大型直播節(jié)目多媒體數(shù)據(jù)傳輸IP化解決方案

楊 斌

（浙江廣播電視集團(tuán)，浙江 杭州 310005）

0 引 言

SDI over IP路由矩陣是建立在IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）矩陣，采用IP交換機(jī)+軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），在SDN的控制和管理下，通過(guò)IP交換機(jī)來(lái)完成傳統(tǒng)SDI矩陣的切換功能[1]。IP架構(gòu)可以滿(mǎn)足媒體業(yè)務(wù)靈活、彈性的增長(zhǎng)。將網(wǎng)絡(luò)IP技術(shù)運(yùn)用到廣播電視節(jié)目的傳送領(lǐng)域，可以大幅提升廣播電視節(jié)目信號(hào)的傳輸質(zhì)量及傳輸效率，還能促進(jìn)廣播電視節(jié)目與新技術(shù)相結(jié)合，繼而推動(dòng)廣播電視節(jié)目不斷創(chuàng)新。

隨著電視大型直播節(jié)目業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，直播外場(chǎng)和總控機(jī)房之間的信息交互類(lèi)型、內(nèi)容、方式都發(fā)生了深刻的變化，從單向的、純視音頻的轉(zhuǎn)播需求，轉(zhuǎn)變成包含數(shù)據(jù)、內(nèi)通、視頻、音頻等多種媒體數(shù)據(jù)、多向交互的發(fā)布需求，而如何利用IP等技術(shù)改變?cè)刃l(wèi)星、光纖、網(wǎng)絡(luò)及電話(huà)等傳輸載體分離、成本高昂的現(xiàn)狀，在保證播出安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“降本增效”的效果，是技術(shù)上值得研究和探討的。

1 主要研究?jī)?nèi)容

電視中心對(duì)媒體信號(hào)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)有著較高要求。調(diào)度網(wǎng)絡(luò)需要具備高可靠、高帶寬、低延時(shí)、精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步等特征。基于SDN的媒體IP調(diào)度方案需要在多個(gè)方面做技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新。

首先是在SDI控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上探索向IP架構(gòu)的擴(kuò)展和升級(jí)，充分挖掘新型全數(shù)據(jù)混合（SDI+IP）一體化傳輸設(shè)備的功能；其次是探索新型“降本增效”的播出系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將總控系統(tǒng)延伸到大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，以最小的傳輸鏈路成本，獲取數(shù)據(jù)最大化傳輸價(jià)值。

為保證本項(xiàng)目可行性驗(yàn)證的準(zhǔn)確性、兼容性及廣泛性，整體研發(fā)項(xiàng)目提出兩種IP控制方案，分別是IP邊緣控制調(diào)度和SDN（組播NAT）切換調(diào)度方式。對(duì)軟件控制模式、流程等進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合硬件部署、系統(tǒng)流程方案等，研究整體體系提升方案，針對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)應(yīng)的軟件調(diào)改，使用調(diào)整后的軟件進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

1.1 多媒體信號(hào)的綜合管控研究

實(shí)現(xiàn)IP架構(gòu)下SDI over IP的視音頻信號(hào)的綜合管控，可以部署在IT服務(wù)器等其他環(huán)境下，支持SMPTE 2110、AES 67等標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范[2]。

（1）兩端最大化。在信號(hào)源端，匯總包括視頻、音頻、通話(huà)、網(wǎng)絡(luò)多種格式的數(shù)據(jù)，最大化地進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集。在視頻服務(wù)器端采用all in one的配置、控制與監(jiān)控，完成臺(tái)內(nèi)墊播以及其他素材插入的需求。

（2）鏈路最簡(jiǎn)化。利用時(shí)鐘差分技術(shù)，遵從IEEE 1588 PTP協(xié)議建立IP流平臺(tái)精確時(shí)鐘同步；并將所有信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一傳送，利用SMPTE ST2022-7標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路徑冗余控制。

1.2 IP控制方案設(shè)計(jì)研究

IP控制方案的設(shè)計(jì)可參考以下方式。

（1）采用網(wǎng)絡(luò)編程和邏輯與算法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)SDI over IP流的帶寬保護(hù)、流優(yōu)先級(jí)、訪(fǎng)問(wèn)控制等策略，實(shí)現(xiàn)控制響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化。

（2）可采用IGMP Join/Leave方式、OpenFlow的交換機(jī)工作方式，控制器使用OpenFlow的協(xié)議，可添加、更新和刪除流表中的表項(xiàng)，即主動(dòng)或被動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)包[3]。每個(gè)流表項(xiàng)包含匹配字段，計(jì)數(shù)器和一組指令，用來(lái)匹配數(shù)據(jù)包。

（3）可采用交換機(jī)定時(shí)切換、源端定時(shí)切換、目的段定時(shí)切換等多種凈切換方式[4]。

（4）可采用SMPTE 2110-20/21的N、W等多種信號(hào)類(lèi)型，緩解ST 2110-20中存在的擁塞問(wèn)題。

（5）可采用組網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）方式，給出了NAT在處理組播流量時(shí)的要求。實(shí)際上，為了支持組播流量，需要用組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）代理來(lái)增強(qiáng)NAT。此外，位于NAT內(nèi)部的主機(jī)發(fā)送到外部的數(shù)據(jù)包的目的IP地址和端口不會(huì)被修改。從內(nèi)部傳輸?shù)酵獠康牧髁浚湓吹刂泛投丝谔?hào)可根據(jù)單播用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）行為修改。

當(dāng)前，基于SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)的廣電IP化制作播出系統(tǒng)作用愈發(fā)明顯，而基于IP架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路在面向技術(shù)發(fā)展時(shí)依舊保留著極大的彈性空間。此次基于多功能綜合傳輸設(shè)備MicroN為核心的多媒體數(shù)據(jù)傳播系統(tǒng)可以將SMPTE ST2110-20、ST2110-30、ST2110-31等格式納入體系，并支持NMOS IS-04、IS-05，利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將基帶系統(tǒng)與IP系統(tǒng)對(duì)接融合。

另外，該架構(gòu)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為靈活，除P2P方式外，環(huán)型、雙鏈路環(huán)型、星型、Mesh結(jié)構(gòu)均可使用。架構(gòu)內(nèi)節(jié)點(diǎn)支持基于設(shè)定優(yōu)先級(jí)的自動(dòng)路由計(jì)算及重構(gòu)，在系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)故障情況下可以依據(jù)設(shè)定確保信號(hào)傳輸，有效提高系統(tǒng)安全性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，充分利用IP及TDM分時(shí)復(fù)用光纖傳輸技術(shù)，結(jié)合原技術(shù)系統(tǒng)特點(diǎn)，搭建一套基于去中心化方式組建的分布式傳輸網(wǎng)絡(luò)，架構(gòu)如圖1所示，將數(shù)據(jù)（Data）、內(nèi)通（Intercom）、視頻（Video）及音頻（Audio）納入其中。同時(shí)，在系統(tǒng)兩端各增加一對(duì)安全可靠的傳輸（Secure Reliable Transport，SRT）編、解碼器，既可滿(mǎn)足直播外場(chǎng)、延時(shí)播出、融媒發(fā)布等各業(yè)務(wù)端對(duì)多種信號(hào)格式的技術(shù)需求，也增加了端到端的視音頻傳輸安全性[5]。

圖1 傳輸鏈路系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)具備雙向同帶寬的傳輸能力，可直接通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)壓縮音視頻，同時(shí)利用TDM時(shí)分復(fù)用技術(shù)，用千兆以太網(wǎng)通過(guò)以太網(wǎng)隧道方式進(jìn)行傳輸，將系統(tǒng)功能延伸至千兆網(wǎng)絡(luò)可容納的全部使用場(chǎng)景，以此消弭播總控系統(tǒng)與直播外場(chǎng)的物理隔閡。

2.2 控制調(diào)度設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了多種媒體數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸調(diào)度功能，因此，控制調(diào)度設(shè)計(jì)必須在原SDI播出系統(tǒng)控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上兼容IP化業(yè)務(wù)發(fā)展的技術(shù)需求。結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)，利用IP技術(shù)設(shè)計(jì)的媒體信號(hào)調(diào)度控制如圖2所示。

圖2 媒體信號(hào)調(diào)度控制設(shè)計(jì)圖

在具體應(yīng)用上，用戶(hù)可以根據(jù)IP業(yè)務(wù)需求量以及當(dāng)前在用系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，采用以下兩種方式實(shí)現(xiàn)媒體信號(hào)的調(diào)度和控制。

2.2.1 IP邊緣控制調(diào)度設(shè)計(jì)

進(jìn)行以SDI信號(hào)調(diào)度為主的少量IP業(yè)務(wù)時(shí)，可采用IP邊緣控制調(diào)度設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。系統(tǒng)由MicroN媒體處理設(shè)備、IGMP交換機(jī)、高清視頻服務(wù)器（all in one）組成媒體節(jié)點(diǎn)及核心網(wǎng)絡(luò)層，完成信號(hào)交換；上層由播控工作站控制視頻服務(wù)器及MicroN媒體處理設(shè)備，播控軟件根據(jù)播出節(jié)目單完成播出。

圖3 IP邊緣控制調(diào)度鏈路圖

IP邊緣控制調(diào)度過(guò)程設(shè)計(jì)如下。

（1）MicroN支持SDI over IP雙向轉(zhuǎn)換能力，同時(shí)支持內(nèi)部切換，即MicroN同時(shí)作為信號(hào)輸入輸出邊界和前級(jí)矩陣存在。

（2）播控軟件采用sw-p-08協(xié)議對(duì)MicroN直接控制，完成播出前級(jí)信號(hào)做預(yù)調(diào)度。MicroN輸出的外來(lái)信號(hào)PGM設(shè)置為固定的組播地址，通過(guò)MicroN內(nèi)部切換對(duì)信號(hào)內(nèi)容進(jìn)行切換，即完成矩陣切換功能。MicroN預(yù)調(diào)度成功后反饋給播控軟件，視頻服務(wù)器通過(guò)IGMP交換機(jī)，固定拉取1～2路外來(lái)信號(hào)PGM流。

（3）播控軟件根據(jù)播出節(jié)目在視頻服務(wù)器內(nèi)部完成硬盤(pán)-外來(lái)、外來(lái)-外來(lái)、外來(lái)-硬盤(pán)三類(lèi)信號(hào)切換，并輸出末級(jí)PGM信號(hào)。

2.2.2 SDN綜合切換調(diào)度設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)基因作物的種植現(xiàn)狀。作為全球最早開(kāi)發(fā)和種植轉(zhuǎn)基因作物的國(guó)家之一，2013年，我國(guó)成為世界第6大轉(zhuǎn)基因作物種植大國(guó)，主要為抗蟲(chóng)棉。轉(zhuǎn)基因作物在生物轉(zhuǎn)基因性狀上包括：抗病毒、抗除草劑、抗細(xì)菌、抗耐藥、抗旱、抗蟲(chóng)等改善品質(zhì)。雖然在轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物方面取得新成果，但是產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展還不算很強(qiáng)，這就需要短期內(nèi)進(jìn)一步的改革和落實(shí)方案[2]。

進(jìn)行以IP信號(hào)調(diào)度為主的大量IP業(yè)務(wù)時(shí)，可采用SDN切換調(diào)度設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。系統(tǒng)由MicroN形成信號(hào)處理邊界，實(shí)現(xiàn)基帶-IP的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。切換動(dòng)作由SDN交換機(jī)/路由器+SDN控制器實(shí)現(xiàn)，需要部署主備SDN控制器，控制SDN交換機(jī)將IP信號(hào)輸入視頻服務(wù)器；播出控制工作站的前級(jí)切換控制對(duì)象是SDN控制器。

圖4 SDN綜合切換調(diào)度鏈路圖

SDN綜合切換調(diào)度過(guò)程如下：

（1）MicroN媒體處理設(shè)備可以完成外來(lái)SDI信號(hào)向IP信號(hào)的轉(zhuǎn)換，向SDN核心矩陣發(fā)流。

（2）播控軟件與SDN控制器通信，做預(yù)調(diào)度動(dòng)作；SDN控制器接收播控軟件的控制命令，對(duì)SDN交換機(jī)下發(fā)流調(diào)度指令（流表），控制SDN交換機(jī)（NAT）模式完成信號(hào)復(fù)制工作；流完成切換這個(gè)組播NAT過(guò)程中，從MicroN輸入的組播地址要更改為輸出到FMS的組播地址，這兩個(gè)地址是不一樣。

SDN架構(gòu)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的邏輯控制和物理切換層面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的可管可控是視音頻信號(hào)IP化調(diào)度方案的前提，而實(shí)現(xiàn)SDN交換機(jī)的切換控制的方式就是下發(fā)流表[6]。流表中主要包含源和目的地址以及要進(jìn)行的操作。

通過(guò)Openflow或交換機(jī)提供的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），可以控制數(shù)據(jù)流在交換機(jī)里的轉(zhuǎn)發(fā)。如表1所示，源A源B輸出至視頻服務(wù)器，可用于外來(lái)IP流信號(hào)的切換。

表1 流組播地址

此時(shí)，交換機(jī)流表如表2。

表2 交換機(jī)流表

當(dāng)播控軟件向SDN控制器發(fā)出到“把源B切換到視頻服務(wù)器IN”命令后，交換機(jī)將會(huì)刪除流表項(xiàng)1，添加新的表項(xiàng)，從236.0.0.2：1001切換到視頻服務(wù)器IN。預(yù)調(diào)度成功后反饋回播控軟件。播控軟件根據(jù)播出節(jié)目在視頻服務(wù)器內(nèi)部完成硬盤(pán)節(jié)目和外來(lái)信號(hào)的信號(hào)切換，輸出PGM信號(hào)。

3 應(yīng)用案列

3.1 中國(guó)好聲音-巔峰之夜

在《中國(guó)好聲音-巔峰之夜》節(jié)目轉(zhuǎn)播中，在蕭山轉(zhuǎn)播現(xiàn)場(chǎng)與莫干山路總臺(tái)總控系統(tǒng)中分別部署了MicroN分布式傳輸矩陣節(jié)點(diǎn)，搭建最大雙向20 Gb·s-1帶寬的互為備份的雙環(huán)拓?fù)洹Ｔ摼W(wǎng)絡(luò)可支持最多12路雙向傳輸嵌入16 Ch音頻的1080i50信號(hào)，嵌入音頻可支持Dolby-E格式，Dolby DD+編碼透?jìng)鞲袷剑瑫r(shí)還可傳輸2×64 Ch MADI I/O@48 kHz音頻信號(hào)；附加 1×1 Gb·s-1以太網(wǎng)隧道，可傳輸基于SMPTE ST2110-30標(biāo)準(zhǔn)、AES67標(biāo)準(zhǔn)的通話(huà)、音頻組播，以及通過(guò)SRT編解碼設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)格式的信號(hào)備份和發(fā)布需求，在節(jié)目、宣傳、編排、安播等各業(yè)務(wù)崗位之間建立起高效的連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、數(shù)據(jù)、通話(huà)的共聯(lián)共享，最大限度地滿(mǎn)足通信、傳輸、剪輯、編播及發(fā)布等大型直播節(jié)目的業(yè)務(wù)需求。

3.2 天貓雙11全球狂歡夜

2021年11月10日，《天貓雙11全球狂歡夜》在上海梅賽德斯奔馳文化中心舉行，浙江衛(wèi)視、上海東方衛(wèi)視、優(yōu)酷視頻等多家媒體同步播出。由于直播現(xiàn)場(chǎng)與總控之間的物理距離超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的10 Gb·s-1BiDi SFP+最大傳輸距離80 kM，技術(shù)團(tuán)隊(duì)引入5G傳輸，進(jìn)一步擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

該方案對(duì)杭州莫干山總臺(tái)總控、上海梅賽德斯-奔馳文化中心內(nèi)轉(zhuǎn)播車(chē)、上海SMG總控三地進(jìn)行異地組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于不同運(yùn)營(yíng)商、不同地理位置的基于公網(wǎng)的異地局域網(wǎng)，通過(guò)建立Layer-2網(wǎng)絡(luò)有效降低系統(tǒng)間通信的復(fù)雜度。其中，位于上海SMG總控的系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)利用5G CPE及多運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)聚合方式，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性公網(wǎng)接駁，從而以最簡(jiǎn)化系統(tǒng)滿(mǎn)足了異地組網(wǎng)需求。方案建立了以浙江廣電集團(tuán)播出中心為中心節(jié)點(diǎn)，新聞演播室為本地通信節(jié)點(diǎn)，上海梅賽德斯奔馳文化中心、上海SMG總控為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。直播節(jié)目外場(chǎng)如圖5所示。

圖5 天貓雙11直播節(jié)目外場(chǎng)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)兩場(chǎng)大型直播節(jié)目的實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，基于IP架構(gòu)的多媒體數(shù)據(jù)傳輸管理和應(yīng)用方案很好地解決了大型直播節(jié)目中外場(chǎng)與總控系統(tǒng)之間信號(hào)、數(shù)據(jù)、通信等多種媒體數(shù)據(jù)互通的業(yè)務(wù)需求，強(qiáng)化了直播現(xiàn)場(chǎng)與后端編播崗位之間的溝通聯(lián)系，并對(duì)5G、IP以及SDI、IP共存狀態(tài)下的傳輸、控制、切換等技術(shù)做了積極的探索和實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)IP架構(gòu)下的多種業(yè)務(wù)發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)。