出范围的包就被丢失。能够确定如图3中例子这样的异常值有助于确定网络抖动性能可能是或已经是丢包原因。
一连串长到达时间间隔的包将不可避免地导致一连串猝发的短到达时间间隔的包，正是这猝发的数据流可能导致缓冲区溢出状况和丢包。如果超过剩余缓冲区大小的时间长度的一段时间（微秒单位）下沉速率超过流失率，这种情况就会发生。
规定去抖动缓冲区容量
为规定必要的去抖动缓冲区容量，采用了另一种称为延迟因数（D F）的抖动测量方式。延迟因数为一种时域测量，指示去抖动数据流必需的时域缓冲区尺寸。
在I P视频网络中，媒体有效载荷通过R T P（实时协议）传
输。D F测量的一种形式利用R T P报头传输反映R T P数据包取样瞬间的时间标记信息的这个事实。这被称为“时间标记的延迟因数”或TS-DF（EBU Tech 3337所定义），代表微秒单位的时域缓冲区容量，如图4所示。
T S-D F测量基于相对过渡时间，它是数据包的R T P时间标记和到达时间接收端的时钟之间的偏差，以微秒为单位测量。测量周期为1秒，测量周期的第一个包被认为无抖动，并被用作参考包。
对以后每个包，计算该数据包和参考包之间的相对过渡时间，在测量周期结束时，提取最大和最小值，计算时间标记的延迟因数：
TS-DF = D（最大）– D（最小）
找到根本原因
为确定根本原因，必须清楚可见损伤是由I P误码导致还是其它一些差错导致。图5表示一个网络监测工具用于跟踪时间相关的视频和I P误码的方式。这是通过关联视频误码的时间标记和R T P包差错实现的。
视频CRC误码本身并不能证实视频受损，因此使用如图像和波形显示器以及音频条这样的传统监测方式是可取的。
跟踪RTP误码
I P视频网内的设备时钟没有固有的系统时间概念，因此精确时间协议（RTP）被用于同步这些时钟。最新版的是IEEE 15882008，亦称为RTP第二版本，与SMPTE ST 2059 PTP档一起，专门用于广播应用。
事实上，P T P提供与S D I网络中黑场参考信号或三电平同步信号提供的等效的同步锁相功能。总P T P网络时间服务器被称为“P T P源时钟”，从P T P导出它们的时间的设备被称为“P T P从 设备”。PTP源时钟通常同步于GPS、GLONASS或两者。
在可预见的未来，许多视频网络将混合采用S D I和I P。为实现S D I和I P导出内容之间的帧精确切换，黑场/三电平同步的定时相对PTP时钟没有偏差至关重要。
这是通过测量P T P时钟和黑场/三电平同步之间的定时偏差，然后参照P T P时钟偏移S D I同步信号，进行必要的校正，从而实现这个目的。
最后考虑
在现场制作应用中，网络专家可能不在制作现场，网络设备也可能不一定在容易进入的地点。任何诊断设备可被网络和视频工程师远程控制是可取的。
全I P架构是全世界大部分广播机构的愿景，并且已经在许多设施开始出现。不过，现实是转换不会一蹴而就，导致必须管理混合S D I和I P基础设施，因此I P和视频工程师要紧密合作，确保无缝运行和快速查出故障。B&P