Procédé de synchronisation d'une pluralité de modules de formatage

La présente invention concerne le domaine de la diffusion de services numériques à destination de terminaux de restitution de ces services. Plus particulièrement, on s'intéresse au problème de la synchronisation dans le cadre de réseau d'émission sur une seule fréquence de modulation et à la fiabilité de la chaîne de diffusion par redondance d'équipement.

Un exemple de chaîne de diffusion typique de services numériques est illustré Fig. 1. Les services sont encodés individuellement par un ensemble d'encodeurs 1.1. Ces encodeurs disposent des médias composant le service. Ces médias peuvent être composés de séquences vidéo, de séquences audio, de texte ou encore d'applications interactives. En sortie d'un encodeur, on dispose d'un flux de données numériques composé d'un ensemble de paquets issus des flux élémentaires vidéo, audio ou autres, composant le service.

Ces services sont ensuite multiplexes par le multiplexeur 1.2. Cette opération consiste à construire un flux mélangeant les paquets de données des différents services devant être diffusés. Il en résulte un flux de données numériques comportant les données des différents services. Plusieurs formats de données peuvent être utilisés, en

particulier le format de flux de transport MPEG-2 ou MPEG-2 TS pour Moving Picture Experts Group en anglais décrit dans le document normatif ISO/CEI 13818-1, ainsi que le format IP.

Dans le cadre d'une émission hertzienne, le flux est destiné à être émis sous la forme d'un signal radio par un ou plusieurs modulateurs 1.4. La gestion de la ressource radio par ces modulateurs et en particulier la gestion des interférences pouvant se produire entre les signaux émis par ces différents modulateurs peuvent être réglées de différentes façons. En particulier, un mode de diffusion prévoit que le flux de données émis par les différents modulateurs est toujours transmis sur la même fréquence et au même instant. On appelle ce mode de diffusion un mode SFN {Single Frequency Network en anglais).

Dans un tel réseau SFN, il est nécessaire de synchroniser finement les signaux émis par les différents modulateurs pour éviter l'apparition de phénomènes d'interférence dans les régions frontalières aux limites des zones de réception de plusieurs modulateurs. Dans ces zones, le signal reçu par un terminal est composé des signaux émis par au moins deux modulateurs.

Cette synchronisation est obtenue par un module de formatage du flux 1.3 dont la fonction est de formater le flux devant être diffusé en vue d'une émission radio synchronisée par une pluralité de modulateurs. Ce formatage peut, par exemple, consister en l'insertion de marques de synchronisations dans le flux. Ces marques servent alors au modulateur à synchroniser l'émission du signal. Ce dispositif utilisant avantageusement une horloge commune reçue tant par le module de formatage 1.3 que par les modulateurs 1.4. Cette horloge peut, par exemple, être diffusée par le système satellite GPS {Global Positioning System en anglais). Le flux est diffusé entre le module de formatage 1.3 et les modulateurs 1.4 par un réseau de distribution pouvant emprunter divers types de liens comme des liens satellites, hertziens ou câbles. Ces types de lien n'offrent pas tous une fiabilité de transmission totale. D'autre part, il arrive également que la réception des horloges nécessaires au formatage par le module de formatage du flux subisse des incidents. Confrontés à ces difficultés, les modulateurs peuvent perdre leur synchronisation avec le flux reçu. Ces pertes de synchronisation nécessitent une resynchronisation pouvant prendre jusqu'à une minute et entraînant une interruption de service préjudiciable à la qualité de service perçue par l'utilisateur.

Des tentatives pour fiabiliser la chaîne de diffusion ont consisté à introduire un second module de formatage permettant à partir d'un même flux reçu de générer deux flux à destination du ou des modulateurs. Malheureusement, lorsque la génération d'un flux par l'un des modules de formatage subit un aléa, le basculement sur le flux de secours généré par le second module de formatage induit généralement une étape de synchronisation du modulateur sur ce second flux.

La présente invention vise à résoudre ce problème par un système de diffusion disposant d'un module de formatage dupliqué. Ce système autorise un modulateur à basculer entre les deux flux générés par les deux modules de formatage sans se désynchroniser. Ces modules de formatage sont synchronisés entre eux pour générer des flux synchronisés. Ainsi, lorsqu'un modulateur est amené à basculer d'un premier flux généré par l'un des modules de formatage sur un second flux généré par un second module de formatage, ce basculement peut s'effectuer sans nécessiter d'étape de resynchronisation. On évite ainsi qu'un incident intervenant sur la génération du flux n'entraîne systématiquement une interruption de service due à la resynchronisation du modulateur.

L'invention concerne un procédé de synchronisation d'une pluralité de modules de formatage en vue d'une diffusion synchronisée de flux de services numériques, chaque module de formatage recevant au moins un flux à formater en entrée, au moins un signal d'horloge de référence et générant au moins un flux de sortie correspondant au flux d'entrée formaté en fonction du signal d'horloge de référence reçu.

Ledit procédé comporte une étape d'élection d'un module de formatage parmi la pluralité comme ayant le statut de maître, les autres modules ayant le statut d'esclave ; une étape d'envoi périodique d'une étiquette temporelle utilisée par le module maître dans l'opération de formatage du flux aux modules esclaves et une étape d'asservissement temporel de l'opération de formatage du flux par les modules esclaves en fonction de l'étiquette temporelle reçue du module maître.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé comporte en outre une étape de comparaison d'un compteur de continuité de l'étiquette temporelle utilisée par le module esclave avec le compteur de continuité de l' étiquette correspondante reçue du module maître, le module esclave adoptant pour son étiquette temporelle le compteur de continuité de l'étiquette du maître en cas de divergence.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé comporte en outre une étape consistant à prendre le statut d'esclave pour le module maître dès que la réception du flux d'entrée ou d'un signal d'horloge de référence n'est plus correcte. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé comporte en outre une étape consistant à prendre le statut de maître pour un module esclave, ayant tous ses signaux d'entrée corrects, lorsqu'il reçoit un message indiquant que les autres modules de la pluralité n'ont pas tous leurs signaux d'entrée corrects.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé comporte en outre, pour un module esclave ou maître ayant tous ses signaux d'entrée corrects, lorsqu'il reçoit un message d'au moins un autre module ayant lui aussi ses signaux d'entrée corrects, une étape d'élection pour déterminer s'il prend le statut de maître ou d'esclave de façon à ce qu'un des modules ayant ses signaux d'entrée corrects prenne le statut de maître, les autres prenant le statut d'esclave.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé comporte en outre une étape consistant pour chaque module de formatage à envoyer périodiquement son statut aux autres modules.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'envoi périodique de statut se fait en réponse à une requête de statut de la part des autres modules.

L'invention concerne également un dispositif de formatage en vue d'une diffusion synchronisée de flux de services numériques, recevant au moins un flux à formater en entrée, au moins un signal d'horloge de référence et générant au moins un flux de sortie correspondant au flux d'entrée formaté en fonction du signal d'horloge de référence reçu. Ledit dispositif comporte des moyens de communication avec au moins un autre dispositif de formatage, lui même et ces autres dispositifs de formatage formant une pluralité de dispositifs de formatage ; des moyens d'élection d'un dispositif de formatage parmi la pluralité comme ayant le statut de maître, les autres modules ayant le statut d'esclave ; des moyens d'envoi périodique d'une étiquette temporelle utilisée par le module maître dans l'opération de formatage du flux aux modules esclaves et des moyens d'asservissement temporel de l'opération de formatage du flux par les modules esclaves en fonction de l'étiquette temporelle reçue du module maître.

L'invention concerne également un système de diffusion de services numériques comportant une pluralité de modules de formatage tels que précédemment décrits.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : La Fig. 1 illustre un exemple de chaîne de distribution numérique,

La Fig. 2 illustre un exemple de structure d'un flux formaté en vue d'une diffusion synchronisée,

La Fig. 3 illustre l'architecture des modules de formatage de flux selon un exemple de réalisation de l'invention. L'exemple de réalisation est décrit dans le cadre d'une diffusion de services numériques selon la norme DVB (Digital Video Broadcasting en anglais), en particulier dans le cadre de la norme DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld en anglais) décrite dans le document "ETSI EN 302 304, DVB-H - Transmission System for Handheld Terminais" et de la norme DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial en anglais) décrite dans le document "ETSI EN 300 744 V 1.5.1, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial télévision". Mais l'homme du métier comprend que la présente invention peut s'appliquer dans tout système de diffusion de services numériques dès lors que ce système nécessite l'utilisation d'un module de formatage du flux en vue d'une diffusion synchronisée, en particulier dans tout réseau de diffusion SFN.

La synchronisation des modulateurs se fait, dans ce contexte, selon le mécanisme décrit dans le document ETSI TS 101 191 « Digital Video Broadcasting (DVB) ; DVB mega-frame for Single Frequency Network (SFN) synchronisation ». Ce document décrit comment le module de formatage, appelé ici SFN adapter, introduit des paquets appelés paquets MIP dans le flux. Ce flux est décomposé en méga-trames (Mega-frame en anglais). Chaque méga-trame est composée d'un nombre n de paquets TS (Transport Stream en anglais), ce nombre n dépendant de la modulation adoptée. Il est illustré Fig. 2. Sur cette figure, les paquets TS du flux sont numérotés en fonction de leur place dans la méga-trame du premier paquet MFP #0, référencé 2.1, au paquet MFP #n-l, référencé 2.3, où « n » et le nombre de paquets TS dans la méga-trame. Au sein de la méga-trame, un paquet d'initialisation, référencé 2.2, est introduit, ce paquet est appelé paquet MIP (Mega-frame Initialization Packet en anglais) et possède un identifiant PID dédié. Ce paquet MIP permet d'identifier

précisément le premier paquet de la méga-trame suivante. Il possède également une marque temporelle (timestamp en anglais) indiquant la différence entre le dernier top d'une horloge de période, une seconde de référence qui précède le début de la mégatrame suivante et le début effectif de cette méga-trame suivante. Cette marque temporelle est appelée STS {Synchronization Time Stamp en anglais). L'horloge de référence est généralement obtenue par le biais d'un récepteur GPS (Global Positioning System en anglais). La marque temporelle STS est exprimée en pas de 100 ns.

La fonction principale du module de formatage du flux, ou SFN adapter, est donc de découper le flux en méga-trames et d'y insérer les paquets MIP, un par mégatrame, permettant la synchronisation des modulateurs. De manière duale, le modulateur synchronise l'émission du signal transmettant le flux en se calant sur les paquets MIP reçus. Cela permet de caler temporellement précisément l'émission des données des méga-trames en fonction de l'horloge de référence reçue. Lors d'une perte de synchronisation qui peut être due à un problème de réception des horloges de référence ou à des problèmes de transmission, il est nécessaire de resynchroniser le modulateur avant de pouvoir reprendre l'émission. Cette resynchronisation peut prendre du temps, jusqu'à une minute dans des cas réels. Cela se traduit par des interruptions de service pour l'utilisateur. Le module de formatage génère donc au moins un flux de sortie correspondant à au moins un flux d'entrée formaté en fonction du signal d'horloge de référence reçu.

Un premier moyen pour améliorer la fiabilité de la diffusion consiste à dupliquer le module de formatage du flux. Une telle solution est illustrée Fig. 3. Le flux de données, au format MPEG-2 TS, référencé 3.4 est dupliqué pour être admis en entrée de deux modules de formatage 3.1 et 3.2. Chacun de ces modules formate le flux reçu en entrée en vue d'une diffusion synchronisée. En l'occurrence, dans le cadre de l'exemple de réalisation, ce formatage consiste à insérer des paquets MIP dans le flux. Les flux ainsi formatés sont transportés par un réseau de distribution à destination des modulateurs 3.3, un seul étant représenté sur la figure. Avantageusement, le réseau de distribution peut être différent pour chacun des flux issus des modules de formatage. Ceci permet que les deux flux ne subissent pas les mêmes aléas de transmission en étant transportés par le même réseau. Le modulateur est adapté pour recevoir les deux

flux.

Alternativement, la sélection du flux d'entrée du modulateur peut être confiée à un module dédié. Ce module de sélection accepte en entrée les flux issus des modules de formatage. Il est chargé de sélectionner l'entrée correcte et d'effectuer les basculements lorsque un des flux n'est plus correct. Il possède une sortie sur laquelle il redirige l'entrée sélectionnée. Cette sortie alimente un réseau de distribution à destination de plusieurs modulateurs.

En mode nominal, le modulateur émet un signal correspondant à l'un des flux reçus. Il est alors synchronisé sur ce flux. En cas de problème dans la réception par le modulateur du flux émis, il peut basculer sur la seconde entrée et émettre un signal issu du second flux. En l'état, rien ne garantit que les deux flux reçus par le modulateur soient synchronisés et que les informations temporelles émises au sein des paquets MIP par les deux modules de formatage correspondent. Un basculement entraîne donc généralement une phase de synchronisation du modulateur sur le second flux.

Pour résoudre ce problème, un lien 3.5 est ajouté entre les deux modules de formatage 3.1 et 3.2. Ce lien de communication sera avantageusement un lien dont la latence est déterministe. Ce lien peut, par exemple, être constitué d'un lien série, d'une connexion IP sur Ethernet, d'une fibre, d'un lien coaxial ou autres. Ce lien de connexion permet l'échange de messages par les deux modules de formatage. Ces échanges de messages permettent de synchroniser ces deux modules pour permettre de générer deux flux synchronisés.

Les deux modules de formatage fonctionnent selon un schéma maître esclave.

Le schéma de synchronisation entre les appareils est conçu de telle sorte que chaque appareil puisse déterminer à tout instant son statut de maître ou d'esclave. A tout instant, un seul des deux appareils peut être maître. Le maître impose sa synchronisation à l'appareil esclave.

Chaque module de formatage reçoit en entrée un flux à formater. Il reçoit également des informations temporelles qui lui permettent de gérer ses opérations de formatage temporel du flux. Ces informations sont constituées des horloges GPS dans l'exemple de réalisation. De plus, il peut émettre et recevoir des messages de

synchronisation via le lien 3.5. Le formatage du flux consiste à construire à partir des paquets TS reçus des méga-trames constituant le flux de sortie. Chaque méga-trame est constituée d'un certain nombre de paquets du flux d'entrée et d'un paquet MIP construit et inséré dans la méga-trame. Eventuellement, la méga-trame peut être complétée par des données de bourrage pour réguler le débit du flux. Chaque paquet MIP est constitué d'un compteur de continuité et d'une information temporelle relative au moment de l'émission de la prochaine méga-trame. Cette information temporelle est donnée relativement aux horloges GPS reçues. En mode de fonctionnement nominal, dans le cadre de l'invention, pour chacun des modules de formatage un module de gestion de la construction de ces paquets MIP est initialisé et asservi sur les horloges GPS. Chaque appareil est à même de générer le flux de sortie en fonction de ses entrées. Le module de formatage est alors dit synchronisé. Lorsque la réception du flux d'entrée ou des horloges de référence subit une interruption, l'appareil n'est plus en état de générer correctement le flux de sortie. Il est alors dit désynchronisé. Dans cet état désynchronisé, la sortie de l'appareil est interrompue. Le retour d'une réception correcte des entrées initie une phase de resynchronisation nécessaire pour que le module de génération des paquets MIP soit de nouveau correctement asservi aux horloges et à même de générer les paquets MIP corrects au sein des méga-trames. Au démarrage du système, une phase d'autonégociation permet de définir l'appareil maître et l'appareil esclave. Les deux appareils sont initialement dans un état esclave. Chaque appareil envoie à l'autre un message de demande de statut. A la réception d'une demande de statut, l'appareil renvoie son statut à l'auteur de la demande. Le statut comprend l'état de réception des signaux d'horloge de référence et l'état de réception du flux d'entrée. Il envoie également un identificateur unique. Cet identificateur est unique dans le sens qu'il est forcément différent pour chaque appareil. Cet identificateur peut, par exemple, être constitué de l'adresse MAC de l'appareil ou du moins d'une partie de cette adresse. Il peut également s'agir d'un numéro de série. Tout identificateur dont la valeur est propre à l'appareil peut ici être utilisé.

Si un appareil a l'un de ses signaux d'entrée, flux ou horloges, qui n'est pas reçu correctement, il prend automatiquement le statut d'esclave.

Si un appareil a tous ses signaux corrects et que le message de statut reçu de l'autre appareil lui indique que l'autre appareil n'a pas tous ses signaux corrects, il prend le statut de maître.

Si un appareil a tous ses signaux corrects et que le message de statut reçu de l'autre appareil lui indique que l'autre appareil a également tous ses signaux corrects il effectue une étape d'élection de l'appareil maître. Cette étape d'élection consiste en une comparaison de son identificateur et de l'identificateur de l'autre appareil qu'il a reçu dans le message. En fonction de ce test de comparaison il prend le statut d'esclave ou de maître. Ceci est un exemple, l'inverse fonctionne également, si son identificateur est supérieur à l'identificateur de l'autre appareil il devient maître.

L'important ici est que les deux appareils arrivent au même choix de celui qui devient maître et de celui qui reste esclave.

Le module de formatage maître formate le flux d'entrée comme s'il était seul. De plus, il envoie régulièrement, par exemple pour chaque méga-trame, un message de synchronisation au module de formatage esclave. Ce message contient l'étiquette temporelle de la méga-trame courante ainsi que le compteur de continuité du paquet MIP inséré dans cette méga-trame. Le module de formatage esclave vérifie que la valeur de l'étiquette temporelle qu'il calcule pour la même méga-trame est identique à celle reçue du maître. Un léger décalage est admissible. Dans l'exemple de réalisation, le décalage admis est d'une micro seconde. Si la différence entre les deux étiquettes temporelles est supérieure au décalage admissible, une phase d'asservissement temporel est entreprise par le module de formatage esclave. Il fera commencer la prochaine méga-trame qu'il génère à un instant correspondant à la valeur de l'étiquette temporelle reçue plus la durée théorique d'une méga-trame. De cette façon, le module esclave se recale dès qu'une dérive est détectée pour rester asservi temporellement sur le module maître. Les deux modules sont donc synchronisés entre eux.

Le module esclave vérifie également le compteur de continuité du paquet MIP reçu du maître et le compare à celui qu'il génère. En cas de divergence, il prend la valeur du maître. II faut bien faire la différence entre les différents mécanismes de synchronisation mis en œuvre dans le système. Le premier mécanisme de synchronisation est le

mécanisme de synchronisation classique du module de formatage qui consiste en un asservissement sur les signaux d'horloge de référence reçus. Ce mécanisme est mis en œuvre au démarrage de l'appareil et après une perte des signaux d'horloge de référence dès que ceux-ci redeviennent corrects. Un second mécanisme de synchronisation est le mécanisme utilisé par le modulateur pour se synchroniser sur le flux reçu. Il consiste à asservir l'émission du signal sur les informations temporelles contenues dans le flux, en l'occurrence dans les paquets MIP. Le troisième mécanisme de synchronisation est celui apporté par l'invention entre le module de formatage maître et l'esclave. Il consiste pour le module esclave, déjà synchronisé sur les horloges de référence selon le premier mécanisme de synchronisation, lorsqu'il constate un décalage entre les informations temporelles qu'il calcule et celles reçues du maître à se caler sur celle-ci. La période de répétition du générateur de méga-trame étant déterministe, le module esclave se recale et vérifie lors de la méga-trame suivante qu'il a retrouvé la synchronisation avec le maître. Si ce n'est pas le cas, il recommence jusqu'à ce qu'il se soit synchronisé ave lui.

Dès que le module de formatage maître perd un de ces signaux d'entrée, flux ou horloge de référence, il passe en mode esclave et envoie un message le signalant à l'autre module. Sur réception d'un tel message, l'autre module de formatage qui est dans l'état esclave prend immédiatement le statut de maître à la condition que ces signaux d'entrée soient corrects.

Dans le cas où les deux modules de formatage sont dans un état où leurs signaux d'entrée sont incorrects, aucun des deux n'est en mesure de prendre le statut de maître et d'émettre un flux correct en sortie. Cette situation rare, d'erreurs sur les deux modules conduit à une interruption de service. Dans l'exemple de réalisation, le procédé de synchronisation entre les deux modules de formatage implique l'utilisation de quatre types de messages de synchronisation.

Un premier type consiste en une demande de statut. Cette demande de statut est envoyée de manière périodique, par exemple toutes les 5 méga-trames. Si un appareil ne reçoit pas de réponse à sa demande de statut au bout d'un temps donné, par exemple le temps de génération de 15 méga-trames, il prend le statut de maître à la

condition que ses entrées soient correctes.

Un second type est constitué des messages de statut. Ces messages servent à notifier l'autre module du statut, maître ou esclave, dans lequel on se trouve. Avantageusement, le statut comprend également l'état des entrées du module de formatage, ainsi que l'identificateur unique permettant l'étape d'élection du maître.

Un troisième type de message est constitué du message de synchronisation, envoyé par le maître et reçu par l'esclave. Il est envoyé par exemple toutes les mégatrames et contenant le compteur de continuité du paquet MIP et l'étiquette temporelle correspondante. Ce type de message est utilisé pour effectuer la synchronisation effective entre les deux modules de formatage.

Un dernier type de message est le message de perte de signaux pour indiquer à l'autre module que l'on vient de perdre certains des signaux d'entrée et que l'on passe en conséquence en statut d'esclave.

Il est possible de modifier ces messages sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, dans un mode de réalisation alternatif, les messages de statut sont envoyés systématiquement de manière périodique et non en réponse à un message de demande de statut. Ce dernier type de message devient alors inutile.

Le procédé de synchronisation ici décrit peut s'étendre de manière évidente à la synchronisation de trois ou plus modules de formatage. Le même procédé d'élection garantissant qu'un seul des modules est maître à un instant donné, les autres étant esclaves et se synchronisant sur le maître. Ce procédé n'est pas limité au cadre DVB mais peut s'appliquer dès lors que l'on duplique un module de formatage en vue d'une diffusion synchronisée de flux. Ce formatage se faisant à partir d'un signal d'horloge de référence reçu et impliquant l'insertion d'étiquettes temporelles de synchronisation dans le flux. L'invention fonctionne alors par transmission de ces étiquettes temporelles du maître vers l'esclave et n'est pas lié au mécanisme de synchronisation par paquet MIP proprement dit qui n'en est qu'un exemple.

Lorsque les deux modules sont synchronisés entre eux, ils génèrent des flux eux- même synchronisés dans le sens où les méga-trames générées par les deux modules contiennent les mêmes données, démarrent au même instant et contiennent des paquets de synchronisation MIP portant le même compteur de continuité et la même

étiquette temporelle, la notion de même instant et de même étiquette temporelle se comprenant au décalage admissible prêt. Un modulateur peut donc basculer entre les deux flux sans se désynchroniser. Pour autant, les deux flux ne sont pas nécessairement parfaitement identiques. En particulier, la gestion de débit entraîne l'introduction dans le flux de paquets de bourrage. Cette gestion du débit n'est pas totalement déterministe et il peut arriver qu'un paquet de données et un paquet de bourrage soient insérés de manière inversée dans les deux flux. Un basculement intervenant entre le paquet de données et le paquet de bourrage inversé entraînera donc soit la non réception d'un paquet de données soit sa double réception. Il est donc possible de perdre un paquet de données et donc très occasionnellement d'obtenir une interruption de service. Mais celle-ci sera de courte durée, de l'ordre de l'image ou au maximum d'un groupe d'images (GOP) encodées de manière liée. Dans tous les cas, le modulateur ne perdra pas sa synchronisation et ne sera pas obligé d'entamer une étape de synchronisation. En général, aucune interruption de service ne sera provoquée par le basculement et dans les rares cas où elle se produirait, elle serait de courte durée.