淺談IP傳輸在電視直播中的應(yīng)用

□ 梁豐程

傳統(tǒng)的電視直播信號(hào)傳輸方式主要有衛(wèi)星傳輸、光纖傳輸和微波傳輸三種。隨著電視節(jié)目制作需求的不斷變化和提升，這三種信號(hào)傳輸方式各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)也日益凸顯出來。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷普及與發(fā)展的背景下，基于公用IP 網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量視頻傳輸技術(shù)在行業(yè)中被提出，并且近年來該技術(shù)也日趨成熟。綜合考慮電視節(jié)目制作成本、信號(hào)質(zhì)量要求及節(jié)目制作場(chǎng)地復(fù)雜多變等多種因素，基于公用網(wǎng)絡(luò)的IP 傳輸已成為電視直播信號(hào)傳輸?shù)囊环N新選擇。

一、傳統(tǒng)傳輸方式的比較

（一）衛(wèi)星傳輸

衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)主要由衛(wèi)星上行車、通信衛(wèi)星和地面接收站三部分組成。直播信號(hào)通過衛(wèi)星上行車發(fā)送至通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，再由地面衛(wèi)星接收站接收該衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)下行的信號(hào)，由此完成整個(gè)直播信號(hào)的傳輸。目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星上行車使用的上行頻率有C 波段和KU 波段，其中C 波段衛(wèi)星上行車相比KU 波段衛(wèi)星上行車有更好的抗雨衰能力。衛(wèi)星傳輸是一種安全、可靠、適用性強(qiáng)的傳輸方式，幾乎不受地域限制，能為直播工作提供一個(gè)高質(zhì)量的信號(hào)傳輸平臺(tái)。但是，該傳輸方式的使用成本較高，并且KU 波段的信號(hào)傳輸穩(wěn)定性容易受天氣因素影響。

（二）光纖傳輸

光纖傳輸系統(tǒng)主要由光纖網(wǎng)絡(luò)、光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)組成。該傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)字化程度高，可直接傳輸無壓縮的基帶信號(hào)，傳輸成本較低。它能為節(jié)目制作提供一個(gè)信號(hào)質(zhì)量高、低成本的直播平臺(tái)。但是該傳輸方式受光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋的限制，只能在有光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍進(jìn)行直播，目前主要應(yīng)用于城市內(nèi)開展的電視直播活動(dòng)。若要進(jìn)行跨省市直播活動(dòng)，可選擇網(wǎng)絡(luò)公司的光纖網(wǎng)進(jìn)行傳輸，但是會(huì)增加信號(hào)傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，導(dǎo)致傳輸?shù)陌踩院涂煽啃越档?。同時(shí)，光纖傳輸方式也容易受市政工程施工挖斷光纖的影響。

（三）微波傳輸

微波傳輸是一種無線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式，主要由發(fā)射天線和接收天線組成。這種傳輸方式只能在視距范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)傳輸空間環(huán)境要求較高，信號(hào)傳輸區(qū)域不能有遮擋物。微波傳輸作為最原始的傳輸方式，受城市建設(shè)發(fā)展的影響，已經(jīng)很少用于直播信號(hào)傳輸。目前的微波傳輸常用移動(dòng)攝像機(jī)與轉(zhuǎn)播車之間的信號(hào)傳輸。

通過比較三種傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式，可知每一種傳輸方式既有自己的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在著不足。

二、IP傳輸工作原理

目前，電視節(jié)目直播信號(hào)選擇通過IP 傳輸方式來實(shí)現(xiàn)，主要是依靠通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)。直播信號(hào)經(jīng)過發(fā)送端編碼設(shè)備編碼后形成能在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，并附加了接收端在通信網(wǎng)絡(luò)中所對(duì)應(yīng)的唯一IP 地址，當(dāng)數(shù)據(jù)流到達(dá)接收端，再通過解碼設(shè)備解碼生成所需的視音頻信號(hào)。

IP 編解碼設(shè)備接入通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，接入網(wǎng)絡(luò)的方式也變得越來越豐富，既能通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線WiFi 接入，又可以使用移動(dòng)數(shù)據(jù)4G 網(wǎng)絡(luò)接入。可以說，只要有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，就能實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目直播信號(hào)的IP 傳輸。IP 傳輸原理如圖1 所示。

圖1

三、IP傳輸在直播中的應(yīng)用實(shí)例分析

（一）直播背景

2019年廣西“壯族三月三·八桂嘉年華”大直播活動(dòng)由一個(gè)主會(huì)場(chǎng)和五個(gè)分會(huì)場(chǎng)組成，其中，廣西民族博物館為主會(huì)場(chǎng)，柳州、桂林、興安、大化、羅城為分會(huì)場(chǎng)。此次大直播活動(dòng)直播點(diǎn)較多，并且分布在區(qū)內(nèi)的不同城市，因此在保證信號(hào)安全傳輸?shù)那疤嵯?，?duì)如何合理搭配使用本臺(tái)的傳輸資源提出了較高的要求。

（二）直播方案設(shè)計(jì)

在最初設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸方案時(shí)，計(jì)劃使用衛(wèi)星傳輸與傳統(tǒng)的“編碼—上適配—下適配—解碼”方式進(jìn)行信號(hào)回傳。但考慮到此次直播點(diǎn)較多，本臺(tái)SDH 傳輸柜空余的下行端口數(shù)量不足，并且傳統(tǒng)的高清編解碼設(shè)備數(shù)量不足，因此該方案并不能完全滿足本次直播要求。我們經(jīng)過前期對(duì)直播場(chǎng)地的考察，發(fā)現(xiàn)每個(gè)直播場(chǎng)地都已有通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，再結(jié)合本臺(tái)現(xiàn)有的傳輸資源，決定在本次大直播活動(dòng)中主要采用衛(wèi)星傳輸和IP 編碼傳輸相結(jié)合的信號(hào)回傳方式。

其中，廣西民族博物館作為本次大直播的主會(huì)場(chǎng)，與本臺(tái)總控機(jī)房已有光纖路由連接，因此決定主會(huì)場(chǎng)的信號(hào)回傳方式采用衛(wèi)星傳輸和光纖傳輸。由于本臺(tái)衛(wèi)星車只有四輛，此次大直播不能做到每個(gè)直播點(diǎn)都安排一輛，為保證信號(hào)的傳輸安全，未配備衛(wèi)星車的兩個(gè)直播點(diǎn)在使用IP傳輸時(shí)必須要使用兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，其余直播點(diǎn)均采用衛(wèi)星傳輸和IP 傳輸并行的傳輸模式，確保做到傳輸路由的冗余備份，其中衛(wèi)星信號(hào)作為直播信號(hào)的主用信源。由此制定了一個(gè)由衛(wèi)星傳輸、光纖傳輸和IP 傳輸混合組成的直播信號(hào)傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2

（三）IP傳輸系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用

由于本次大直播使用的IP 傳輸網(wǎng)絡(luò)為通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于以往使用區(qū)網(wǎng)絡(luò)公司的傳輸網(wǎng)，因此需要提前對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備展開調(diào)試。本次直播我們使用的IP 傳輸設(shè)備為朗威視訊IVP-3000 綜合多媒體處理平臺(tái)。該平臺(tái)由編碼器、中繼服務(wù)器和解碼器三部分組成，其中，編碼器部署在發(fā)送端，中繼服務(wù)器和解碼器部署在接收端。

1.IVP-3000 綜合多媒體處理平臺(tái)傳輸原理

IVP-3000 綜合多媒體處理平臺(tái)采用專有的R2TP 協(xié)議（Reliable Real-time Transport Protocol，可靠實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議），以全面解決互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)視頻傳輸中遇到的網(wǎng)絡(luò)擁塞、抖動(dòng)、誤碼等QoS 問題。R2TP 技術(shù)采用了創(chuàng)新的擁塞控制技術(shù)、高效的數(shù)據(jù)恢復(fù)算法、自適應(yīng)碼率參數(shù)調(diào)整等技術(shù)，兼顧了視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性，使得系統(tǒng)在公共IP 網(wǎng)絡(luò)條件下依然能夠穩(wěn)定傳輸。在發(fā)送端部署的IVP-3000 TX 發(fā)送平臺(tái)輸入SDI 視音頻信號(hào)，經(jīng)IVP 編碼后通過R2TP 協(xié)議進(jìn)行公網(wǎng)傳輸，在接收端部署的中繼服務(wù)器接收到視頻流后，通過交換機(jī)將視頻流推送至IVP-3000 RX，并在解碼后輸出SDI 信號(hào)。整個(gè)傳輸流程可以概括為編碼、推流、接收和解碼四步。

2.發(fā)送端調(diào)試

直播點(diǎn)配備的編碼器配置了兩個(gè)支持高清的H.264編碼模塊、兩個(gè)高清H.264 解碼模塊以及一個(gè)支持UDP協(xié)議的IP 和ASI 輸入的IP/ASI 模塊?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，將HD-SDI 主備兩路信號(hào)分別送入兩塊H.264 編碼模塊，同時(shí)通過Web 網(wǎng)管頁(yè)面對(duì)編碼器的編碼、傳輸參數(shù)進(jìn)行配置，包括輸入信號(hào)源格式、編碼碼率、傳輸協(xié)議、指向的R2TP 中繼服務(wù)器的公網(wǎng)IP 及端口號(hào)、編碼器相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等。所有參數(shù)配置好后，最后對(duì)編碼輸出的模塊進(jìn)行選擇。配置界面如圖3 所示。

圖3

3.接收端調(diào)試

本臺(tái)總控機(jī)房的中繼服務(wù)器作為接收所有視頻流的中轉(zhuǎn)站，是整個(gè)IP 傳輸系統(tǒng)的核心中樞。因此，為了保證信號(hào)傳輸安全，我們配備了一主一備兩臺(tái)服務(wù)器。而作為整個(gè)信號(hào)傳輸流程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，每一臺(tái)解碼器都配置了兩個(gè)支持高清H.264 解碼模塊、一個(gè)支持UDP 協(xié)議的IP 及ASI 輸出的IP/ASI 模塊。在調(diào)試接收時(shí)，由于R2TP中繼服務(wù)器和解碼器通過兩個(gè)互相級(jí)聯(lián)的交換機(jī)來交互視頻信息，因此將R2TP 中繼服務(wù)器、解碼器及交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)局域網(wǎng)。中繼服務(wù)器除了需要配置唯一的外網(wǎng)IP 地址，還需要額外配置一個(gè)內(nèi)網(wǎng)IP 地址，作為和解碼器交互信息的橋梁。解碼器除了配置好在內(nèi)網(wǎng)的自身相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)外，還需要額外配置好傳輸協(xié)議、信號(hào)源的IP 地址（即中繼服務(wù)器的內(nèi)網(wǎng)IP 地址）以及端口號(hào)。其中，端口號(hào)要與發(fā)送端所配置的端口號(hào)嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)，避免解碼出來的節(jié)目不正確，甚至是解碼失敗的情況。最后，根據(jù)需要對(duì)解碼輸出模塊進(jìn)行選擇。配置界面如圖4 所示。

圖4

4.正式應(yīng)用效果

由于傳輸平臺(tái)使用的R2TP 協(xié)議采用了創(chuàng)新的擁塞控制技術(shù)、高效的數(shù)據(jù)恢復(fù)算法、自適應(yīng)碼率參數(shù)調(diào)整等技術(shù)，兼顧了視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性，使得系統(tǒng)在公共IP 網(wǎng)絡(luò)條件下依然以每路節(jié)目8—10M 的碼率進(jìn)行穩(wěn)定傳輸，保證了每個(gè)直播點(diǎn)的信號(hào)既安全又高效的傳輸，確保整場(chǎng)“壯族三月三·八桂嘉年華”大直播活動(dòng)的順利舉行。

四、IP傳輸?shù)膽?yīng)用前景

IP 傳輸系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全高效以及傳輸成本低等特點(diǎn)，既能很好地作為傳統(tǒng)電視直播信號(hào)傳輸方式的補(bǔ)充，又能在一定程度上降低節(jié)目制作的成本。同時(shí)，在我國(guó)通信技術(shù)不斷發(fā)展、通信基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善的背景下，電視直播信號(hào)基于IP 網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)也會(huì)越來越成熟和完善?？梢哉f，IP 傳輸技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。