基于VC-2淺壓縮技術(shù)的IP化傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

余明明

（桐廬縣融媒體中心，浙江 桐廬 311500）

0 引 言

為了有效應(yīng)對使用場景對于海量視頻信號傳輸?shù)囊螅ㄟ^信號處理技術(shù)來進行信號預處理，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)環(huán)境。現(xiàn)階段，高清視頻信號傳輸技術(shù)的實現(xiàn)依賴于分布式Hybrid-Matrix算法的H.264/H.265編碼協(xié)議[1]。考慮到分布式應(yīng)用可以滿足遠超320路高清信號采集、多目標源使用場景以及跨域海量信號匯集和變換等要求，但同時會帶來信號極致壓縮所引起的信號質(zhì)量降低，并出現(xiàn)時延和異步等情況，因此提出了一種能夠同時滿足多類多域使用場景且容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)擴容和同步實時傳輸?shù)腎P化傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過VC-2淺壓縮技術(shù)將分布式信號重組應(yīng)用在IP化寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，充分實現(xiàn)高清視頻信號在多級場景中的跨域采集與傳輸[2]。

1 視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

1.1 基本組織框架

IP化視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由信號的接入層、傳輸層以及應(yīng)用層組成，通過VC-2淺壓縮技術(shù)實現(xiàn)跨域視頻信號的采集、輸入、解碼譯碼、碼元轉(zhuǎn)換以及編碼傳輸?shù)?，通過信號重組完成IP化寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[3]。網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)如圖1所示。

圖1 IP化視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

IP化視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸場景如圖2所示，其中涉及了基于IP化網(wǎng)絡(luò)碼流的編解碼設(shè)備、管理與數(shù)據(jù)交換設(shè)備等[4]。值得注意的是，數(shù)據(jù)交互應(yīng)當充分考慮承擔任務(wù)量、使用效率以及用戶設(shè)備范圍等，需要預留空間來應(yīng)對額外接入的數(shù)據(jù)吞吐，有效解決未來業(yè)務(wù)模式升級帶來的網(wǎng)絡(luò)承載問題。

圖2 IP化視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸場景

2 基于VC-2淺壓縮技術(shù)的視頻信號編解碼

VC-2淺壓縮技術(shù)能夠?qū)π盘栍行嚎s，通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化保證視頻信號不失真、不掉幀，滿足高清顯示的要求[5]。經(jīng)優(yōu)化后的傳輸網(wǎng)絡(luò)信號時延將小于20 ms，可以保證多路視頻唇音同步，視覺上無明顯延遲。依靠編解碼設(shè)備、信號傳輸設(shè)備、變換轉(zhuǎn)換機制等構(gòu)建子系統(tǒng)，系統(tǒng)間通過寬帶網(wǎng)絡(luò)橋接，同步實現(xiàn)視頻信號的數(shù)據(jù)傳輸。對于無線多通道視頻信號傳輸而言，信號采集設(shè)備通過VC-2淺壓縮技術(shù)將跨域視頻信號以超壓縮比格式進行再編碼，如圖3所示，以頻帶置換數(shù)據(jù)空間，然后再局部封裝形成IP化網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸交換[6]。

圖3 無線多通道視頻信號傳輸模式下淺壓縮技術(shù)運用

數(shù)據(jù)信號解碼的前提是信號流轉(zhuǎn)中IP化網(wǎng)文格式的二次解封，網(wǎng)文解碼后可以通過交換機實時聯(lián)動信號顯示單元，同步輸出高清數(shù)字信號[7]。基于VC-2淺壓縮技術(shù)實現(xiàn)視頻信號擴容、降噪、降時延以及低失真等目標，其中信號交互設(shè)備、轉(zhuǎn)換設(shè)備通過寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的僑聯(lián)實時采集、傳輸視頻數(shù)據(jù)。對于壓縮后的網(wǎng)絡(luò)報文信號，寬帶格式基本保存視頻信號的高頻部分，保證信號圖像無色彩損失、無失真。

3 基于IP化寬帶網(wǎng)絡(luò)重組架構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)階段，分布式場景中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以設(shè)計為兩種模式，即“中心+節(jié)點+接口”三級模式、“中心+接口”二級模式?！爸行?節(jié)點+接口”三級模式采用環(huán)路結(jié)構(gòu)，處理的數(shù)據(jù)信號量更大，但處置效率較低。根據(jù)多域視頻信號采集標準，以IP化視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，采用“環(huán)狀中心+節(jié)點+接口”三級模式作為寬帶組網(wǎng)的核心模式，即在環(huán)狀中心中安裝信號接入設(shè)備和匯總設(shè)備，便于在單獨的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中實現(xiàn)局域組網(wǎng)、分區(qū)處置[8]。

主網(wǎng)絡(luò)中心位置安裝兩組大型核心數(shù)據(jù)交互設(shè)備，同時將多路子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互節(jié)點機全部橋接至核心交互設(shè)備中，從宏觀層面構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的大網(wǎng)絡(luò)，即數(shù)據(jù)中心（Data Center，DC）網(wǎng)。數(shù)據(jù)處置進程對于整個系統(tǒng)運維工作幾乎不會造成影響，且預留接口能夠隨時面對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)擴展等。次節(jié)點中心位置分別安裝多域數(shù)據(jù)接入端口，遠程控制數(shù)據(jù)匯總交互設(shè)備，從局部層面降低了核心網(wǎng)絡(luò)的承載壓力。根據(jù)跨域信號接入機制將視頻采集信號傳輸至最合適的次節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中心，兼顧整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的安全性，單中心的視頻信號采集、匯總以及分發(fā)由節(jié)點交換機堆疊完成。環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計能夠有效減少核心交換設(shè)備的數(shù)量（本方案使用了兩組），在不大幅增加接入機和匯聚機的基礎(chǔ)上，提升了整體IP化網(wǎng)路架構(gòu)的承載能力和擴容能力。此外，次節(jié)點中心可以獨立于系統(tǒng)運行，一旦遭受泛洪攻擊，不會破壞核心數(shù)據(jù)。IP化寬帶網(wǎng)絡(luò)重組架構(gòu)如圖4所示。

圖4 IP化寬帶網(wǎng)絡(luò)重組架構(gòu)

在使用場景中，如圖5所示，選擇48口接入式交互設(shè)備，便于后期數(shù)據(jù)擴容。現(xiàn)階段，單設(shè)備只使用36個網(wǎng)口與數(shù)據(jù)采集端相連，完成信號編碼和解碼[9]。按照一條數(shù)據(jù)通路平均帶寬500 Mb/s、峰值帶寬900 Mb/s計算，則單組接入式交互設(shè)備的總帶寬約為17.58 Gb/s，整體峰值帶寬約為31.64 Gb/s。根據(jù)計算結(jié)果，單通道最多配置兩條40 Gb/s的數(shù)據(jù)上行鏈路，直接對接兩組匯聚式數(shù)據(jù)交互設(shè)備，此時接入層的容錯機制和數(shù)據(jù)承載均能夠滿足實際使用需求。主網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)計的兩組核心數(shù)據(jù)交互設(shè)備可以堆疊使用，其中下行數(shù)據(jù)端口與次節(jié)點中心的交互設(shè)備上行數(shù)據(jù)端口同步即可[10]。

圖5 IP化視頻信號傳輸應(yīng)用場景

總而言之，通過VC-2淺壓縮技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式信號重組，進而在全局IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)傳輸?shù)哪康?。?yīng)用層或傳輸層的主干網(wǎng)絡(luò)與接入層的支線網(wǎng)絡(luò)可以有效滿足視頻信號傳輸?shù)刃枨螅瑯O大地提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)矩陣節(jié)點過多、鏈路過長、H.264/H.265傳輸協(xié)議受限等問題，提出了一種基于VC-2淺壓縮技術(shù)的IP化傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案。通過分布式信號重組、基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)異步重建、三級傳輸機制設(shè)置等方式完成了跨域多點高清視頻信號的采集、匯總、分發(fā)以及處置，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，能夠滿足未來業(yè)務(wù)模式變化的數(shù)據(jù)端口拓展要求。