廣播電視行業從SDI 到IP 的轉變

王世娜

（中央廣播電視總臺，北京 100040）

0 引言

串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）技術作為一種基于串行數字信號的傳輸技術，具有高帶寬、高可靠性和高質量的特點。隨著4K、8K 超高清電視快速普及，5G、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等信息技術得到廣泛應用，廣電行業已經進入媒體深度融合、新技術應用層出不窮的高速發展階段。廣電網際互連協議（Internet Protocol，IP）化被視為實現廣電行業數字化轉型的關鍵技術。2021 年11 月，《廣播電視和網絡視聽 “十四五” 科技發展規劃》正式印發，規劃提出要 “建設新平臺” ，這個 “新” 體現在廣電媒體平臺的IP 化、云化、融合化、智慧化上，標志著廣電行業從傳統技術布局向全面向IP 化戰略格局轉變。

1 SDI 技術的基礎結構以及在廣播電視行業的優勢和局限性

1.1 SDI 技術的基礎結構

SDI 是廣播電視行業常用的數字信號傳輸技術，采用串行傳輸方式，能夠實現高質量的音視頻信號傳輸。SDI 技術的基礎結構主要包括信號源、編碼器、傳輸介質、解碼器和顯示設備等幾個關鍵組成部分。信號源是指廣播電視行業中產生音視頻信號的設備，如攝像機、錄音機等。這些設備將采集到的音視頻信號轉換成數字信號，通過編碼器進行壓縮編碼，以便更好地傳輸和儲存。編碼器是將信號源產生的數字信號進行壓縮編碼的設備，主要采用一些先進的視頻編碼算法，如H.264、MPEG-2等，將數字信號壓縮成更小的數據量，從而減少傳輸帶寬和存儲空間的占用。傳輸介質是指傳輸SDI信號所使用的物理媒介，一般采用同軸電纜或光纖等。同軸電纜具有良好的抗干擾能力和傳輸距離較遠的特點，適用于短距離傳輸；光纖具有更高的帶寬和更遠的傳輸距離，適用于長距離傳輸。解碼器是將傳輸過來的SDI 信號進行解碼還原的設備，能夠將壓縮編碼后的數字信號解碼成原始的音視頻信號，并通過顯示設備進行播放或顯示。顯示設備是將解碼后的音視頻信號進行播放或顯示的設備，如電視、顯示器等，能夠將解碼后的信號還原成人眼可識別的圖像和聲音。

1.2 SDI 技術在廣播電視行業的優勢

SDI 技術在廣播電視傳輸中具有高清晰度和高質量的優勢。通過使用數字信號傳輸，SDI 能夠保證視頻和音頻的高保真傳輸，避免了模擬信號傳輸過程中的損耗和干擾，能夠保證視頻的清晰度和準確性。這對于廣播電視行業來說非常重要，因為觀眾對于高清晰度的視頻有著越來越高的要求。

SDI 技術在廣播電視傳輸中具有穩定性和可靠性。SDI 接口技術采用差分信號傳輸，能夠有效地抵抗傳輸過程中的噪聲。SDI 技術還支持糾錯功能，能夠自動檢測和修復信號中的錯誤，提高傳輸的可靠性。這對于廣播電視行業來說非常關鍵，因為廣播電視節目需要長時間的連續傳輸，對于傳輸的穩定性和可靠性要求較高。特別是在直播和實時傳輸的場景下，SDI 技術更顯優勢。

1.3 SDI 技術在廣播電視行業的局限性

SDI 線纜傳輸距離有限制，其傳輸距離一般不超過100 m。這對于一些需要長距離傳輸的場景來說是一個限制。SDI 信號是單向傳輸的，傳輸100路信號需要200 根線纜，導致線纜過多。電視臺的播出機房內會有幾百甚至上千條SDI 線纜，增加了布線和維護難度。SDI 線纜故障時，處理方式通常是增加一條新線而不是替換掉故障線纜。

SDI 接口缺乏網絡化的特性。在當今信息技術快速發展的背景下，廣播電視行業對于網絡化的需求越來越高。SDI 接口并不支持網絡傳輸，限制了其在一些網絡化應用場景中的應用。

SDI 線纜傳輸高清數字電視信號沒有問題，但是隨著廣播電視行業的發展，SDI 很難勝任超高清電視信號的傳輸。傳統SDI 逐漸成為超高清內容生產發展的瓶頸。特別是在4K 電視節目制播流程中，傳輸一路4K 超高清信號需要4 根3G-SDI 線纜，對設備接口要求太高，且電纜過多會造成維護困難。盡管單根12G-SDI 線纜已經出現，但是高昂的價格使其距離實用階段還遙遙無期。SDI 技術和標準發展緩慢，制播網和分發網技術不統一，難以應用虛擬化、云化等先進的技術來提升節目內容的生產制作效率[1]。

因此，要發展4K 超高清數字電視，只能放棄SDI 架構從而轉向IP 技術。

2 廣播電視行業中的IP 技術以及應用

2.1 IP 技術簡介

IP 是一種用于數據傳輸的網絡協議。IP 信號雙向傳輸，有利于提高端口利用率，可以實現設備硬件小型化。IP 信號采用交換機實現匯聚轉發，使得系統物理結構穩定，邏輯架構更靈活。一對光纖傳輸信號帶寬由光模塊決定，單鏈路能承載多路信號，能有效地提高線路利用率，系統集成和維護起來更簡單。光信號傳輸距離更遠，可實現遠程制作，多系統級聯更加方便。

2.2 IP 技術在廣播電視中所具備的優勢

不同于傳統SDI，IP 技術帶來了全新的信號傳輸和信號調度方式，同時兼容壓縮與非壓縮信號，無論是無壓縮的超高清、高清、標清視頻信號，還是壓縮的MPEG-2、H.264 等信號都能正常傳輸[2]，有利于進一步利用現有運營商的基礎干線和傳輸資源。IP 信號雙向傳輸，可以提高端口利用率，節省資源，促使設備硬件可以逐步小型化。采用交換機實現匯聚轉發，采用數據中心堆疊的方式，使得系統物理結構相對穩定且邏輯構架相對靈活，擴展以及升級非常方便。傳輸信號由光模塊帶寬決定，單鏈路承載多路信號，有效提高線路利用率，使得系統集成和維護起來相對簡單。

2.3 IP 技術在廣播電視中的應用

SDI over IP 路由矩陣完全可以替代傳統SDI矩陣。這種IP 化矩陣是建立在IP 網絡基礎上的SDI 矩陣，采用IP 交換機和軟件定義網絡（Software Defined Networking，SDN），在SDN 的控制和管理下，通過IP 交換機來完成傳統SDI 矩陣的切換功能。SDN 能夠對傳統基帶矩陣和IP 矩陣統一管理，讓它們看上去就如同一個矩陣系統一樣運行[3]。SDI over IP 路由矩陣具有SDI 輸入與輸出接口，可以將SDI 基帶信號實時打包為IP 數據包，在以太網中進行傳輸。IP 矩陣可以實現所有的信號在任意輸入輸出間的調度，網絡帶寬可以支持傳輸多路SDI over IP 數據。SDI over IP 路由矩陣能夠同時支持對于SDI 信號和IP 信號的管理，工作人員并不需要關心信號的類型，只需要依照以往的操作模式進行操作[4]。

通過IP 化制播網，傳統媒體可以彌補自身短板，與新媒體融合，實現信息交互和多屏；同時可以充分利用新興技術，共享資源，吸收互聯網經驗，實現技術突破。IP 化制播網的核心是IP 化交換矩陣。IP 化交換矩陣主要由Spine 和Leaf 這兩個交換層組成，Leaf 層由訪問交換機組成，匯聚來自服務器的流量，并直接連接到Spine。Spine 交換機在全網格拓撲中互連所有Leaf 交換機。首先，IP 化交換矩陣更加扁平化，能有效縮短服務器之間的通信路徑，從而降低延遲，可以顯著提高應用程序和服務性能；其次，它更易擴展，可以通過增加Spine 節點數，解決Spine 交換機的帶寬不足；再次，可以通過增加Leaf 節點數，解決接入連接不足；最后，可以在無環路環境中使用全網格中的每個鏈路并進行負載平衡。這種等價多路徑設計，在使用SDN 等集中式網絡管理平臺時處于最佳狀態。SDN 允許在發生堵塞或鏈路故障時簡化流量的配置，管理和重新分配路由，使得智能負載均衡的全網狀拓撲成為一個相對簡單的配置和管理方式。在Spine-Leaf 網絡架構的助力下，IP 化交換矩陣因其可擴展性、高可靠性和高性能備受青睞。

3 IP 化對廣播電視行業的挑戰以及解決策略

傳統的SDI 系統中，SDI 的信號點對點傳輸，從一端到另一端，僅需要簡單的連接就能連通。在故障排查方面遵循簡單邏輯，能快速排查到故障點。但是在IP 系統中，信號都是以交換機作為傳輸核心，除了保證線纜連通外，還需要進行相應的設置，才能實現信號傳輸。在排查故障時，如果故障涉及交換機、終端設置錯誤，需要具備一定網絡知識的人員完成。同樣，在IP 化以前，系統的應急手段在理論上易于理解，在邏輯上明確清晰，應急流程可規范化，從而可降低操作難度，并且在經歷了長時間的驗證后證明有效，如以備路代替主路或者備份設備代替在用設備、物理跳線、設備重啟等。系統IP 化后，上述措施大部分失效，取而代之的是需要對網絡鏈路和設備進行流量分析、端口分析、路徑分析及數據包分析等，進行一系列互聯網層面的分析和排查。當面臨緊急情況，廣播電視行業安全播出保障人員必須具備很強的排除故障能力、有效應急能力，因此需要培訓一批懂網絡、懂IP 的廣播電視行業從業人員。此外，基于大數據和AI 技術進行監控、故障判斷以及定位[5]。

4 結語

廣播電視行業正逐步實現從傳統的SDI 到IP的轉變。IP 化的精髓是，不同的信號可以共享同一個IP 平臺，不同的信號可以共享同一個鏈路。與傳統線性的、從左到右的SDI 不同，IP 化系統是非線性的，使得系統能更加靈活，有助于提升傳輸效率，降低成本。IP 技術以其多樣的兼容性、靈活的數據交換方式、龐大的帶寬，為廣播電視行業全媒體融合平臺提供了有效的解決方案。