北京電視臺高標(biāo)清同播系統(tǒng)技術(shù)方案

文/劉曉光

北京電視臺高標(biāo)清同播系統(tǒng)技術(shù)方案

文/劉曉光

本文介紹了北京電視臺的高標(biāo)清同播系統(tǒng)方案，為解決發(fā)展中出現(xiàn)的新問題，提出了新的應(yīng)用理念并采用新的技術(shù)手段， 闡述了總體設(shè)計到各系統(tǒng)的實現(xiàn)以及系統(tǒng)應(yīng)用情況。

高標(biāo)清同播；播出中心；播出服務(wù)器

1. 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計由兩部分組成：播出網(wǎng)絡(luò)及視頻服務(wù)器系統(tǒng)和播出中心系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

它以播出備播存儲為核心，與全臺高清制播主干網(wǎng)絡(luò)接口，建立高效的從媒資備播庫到播出備播庫存儲、再到播出服務(wù)器的節(jié)目數(shù)據(jù)傳輸鏈路。通過接收含有AFD信息的全域變換播出單，實現(xiàn)高標(biāo)清播出系統(tǒng)的自動下變換控制播出，此種方式是本系統(tǒng)中的創(chuàng)新點和技術(shù)難點。此外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了自動技審、應(yīng)急上載、內(nèi)容管理等功能。另外，系統(tǒng)采用頻道獨立的方式構(gòu)建6套同播播出系統(tǒng)，每個頻道為單獨模塊。頻道入口為高清信號節(jié)目源，按常規(guī)模式實現(xiàn)高清播出；同時通過基于矩陣切換的自動幅型變換實現(xiàn)標(biāo)清同播，成為當(dāng)時全國行業(yè)范圍內(nèi)首家成功實現(xiàn)高標(biāo)清同播功能的播出系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)實現(xiàn)——播出網(wǎng)絡(luò)及視頻服務(wù)器系統(tǒng)

根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求，播出網(wǎng)絡(luò)及視頻服務(wù)器系統(tǒng)可劃分為視頻服務(wù)器、播出備播庫、內(nèi)容存儲管理、網(wǎng)絡(luò)平臺、播出控制、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控等部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 視頻服務(wù)器

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計

視頻服務(wù)器全部采用單機(jī)架構(gòu)、本地存儲模式設(shè)計，需要完成5個高標(biāo)清頻道和1套高標(biāo)清備份頻道的播出。在每個頻道內(nèi)部，視頻服務(wù)器采用1+1備份方式。另外，系統(tǒng)內(nèi)還采用了3臺循環(huán)播服務(wù)器為每個頻道輸出獨立的循環(huán)播信號。每臺服務(wù)器提供有效存儲容量在6TB以上，滿足7天新增節(jié)目存儲需求（日新增節(jié)目量按每天12小時考慮）；FTP背板帶寬40MBps，滿足每天新增節(jié)目傳輸要求（新增節(jié)目量為12小時，4小時傳輸完成）；每臺服務(wù)器配4個通道，分別用于播出、應(yīng)急上載、文件頭尾檢測和備份。視頻服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 視頻服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計

2.2 播出二級存儲

播出二級存儲設(shè)計為主備獨立兩組，其具體數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 播出二級存儲配置表

節(jié)目文件傳輸方式為主備獨立鏈路，即播出系統(tǒng)的主存儲體從媒資系統(tǒng)讀取一次節(jié)目文件，備存儲體再從媒資系統(tǒng)讀取一次節(jié)目文件。兩個存儲體之間由鏡像服務(wù)器做校驗，只有校驗一致的節(jié)目文件才能夠顯示遷移成功，充分保障節(jié)目文件的傳輸安全。同時系統(tǒng)在出現(xiàn)主故障時，可以自動實現(xiàn)主備倒換，無需人工干預(yù)。

3. 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及安全設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照功能設(shè)計分為信息域和媒體域兩個部分。

（1）作為整個播出網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)核心，信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計非常重要，核心交換機(jī)采用兩臺設(shè)備，負(fù)載均衡使用；接入交換機(jī)全部雙上行鏈路上連至核心交換機(jī)，避免單一設(shè)備故障導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷。本區(qū)域內(nèi)的服務(wù)器及工作站采用單網(wǎng)卡分離主備上連接入交換機(jī)或核心交換機(jī)，保證主備機(jī)制。數(shù)據(jù)庫使用雙機(jī)熱備模式，數(shù)據(jù)以實時鏡像方式在主/備服務(wù)器本地數(shù)據(jù)磁盤中存儲。當(dāng)主數(shù)據(jù)庫的服務(wù)停止時，系統(tǒng)可在90秒內(nèi)自動將數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)從主機(jī)切換到備機(jī)，確保數(shù)據(jù)不丟失。信息鏈路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 信息鏈路網(wǎng)絡(luò)示意圖

（2）媒體類數(shù)據(jù)作為整個播出網(wǎng)絡(luò)的核心數(shù)據(jù)，安全級別要求很高。系統(tǒng)配備6臺遷移服務(wù)器、6臺文件技審服務(wù)器及6臺FTP服務(wù)器，均做為集群方式使用。當(dāng)任意一臺或多臺遷移服務(wù)器出現(xiàn)故障時，故障服務(wù)器上的任務(wù)可自動轉(zhuǎn)換分配到其他的服務(wù)器上繼續(xù)執(zhí)行，確保任務(wù)不丟失。當(dāng)傳輸鏈路損壞時，通過手動方式拷貝素材及素材元數(shù)據(jù)文件到指定路徑下，系統(tǒng)自動將素材導(dǎo)入播出系統(tǒng)。

媒體鏈路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 媒體鏈路網(wǎng)絡(luò)示意圖

對外，接口外部系統(tǒng)服務(wù)通過防毒墻做隔離，使用交換機(jī)對接入口進(jìn)行監(jiān)控。FTP服務(wù)器直連在核心交換機(jī)上，對出口做ACL（訪問控制列表）限制，只綁定某臺內(nèi)部遷移服務(wù)器訪問；對內(nèi)，核心交換機(jī)采用劃分Vlan的方式，實現(xiàn)控制信息與素材數(shù)據(jù)分離，并打開所有Iprouting使VLAN間可自由訪問。

4. 播出控制系統(tǒng)和全域變換播出單

播出控制系統(tǒng)完成對同播頻道內(nèi)高、標(biāo)清兩個通道設(shè)備的控制。播出軟件在加載節(jié)目單后，通過控制多種設(shè)備，如切換設(shè)備、開關(guān)選擇設(shè)備、服務(wù)器等來實現(xiàn)節(jié)目的準(zhǔn)點播出。全域變換播出單為此項目中我們的技術(shù)創(chuàng)新點，一舉攻克了下變換方式選擇的難題。

5. 全域播出單中的AFD信息實現(xiàn)下變換方式

圖6 全域變換播出單流程示意圖

全域變換播出單是指播出節(jié)目單中不僅含有常規(guī)信息，如節(jié)目代碼、節(jié)目視源、播出時長、播出時間、播出類型、節(jié)目類型等，同時嵌入了AFD信息（Active Format Description）。自全臺網(wǎng)制作域開始，根據(jù)節(jié)目代碼位中所含的AFD信息，經(jīng)過備播域，最終到達(dá)播出域，并將AFD信息解譯、填寫在播出節(jié)目單中的下變換信息字段。通過播控軟件控制標(biāo)清切換開關(guān)，輸出所需的標(biāo)清信號幅型信號源，然后疊加標(biāo)清臺標(biāo)、字幕，作為標(biāo)清頻道的輸出信號。通過全域播出單嵌入AFD信息的方式，解決了我臺現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)制播流程不支持視音頻信號中嵌入AFD信息的難點，避免將原有素材重新嵌入AFD信息的巨大工作量，為同播系統(tǒng)順利并入全臺主干系統(tǒng)提供了創(chuàng)新思路。全域變換播出單的工作流程如圖6所示。

6. 播出系統(tǒng)控制方式

采用“主控主備，備控主備”的設(shè)計思路，即在正常情況下所有設(shè)備（主備視頻服務(wù)器、切換臺、切換開關(guān)、應(yīng)急功能鍵、錄像機(jī)）都是處于主控狀態(tài)下，由主工控機(jī)通過422倒換開關(guān)直接控制所有設(shè)備。備工控機(jī)則處于熱備狀態(tài)下，并按照一定生命周期通過VDCP命令來檢測設(shè)備狀態(tài)是否正常。

當(dāng)主播通道或主服務(wù)器出現(xiàn)控制問題，播控軟件可以在線切換到備服務(wù)器的播出通道播出；如果主備播出服務(wù)器控制均出現(xiàn)故障，播控軟件可自動切換到墊片信號源，實現(xiàn)信號播出不間斷。對播出工控機(jī)采用雙重授時保障，通過兩種方式并行完成。第一種方式是經(jīng)時鐘服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)授時；第二種方式是工控機(jī)連接BB同步信號進(jìn)行的精確守時。有了這個雙重保證，任何一種方式出現(xiàn)問題，都不會直接影響到本地客戶端時鐘的準(zhǔn)確性。

7. 系統(tǒng)實現(xiàn)——播出中心系統(tǒng)

視音頻及周邊系統(tǒng)接收自動播出控制系統(tǒng)的控制信號，實現(xiàn)正確播出節(jié)目信號源的選切，可對播出信號進(jìn)行處理或調(diào)整，并適合傳輸系統(tǒng)的需要，提供所需格式的節(jié)目播出信號。主要設(shè)備包括切換器、幀同步處理、視頻分配放大器、下變換器、鍵混器等。

8. 下變換幅型變換的選擇

高清基帶信號可直接調(diào)度至播出，若有標(biāo)清直播信號需由上游系統(tǒng)進(jìn)行上變換再送往播出；媒體文件部分由于控制服務(wù)器的上變換難度較大，必須提供高清版本節(jié)目文件，若需要播出原有的標(biāo)清文件需要節(jié)目制作部門進(jìn)行高清的2次制作再送往播出；同時總編室需要在送往播出的節(jié)目單中要描述節(jié)目的下變換方式，由播出控制軟件控制播出鏈路選擇正確的下變換方式。信號流程如圖7所示。

圖7 高標(biāo)清同播系統(tǒng)信號流程示意圖

8.1 同播鏈路的實現(xiàn)

根據(jù)我臺播出實際情況，我們選擇搭建高清下變換同播方式。系統(tǒng)中含有6個同播頻道，每個頻道單獨成一體。

高清通道部分與單格式播出鏈路一致，主路為切換臺，切換臺完成臺標(biāo)及字幕疊加，經(jīng)過主備2選1和末級視分送往下游高清傳輸系統(tǒng)。備路為凈靜切換開關(guān)，高清鍵控器完成臺標(biāo)和字幕的疊加，經(jīng)視分作為高清備路輸出信號。

高清主、備通道的Clean輸出分別送往標(biāo)清主、備通道，標(biāo)清的主備通道各接入兩路下變換器，分別做兩種固定的下變換幅型轉(zhuǎn)換。播出軟件中的AFD信息控制標(biāo)清的主備切換器選擇正確的幅型輸出。疊加標(biāo)清的臺標(biāo)和字幕后送往下游標(biāo)清傳輸系統(tǒng)。

高清下變換的同播方式對于設(shè)備、空間、人員的投入少，同時對于節(jié)目制作部門只需要向播出提供高清版本節(jié)目就可以。技術(shù)難點在于如何安全可靠的實現(xiàn)下變換的正確幅型選擇。單個頻道視音頻通路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

8.2 優(yōu)化應(yīng)急處理功能

系統(tǒng)同播鏈路均采用的是成熟可靠的技術(shù)，但也在一定程度上增加了播出鏈路的復(fù)雜度。通過優(yōu)化，使操作人員可以快速處理故障。當(dāng)高清通道出現(xiàn)問題時值班員只需要對高清通道的2選1進(jìn)行切換，同時標(biāo)清通道的2選1聯(lián)動。而標(biāo)清通道出現(xiàn)問題時只需要選擇標(biāo)清的2選1進(jìn)行倒換，高清通道不動的應(yīng)急機(jī)制。這樣保證了值班員在出現(xiàn)問題時可以做到“一鍵應(yīng)急”，解決了分別對高、標(biāo)清通路處理的繁瑣性，縮短故障應(yīng)急處理的時間?；贕PI聯(lián)動的主備路2*1控制如圖9所示。

圖8 單個頻道視音頻通路結(jié)構(gòu)

圖9 基于GPI聯(lián)動的主備路2*1控制示意圖

8.3 同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步系統(tǒng)為各系統(tǒng)設(shè)備提供同步基準(zhǔn)信號，使信號處理定時準(zhǔn)確并使播出控制達(dá)到幀精確度。為保證各頻道的獨立、安全，各頻道使用獨立的同步倒換系統(tǒng)。

8.4 時鐘系統(tǒng)

時鐘系統(tǒng)為參與控制和管理的系統(tǒng)設(shè)備（含臺標(biāo)機(jī)、鍵控器、字幕機(jī)、畫面分割器等）提供校時信號，并通過大屏監(jiān)看區(qū)顯示子鐘報告準(zhǔn)確的時間信息。機(jī)柜區(qū)每個頻道配置1U子鐘一個。

9. 結(jié)語

項目自2010年12月正式投入使用，系統(tǒng)全天24小時不間斷運(yùn)行，性能穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)在提高播出質(zhì)量、保證播出安全、實現(xiàn)資源共享、提高工作效率、清晰管理流程等方面滿足了用戶的使用需求。經(jīng)過多年來的使用，系統(tǒng)未出現(xiàn)技術(shù)問題，極大地保證了我臺多個頻道高標(biāo)清信號同步播出安全優(yōu)質(zhì)，完全實現(xiàn)了我們最初的設(shè)計目標(biāo)。

[1] 翁志清，陳偉平.數(shù)字電視制播系統(tǒng)[J].上海大學(xué)出版社，2008（10）.

[2] 張琦，楊盈昀.數(shù)字電視制播技術(shù)[J].中國廣電出版社，2002（10）.

[3] Chris McNab O’Reilly.網(wǎng)絡(luò)安全評估[J]. 2010（5）.

（作者單位：北京電視臺）

TN948.4

A

1671-0134（2017）09-069-04

10.19483/j.cnki.11-4653/n.2017.09.021