基于4K IP化發(fā)展及播出應(yīng)用研究

于佳

【摘要】通過IP、SDI發(fā)展歷程解析廣電行業(yè)IP化的內(nèi)在驅(qū)動力，SMPTE ST2110標準發(fā)布，使廣電行業(yè)有了4K超高清電視從傳統(tǒng)專用SDI架構(gòu)轉(zhuǎn)向IP解決方案的標準依據(jù)，通過分析4K超高清制播流程的IP化應(yīng)用，探索電視臺在推進4K超高清電視發(fā)展進程中的IP化發(fā)展分步走道路及前景。

【關(guān)鍵詞】IP;SDI; 4K;播出;應(yīng)用

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）012-127-05

Abstract：Through the development of IP and SDI， the internal driving force of IP in broadcasting industry is analyzed， and the SMPTE ST2110 standard is released， which makes the broadcasting industry have the standard basis for 4K ultra-high-definition TV to change from traditional special SDI architecture to IP solution. By analyzing the IP application of 4K ultra-high-definition production and broadcasting process， this paper explores the step-by-step development path and prospect of IP development of TV stations in promoting the development of 4K ultra-high-definition TV.

Key words：IP; SDI; 4K; Broadcast; Application

Hello World，現(xiàn)在是互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展時代。IPV6、5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等核心技術(shù)助力萬物互聯(lián)，將進一步推動互聯(lián)網(wǎng)紅利共享。廣電行業(yè)能享受互聯(lián)網(wǎng)紅利嗎？本文解析SDI、IP化選擇要素并對中央廣播電視總臺的具體應(yīng)用進行探討。

1. 電視中心的SDI/IP發(fā)展歷程

1.1 IP概念及演進

Internet起源于1969年美國國防部高級研究項目管理局（APRA：AdvancedResearch Projects Agency）的科研項目分組交換的廣域網(wǎng)（Packet-Switched wide-area network），TCP/IP協(xié)議就是描述定義Internet的協(xié)議，是一組網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議組合。IP（Internet Protocol）協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，主要用于互聯(lián)網(wǎng)通信，可以把各種不同的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包格式，使所有連接在互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備都能在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)互通，具有開放性的特點，是TCP/IP協(xié)議族的核心。1981年IP（網(wǎng)際協(xié)議）協(xié)議投入使用。我們說IP化，就是將需要通過鏈路傳輸?shù)男畔?，放到統(tǒng)一的TCP/IP平臺上進行傳輸，通過IP數(shù)據(jù)包的形式進行傳輸，不用因為區(qū)分不同的業(yè)務(wù)而設(shè)置不同的管理平臺、數(shù)據(jù)格式和傳輸介質(zhì)。

IEEE802.3標準集（如表1）自1983年起發(fā)布，定義了以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議CSMA/CD及物理層技術(shù)規(guī)范。以太網(wǎng)線路速率在發(fā)展中不斷提升。

1.2 SDI標準及優(yōu)劣對比

SDI（Serial Digital Interface）（如表2）接口指串行數(shù)字接口，用于傳輸無壓縮、未加密的數(shù)字視頻信號，是技術(shù)成熟的專業(yè)數(shù)字視頻接口。

1994年，ITU-R發(fā)布BT.656-2建議書，定義了10比特傳輸與非歸零反向（NRZl）編碼的新型串行數(shù)字接口，即“SD-SDI”的由來。SDI逐漸在全球廣播電視系統(tǒng)演播室、主控、播控系統(tǒng)及監(jiān)控等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。具備以下特征：專用網(wǎng)絡(luò)、單向傳輸、傳輸有序、一電纜一信號、信號傳輸質(zhì)量高、延時低、可靠性高。早期傳輸速率大大滿足電視信號傳輸需求。

隨著傳輸速率的增加，SDI傳輸距離越來越短。SDI接口傳輸無壓縮4K UHD信號，需要采用1個12G-SDI接口，或者采用4個3G-SDI接口，4*3G四鏈路傳輸，既復雜，線纜也多。此外，因為一根線纜只能單向傳輸一路，節(jié)目源多則線纜多。這使得矩陣調(diào)度系統(tǒng)越來越大，布線多、復雜、占用空間大、成本高、建設(shè)和維護難度高。圖1為播出系統(tǒng)144*144 SDI矩陣，總臺總控576*576 SDI矩陣的布線則更為龐大。

對于簡單的點對點連接、設(shè)備少的小型系統(tǒng)來講，SDI架構(gòu)有優(yōu)勢。隨著需求的提升，對于設(shè)備多、大型復雜系統(tǒng)等多數(shù)情況來講，IP架構(gòu)只需系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備用網(wǎng)線/光纖連接到交換機，這根線纜不僅帶寬高、雙向化傳輸，滿足4K UHD信號帶寬需求，還能同時傳輸輔助數(shù)據(jù)等多個信號，不需要進行同步網(wǎng)、控制網(wǎng)、視音頻信號網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)，結(jié)構(gòu)簡潔伴隨著線纜少、布線簡單。交換機的交換容量與大小無關(guān)，占用空間進一步減少。IP架構(gòu)傳輸和處理海量數(shù)據(jù)非常容易，具備擴展性強、易控制、易升級的特點。網(wǎng)絡(luò)與傳輸內(nèi)容無關(guān)，開放化、靈活性高、適應(yīng)性強，非常適應(yīng)當前靈活多變的傳播模式，如直播、OTT等新型傳播模式。

總臺的4K/8K+5G+AI發(fā)展戰(zhàn)略若依托于SDI，將受到帶寬瓶頸約束。20世紀90年代，是SD-SDI、HD-SDI時代，主流以太網(wǎng)帶寬從100M過渡到1G，無法滿足視頻傳輸帶寬。進入21世紀后，視頻傳輸帶寬需求由3G-SDI到12G-SDI，電子行業(yè)興起促使IP迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)帶寬由10G發(fā)展到40G、100G、25G，帶寬增長速度遠遠超過了視頻傳輸帶寬需求，成為4K/8K+5G+AI發(fā)展模式下IP結(jié)構(gòu)比對SDI傳輸?shù)淖畲髢?yōu)勢。

部署IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要有具體標準支持。本著Everything over IP的理念，一起來看SDI over IP協(xié)議。

1.3 SDI over IP

SDI over IP即通過IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸SDI信號。在發(fā)展中分為SMPTE與AVB（Audio Video Bridging）兩個陣營，AVB是電氣與電子工程師協(xié)會制定的標準，應(yīng)用時必須使用AVB專用交換機。相比較，美國電影電視工程師協(xié)會SMPTE專為廣電行業(yè)制定的標準更具業(yè)內(nèi)優(yōu)勢，得到業(yè)內(nèi)眾多廠商的支持，目前作為主流標準。

SMPTE ST 2022系列標準描述如表3，SMPTE 2022系列標準僅定義了無壓縮高清信號傳輸格式，未定義4K/8K UHD信號傳輸格式。視頻、音頻、元數(shù)據(jù)混合在一起打包傳輸，無法滿足演播室、轉(zhuǎn)播車等不同數(shù)據(jù)分別處理的需求場景，需要解嵌、數(shù)據(jù)處理、再加嵌的額外加解嵌處理過程。并且，ST2022標準有個別操作方案未具體化，廠商只能自行采取解決方案進行處理，導致各廠商設(shè)備互聯(lián)互通性差。用戶希望能推出統(tǒng)一的、開放的標準，促使不同設(shè)備互聯(lián)互通，行業(yè)進入良性發(fā)展。

在這樣的意愿推動下，2017年9月-2019年初，發(fā)布了SMPTE 2110系列標準（如表4），把SDI信號中的視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)分成三個流封裝到不同的IP包進行傳輸，免去了加嵌、解嵌的復雜處理，系統(tǒng)帶寬更富彈性、可擴展性增強。

2019年4月，歐廣聯(lián)EBU呼吁電視行業(yè)加快采用AMWA NMOS發(fā)布的IS-04， IS-05，IS-06協(xié)議，助力IP化，AMWA NMOS為網(wǎng)絡(luò)媒體開放規(guī)范，定義了ST-2110標準下設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、注冊和連接管理。設(shè)備若支持NMOS，將減少大量人工配置工作，實現(xiàn)即插即用，具備和SDI接口類似的易用性。

2018年總臺搭建4K相關(guān)系統(tǒng)時，已密切關(guān)注ST 2110標準進展情況，提出未來可兼容ST 2110標準的擴展需求。

1.4 廠商產(chǎn)品支持

ST 2110標準發(fā)布后，2019年下半年，多家廠商即陸續(xù)推出支持ST 2110標準的產(chǎn)品及解決方案，ST 2110成為行業(yè)內(nèi)的主流IP標準，之前各自為戰(zhàn)的混亂局面趨于統(tǒng)一，為取代SDI傳統(tǒng)架構(gòu)和廣泛應(yīng)用IT基礎(chǔ)設(shè)施打下基礎(chǔ)。

索尼2019年8月交付黑龍江廣播電視臺的IP live 4K轉(zhuǎn)播車，采用4K IP+HD SDI混合構(gòu)架，支持ST2110的單流4K IP，支持ST2059、ST2022-7，采用PTP精準鎖相。產(chǎn)品視頻切換臺、4K攝像機等支持ST 2110和AMWA NMOS標準，兼容支持12G-SDI接口。草谷GV的通用交換機，支持1/10/25/40/50/100 G的以太網(wǎng)接口，同步采用IEEE-1588-2008 （PTPv2， ST-2059），無阻塞、零丟包架構(gòu)，端口延時低，提供豐富的實時監(jiān)測信息。其他廠商如華為、思科、Artel、泰克等均推出支持ST 2110的產(chǎn)品系列。集成商如世紀?？铺峁┲С諷T 2110的全套標準化無壓縮IP系統(tǒng)集成。4K超高清播出系統(tǒng)備路采取了Imagine的IP視頻服務(wù)器，同時支持ST 2110 IP流和SDI流。

2. 4K IP化應(yīng)用：4K播出系統(tǒng) SDI+IP混合架構(gòu)

中央廣播電視總臺對節(jié)目制播全流程進行了4K超高清建設(shè)改造，臺內(nèi)前期拍攝、后期制作、總控、播出全鏈路制播流程圖（如圖3）。

總臺制播流程的多個環(huán)節(jié)采用了IP化架構(gòu)，分為兩種模式，一種是全IP架構(gòu)，如E16演播室、CCTV第八演播室（800平米）的4K視頻系統(tǒng)、4K IP化移動外場系統(tǒng)、IP化外場移動總控系統(tǒng)均采取了全IP架構(gòu);一種是IP+SDI混合架構(gòu)，如4K超高清外場廂載式轉(zhuǎn)播制作系統(tǒng)（EFP）、CCTV-4K超高清播出系統(tǒng)。這些IP化系統(tǒng)均兼容支持SDI接口。對于只有SDI接口的設(shè)備，可通過網(wǎng)關(guān)將SDI信號和IP信號轉(zhuǎn)換后再進行信號處理。

各系統(tǒng)間的外部接口信號為TICO淺壓縮信號和SDI基帶信號。實現(xiàn)制播網(wǎng)端到端全IP化，還需繼續(xù)推進各系統(tǒng)全流程、及系統(tǒng)間的4K ST2110信號無壓縮單流IP化。

應(yīng)用案例如4K超高清外場廂載式轉(zhuǎn)播制作系統(tǒng)（EFP），采用了IP+SDI架構(gòu)，支持ST2110，包含核心交換機、切換臺、攝像機、IPG網(wǎng)關(guān)、錄制播放服務(wù)器等核心設(shè)備。支持16個4K有線訊道，設(shè)置一級核心交換機，采用Sony的LSM系統(tǒng)進行SDN管理。同時，為保證重要時政任務(wù)，可以拆分出4*3G SDI的8訊道4K傳統(tǒng)基帶系統(tǒng)，監(jiān)看系統(tǒng)為傳統(tǒng)高清視頻矩陣。

CCTV第八演播室（800平米）4K視頻系統(tǒng)，采用全IP架構(gòu)，包含攝像機、IP切換臺、數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)（采用主備COTS交換機）、錄制播放服務(wù)器、字幕包裝設(shè)備等核心設(shè)備。核心架構(gòu)采用COTS交換機和IP切換臺。支持ST 2022-7。4K信號采用LLVC淺壓縮編碼、NMI協(xié)議傳輸。

2018年10月1日， 4K超高清頻道開播，4K超高清播出系統(tǒng)投入使用。4K播出系統(tǒng)采用SDI+IP混合架構(gòu)，支持ST2110標準，具體架構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

2.1 播出視音頻切換系統(tǒng)

播出視音頻切換系統(tǒng)的主路為SDI架構(gòu)，采用4路*3G-SDI信號，支持SQD格式和2SI格式。備路為IP架構(gòu)。信號輸入共7路UHD Q-LINK信號，其中4路為總控TICO解碼信號。信源信號經(jīng)分配后，同時送SDI和IP兩個鏈路進行處理。

核心設(shè)備播出視頻服務(wù)器采用主備SDI+IP異構(gòu)設(shè)計，連接核心交換機進行信號輸入輸出。主播出鏈路服務(wù)器PGM輸出SDI信號，封裝后輸入交換機，通過IP/SDI網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IP倒換。備播出服務(wù)器支持IP信號處理，同時也能兼容SDI信號處理。

配置3臺IP/SDI網(wǎng)關(guān)，具備幀同步，加解嵌，上下變換等處理功能，每臺支持8通道UHD信號的封裝與解封裝。采用7個通道對信號源進行封裝，通過IP/SDI網(wǎng)關(guān)的2個100G接口，以ST 2022-7冗余備份格式送入主備核心交換機。

2.2 技監(jiān)系統(tǒng)

為了方便SDI+IP混合架構(gòu)下各路信號的技術(shù)監(jiān)看，系統(tǒng)設(shè)計了SDI、IP不同的信號調(diào)度系統(tǒng)，并配置SDI基帶示波器和IP示波器。其中IP示波器具備IP和SDI兩種接口，可分別接收IP信號和SDI信號，對兩種信號實施監(jiān)測。

2.3 畫分監(jiān)看系統(tǒng)

配置2臺畫分服務(wù)器，支持20G的ST 2110 IP信號輸入和24通道3G SDI信號輸入。針對無壓縮UHD信號的監(jiān)看，為節(jié)省系統(tǒng)帶寬資源，IP/SDI網(wǎng)關(guān)封裝通道支持代理功能，畫分通過交換機獲取10個UHD通道的ST 2110代理信號進行監(jiān)看，單個代理信號帶寬僅1.5G。

2.4 同步系統(tǒng)

SDI+IP混合架構(gòu)的搭建注定需要系統(tǒng)同時具有IP系統(tǒng)的PTP信號和SDI系統(tǒng)的BB信號。為確保視音頻分離傳輸?shù)膶R，IP系統(tǒng)采用PTP作為統(tǒng)一時間/頻率基準。配置主備SPG8000A同步信號發(fā)生器，由現(xiàn)有同步時鐘進行同步鎖相及時碼鎖定，同時產(chǎn)生PTP信號。

SPG8000A輸出與PTP信號相位匹配的傳統(tǒng)BB信號，經(jīng)過ECO8000倒換輸出后，送傳統(tǒng)SDI設(shè)備進行同步鎖定。

2.5 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

IP架構(gòu)的核心交換設(shè)備采用CISCO Nexus 9236C作為核心交換機，具備36個100G接口，每個端口支持Break Out（1/10G或25G或40G）。連接IP-SDI網(wǎng)關(guān)（每臺2*100G接口：采用單流傳輸無壓縮4K UHD信號，滿足網(wǎng)關(guān)設(shè)備IP接口帶寬大于等于25G的需求）、IP多畫面分割器（每臺4*10G接口）、IP監(jiān)聽單元（1*10G接口）、視頻服務(wù)器（每臺2*25G接口）、同步發(fā)生器（每臺2*1G接口）、IP示波器（2*25G接口，2*10G接口）等設(shè)備。

3. 下一步思考

SDI設(shè)備擁有廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，SDI技術(shù)也并未止步發(fā)展，還在繼續(xù)探索中。雖然IP設(shè)備成本較SDI低，但全部淘汰舊有設(shè)備的綜合成本并不低。此外，需要對技術(shù)人員進行培訓，技術(shù)人員要適應(yīng)新結(jié)構(gòu)、新工作模式，在探索適應(yīng)期需要為確保信號安全和信號質(zhì)量付出額外努力。實際應(yīng)用中，系統(tǒng)為SDI+IP混合架構(gòu)、系統(tǒng)中SDI接口設(shè)備混合存在的情況將持續(xù)較長一段時間，在4K超高清改造進程中，制播網(wǎng)逐步過渡到全IP架構(gòu)，逐步替換SDI設(shè)備較為可行。

SDI鏈路點對點連接，不存在堵塞丟包問題。IP網(wǎng)絡(luò)基于分組交換、統(tǒng)計復用技術(shù)，會造成擁塞、丟包、視頻花屏等情況，安全性、穩(wěn)定性、可靠性上較SDI有更多的不確定性，因此，以往業(yè)內(nèi)人士對IP化方案多有疑慮。標準的發(fā)布給出一定的解決方案，廠商也在致力于給出IP數(shù)據(jù)傳輸延時與抖動、丟包、時鐘精度等關(guān)鍵點的最優(yōu)方案，如嚴格保證每路信號帶寬，采用無阻塞調(diào)度機制，采用NBM（非擁塞）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)微秒級延時等技術(shù)。但目前國際國內(nèi)還沒有IP鏈路4K UHD電視信號的延時、抖動、丟包等相關(guān)技術(shù)指標標準，如何對電視信號質(zhì)量進行監(jiān)測及判定有待進一步發(fā)展，并需要繼續(xù)探尋提升電視信號質(zhì)量的技術(shù)手段。

SDI網(wǎng)絡(luò)鏈路對應(yīng)物理連接，易于定位問題。IP架構(gòu)的日常運維、問題定位和傳統(tǒng)SDI架構(gòu)大不相同。IP化后SDN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃、帶寬管理、Qos保證、實時流量監(jiān)測等功能，各廠商采用自己的技術(shù)方案積極應(yīng)對，如基于大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)進行監(jiān)控、故障判斷及定位。但SDN網(wǎng)絡(luò)控制的穩(wěn)定性、可靠性、安全性還需要在各種應(yīng)用中繼續(xù)檢驗與驗證。此外，IP化還需要給予網(wǎng)絡(luò)安全更多的關(guān)注與防范。

在4K/8K超高清系統(tǒng)IP化基礎(chǔ)上，技術(shù)人員還要繼續(xù)深入挖掘云化、大數(shù)據(jù)、AI人工智能、5G等技術(shù)以聯(lián)合縱橫，在新一輪萬物互聯(lián)的發(fā)展浪潮里，助力廣電行業(yè)向智慧廣電轉(zhuǎn)型升級。

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