IP化對廣播電視行業(yè)的機遇、挑戰(zhàn)及IP系統(tǒng)的實踐

方 輝

（浙江新藍網(wǎng)絡傳媒有限公司，杭州 310000）

由于三網(wǎng)融合，傳統(tǒng)媒體，互聯(lián)網(wǎng)視頻制作、傳輸、分發(fā)，產(chǎn)業(yè)鏈相互滲透，帶來視頻業(yè)務蓬勃發(fā)展，從制作、傳輸、分發(fā)幾個方面增加網(wǎng)絡傳輸?shù)囊螅瑤捯笤絹碓礁撸瑐鬏斮|量要求也越來越高。業(yè)務層上互相滲透和交叉，應用層上趨向使用統(tǒng)一的IP協(xié)議；在經(jīng)營上互相競爭、互相合作，提供多樣化、多媒體化、個性化服務的同一目標逐漸交匯在一起，行業(yè)管制和政策方面也逐漸趨向統(tǒng)一。

1 IP化在廣電行業(yè)中所具備的優(yōu)勢

（1）具備當下可利用帶寬條件。目前，10G帶寬的傳輸設備及方案已經(jīng)很成熟，而25G、40G甚至100G超高帶寬的傳輸技術也將日趨完善。

（2）視頻格式不再受限。無論是無壓縮的UHD、3G、高清、標清視頻信號，亦或是壓縮的JPEG2000，H.264，MPEG-2，HEVC over TS-IP信號，都能在IP網(wǎng)絡系統(tǒng)中正常傳輸。

（3）雙向傳輸、資源共享。不再受限于基帶視頻系統(tǒng)SDI的單向傳輸方式，節(jié)省資源、傳輸靈活；并且，只要在IP網(wǎng)絡系統(tǒng)覆蓋之內，理論上任意信號可達任意地點，實現(xiàn)資源共享。

（4）資源虛擬化。不再受限于基帶視頻系統(tǒng)SDI的分配模式，無需配置許多視頻分配板卡，即可實現(xiàn)資源的自由分配。

2 IP化在廣電行業(yè)中的關鍵技術

2.1 標準

2012年，SMPTE出臺了SMPTE 2022系列的標準，規(guī)范了如何通過IP方式傳輸高質量視頻信號。其中《Transpor t of High Bit Rate Media Signals over IP Networks（HBRMT），：.ST 2022-6：2012》指定了一種方式，可以傳輸高比特率信號（包括3Gbps 1080p視頻信號）而不把信號壓縮為MEPG-2流傳輸。

圖1 SMPTE 2022-6 單個組播流組成

（1）SMPTE ST 2022-6：2012：IP網(wǎng)絡高碼率媒體信號傳輸定義了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)映射格式，依據(jù)實時傳輸協(xié)議、精確時鐘同步協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議、網(wǎng)絡分組管理協(xié)議等協(xié)議構成的元數(shù)據(jù)，定義SDI信號的IP封裝格式協(xié)議，支持多種HD-SDI和3G-SDI視頻信號格式。采用這一標準，不同廠商的產(chǎn)品可以發(fā)送或接收通過IP網(wǎng)絡分發(fā)的高碼率視頻信號。

（2）SMPTE ST 2022-7：2013：IP數(shù)據(jù)報信號無縫路由切換保護定義兩個流數(shù)據(jù)包，從源到目的地接收者之間自動切換的方法。

該標準的出現(xiàn)打破了兩種技術之間的壁壘，使得在現(xiàn)有廣播電視基礎上通過IP網(wǎng)絡傳輸未壓縮的視頻信號成為可能。

2017年，SMPTE起草了SMPTE 2110系列的標準，SMPTE ST 2110標準讓音頻、視頻和輔助數(shù)據(jù)流得以分開。這一提升簡化了附加字幕、標題，圖文電視，以及處理多語言音頻等任務。每個實體流都可以分開傳送并在終端重新匯聚。其中每個組成部分——音頻、視頻和輔助數(shù)據(jù)流可實現(xiàn)同步，因此實體流在保持獨立的同時又能實現(xiàn)同步。為IP網(wǎng)絡傳輸不同的視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)流定義一個可互操作的系統(tǒng)。

它們包括：SMPTE ST 2110-10：同步和會話描述標準；SMPTE ST 2110-20：無壓縮的有效視頻（基于RFC 4175）；SMPTE ST 2110-30：無壓縮的PCM音頻（AES67）；SMPTE ST 2110-21：流量整形和傳輸定時；SMPTE ST 2110-22：壓縮視頻（tbc）；SMPTE ST 2110-31：AES3傳輸（包括壓縮音頻）；SMPTE ST 2110-40：輔助數(shù)據(jù)（IETF有效載荷RTP輔助草案）；SMPTE ST 2110-50：兼容SMPTE 2022-6傳輸標準。

SMPTE與音頻工程師協(xié)會（AES）、I P 媒體解決方案聯(lián)盟（AIMS）高級媒體工作流協(xié)會（AMWA）、歐洲廣播聯(lián)盟（EBU）、IABM、媒體網(wǎng)絡聯(lián)盟（MNA）以及視頻服務論壇（VSF）在2017年IBC展會上對該標準共同進行了展示。

2.2 核心交換結構

首先，需要確定核心交換設備，核心交換設備應具備的特性有：高容量、非阻塞、低延時、設備可見性、完全可控性、冗余及安全性。

Evertz 核心IPX交換機（16，32，64，128口）64口背板帶寬1.2Tb/s，相當于384*384矩陣（HD SDI），其主要特征：確定的組播數(shù)據(jù)包路由；基于IP數(shù)據(jù)包的凈切換；輸入組播地址的自動發(fā)現(xiàn)；支持端口Vlan劃分；端口流量監(jiān)控報警；完善的信號傳輸路徑監(jiān)看和控制管理。

圖2 Evertz IPX核心交換矩陣

其次，系統(tǒng)架構應為無阻塞架構，如圖3所示：

最后，交換機切換方案的選擇，當前三 種可行的切換基準方案：一是Dest ina t ion-Timed switching，“目的基準”切換——帶寬損失一半；二是Source-Timed switching，“信源基準”切換——建立索引表，多級及聯(lián)理時，非常復雜；三是Switch-Timed switching，“ 切換基準”切換——高效、節(jié)省帶寬。Switch-timed Switching 目前是較好的解決方案。

圖3 無阻塞架構

圖4 三種切換基準方案

2.3 管理及控制

軟件定義視頻網(wǎng)絡（SDVN）。當下媒體行業(yè)正逐漸從傳統(tǒng)基帶架構向以IP為中心的交換網(wǎng)絡進行過渡，Evertz的軟件定義視頻網(wǎng)絡（SDVN）給這種過渡提供了一條完全無縫且無需任何妥協(xié)的途徑。憑借Evertz的超大容量核心交換設備（包括EXE及3080IPX IP矩陣）以及MAGNUM統(tǒng)一網(wǎng)管，使得SDVN的方案可以被應用于任何制作域、播出域和傳輸域架構進行統(tǒng)一的調度、管理、采集和分發(fā)。

MAGNUM控制軟件在整合IP網(wǎng)絡系統(tǒng)的一體化控制進程上一直是卓越的，不僅可對EXE、3080IPX、570IPG等IP矩陣和網(wǎng)關等設備進行整體管控，同時兼容了原有基帶EQX系列的融合。當下廣電行業(yè)正快速向IP化進行改革性轉變，EQX矩陣平臺由于具有通道路徑級的交叉點冗余備份機制，是IP、基帶混合方式的最佳平臺，EVERTZ為EQX 矩陣平臺最新開發(fā)的IP/基帶混合輸入輸出板卡可完美適配MAGNUM系統(tǒng)。

SDVN是一種建立在大容量包交換設備、各種類媒體網(wǎng)關和MAGNUM SDVN統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)之上的架構，同時支持SD/HD高標清、Ult raHD 4K 超高清，甚至8K下一代超高清信號接入。SDVN在MAGNUM這個Evertz屢獲獎項的網(wǎng)管之驅動下，可以讓客戶完全不改變原有的操作習慣就一步跨越至Video over IP的世界。

MAGNUM使得用戶在同一平臺、同一操作系統(tǒng)上即可實現(xiàn)對矩陣、多畫面監(jiān)看、TALLY、周邊設備、操作面板等等設備完成一體化的管控。該軟件為高度成熟軟件，在國際和國內（如中央電視臺、浙江電視臺、江蘇電視臺、云南電視臺、重慶電視臺、海南電視臺、四川電視臺、中國聯(lián)通、廣東電視臺等）都有成熟的案例應用，不勝枚舉。

圖5 Evertz IP系統(tǒng)自2014年應用于全球超過120個國際傳媒機構的實踐經(jīng)驗與挑戰(zhàn)

圖6 設備發(fā)現(xiàn)

圖7 設備路由管理

圖8 流量/帶寬管理

圖9 網(wǎng)絡/設備狀態(tài)管理

2.4 時碼

伴隨著網(wǎng)絡技術的不斷增加和發(fā)展，尤其是以太網(wǎng)在測量和控制系統(tǒng)中應用越來越廣泛，計算機和網(wǎng)絡業(yè)界也在致力于解決以太網(wǎng)的定時同步能力不足的問題，以減少采用其他技術，例如IRIG-B等帶來的額外布線開銷。于是開發(fā)出一種軟件方式的網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP），來提高各網(wǎng)絡設備之間的定時同步能力。

1992年NTP版本的同步準確度可以達到200μs，但是仍然不能滿足測量儀器和工業(yè)控制所需的準確度。為了解決這個問題，同時還要滿足其他方面需求。網(wǎng)絡精密時鐘同步委員會于2001年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標準技術研究所（NIST）的支持，該委員會起草的規(guī)范在2002 年底獲得IEEE標準委員會通過，作為IEEE1588標準。該標準定義的就是PTP協(xié)議（Precision Time Protocol）。

PTP 是一種主從同步系統(tǒng)，采用主從時鐘方式，對時間信息進行編碼，利用網(wǎng)絡的對稱性和延時測量技術，實現(xiàn)主從時間的同步。

在系統(tǒng)的同步過程中，主時鐘周期性發(fā)布PTP 時間同步協(xié)議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發(fā)來的時間戳信息，系統(tǒng)據(jù)此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從設備時間保持與主設備時間一致的頻率與相位。

圖10 PTP主從設備及邊界時鐘拓撲結構

3 IP化在廣電行業(yè)中的未來發(fā)展趨勢

在未來的廣電行業(yè)中，IP化不可避免，許多廠家已經(jīng)走在了技術的前沿，對遠程制作、微服務服務器等都有了各自的最新產(chǎn)品及相關案例，相信在不久的將來，這些前沿的技術及方案會逐漸在各廣電行業(yè)中日趨成熟。■