4K IP小型技術支持平臺建設淺析

剛 勇，王海亮，吳永波

（中儀英斯泰克進出口有限公司，北京 100044）

0 引 言

目前，索尼公司的4K IP系統占有最大的市場份額，投入使用的系統多達幾十套，對售后服務的需求越來越大。然而，4K IP系統技術門檻較高，實施工程師需要深厚的IP網絡知識，還要有系統的培訓和實踐的機會。現有售后工程師的工作主要以單機維修為主，少量系統工程師的知識經驗還停留在基帶層面上，因此，盡快培養出滿足售后要求的IP系統工程師，是一個非常緊迫的任務。另外，客戶的系統設備或板卡發生故障后，維修站目前沒有4K IP系統，無法對送修的故障設備進行真實的還原檢測。在此背景下，中儀英斯泰克公司專業技術服務團隊聯合索尼公司，以索尼設備為核心，共同建設一個4K IP技術平臺。該平臺以視頻系統為主，所有IP流符合ST 2110標準，視頻、音頻及meta data分別符合2110-20、2110-30、2110-40等標準[1]。

1 系統概述

建設該技術平臺主要目的是利用4K IP系統，提升工程師的IP系統技術能力，完成客戶設備和板卡的測試和維修工作，同時該系統也可以用于本地和遠程培訓，系統在前期設計時充分考慮了這些需求。平臺建設場地位于英斯泰克大廈六層辦公區，面積比較緊張，同時噪音應盡量控制，不能影響辦公區的正常辦公。最終確定建設位置在維修區和辦公區的隔離區域，使用玻璃隔斷進行隔離，兼顧安全和噪音控制。玻璃隔斷內共設立5個標準機柜和1個操作臺，配有獨立空調。考慮到培訓需求，技術團隊在大教室和小會議室設計了投影、試音話筒、通話及擴聲系統，保證與機房的互通互動。遠程培訓主要通過AWS-750切換臺，將培訓的視音頻PGM進行推流，實現網上直播。為了給拍攝提供更好的環境，團隊專門在維修區域設立一間暗室，用于攝像機的拍攝和調試，配置了色卡、拍攝物、燈光等。平臺建設區域如圖1所示。

圖1 平臺建設區域圖

在系統設計方面，業務流主要參考了索尼公司認證的華為CE8850-64CQ-EI交換機作為核心設備，采用主備配置模式；控制系統使用華為S5720-28X交換機，視頻系統使用索尼的訊道攝像機和切換臺，控制和POE供電設計采用思科2960X POE交換機。總的來說，該系統功能不求精、但求全，可滿足維修、測試、培訓的需求。部分設備布局如圖2所示。

圖2 部分設備布局圖

2 IP系統架構

本系統方案具有簡單可靠的特點。系統采用安全備份技術，架構及流程合理，具有一定的冗余和容錯能力。系統的IP架構以HUAWEI CE8850-64CQ-EI作為核心交換機，具有很好的開放性。IP化的系統架構使線纜的數量大幅減少，信號格式和擴展更加靈活便利，不同系統之間的數據信號共享也更容易實現。視頻信號鏈路和控制信號鏈路是系統的主要部分[2]。系統整體網絡拓撲如圖3所示。

圖3 4K IP技術中心網絡拓撲圖

本系統在設備選型上選用了HUAWEI CE8850-64CQ-EI、HUAWEI S5720-28X、CISCO 2960X三 層通用交換機。考慮到辦公地點空間等資源有限，網絡架構采用了兩層網絡結構（在拓撲結構上類似葉脊網絡結構），能夠很好地滿足高帶寬、低延時等需求。

視頻業務層核心交換機采用HUAWEI CE8850-64CQ-EI交換機，主備各1臺，具有64個40GE/100GE QSFP28以太網光接口，如圖4所示。QSFP28以太網光接口支持拆分為4個10GE或4個25GE接口。在本系統中，核心交換機采用PortMode2方式工作，與切換臺采用100 Gb·s-1光纖直連方式連接[3]，同時連接至SDN交換機和其他系統設備。由于SDN控制管理系統（LSM）需要對系統信號進行實時管控，核心交換機（主備）與下層SDN交換機（主備）分別連接，并且連接“心跳線”，既分別獨立，又實時備份，保證了核心業務（音視頻）的安全穩定。核心交換機100 Gb·s-1寬帶保證了整個核心層數據高效、可靠、且低延時的高速交換。以核心交換機為主的IP視頻鏈路主要由切換臺、CCU、音視頻存儲單元（PWS-4500）、IPG網關等構成。IPG網關實現IP信號流與4K基帶信號之間的轉換，組播數據流的復制和轉發由核心交換機完成。核心交換機輸出IP流視頻信號到PWS-4500，進行慢動作制作并輸入到核心交換機。切換臺負責處理所有視頻信號（包括DME），完成節目制作。IPG網關將IP流信號轉換成4K基帶信號輸入波監和技術監視器，對核心層的4K信號進行畫面監看、技術指標監測。HD-SDI SDR基帶外來信號進入4K IP系統，通過IPG網關的FS幀同步和SDR-HDR色域轉換功能轉換為4K IP流，通過核心交換機和系統內其他信號一起參與節目制作。制作完成后的視頻信號回到核心交換機。備份機制也符合SMPTE 2110標準的相關要求[4]。

圖4 HUAWEI CE8850-64CQ-EI交換機

第二層控制層采用HUAIWEI S5720-28X交換機，具有24個10/100/1000BASE-T以太網電接口以及4個10GE SFP+以太網光接口，面板如圖5所示。采用主備交換機，分別上聯主備核心交換機，下聯LSM服務器、系統同步機、控制面板、切換臺系統控制器以及其他IE訪問類設備。這一層通過索尼LSM系統實施匯聚，管理和集中控制具備網絡服務功能以及有控制需求的設備、服務器，減少核心層的業務量。兩臺SDN交換機（S5720-28X）通過級聯方式連接，分別下聯LSM服務器、系統同步機、控制面板、切換臺系統控制器等設備，互為備份，無論哪臺SDN交換機無法工作，都能保證PTP同步、LSM無縫管控以及設備的正常運行。

圖5 HUAWEI S5720-28X和CISCO 2960X交換機

最底層不需要處理大流量的信號，主要需求是POE供電和簡單的控制信號交流，采用思科2960 POE交換機，主要接入訊道系統設備、切換臺操作面板及Menu panel等。整個網絡以劃分VLAN的形式在各個交換機中劃分出不同的子網，用以處理視頻、PTP、通話、控制等信號。將控制域內的SDN交換機劃分出NS-BUS、音視頻存儲單元（PWS-4500）、IP TALLY、PTP、交換機調試、通話等子網，將POE交換機分為攝像機控制和切換臺控制。通過這幾類VLAN的劃分，使不同功能的設備分布在不同廣播域下，相互隔離，有效避免了網絡擁堵和廣播風暴，使得整個網絡更有策略，更加安全、高效。

標準的IP架構需要網絡冗余備份技術（ST2022-7），但網絡倒換不同于廣電倒換凈切，倒換時會產生抖動撕裂。索尼公司基于ST-2022-7標準采用了專用的芯片進行主備信號同時發包，在末端芯片主備同時接收，發生網絡故障時，倒換能夠在逆場中進行，完成主備凈倒換。采用末端凈切換方式，可以支持在IP交換機實現信號凈切，保證信號在交換機內實現應急的廣播級凈切。

同步設計為主備同步機同時發出BB和PTP精準同步信號，將第二臺同步機更改優先級，依據BMCA最佳時鐘算法計算流程，設為備同步機，PTP通過SDN交換機接入核心交換并分配，同時在主備SDN交換機連接心跳線，確保任意一臺SDN交換機故障時，實時無縫接管PTP同步。所有設備、周邊板卡的芯片都支持PTP同步，與BB形成雙同步，更加安全。本系統采用的同步設備是利達LT4610同步發生器。同步邏輯方面，由利達同步發生器產生PTP和BB同步信號，下發到下游的CCU、切換臺、調音臺以及各類周邊機箱。作為維修測試平臺，除了IP設備外，還有基帶設備維修測試的需求。因此，系統中還有部分設備需要BB信號的存在來完成信號同步，如切換臺基帶系統、高清視頻矩陣、周邊機箱板卡等。該同步發生器可同時輸出BB和PTP信號（SMPTE 2110的標準格式），可滿足系統內基帶和IP設備的同步需求。

3 LSM管理系統的應用

索尼IP Live管理系統LSM具有非常友好的操作界面，可以管理和監控4K IP技術中心網絡中的系統設備，包括顯示系統的工作狀態和系統矩陣的管理和切換，通過NMOS實現對第三方設備的連接和控制。LSM系統為IP雙網結構，所有設備端口均為雙網口，配置雙網絡管理服務器和交換機，具有系統冗余備份，最大限度地保證直播安全性，能夠完成各個信號的無縫倒換。本系統中，主、備PWS-110NM1的LAN1分別連接到主、備SDN交換機（S5720），并劃分VLAN90和VLAN190，同時實現NS-BUS的連接。主、備PWS-110NM1的LAN2以“心跳線”的方式相互連接，實現實時在線管控。本系統需要NMOS互通功能，增加了LAN3網卡，LAN3口連接到SDN交換機（S5720），TALLY功能也通過LAN3來實現。PWS-110NM1從AV和網絡設備收集狀態日志，從而提供基本系統維護功能。通過使用索尼的遠程維護設備，PWS-110NM1可與遠程維護服務器通信，從而允許遠程用戶和索尼支持團隊檢測和排查系統問題。

在Dashboard菜單中，可查看系統中設備的工作狀態。正常情況下，所有設備均應顯示綠燈。該菜單只能進行查看，不能進行其他操作。Dashboard菜單界面如圖6所示。

圖6 Dashboard菜單

在網絡拓撲視圖中可以檢查設備的狀態，幫助用戶直觀地了解出現錯誤部分的位置，提供多種狀態指示燈如網絡交換機狀態指示和設備狀態指示，如圖7所示。

圖7 網絡拓撲視圖

LSM系統提供多種配置功能，如路由器設置、監控設置、冗余設置、設備注冊、工作組注冊及用戶注冊。這些配置設置可靈活修改，且用戶可在一個AV設備聯網系統下構建多個制作系統。在System Controller菜單中，根據工作場景，可生成不同的工作組。在工作組中配置常用的設備，場景中用不到的設備可排除在外，簡化了系統，提高工作效率。LSM提供與視頻路由器類似的視頻和音頻路由功能，可由用戶自行決定靈活配置控制按鈕及其布局，如圖8所示。工作組的source和destination路由可根據場景要求進行打點控制。

圖8 System Controller菜單

4 視頻系統設計

視頻系統的設計目標主要是為測試、維修及培訓搭建平臺，擬建成具有3套Studio型攝像機、1套多通道硬盤慢動作服務器、1路外來高清信號的視頻系統。其中，外來高清信號來自游機Z280，該機利用辦公區的WiFi，以無線傳輸方式把高清信號送到系統中。系統通過PWS-110RX1把無線信號轉化成高清SDI信號，再通過IPG板卡轉換成IP流信號。由此，系統的信號源就具有了多樣性，4K IP流、HD IP流、12G基帶、4*3G基帶及HD-SDI高清基帶信號，都可以接入系統，統一轉換為4K HDR IP的格式。

視頻系統選用的切換臺是索尼XVS-9000，同時配備IP和12G SDI接口，可輸入16路4K IP流信號和8路4K基帶信號，可輸出8路4K IP流信號和多路基帶信號，完全能夠滿足需要。由于本系統的主要功能為測試維修，因此涉及的信號格式較多，包含4K IP、4K 12G、HD SDI等。其中4K IP以ST 2110標準為主，考慮到測試維修的需求，在切換臺中分別配置了NMI輸入輸出板卡各一塊。但NMI和2110不能混用，一般情況下，系統均設置為ST 2110。訊道的CCU LAN1作為主，LAN2作為備，通過飛速盒輸入到核心交換機中。切換臺的IP輸入和輸出可直接通過100 Gb·s-1IP接口連接。切換臺PGM IP流輸出到IPG板卡轉成4*3G 4K信號，再通過SONY HDCU4000分配給技監和波形監視器，經過色域轉換和下變換功能同時輸出HD-SDI高清信號[5]。

視頻系統配置了一臺IXS-6600高清矩陣，可為所有能提供視頻信號以及設備菜單的信號通過高清矩陣調配至本機房監看以及大教室、會議室和推流切換臺，便于進行本地和遠程培訓教學。視頻系統整體架構如圖9所示。

圖9 視頻系統圖

5 結 語

本系統作為索尼售后服務網絡唯一的維修測試平臺，在提升4K IP設備維修速度方面將起到至關重要的作用。在建好之后的兩個月內，系統已經完成客戶IP板卡測試15次，維修相關設備7臺，同時，還有多家第三方廠家到該4K IP技術平臺進行新產品測試（調試），促進了ST 2110標準的推廣。通過該系統的建設，有3名工程師逐漸熟悉和深入了解了4K IP技術，為以后熟練應用4K IP技術奠定了基礎。由于時間較倉促，本系統還有一定的提升空間，之后，技術團隊將不斷地對系統進行完善和提升。從整個服務網絡來看，還有許多維修站需要了解和掌握4K IP技術，因此在培訓上要加大力度，特別是在疫情背景下要著重發展遠程培訓。另外，還要充分利用這個技術平臺，在產品研發方面取得突破。