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公共广播系统的IP化发展分析

(2015-04-08 15:49:15)
标签:

it

techcon

节能

同方泰德

智能建筑

分类: 技术论文

佟庆彬(同方数字城市产业本部)

----------建筑智能化系统IP网络融合实验,公共广播系统篇

 

关键词:IP公共广播;TCP/IPCobra Net

 

摘要:本文对IP公共广播系统的网络结构进行了详细的分析,对IP公共广播系统由建筑智能化网—BINet承载时系统数据的传输方式、特征进行探究,并寻求保证IP公共广播系统数据的实时和高可靠性传输的网络机制,阐述网络融合实验的意义,为公共广播系统的IP化发展提出一些建议。

1      系统概述

公共广播系统是智能建筑的一个基本系统,平时在建筑内播放背景音乐,但在发生火灾或紧急事故时,肩负着自动强行切换音乐源,并以最大音量向设定好的分区进行广播疏散和警告信息的功能。公共广播系统是保证人们生命财产安全的重要系统,系统的可靠性是最重要的。  

目前,智能建筑行业产品的数字化技术已趋于成熟,随之而来的工作就是厂商们逐步将产品传输架构向IP网络移植,大部分厂商已陆续推出不同深度的,基于IP架构的产品和解决方案,并逐渐成为行业应用主流,在这个大前提下,建筑智能化系统承载网络走向融合,已经成为一种必然。

本文围绕公共广播系统和其它智能化子系统均由统一的网络通信平台承载这一角度进行论述。

2      系统架构发展分析

公共广播系统发展经历了三个阶段:模拟系统阶段、数字系统阶段及IP系统阶段。

模拟系统由公共广播主机将呼叫站、音源设备和消防报警信号通过模拟音频线缆传输到功放上,由功放推动各回路喇叭进行声音播放。系统各分区只能播放相同的音源,不能实现个性化播放的要求;公共广播主机到喇叭间通过模拟线路直接连接,对于超高建筑或超大园区,采用定压方式传输模拟音频信号需选择线径较粗的线缆,而模拟音频线还不能与弱电线缆共用线槽,需单独布设桥架,布线施工复杂。因此模拟系统适用于分区少、建筑结构简单、功能单一的小型公共广播系统项目。当建筑需要在不同分区播放不同音源的时候,模拟系统就显得力不从心了,数字系统随之应运而生。

 

公共广播系统的IP化发展分析

1 模拟系统架构图

数字系统由数字矩阵主机将呼叫站、音源设备和消防报警信号进行模/数转换,通过多条广播总线连接到功放上,由功放推动各回路喇叭进行声音播放。系统采用数字分区管理方式,各分区可播放不同音源,满足个性化播放要求。不过数字系统的架构和模拟系统类似,只是采用了总线协议传输,布线的繁复程度与模拟系统相差无几。

随着网络技术的发展,IP系统以布线简单、功能强大、互通性好、可集成性等优势,在近几年发展很快。系统由主控服务器将呼叫MIC、音源设备和消防报警信号进行数字编码,通过以太网将数据传送给网络解码器等解码设备,解码设备将数据转换成模拟音频信号后接入到功放上,推动喇叭进行播放。系统结构简单,只要有以太网信息点的地方就可以安装设备,扩展性强。适用各类公共广播系统项目。

 

公共广播系统的IP化发展分析

2 数字网络系统架构图

目前,基于IP传输架构的公共广播系统还没有一个统一的行业标准,各厂商推出的IP产品采用的协议多种多样,如TOAPeavey公司采用的Cobra Net协议, ITCACE公司采用的TCP/IP协议, QSC公司采用的Q-LAN协议,Audinate公司采用的Dante协议等。这些技术都是依托以太网进行开发的,这就为建筑智能化系统实现一网融合提供了基础,但由于标准化做得还不够规范,也为融合承载带来了一定的难度。

1      公共广播系统IP网络融合实验分析

在本系列连载的开篇介绍了融合是建筑智能化系统发展的必然趋势,作为建筑智能化中重要的公共广播系统,网络的可靠性、延迟、丢包、抖动等传输特性有很高的要求。如何保证IP公共广播系统在智能化各系统融合后被可靠承载,需要通过有效的实验测试,得到量化的数据进行分析,制定完善的网络策略来实现。

1.1   典型应用场景

本实验选取了同方股份有限公司在2009年中标的《中石油新疆乌鲁木齐大厦》这个实际工程案例作为网络融合实验的典型应用场景:建筑面积69343平米,地上35层,地下2层。本典型场景中,地上1-35层每层设置一个广播分区,地下两层为一个广播分区。共有8个分控室和一个总控室,每个分控室管理两个楼层。

实验设备选用了国内著名品牌ITC公司基于TCP/IP协议开发的IP公共广播产品。

1.2   网络结构设置

公共广播系统的IP化发展分析

图1 典型应用场景IP公共广播系统架构图

前端设备:

地上1-35层每层设置一个分区,每个分区有多个回路,每个分区在楼层竖井内配置1台网络适配器,将IP信号转换为模拟信号,通过多通道功放连接到每个回路的音控器上和吸顶喇叭;地下两层每层设置一个分区,每个分区只有1个回路,B1F和B2F各配置1台网络解码功放,将IP信号转换为模拟信号,连接到各层回路的音控器和吸顶喇叭上。

控制设备:

一层消防控制室作为公共广播系统主控中心,配置有呼叫MIC、CD播放器等外置音源设备,通过调音台连接到主控服务器上。主控服务器将外置音源信号或本地MP3文件编码,传输到BINET上;各分控中心也配置有呼叫MIC、CD播放器等外置音源设备,通过调音台连接到分控服务器上。分控服务器将外置音源信号或本地MP3文件编码,传输到BINET上。

传输网络:

主控服务器、分控服务器、网络适配器和网络解码功放均通过非屏蔽双绞线连接到BINET的交换机上,通过BINET进行数据传输。

1.1   典型业务的流量分析

下表为同方股份有限公司和公共广播厂商共同分析的ITC公共广播系统典型业务流量特性:

业务

数据流

方向

协议/端口

带宽

可容忍时延

可容忍抖动

可容忍丢包率

优先级

背景音乐业务

主控服务器背景音乐播放流

主控服务器à网络适配器/网络解码功放

UDP/15112àUDP/5000

MP3文件码率

敏感

敏感<400ms

敏感0%

中等

分控服务器背景音乐播放流

分控服务器à主控服务器à网络适配器/网络解码功放

UDP/1120àUDP/15001 UDP/15112àUDP/5000

MP3文件码率

敏感

敏感<400ms

敏感0%

中等

播音与通告业务

主控服务器通常播音与通告业务流

主控服务器à网络适配器/网络解码功放

UDP/15112àUDP/5000

140.8Kbps

敏感

敏感<400ms

敏感0%

分控服务器通常播音与通告业务流

分控服务器à主控服务器à网络适配器/网络解码功放

UDP/1120àUDP/15001 UDP/15112àUDP/5000

140.8Kbps

敏感

敏感<400ms

敏感0%

消防联动广播业务

消防联动广播业务流

主控服务器à网络适配器/网络解码功放

UDP/15112àUDP/5000

140.8Kbps

敏感

敏感<400ms

敏感0%

最高

设备管理业务

主控服务器与网络适配器/网络解码功放之间的交互信令报文流

主控服务器ßà网络适配器/网络解码功放

UDP/15112ßàUDP/5001

不敏感

不敏感

敏感0%

分控服务器与主控服务器之间的交互信令报文流

分控服务器ßà主控服务器

TCP/1128ßàTCP/8000

不敏感

不敏感

敏感0%

上表中从左到右每列的内容就是我们对系统的分析过程:

1) 分析系统有哪些业务;

2) 分析每个业务产生什么样的数据流;

3) 分析数据流从哪些设备开始流向哪些设备;

4) 统计数据流的采用的协议和端口号,用于BINET对每个数据流区分开进行网络策略保障;ITC的IP公共广播系统背景音乐业务流、播音与通告业务流和消防联动广播业务流协议和端口号相同(UDP/15112UDP/5000),无法区分,只能统一保障;

5) 统计数据流所占带宽的理论值,BINET通过网络策略对系统所需带宽进行保障;ITC的IP公共广播系统采用MP3文件编码方式,对带宽要求不高;

6) 分析数据流的传输特性,是BINET网络保障策略中最重要的内容;公共广播系统对时延、抖动和丢包都很敏感,传输必须得到可靠保证;

7) 分析各业务的优先级,用于BINET综合各系统优先级后制定优先级队列,并对数据流进行优先级标记。公共广播系统中的消防联动广播业务肩负着保证人们生命财产安全的重要业务,其优先级应在BINET中是最高的。

     实验验证

对系统业务进行流量分析后,在实验室搭建系统实物模型,对上述流量进行打压实测,采集到量化的实验数据。BINET根据各各子系统实测的数据制定QoS策略,给公共广播系统最优的传输保证,并在实验室进行混网融合实测,验证验证该QoS策略是否有效。

ITC的IP公共广播系统混网融合后主要业务流的传输指标实测值如下表:

COS值

业务流量类型

业务可容忍时延(us)

实测最大时延(us)

业务容忍抖动 (us)

实测最大抖动(us)

业务可容忍丢包率(%)

实测最大丢包率(%)

是否符合要求

6

主控服务器背景音乐业务流

31.95

<400000

14.78

0

0

6

分控服务器背景音乐业务流

31.95

<400000

14.78

0

0

6

主控服务器与网络适配器/网络解码功放之间的交互信令报文流

31.95

<400000

14.78

0

0

6

分控服务器与网络适配器/网络解码功放之间的交互信令报文流

31.95

<400000

14.78

0

0

注:

1)“—”表示无明确要求;

2)ITC的公共广播系统背景音乐业务流、播音与通告业务流和消防联动广播业务流的协议和端口号相同(UDP/15112UDP/5000),传输指标也相同。

3)COS值从0-6数值越大优先级越高。

 

    由以上测试结果可以看出, ITC的IP公共广播系统主要业务在混网融合实测环境下的传输指标完全满足系统正常运行的要求,系统运行情况良好,证明通过完善的QoS保障策略该广播系统在网络融合环境中能够可靠运行。

     实验的价值与发现

通过实验我们总结出公共广播系统IP传输特性的分析方法,任何一种协议的IP公共广播系统都可通过《系统业务流量特性分析表》进行分析,为混网融合提供依据。本次实验只选取了1个品牌的IP公共广播系统产品进行测试,不过在实验后我们也将《系统业务流量特性分析表》作为标准文档发给了其他厂商并得到了其他厂商的反馈,为验证IP公共广播系统在BINET中的可承载结论收集了大量资料。

从厂商的反馈信息来看,目前IP公共广播系统主流的网络协议主要有Cobra Net协议和TCP/IP协议等。有一小部分采用Cobra Net协议的厂商,因在实际的融合承载项目中偶尔出现了声音质量差和丢包的情况,担心BINET的可靠性,往往会建议集成商单独组网。其实造成丢包的工程原因很多,如网络设备的带宽是否足够、VLAN是否划分准确等等,并非是Cobra Net协议的公共广播系统在BINET上承载不可靠,主要还是因为对Cobra Net协议的公共广播系统分析有漏洞,制定的网络保障策略不完善所造成的。

本次实验后,我们也对Cobra Net协议的公共广播系统做了细致分析,虽然Cobra Net协议与其他智能化系统采用的TCP/IP协议在传输机制上是有冲突的,而且Cobra Net协议通常会采用广播机制,这对于不做VLAV划分的融合承载网是很可怕的,但是采用VLAN隔离技术将Cobra Net协议设备和TCP/IP设备各自划分在不同的VLAN下,通过完善的QoS保障机制是完全可以保证Cobra Net协议的公共广播系统在BINET中的可靠承载。能够通过本次实验总结的分析方法来解决实际工程问题,这也是本次实验的另一个价值体现。

从集成商的角度看,我们认为TCP/IP协议的公共广播系统,使用MP3格式的编码方式,占用的网络带宽很小,牺牲了音质但减少了BINET的压力,在信号传输的可靠性和稳定性方面更适用于对声音质量要求不高的公共广播系统; Cobra Net协议的公共广播系统,采用无压缩的PCM数据,能更好的保证音质,但因其数据包很大,并且必须通过严格的VLAN管理将其数据包与其他TCP/IP数据包分开,给BINET带来较大的压力,这种协议更适用于体育场馆、数字会议、剧院、报告厅、电台电视台等对声音质量要求高的专业扩声系统项目。

集成商一直在努力建立“一网到底”的BINET作为智能化系统的通信平台,我们更希望公共广播系统厂商通过这次网络融合实验所给出的一些数据和问题,开发出更加适用于融合承载的IP化公共广播系统。

附:Cobra Net协议简介

在IP公共广播系统中,采用Cobra Net协议的厂商比较多,这是因为

Cobra Net协议是一种在计算机网络平台上实时的、稳定的传输专业音频数据的协议,专利属于美国PeakAudio公司。大部分专业扩声领域厂商购买了美国PeakAudio公司的专利使用权应用其品牌专业扩声产品上。公共广播系统只是专业扩声领域中的一个应用,因此这些专业扩声厂商推出的公共广播系统直接移植了Cobra Net协议,这也是为什么Cobra Net协议的公共广播系统比较多的原因。

标准的Cobra Net协议采用与CD唱片同样的无压缩PCM数据,采样率和量化分辨率却使用了广播级的48kHz和20Bit,远远高于CD唱片的数据指标,高效便捷的满足广播电台的直播间信号传送、录音棚中各录音间之间的信号共享等高质量要求。

Cobra Net协议传输的基本单元称之为Bundle,每个Bundle包含8个音频通道。每个音频通道数据流大小为48kHz×20Bit=0.96MBit/s,再加上控制数据和其他数据,每个Bundle的实际数据流大小为9Mbit/s。Cobra Net协议中每个以太网交换机的端口最大吞吐量为单向8个Bundle,也就是72Mbis。这样的带宽对BINET来说压力是非常巨大的。

Cobra Net设备必须采用VLAN隔离技术与其他TCP/IP设备划分在不同的VLAN下。这是因为Cobra Net技术采用了O-Persistent传输机制,即音频传输需要的是同步传输,需先在网络中建立同步的时钟才能传输。TCP/IP网络是一个非同步传输的网络。如果网络上同时有同步传输的Cobra Net数据包和非同步传输的TCP/IP数据包,会造成延迟、丢包和网络中断的情况。因此,必须通过VLAN隔离技术,将Cobra Net设备划分在一个独立的VLAN下,避免Cobra Net数据包和TCP/IP数据包混合。

 

 

参考文献:《Cobra Net技术原理与应用》 兆翦

 

作者:

佟庆彬   同方股份有限公司  数字产业本部

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