IP 化4K 超高清播出技術探討

潘宏偉

（濟寧廣播電視臺，山東 濟寧 272000）

0 引 言

4K 超高清（Ultra High Definition，UHD）電視播出技術是繼廣播電視數字化、高清化后的又一次重大技術變革。與1 080P 高清信號相比，4K 超高清信號具有更高的清晰度、更寬的色域、更大的動態范圍和更逼真的聲音，可以給觀眾帶來更加豐富、更加震撼的視聽體驗。但另一方面，4K 超高清信號的高分辨率、高幀頻對系統的帶寬要求較高，50幀超高清信號的碼率是1 080P 高清信號的4 倍，如果繼續沿用傳統的數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架構，會受到傳輸帶寬、傳輸距離等因素的制約。相比之下，IP 架構則具有較大的優勢，代表著4K 時代制播技術的發展方向。

1 IP 化4K 播出的優勢

早期的4K 播出系統大多采用基于SDI 架構的4×3G-SDI 模式。由于4K 超高清信號的碼率高達12 Gb·s-1，而單根同軸電纜只能傳送1 路SDI 信號，最高支持3 Gb·s-1的帶寬，傳送1 路4K 超高清信號需要4 根同軸電纜，所以稱為4×3G-SDI 模式。顯而易見，這種模式勢必造成矩陣切換系統過于復雜龐大，加大了信號調度和運行操作的難度。成倍增加的線纜也給系統后期維護和系統擴展帶來較大的困難[1]。

IP 技術在廣電領域的應用，為解決SDI 架構的帶寬瓶頸提供了可行的方案。其高帶寬、簡潔靈活的特性更能滿足4K 超高清播出對高碼率信號傳輸和分發的需求。與SDI 模式相比，IP 化4K 播出的優勢主要體現在以下幾個方面。

（1）采用光纖網絡傳輸視音頻信號，網絡帶寬已經發展到25 Gb·s-1，40 Gb·s-1，100 Gb·s-1甚至更高，傳輸4K 超高清信號輕而易舉。一路100 Gb·s-1光纖鏈路可以傳送8 路無壓縮的超高清信號。

（2）IP 化的播出系統中，交換機取代了矩陣，設備之間通過網線或光纖連接，可以重用設備和鏈路，省去了大量的周邊設備和同軸電纜，整體結構簡潔明了，更便于管理和維護。

（3）基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術的信號調度和基于以太網協議的設備控制更加靈活智能，不需要點對點布線，通過交換機可以調度任意節點的信號，利用TCP/IP 協議可以控制網絡內任意節點的設備，具有更好的彈性和冗余措施。

（4）可以采用IT 領域的商用產品（COTS）來構建系統。受益于IT 商用產品的規模化和通用性，這樣能有效降低建造和維護成本。

2 IP 化4K 播出的關鍵技術

IP 化4K 播出的顯著特點是所有播出流程均通過以太網來完成，包括信號的傳輸調度、設備控制、資源管理等方面。因此，保證播出網絡的傳輸暢通和精準調度至關重要。這涉及以下幾項關鍵技術。

2.1 SDI Over IP 技術

基于IP 的SDI 實時傳輸（SDI Over IP）技術是一種將SDI 基帶信號進行IP 化封裝和傳輸，應用于電視制播領域的技術。其標準由電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定，先后發布了ST 2022、ST 2110 和ST 2059 等系列標準，定義了無壓縮SDI 基帶信號通過IP 網絡傳輸的具體協議，將基帶信號的傳輸調度全部基于以太網環境來實現，為超高清電視的IP 化制播奠定了基礎[2]。

2.2 SDN 技術

SDN 是一種控制平面與數據平面分離、可通過軟件編程的新型網絡架構。數據平面由交換機等網絡設備組成，控制平面的核心是SDN 控制器，兩層之間通過開放接口進行交互。SDN 的內涵是通過控制與轉發分離，把網絡設備的控制權交由控制器集中管理，交換機僅根據控制器下發的規則對數據包進行轉發。用戶可以自定義任何想實現的網絡路由和傳輸規則，從而使資源管理變得更加智能和靈活。

OpenFlow 是SDN 控制器與轉發設備之間的通信協議，運行該協議的交換機稱為OpenFlow交換機。OpenFlow 協議的特點是基于流的概念來匹配轉發規則。每臺交換機都配置一個流表（Flow Table），并按照流表中的轉發規則進行轉發。而流表的建立、維護和下發均由控制器來完成。控制器下發流表到具體的OpenFlow 交換機，從而定義、控制交換機的轉發行為[3]。

2.3 PTP 精準同步技術

基帶SDI 的播出系統一般采用BB 黑場信號或三電平信號作為同步基準信號。而IP 化播出系統則采用精準時間協議（Precision Time Protocol，PTP）來實現同步。SMPTE ST 2059 標準對PTP 協議進行了優化。其中，ST 2059-1 標準定義了如何基于PTP時鐘來確定各類信號的相位信息，ST 2059-2 標準對PTP 協議如何在專業廣電領域應用進行了定義。

PTP 同步系統以人工配置或最佳時鐘算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）來確定主時鐘（PTP Master）和從時鐘（PTP Slave），主、從時鐘之間交互同步報文并記錄報文的收發時間。從時鐘通過計算報文往返的時間差來計算鏈路上的延時，然后根據時鐘偏差逐步進行頻率和相位調整，實現與主時鐘的同步。

3 IP 化4K 播出系統的基本架構

在IP化的播出系統中，交換機取代了SDI矩陣，網線和光纖取代了同軸電纜，整體結構簡潔明了。以一個頻道的4K 播出系統為例，其基本架構主要由基礎網絡、IP 流調度切換及播控系統設備組成。

3.1 基礎網絡架構

以太網是IP 化播出系統的主干傳輸通道。數據的交換、設備的控制和IP 流的傳輸調度，均通過以太網絡來完成。按照功能來分，以太網分為文件域、控制域和信號域三類網絡。這三類網絡根據不同的需求分別設計組網，各自獨立運行。這種組網方式可以更好地保證播出安全，也有利于網絡的管理維護。

所謂“知止”，既是自覺地節制，是在思維上將自身置身于矛盾雙方所形成的平衡的平衡點。 具體表現為一種與自身超然地位相對應的宏觀思維以及在此思維指導下的盡可能客觀的行事方式。 通過這種思維及行為，使自身的存在成為平衡的中心點，從而把握矛盾的轉化點，從而將不利于己的現實或形勢導向對自己有利的方面，在保證基礎不受損傷或平衡不被顛覆的前提下謀求發展，確保統治者在社會活動或政治活動中轉化的主動權，實現長久不衰的統治，也就是“常”。

（1）文件域網絡與SDI 基帶播出系統的數據傳輸網絡類似，主要承擔數據庫、編單站、上載站、播出站及媒資系統之間的數據交換和文件傳輸。4K超高清素材文件的編碼方式大多采用XAVC-Intra Class 300 格式，其碼率為500 Mb·s-1。在系統規模不大的情況下，采用萬兆帶寬即可滿足播出需求。

（2）控制域網絡取代了SDI 基帶播出系統的RS-422 接口控制方式，通過TCP/IP 協議實現對各類設備的控制。為保證系統安全，一般配置主備冗余的播控機和交換機。

（3）信號域網絡是IP 化4K 播出系統的核心網絡，其功能類似于SDI 基帶系統的播出通道，能夠滿足碼率為12 Gb·s-1超高清IP 流的傳輸和分發需求，具有低時延、高流量的特點。如果按一個頻道的超高清播出系統設計，可以采用25 Gb·s-1帶寬的光纖網絡和星型連接的網絡拓撲結構，由兩臺OpenFlow 交換機組成主備架構[4]。

3.2 IP 流調度切換

無壓縮IP 流通過SDN 矩陣完成實時無縫切換。SDN 矩陣由SDN 控制器和OpenFlow 交換機組成。網絡內的所有設備均通過雙鏈路連接到主、備兩臺OpenFlow 交換機。兩條鏈路互為備份，即使一條鏈路因故障斷開，也不會影響這臺設備的信號傳輸。其調度流程如下：

（1）信號源端按照ST 2110 標準封裝的無壓縮IP 流接入SDN 矩陣，當需要給目標節點（接收設備）切換某路信號時，播控機向SDN 控制器發出請求；

（2）SDN 控制器調取并建立新的流表（Flow Table），向OpenFlow 交換機下發指令；

（3）OpenFlow 交換機依據新建流表使源設備的組播地址指向目標節點，從而實現信號源的切換。

3.3 播控系統設備

4 IP 化的播出流程

4.1 信號的IP 化轉換

系統的播出信號源分別來自播出服務器、演播室和外來轉播信號。播出服務器在內部完成4K 超高清素材文件的解碼，輸出IP 流送入SDN 矩陣。來自演播室和外來的轉播信號多數是SDI 基帶信號或壓縮的TS 流。這些信號須按照ST 2110 標準轉換成無壓縮IP 流，然后再送入SDN 矩陣。信號格式的轉換由IPG 網關和IP 信號處理器來完成。

4.2 IP 流的播出鏈路

經過轉換的IP 流接入主、備SDN 矩陣。播控機依據播出串聯單發出指令，SDN 矩陣接受指令，完成切換。主、備矩陣輸出的IP 流接入四選一切換開關。

四選一切換開關支持ST 2022-7 協議的無損切換方式，其輸入端口設置為不同的優先級。來自SDN 主矩陣的IP 流設為最高優先級，備矩陣的IP流設為次優先級。這兩路完全一致的IP 流同步接入四選一切換開關，當主路IP 流丟失或數據包發生錯誤時，將自動切換到備路，待主路恢復正常后再自動切回，從而保證播出信號的安全可靠[6]。

四選一切換開關輸出的IP 流接入臺標鍵控機疊加臺標、字幕，然后送入超高清（UHD）編碼器編碼輸出。

5 結 語

當前，SDI Over IP 的技術標準已較為完善，關鍵技術日趨成熟，支撐IP 化的基礎網絡設施和硬件設備也有了成熟的產品和應用案例，IP 化已是大勢所趨，必將成為構建4K 超高清播出系統的主流模式。當然，IP 化也不是盡善盡美。IP 化可能帶來的網絡擁堵、數據丟包、傳輸延時等問題應引起高度重視，并在實際應用中采取措施防范化解。此外，IP 化播出系統的網絡管控較為復雜，運行操作方式較SDI 基帶系統發生了較大變化。這對技術人員提出了更高的要求，將促使技術人員學習掌握IP技術，積極適應IP 化帶來的轉變。