IP交換矩陣分析研究

一.概述

追求更好的節(jié)目聲音和圖像質(zhì)量、音畫效果，更高的制作效率、更快的節(jié)目發(fā)布速度以及更廣的覆蓋率是廣播電視工作者的理想。隨著融媒體和超高清的發(fā)展，極大加快了廣播電視中心制作和播出系統(tǒng)從SDI電路交換系統(tǒng)向IP網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)遷移的速度。國家廣播電視總局匯聚了行業(yè)專家，著手編制《廣播電視IP化制播體系建設(shè)技術(shù)白皮書》，同時啟動系列IP化標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。在2022年7月，國家廣播電視總局科技司和全國廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化委員會通過了廣播電視和網(wǎng)絡(luò)視聽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《IP交換矩陣技術(shù)要求和測量方法》審查，該標(biāo)準(zhǔn)明確IP交換矩陣的技術(shù)要求和相應(yīng)的測量方法，不僅有利于IP制播系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)，還對促進廣播電視IP化發(fā)展也具有的作用。

下文將將IP制播系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備IP交換矩陣進行介紹和分析。

二.IP交換矩陣的介紹

IP交換矩陣在IP制播系統(tǒng)中處于核心地位，作為組網(wǎng)中不可或缺的設(shè)備，要求性能高，穩(wěn)定性強。該設(shè)備主要是指采用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過IP報文交換的方式，實現(xiàn)廣播電視信號從輸入接口至輸出接口調(diào)度和交換的設(shè)備。典型的IP交換矩陣的功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包括輸入接口模塊、輸出接口模塊、調(diào)度交換模塊、控制模塊以及時鐘同步模塊。

輸入/輸出接口模塊承接了交換矩陣對外的連接，匯聚臺內(nèi)外IP信號的輸入輸出，需適應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)并適配未來業(yè)務(wù)的應(yīng)用，應(yīng)具備不同的接口，兼顧具備不同封裝格式以及不同的碼率的多種業(yè)務(wù)需求，支持高清、4K超高清、8K超高清以及其他的業(yè)務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)中要求，IP交換矩陣應(yīng)支持GE電接口、GE光接口、10GE電接口、10GE光接口、25GE光接口、40GE光接口、50GE光接口、100GE光接口和400GE光接口，相關(guān)接口指標(biāo)應(yīng)符合國際、國家以及行業(yè)的相關(guān)規(guī)范要求，以保證接口和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

信號交換模塊完成IP信號交換和轉(zhuǎn)發(fā)，是IP交換矩陣的核心模塊。 該模塊實現(xiàn)了IP換矩陣內(nèi)的所有輸出接口上均可任意調(diào)度和切換所需的輸入信號；所有信號均可按照SMPTE ST 2022-7的模式，通過雙路由同時調(diào)度。在調(diào)度過程中，應(yīng)保持原輸入信號不變，包括封裝協(xié)議、視音頻信號格式和內(nèi)容，同時不應(yīng)影響其他信號的正常使用。

控制模塊通過下發(fā)控制和管理指令，實現(xiàn)對信號調(diào)度的控制和模塊管理。控制模塊應(yīng)支持輸入輸出信號的地址配置，針對同一輸入源的視音頻及輔助數(shù)據(jù)等信號可以進行組綁定及組切換調(diào)度。為了更好地控制流量，還應(yīng)支持端口限速功能。為保證系統(tǒng)的安全，交換矩陣應(yīng)具備基于網(wǎng)絡(luò)傳輸層五元組的輸入輸出接口訪問控制列表功能，可支持按照網(wǎng)絡(luò)傳輸層五元組有效管控輸入、輸出信號，可設(shè)置輸入信號源白名單以及黑名單，控制設(shè)備的接入。此外，為了提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的靈活便捷接入，IP交換矩陣還應(yīng)可通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如NMOS等實現(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)、自動注冊和受管理控制功能。一般情況下，IP交換矩陣至少應(yīng)支持SDN集中管控方式或協(xié)議交換模式中的一種調(diào)度交換方式，通過進臺路由流表或IP網(wǎng)絡(luò)交換協(xié)議自動建立信號調(diào)度路由，完成信號的調(diào)度和交換。

時鐘同步模塊是IP交換矩陣中保證信號同步的關(guān)鍵部件，實現(xiàn)時鐘信號鎖定和分發(fā)。要求持GY/T 348—2021《專業(yè)廣播環(huán)境下音視頻設(shè)備精確時間同步協(xié)議規(guī)范》規(guī)定的PTP信號鎖定，工作模式支持BC或TC工作模式。

三.IP交換矩陣組網(wǎng)特點

IP交換矩陣將主要應(yīng)用于臺內(nèi)制作系統(tǒng)或總控播出系統(tǒng)，其組網(wǎng)具有以下特點：

一是組網(wǎng)規(guī)模大，支持?jǐn)?shù)量龐大的信號調(diào)度和交換。在信號調(diào)度上，IP交換矩陣需要對臺內(nèi)各個演播室信號、衛(wèi)星接收信號、中央廣播電視總臺以及其他臺的信號、前端回傳信號、新媒體信號等外來信號進行調(diào)度，需要支持上百甚至上千條數(shù)據(jù)流的交叉轉(zhuǎn)發(fā)，如總臺在SDI模式下核心矩陣信號通路配置規(guī)模可達576×576，若按照音頻、音頻以及輔助數(shù)據(jù)獨立封裝的SMPTE 2110系列標(biāo)準(zhǔn)，視頻流、音頻流以及輔助數(shù)據(jù)均為獨立的IP流，一路節(jié)目至少包括1個視頻流、1個～6個音頻流和1個輔助數(shù)據(jù)流，在IP交換模式下，所支持的數(shù)據(jù)流要達到上千條。

二是支持多種格式的信號。目前大部分電視臺已實現(xiàn)全高清播出，部分具備4K/8K超高清播出，因此IP交換矩陣應(yīng)支持1.485Gbps高清晰度電視信號、3Gbps高清晰度電視信號和超高清晰度電視信號的調(diào)度和交換，同時還應(yīng)支持PCM等音頻信號的調(diào)度和交換。在系統(tǒng)中，還采用了不同編碼算法的壓縮信號流，因此IP交換矩陣還應(yīng)支持壓縮信號的調(diào)度和交換，信號編碼壓縮方式應(yīng)至少支持MPEG-2、AVS+、AVS2等方式。

三是轉(zhuǎn)發(fā)容量大。針對超高清信號，以逐行采樣，50Hz幀頻、10比特量化深度、4：4：4采樣結(jié)構(gòu)為例，4K超高清電視系統(tǒng)的無壓縮碼率為12.442Gb/s（3840×2160×50×10×3×〖10〗^（-9）=12.442Gb/s），8K的為49.766Gb/ s（7680×4320×50×10×3×〖10〗^（-9）=143.3Gb/s），而1920×1080/50I高清電視系統(tǒng)的無壓縮碼率是1.485Gbps。再考慮組網(wǎng)規(guī)模，在網(wǎng)調(diào)度交換的容量將會非常高，以一臺支持576×576條無壓縮8K視音頻轉(zhuǎn)發(fā)的IP交換進行分析，其整機轉(zhuǎn)發(fā)容量需要達到28.665Tb/s。

四是支持多種速率的接口。為了適應(yīng)不同速率的業(yè)務(wù)，如高清、4K超高清以及8K超高清業(yè)務(wù)，IP交換矩陣需要支持從1Gb/s至100Gb/s甚至400Gb/s的接口，以滿足不同業(yè)務(wù)的需要。

五是安全性要求高。臺內(nèi)總控播出系統(tǒng)是可以說是臺內(nèi)系統(tǒng)的核心，對于其主要核心設(shè)備IP交換矩陣的要求更是重中之重，要求設(shè)備穩(wěn)定性好，可用性高，配置相關(guān)的冗余策略，具備業(yè)務(wù)流的安全控制策略，可按照SMPTE 2022-7對業(yè)務(wù)進行配置。

四.IP交換矩陣性能研究

我們對市場上主流的5個廠家的典型IP交換矩陣進行測試研究，各個設(shè)備均具備了信號調(diào)度基本功能，可支持各種業(yè)務(wù)報文類型包括TCP、UDP、RTP協(xié)議IP信號報文，支持高清、超高清等各種信號格式，信號封裝協(xié)議均支持包括 SMPTE ST 2022-2和SMPTE ST 2110-22等方式，并支持組播路由方式和單播路由方式進行調(diào)交換。在工作模式上，有4款設(shè)備支持SDN集中管控方式，僅有1款設(shè)備支持動態(tài)路由協(xié)議方式。

在配置的接口類型上，所有的設(shè)備均未支持400G的接口，如下表1所示。

在針對IP信號線速轉(zhuǎn)發(fā)上，各設(shè)備間存在一定的差異，有3款設(shè)備支持IP信號線速轉(zhuǎn)發(fā)，1款設(shè)備不支持，1款設(shè)備僅支持包長下的線速轉(zhuǎn)發(fā)。針對組播NAT功能上，各設(shè)備支持方式也存在差異，2款設(shè)備支持組播NAT功能，1款設(shè)備不支持該功能，1款設(shè)備僅支持輸出NAT設(shè)置，還有一款設(shè)備通過外置板卡實現(xiàn)NAT功能。

IP交換矩陣切換響應(yīng)時延的大小嚴(yán)重影響應(yīng)急情況下業(yè)務(wù)的切換速度，為此我們對5款設(shè)備的從控制端切換指令下發(fā)開始到矩陣輸出端完成信號切換的整體切換延時進行了測試，發(fā)現(xiàn)有的設(shè)備無法達到1.5秒要求，具體情況如下圖2所示。

所測4款I(lǐng)P交換矩陣從IP輸入接口到IP輸出接口的轉(zhuǎn)發(fā)時延均在微秒級別，均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的30微秒的要求，如下圖3所示。

PTP定時是保證IP交換矩陣穩(wěn)定正常工作的基礎(chǔ)，其PTP抖動精度對視音頻同步具有重大的影響，在《IP交換矩陣技術(shù)要求和測量方法》中，要求PTP絕對偏差在丙等下不大于100ns。通過對4款設(shè)備進行測試（第5款設(shè)備由于其他原因未進行本項測試），經(jīng)過一級交換設(shè)備分發(fā)后的PTP絕對偏差均小于47ns，滿足乙等的要求，其中3款設(shè)備可達甲等要求。

五.總結(jié)

通過對5款I(lǐng)P交換矩陣進行測試研究，所研究的IP交換矩陣在功能上基本能滿足IP化制播的需求；在性能上，部分IP交換矩陣還需要進一步優(yōu)化提升，以更好地支撐IP化制播發(fā)展，更好地促進廣播電視的發(fā)展。

本文受國家重點研發(fā)計劃（National Key RD Program of China）贊助，“4K超高清電視制播系統(tǒng)研制”項目，項目編號：2019YFB1804300（課題二：2019YFB1804302） BP