Способ автоматизированного поиска неисправностей и мониторинга возможной деградации качества в сетях цифрового телевидения на базе транспортных потоков MPEG TS Российский патент 2022 года по МПК H04N21/4425 H04N17/00 H04H60/29 H04H20/12 

Область техники

Изобретение относится к сфере обеспечения надежности функционирования сетей связи и может быть использовано при передаче цифровых телевизионных сигналов.

Уровень техники

В стандартах, регламентирующих деятельность сетей связи цифрового телевидения, описана метрика ошибок циклических счетчиков, которая предназначена для вычисления количества потерь пакетов в конкретной точке сети. Однако применение данных метрик для определения неисправных устройств или оценки качества работы сети в целом не описывается. Существующая практика предусматривает поиск неисправного устройства в момент наступления неисправности, путем анализа ошибок ССЕ на входе и выходе каждого устройства, начиная со входа или выхода тракта. Данная практика затратна по времени, что не позволяет быстро устранять неисправности и отслеживать негативные тренды.

Наиболее близким аналогом предложенного технического решения является раскрытый в документе CN 106303752 способ выявления причины потери пакетов данных, передаваемых по протоколу MPEG2-TS. При реализации этого способа определяется число потерь пакетов данных, обусловленных возникновением ошибок непрерывности. Для определения того, на каком этапе передачи происходит потеря данных используются численные критерии: в том случае, если число потерь является целым кратным 7, счетчик А добавляет единицу, в противном случае единицу добавляет счетчик В. В том случае, если на счетчике А накапливается значение, превышающее некоторое значение Т, делается вывод о том, что потеря пакетов возникает вследствие неисправностей в сети. Если же значение, накопленное на счетчике В превышает значение Т, делается вывод о неисправности на платформе IPTV.

Недостатком известного способа является ограниченное число рассматриваемых причин потерь пакетов данных, а также необходимость накопления определенных значений на счетчиках для установления факта неисправности. Тогда как предложенный заявителем способ позволяет выявить любое число неисправных узлов связи, присутствующих в сети, в любой момент времени за время порядка 1 с, а также спрогнозировать ухудшение качества сигнала до непосредственного возникновения неисправности.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа автоматизированного поиска неисправностей в сетях цифрового телевидения, позволяющего выявить одновременно все неисправные узлы за время порядка 1 с, а также сделать выводы о возможной деградации качества после обнаружения тренда, не дожидаясь возникновения неисправности.

Раскрытие изобретения

Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются путем анализа изменения числа ошибок непрерывности в каждом из узлов сети, заключающегося в том, что на первом этапе строят матрицу коммутации, строки которой соответствуют выходным интерфейсам, столбцы - входным интерфейсам, а ячейки заполняются значениями «1» в том случае, если между интерфейсами существует связь, и значениями «-1» в том случае, если связь между интерфейсами отсутствует. На втором этапе для каждого сервиса строятся матрицы ошибок, получающиеся путем замены значений «1» в ячейках матрицы коммутации измеренными значениями количества ошибок непрерывности для данного сервиса. Указанные матрицы ошибок строятся для двух моментов времени, интервал между которыми равен периоду контроля, который подбирается таким образом, чтобы изменение маршрута трафика происходило на его границах. Далее для каждого сервиса вычисляют матрицу скоростей ошибок, для чего из матрицы ошибок данного сервиса, соответствующей более позднему моменту времени, вычитают матрицу ошибок этого же сервиса, соответствующую более раннему моменту времени. На основании полученных матриц скоростей ошибок вычисляют контрольную матрицу для каждого сервиса, при этом элементы контрольной матрицы для данного сервиса вычисляются по следующему правилу:

KM_i,j(Х, Т2-Т1)=MCO_i,j(Х, Т2-Т1) - MCO_i,j(X, Т2-Т1),

где KM_i,j(Х, Т2-Т1) - элемент контрольной матрицы, расположенный в столбце с номером i и строке с номером j, X - сервис, для которого рассчитана данная матрица, Т2-Т1 - контрольный период, MCO_i,j(Х, Т2-Т1) - элемент матрицы скоростей ошибок, I - номер строки, содержащей элемент j-го столбца, который не равен «-1», при этом элемент матрицы скоростей ошибок не должен быть отрицательным MCO_i,j(Х, Т2-Т1)>=0, a j и I не должны выходить за пределы матрицы. В том случае, если текущий элемент контрольной матрицы является источником, ему присваивается значение «0»:

KM_i,j(Х, Т2-Т1)=0.

Если соединения не существует элементу контрольной матрицы присваивается значение «-1»:

KM_i,j(Х, Т2-Т1)=-1.

Складывая контрольные матрицы, рассчитанные для отдельных сервисов, получают контрольную матрицу для всего транспортного потока. Рассчитывая контрольные матрицы полного потока для нескольких моментов времени, получают трехмерную итоговую контрольную матрицу для данного контрольного периода. Неисправные элементы сети выявляют, сравнивая значения в ячейках итоговой контрольной матрицы со значениями в соответствующих ячейках матрицы максимально допустимых значений, размерность которой совпадает с размерностью итоговой контрольной матрицы, а элементы рассчитываются по формуле:

,

где E_max,j - максимально допустимое количество пакетов j-го потока, содержащих ошибки в секунду;

BR_j - битрейт потока в битах в секунду;

N_p - размер пакета в битах;

K_max - максимально допустимая относительная ошибка;

узел считается неисправным в том случае, если соответствующее ему значение, содержащееся в ячейке итоговой контрольной матрицы, превышает значение, записанное в соответствующей ячейке матрицы максимальных допустимых значений.

Рекомендуемый период контроля равен одной секунде.

Рекомендуемое значение максимально допустимой относительной ошибки равно K_max=*10^-4.

Осуществление изобретения

Поток данных, передаваемый по протоколу MPEG2 TS, состоит из пакетов длиной 188 байт, имеющих идентификатор информации, переносимой пакетом (PID). Сгруппированные пакеты одного PID представляют собой поток одного сервиса - телепрограммы или радиопрограммы. В соответствии со стандартом ISO 13818-1 для проверки целостности потока каждого сервиса пакеты этого сервиса нумеруются последовательными числами от 0 до 15 в цикле. Если при мониторинге потока сервиса обнаруживается, что пакет был отправлен, но не был получен, говорят, что на потоке с данным PID произошла ошибка непрерывности (countinuity count_error или ССЕ).

Задача поиска неисправного узла сети сводится к задаче анализа ССЕ в узлах сети. Количество ССЕ может быть разным в разных узлах и на сервисах с разными PID в разные моменты времени. При реализации предложенного способа анализ информации об элементах сети осуществляется путем построения матриц коммутации, матриц ошибок, матриц скоростей ошибок и контрольных матриц. Последние используются для построения итоговой контрольной матрицы, для каждого элемента которой рассчитывается критерий, превышение которого указывает на наличие неисправности в соответствующем элементе.

Маршрут мультикастового потока от источника к каждому из приемников является фиксированным и не меняется на протяжении периода контроля - промежутка времени, за который осуществляется определение неисправности. Период контроля подбирается таким образом, чтобы изменение маршрута трафика происходило на его границах. Длительность периода контроля не обязательно является фиксированной, но рекомендуемое значение составляет одну секунду.

Для описания сетевого уровня строится матрица коммутации сети (МКС). По строкам МКС откладываются выходные интерфейсы устройств сети, по столбцам - входные интерфейсы. Если соединение (линия связи) между интерфейсами существует, в соответствующую ячейку записывается значение «1», в противном случае в ячейку записывают «-1». Нулевые значения при построении МКС не применяются.

Далее на основании построенной МКС строятся матрицы ошибок (МО) для двух моментов времени: Т1 и Т2, где Т2>Т1. Для этого полученные в момент времени Т1 значения ССЕ для некоторого сервиса X записывают в ячейки МКС, содержащие единицы. Полученная матрица называется матрицей ошибок для сервиса X в момент времени Т1: МО (Х, Т1). Аналогичным образом составляется МО(Х, Т2) для момента времени Т2.

Вычисляя разницу МСО(Х, Т2-Т1)=МО(Х, Т2) - МО(Х, Т1) получают матрицу скоростей ошибок (МСО), показывающую, сколько ошибок произошло за интервал времени dT=Т2 - Т1 на данном узле по элементарному потоку с PID=Х. Интервал времени dT выбирается равным периоду контроля.

Неисправные узлы могут быть определены путем вычисления разницы в количествах ошибок за период контроля на входах и выходах каждого из узлов. Такие сведения могут быть получены преобразованием МСО в контрольную матрицу (КМ), которая заполняется следующим образом.

Значения ячеек, соответствующих наличию соединения, вычисляют по формуле:

KM_i,j (X, Т2-Т1)=MCO_i,j(X, Т2-Т1) - MCO_j,I(X, Т2-Т1),

при условии, что для MCO_i,j(X, Т2-Т1)>=0, а индексы j и I не выходят за пределы матрицы;

ячейки, соответствующие элементам-источникам, заполняются нулями:

KM_i,j (X, Т2-Т1)=0;

ячейки, соответствующие отсутствию соединения, заполняются значениями «-1»:

KM_i,j (X, Т2-Т1)=-1.

Первый индекс матрицы указывает номер столбца, второй - строки. Здесь I - номер строки, содержащий элемент j-го столбца, который не равен Как указано выше, такой элемент только один, поскольку каждый узел имеет только один вход. Если в строке нет ни одного ненулевого элемента, значит, текущий узел является источником или не содержит ошибок и соответствующий элемент KM_i,j(X, Т2 - Т1) принимается равным нулю.

Составив контрольную матрицу за период контроля для каждого PID в транспортном потоке, мы получим набор контрольных матриц КМ, количество которых будет равно количеству сервисов.

Сложив их вместе, получим контрольную матрицу для всего транспортного потока:

где N - число сервисов в транспортном потоке.

Снимая отсчеты в моменты времени, определяемые dT, получим набор матриц КМ для каждого отсчета: =KM_i,j(T_j-T_i). Обозначим порядковый номер промежутка dT через к. Тогда все полученные матрицы КМ можно представить как трехмерную матрицу с коэффициентами элементов i, j, к. Эту матрицу будем называть итоговой контрольной матрицей за контрольный отрезок - ИКМ.

В качестве численных критериев неисправностей узлов используются максимально допустимые значения элементов ИКМ, которые также записываются в виде матрицы с размерностью аналогичной размерности ИКМ.

Максимальные значения элементов ИКМ рассчитываются, исходя из допустимого количества ошибок на один поток. Рассчитать допустимое количество можно, исходя из требования относительной ошибки 10^-4 для сигналов цифрового телевидения (см. ETSI TR 101 290).

Реальное значение может быть большим, поскольку системы компрессии устроены таким образом, что имеет значение не только количество ошибок, но и места, где они встречаются в компрессированном потоке.

Максимальное количество ошибок E_max,j для j-го потока вычисляется по следующей формуле:

В данной формуле:

E_max,j - максимально допустимое количество пакетов j-го потока, содержащих ошибки в секунду (PER - packet error rate);

BR_j - битрейт потока в битах в секунду;

N_p - размер пакета в битах (для MPEG TS равен 1504 бита);

K_max - максимально допустимая относительная ошибка, обычно K_max=1*10^-4

Из вычисленных значений E_max,j формируется матрица размерности ИКМ. Неисправность регистрируется в том случае, если значение элемента ИКМ превышает соответствующее значение E_max,j. При обнаружении превышения такого рода делается вывод о неисправности устройства сети, соответствующего элементу ИКМ.

Как следует из описания заявленного изобретения, предложенный способ автоматизированного поиска неисправностей и мониторинга возможной деградации качества в сетях цифрового телевидения обеспечивает достижение заявленного технического результата, а именно, сокращение времени обнаружения неисправных элементов сети связи до одной секунды. Благодаря использованию матриц, обеспечивается возможность мониторинга состояния одновременно всех узлов сети, а также возможность прогнозирования деградации качества сигнала до непосредственного возникновения неисправности.

Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление и промышленная реализация изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, решение поставленных изобретательских задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленное изобретение удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.

Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.

Изобретение относится к диагностированию цифровых телевизионных систем, в частности к способам поиска неисправностей и мониторинга возможной деградации качества в сетях цифрового телевидения на базе транспортных потоков MPEG TS, и может быть использовано при передаче цифровых телевизионных сигналов. Технический результат изобретения заключается в сокращении времени поиска неисправных узлов в сети, а также в возможности прогнозирования деградации качества сигнала до момента непосредственного возникновения неисправности. Предложенный способ заключается в построении матрицы коммутации, на основании которой строятся матрицы ошибок для каждого сервиса. Разность двух матриц ошибок, вычисленных для двух моментов времени, соответствующих границам периода контроля, дает матрицу скоростей ошибок, элементы которой используются для вычисления значений элементов контрольной матрицы. Путем сложения контрольных матриц для каждого сервиса получают контрольную матрицу полного потока. Объединяя контрольные матрицы полных потоков, построенные для разных моментов времени, получают итоговую контрольную матрицу, элементы которой сравнивают с элементами матрицы максимальных допустимых значений. Узел считается неисправным, если соответствующее ему значение в ячейке итоговой контрольной матрицы превышает значение в соответствующей ячейке матрицы максимально допустимых значений. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ автоматизированного поиска неисправностей и мониторинга возможной деградации качества в сетях цифрового телевидения на базе транспортных потоков MPEG TS, заключающийся в проведении анализа изменения числа ошибок непрерывности в каждом из узлов сети, отличающийся тем, что на первом этапе строят матрицу коммутации, строки которой соответствуют выходным интерфейсам, столбцы - входным интерфейсам, а ячейки заполняются значениями «1» в том случае, если между интерфейсами существует связь, и значениями «-1» в том случае, если связь между интерфейсами отсутствует; на втором этапе для каждого сервиса строятся матрицы ошибок, получающиеся путем замены значений «1» в ячейках матрицы коммутации измеренными значениями количества ошибок непрерывности для данного сервиса; матрицы ошибок строятся для двух моментов времени, интервал между которыми равен периоду контроля, который подбирается таким образом, чтобы изменение маршрута трафика происходило на его границах; далее для каждого сервиса вычисляют матрицу скоростей ошибок, для чего из матрицы ошибок данного сервиса, соответствующей более позднему моменту времени, вычитают матрицу ошибок этого же сервиса, соответствующую более раннему моменту времени; на основании полученных матриц скоростей ошибок вычисляют контрольную матрицу для каждого сервиса, при этом элементы контрольной матрицы для данного сервиса вычисляются по следующему правилу:

KM_i,j(X, Т2-Т1)=MCO_i,j(X, Т2-Т1) - MCO_j,I(Х, Т2-Т1),

где KM_i,j(Х, Т2-Т1) - элемент контрольной матрицы, расположенный в столбце с номером i и строке с номером j, X - сервис, для которого рассчитана данная матрица, Т2-Т1 - контрольный период, MCO_i,j(X, Т2-Т1) - элемент матрицы скоростей ошибок, I - номер строки, содержащей элемент j-го столбца, который не равен «-1», при этом элемент матрицы скоростей ошибок не должен быть отрицательным MCO_i,j(X, Т2-Т1)>=0, a j и I не должны выходить за пределы матрицы; в том случае, если текущий элемент контрольной матрицы является источником, ему присваивается значение «0»:

KM_i,j(Х, Т2-Т1)=0;

если соединения не существует, элементу контрольной матрицы присваивается значение «-1»:

KM_i,j(Х, Т2-Т1)=-1;

путем сложения контрольных матриц, рассчитанных для отдельных сервисов, получают контрольную матрицу для всего транспортного потока; рассчитывая контрольные матрицы полного потока для нескольких моментов времени, получают трехмерную итоговую контрольную матрицу для данного контрольного периода; неисправные элементы сети выявляют, сравнивая значения в ячейках итоговой контрольной матрицы со значениями в соответствующих ячейках матрицы максимально допустимых значений, размерность которой совпадает с размерностью итоговой контрольной матрицы, а элементы рассчитываются по формуле:

,

где E_max,j - максимально допустимое количество пакетов j-го потока, содержащих ошибки в секунду;

BR_j - битрейт потока, бит/с;

N_p - размер пакета, бит;

K_max - максимально допустимая относительная ошибка;

узел считается неисправным в том случае, если соответствующее ему значение, содержащееся в ячейке итоговой контрольной матрицы, превышает значение, записанное в соответствующей ячейке матрицы максимальных допустимых значений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период контроля выбирают равным одной секунде.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что значение максимально допустимой относительной ошибки выбирают равным K_max=1⋅10^-4.