基于“5G+IP+4K 8K+云服務(wù)”的電視臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的探索與設(shè)計

倪亞凡 徐艷 徐歆

摘? 要：5G、IP化、4K/8K、云計算時代的到來加速了傳媒行業(yè)的發(fā)展與改革，將5G、IP、4K/8K、云計算等新技術(shù)相結(jié)合成為了必然的趨勢。本文首先結(jié)合電視臺介紹了5G、IP化、4K/8K、云服務(wù)技術(shù)，隨后探討了基于“5G+IP+4K/8K+云服務(wù)”的電視臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，最后對廣電行業(yè)的技術(shù)變革進行了展望。

關(guān)鍵詞：5G;IP;4K/8K;云計算;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 中圖分類號：TN945? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

本文著錄格式：倪亞凡，徐艷，徐歆.基于“5G+IP+4K/8K+云服務(wù)”的電視臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的探索與設(shè)計[J].中國傳媒科技，2020（8）：19-21.

導(dǎo)語

隨著中國科學(xué)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的進步與發(fā)展，越來越多的消費者尤其是年輕一代習(xí)慣用手機，筆記本電腦等移動智能終端設(shè)備來獲取日常生活中的各種信息。傳統(tǒng)的廣播電視技術(shù)將逐漸退出歷史的舞臺。 與此同時，眾多新技術(shù)的產(chǎn)生給傳統(tǒng)廣播電視技術(shù)的改革帶來可能，能否抓住機會，利用這些新技術(shù)改變廣電行業(yè)的現(xiàn)狀是所有廣電技術(shù)人員需要思考的問題。傳統(tǒng)的廣播電視技術(shù)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。本文迎合了時代的需要，探討設(shè)計了一個基于 “5G+IP+4K/8K+云服務(wù)” 的三合一電視臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，使電視網(wǎng)有可能擺脫現(xiàn)有的子系統(tǒng)之間相互獨立、設(shè)備種類復(fù)雜、接口協(xié)議眾多、傳輸速率低等一系列問題。給未來的電視技術(shù)發(fā)展提供了一個參考方向。

1.結(jié)合電視臺談5G+4K/8K技術(shù)

未來4K、8K的視頻傳輸速率至少要到12-40Mbps、48-160Mbps，顯然以目前的4G無線網(wǎng)速度來看已經(jīng)無法滿足4K、8K視頻對網(wǎng)絡(luò)流量、存儲空間和回傳時延等技術(shù)指標(biāo)的要求。2019年6月6日，工信部正式向中國廣電發(fā)放了5G商用牌照，這也意味著中國廣電成為了第四家5G通信運營商。[1]與4G技術(shù)相比，5G有以下優(yōu)點，如表1所示。

（1）在傳輸速率上，5G的峰值數(shù)據(jù)速率能達(dá)到20Gbps，為電視臺的4K/8K，虛擬現(xiàn)實等大量數(shù)據(jù)傳輸需求提供了技術(shù)保障。

（2）更低的時間延遲：時延水平在1ms左右，滿足電視直播，遠(yuǎn)程連線等實時應(yīng)用。

（3）能夠同時提供上億臺設(shè)備的同時接入，高并發(fā)、高密度、高容量。同時在頻譜的效率上要比LTE提升10倍以上。在高速運動的環(huán)境中，用戶的體驗速率將達(dá)到100Mbit/s。[2]

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了諸多的5G移動智能終端設(shè)備，如日本索尼公司的5G攝錄一體機，中國華為公司的5G手機以及即將出現(xiàn)的5G無人機。通過這些移動設(shè)備，我們可以在任何時間，任何地點進行現(xiàn)場視音頻信號的采集和傳送，實現(xiàn)“最后一公里”的傳輸功能。

通過5G網(wǎng)絡(luò)完全可以實現(xiàn)在無線領(lǐng)域的任何現(xiàn)有的傳輸要求，為消費者帶來極速的體驗。使觀眾能體驗到超高清，虛擬現(xiàn)實等視頻效果。

2. 結(jié)合電視臺談IP化技術(shù)

目前電視臺內(nèi)部一般采用傳統(tǒng)的SDI接口來傳輸視音頻信號，如果繼續(xù)沿用這種接口傳輸4K、8K信號將帶來以下一些問題：

傳統(tǒng)的電視臺系統(tǒng)內(nèi)部通常采用BNC物理接口來收發(fā)SDI視音頻信號，但是在即將到來的超高清（4 K/8 K）時代，如果繼續(xù)采用這種傳輸方式將帶來以下幾個方面的問題：

（1）電纜多且維護困難。由于在電視臺內(nèi)部，一根同軸電纜只能傳送一路SDI信號，而需要傳送、調(diào)度的信號有很多，這就導(dǎo)致了大量的同軸電纜被捆綁在了一起，一旦出現(xiàn)故障，需要消耗大量的時間和人力來排查，維護成本很高。

（2）SDI信號傳輸距離的限制。用同軸電纜來傳送SDI信號最長可到達(dá)的距離不會超過100m，并且在傳輸高清信號的過程中會出現(xiàn)信號失真。導(dǎo)致視頻畫面質(zhì)量很差。

（3）SDI接口只有在電視臺這種廣播級、專業(yè)級的地方采用。而民間大部分采用的是HDMI接口。這就導(dǎo)致了帶SDI接口的設(shè)備市場占有率低，產(chǎn)品型號單一，系統(tǒng)解決方案少，價格昂貴等一些列問題。

如圖1所示，為了改變傳統(tǒng)的電視臺傳輸方案，尋求性價比更高的傳輸技術(shù)，越來越多的廠商采用了基于IP傳輸?shù)囊苿踊ヂ?lián)網(wǎng)產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與傳統(tǒng)的SDI傳輸相比，新的IP傳輸擁有更長的有效距離，更健全的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)解決方案更加靈活多樣。在布線方面更加簡單，輕量化，大大節(jié)約了投資成本。又因為互聯(lián)網(wǎng)在中國的發(fā)展，IP信號的編碼技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，全臺IP化的網(wǎng)絡(luò)趨勢是歷史所向，大勢所趨，順應(yīng)潮流。

圖1解決方案的核心設(shè)備是一款索尼公司自主研發(fā)的一款支持IP或SDI接口的切換臺。這款切換臺支持用戶以SDI或IP的方式進行輸入或輸出。并且信號支持4K分辨率。這是全球首款同時支持4K、IP、SDI接口功能的切換臺。通過它，可以在完成電視臺IP化改造的同時又兼顧了現(xiàn)有的SDI接口標(biāo)準(zhǔn)，使用戶可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的SDI接口設(shè)備。

在該方案中，攝像機的SDI輸出信號進入一個NXL-FR318信號處理單元，通過這個轉(zhuǎn)換板將SDI信號轉(zhuǎn)化為IP信號流，然后由一根40GbE的光纖以太網(wǎng)電纜將轉(zhuǎn)換后的多路IP信號由轉(zhuǎn)換板引向4K切換臺進行切換。用戶可以利用PWS-100NM1 IP現(xiàn)場管理軟件工作站對系統(tǒng)中的設(shè)備進行控制。與此同時，索尼采用自研的算法和QoS技術(shù)，使用戶可以實時選擇最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)帶寬，從而確保了4K信號傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。

電視臺IP化后將有利于推動4K加速發(fā)展。因為傳輸一路4K信號需要4根SDI視頻線，如果采用網(wǎng)線傳輸?shù)脑挘桓?0G的以太網(wǎng)線即可解決，這就大大減少了線路數(shù)量，簡化了布線復(fù)雜度，便于后期維護;其次，由于采用網(wǎng)線可擴展性強，這為未來不斷增加的端口數(shù)量和不斷提升的分辨率提供了可靠的技術(shù)保障。[3]

3. 結(jié)合電視臺談云服務(wù)技術(shù)

云計算服務(wù)，即云服務(wù)。中國云計算服務(wù)網(wǎng)的定義是：指可以拿來作為服務(wù)提供使用的云計算產(chǎn)品。包括云主機、云空間、云開發(fā)、云測試和綜合類產(chǎn)品等。[4][5]

在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)引擎迅速發(fā)展的時代，廣電行業(yè)為了改變現(xiàn)狀，各個電視臺都在尋求利用互聯(lián)網(wǎng)的思維進行改革創(chuàng)新， 融合媒體平臺正是這一時代的產(chǎn)物。它將計算任務(wù)分布在大量計算機構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計算力、存儲空間和信息服務(wù)。通過虛擬化技術(shù)將服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、桌面虛擬化，將底層的技術(shù)細(xì)節(jié)屏蔽，為上層提供統(tǒng)一的接口供開發(fā)者或者使用者調(diào)用。實現(xiàn)了資源的集中控制、共享、融合，解決了信息孤島的問題，為電臺的制播提供了一體化的平臺。

通過基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化、API接口標(biāo)準(zhǔn)化、重建流程，實現(xiàn)彈性部署和敏捷生產(chǎn)。既滿足了傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，又迎合了融合媒體的多業(yè)務(wù)需要。

如圖2所示為某品牌融合媒體平臺解決方案。該技術(shù)方案將電視臺的所有業(yè)務(wù)流程都注入到融合媒體平臺當(dāng)中，充分利用了現(xiàn)有的新老設(shè)備，對其進行統(tǒng)一的調(diào)度與管理。應(yīng)用層為電臺不同崗位的人員開放不同應(yīng)用和權(quán)限。系統(tǒng)采用混合云架構(gòu)，其中公有云用來建設(shè)基礎(chǔ)的、公共的普通業(yè)務(wù)應(yīng)用，私有云用來建設(shè)本臺私密的、特色的業(yè)務(wù)應(yīng)用。[6]

4.“5G+IP+4K/8K+云服務(wù)”的電視臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

在“5G+IP+4K/8K+云服務(wù)”的電視臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主要包括的設(shè)備有5G基站、各種5G移動終端設(shè)備、服務(wù)器、以太網(wǎng)線、路由器、交換機、5G-CPE等。其中5G-CPE是一種可以將5G移動信號轉(zhuǎn)換成Wi-Fi信號的設(shè)備。

如圖3所示。在無線傳輸鏈路方面，移動終端可以通過自身所嵌入的5G或者Wi-Fi通信模塊將視音頻信號發(fā)送給周圍的5G基站、5G-CPE。從而形成5G移動通信網(wǎng)、WIFI無線局域網(wǎng)的二合一無線通信方式。

在5G移動通信網(wǎng)中，移動端與5G基站通過5G空中接口進行通信，然后5G基站和云服務(wù)進行通信，中間信號路由經(jīng)過了中國廣電運營商的核心網(wǎng)。

在Wi-Fi無線局域網(wǎng)中，移動終端首先通過Wi-Fi協(xié)議和周邊的5G-CPE進行通信，然后5G-CPE通過5G空口和5G基站進行通信，最后同樣通過5G基站與云服務(wù)進行通信，中間信號經(jīng)過了中國廣電運營商的核心網(wǎng)。

在有線傳輸鏈路方面，則完全采用了IP化的方式。設(shè)備和云服務(wù)器，設(shè)備和設(shè)備之間都采用網(wǎng)線來進行數(shù)據(jù)的交互。完全擺脫了傳統(tǒng)廣電的設(shè)備接口種類繁多復(fù)雜的問題。[7]

利用上述的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，既滿足了電視臺未來的發(fā)展趨勢（超高清、融媒體），又大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，為廣電行業(yè)的技術(shù)變革起到了一定的參考作用。

5. 廣電行業(yè)技術(shù)展望

超高清化、5G化、IP化、云化是廣播電視系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，成熟的系統(tǒng)需要有完善、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種通信協(xié)議還有待討論確定。所有的模型結(jié)構(gòu)只是一個假設(shè)，隨著技術(shù)的成熟，各行各業(yè)的努力探索與實踐，廣電最終的頂層設(shè)計架構(gòu)將逐漸浮出水面，到時候?qū)⒄嬲M入融媒體的信息化時代。用戶可以隨時隨地，以任何一種方式享受融媒體帶來的服務(wù)方式。

結(jié)語

本文首先結(jié)合電視臺介紹了IT領(lǐng)域的各種新型技術(shù)，并將這些新技術(shù)與傳統(tǒng)廣電技術(shù)進行了對比，闡述了采用新技術(shù)帶來的優(yōu)勢。最后應(yīng)用這些新技術(shù)設(shè)計了一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完全符合三網(wǎng)融合的發(fā)展潮流，為廣電的技術(shù)革命提供了一個新方向。

參考文獻

[1] 張棉棉，楊森.工信部向四家企業(yè)頒發(fā)“5G商用牌照”.[EB/OL].央廣網(wǎng)，2019-06-07.

[2] 360百科.5G.[EB/OL].360百科.https：//baike.so.com/doc/5381189-5617498.html#refff_5381189-5617498-12

[3]鄧琳偉.電視臺全臺IP化正當(dāng)時.[J/OL].ICT新視界，第16期（2015年12月）.https：//e.huawei.com/cn/publications/cn/ict_insights/201512291139/focus/201512301557

[4]百度百科.云計算服務(wù).[EB/OL].百度百科.https：//baike.baidu.com/item/%E4%BA%91%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%8D%E5%8A%A1/8061447

[5] 大數(shù)據(jù)觀察.不再傻傻分不清 云計算和云服務(wù)到底有啥區(qū)別.[EB/OL].大數(shù)據(jù)觀察，2017-3-15.https：//www.sohu.com/a/128932633_398736

[6] 溫懷疆，何光威，史惠，段永良.融媒體技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[7] 倪亞凡，曾連蓀.基于NOMA的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的探索與設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017，36（11）：64-65，70.

作者簡介：倪亞凡（1990-），男，江蘇常州，初級職稱;徐艷（1977-），女，江蘇揚中，工程師;徐歆（1964-），男，江蘇南京，高級工程師 。