IP 化4K 超高清播出技術(shù)探討

潘宏偉

（濟(jì)寧廣播電視臺，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引 言

4K 超高清（Ultra High Definition，UHD）電視播出技術(shù)是繼廣播電視數(shù)字化、高清化后的又一次重大技術(shù)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(tài)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(tǒng)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(xù)沿用傳統(tǒng)的數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架構(gòu)，會受到傳輸帶寬、傳輸距離等因素的制約。相比之下，IP 架構(gòu)則具有較大的優(yōu)勢，代表著4K 時代制播技術(shù)的發(fā)展方向。

1 IP 化4K 播出的優(yōu)勢

早期的4K 播出系統(tǒng)大多采用基于SDI 架構(gòu)的4×3G-SDI 模式。由于4K 超高清信號的碼率高達(dá)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(tǒng)過于復(fù)雜龐大，加大了信號調(diào)度和運(yùn)行操作的難度。成倍增加的線纜也給系統(tǒng)后期維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展帶來較大的困難[1]。

IP 技術(shù)在廣電領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決SDI 架構(gòu)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(fā)的需求。與SDI 模式相比，IP 化4K 播出的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸視音頻信號，網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)發(fā)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(tǒng)中，交換機(jī)取代了矩陣，設(shè)備之間通過網(wǎng)線或光纖連接，可以重用設(shè)備和鏈路，省去了大量的周邊設(shè)備和同軸電纜，整體結(jié)構(gòu)簡潔明了，更便于管理和維護(hù)。

（3）基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)的信號調(diào)度和基于以太網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備控制更加靈活智能，不需要點對點布線，通過交換機(jī)可以調(diào)度任意節(jié)點的信號，利用TCP/IP 協(xié)議可以控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點的設(shè)備，具有更好的彈性和冗余措施。

（4）可以采用IT 領(lǐng)域的商用產(chǎn)品（COTS）來構(gòu)建系統(tǒng)。受益于IT 商用產(chǎn)品的規(guī)?；屯ㄓ眯?，這樣能有效降低建造和維護(hù)成本。

2 IP 化4K 播出的關(guān)鍵技術(shù)

IP 化4K 播出的顯著特點是所有播出流程均通過以太網(wǎng)來完成，包括信號的傳輸調(diào)度、設(shè)備控制、資源管理等方面。因此，保證播出網(wǎng)絡(luò)的傳輸暢通和精準(zhǔn)調(diào)度至關(guān)重要。這涉及以下幾項關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 SDI Over IP 技術(shù)

基于IP 的SDI 實時傳輸（SDI Over IP）技術(shù)是一種將SDI 基帶信號進(jìn)行IP 化封裝和傳輸，應(yīng)用于電視制播領(lǐng)域的技術(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)由電影和電視工程師協(xié)會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定，先后發(fā)布了ST 2022、ST 2110 和ST 2059 等系列標(biāo)準(zhǔn)，定義了無壓縮SDI 基帶信號通過IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木唧w協(xié)議，將基帶信號的傳輸調(diào)度全部基于以太網(wǎng)環(huán)境來實現(xiàn)，為超高清電視的IP 化制播奠定了基礎(chǔ)[2]。

2.2 SDN 技術(shù)

SDN 是一種控制平面與數(shù)據(jù)平面分離、可通過軟件編程的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。數(shù)據(jù)平面由交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jìn)行交互。SDN 的內(nèi)涵是通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制權(quán)交由控制器集中管理，交換機(jī)僅根據(jù)控制器下發(fā)的規(guī)則對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。用戶可以自定義任何想實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由和傳輸規(guī)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(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間的通信協(xié)議，運(yùn)行該協(xié)議的交換機(jī)稱為OpenFlow交換機(jī)。OpenFlow 協(xié)議的特點是基于流的概念來匹配轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。每臺交換機(jī)都配置一個流表（Flow Table），并按照流表中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。而流表的建立、維護(hù)和下發(fā)均由控制器來完成?？刂破飨掳l(fā)流表到具體的OpenFlow 交換機(jī)，從而定義、控制交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)行為[3]。

2.3 PTP 精準(zhǔn)同步技術(shù)

基帶SDI 的播出系統(tǒng)一般采用BB 黑場信號或三電平信號作為同步基準(zhǔn)信號。而IP 化播出系統(tǒng)則采用精準(zhǔn)時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）來實現(xiàn)同步。SMPTE ST 2059 標(biāo)準(zhǔn)對PTP 協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化。其中，ST 2059-1 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)對PTP 協(xié)議如何在專業(yè)廣電領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了定義。

PTP 同步系統(tǒng)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(fā)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(jù)時鐘偏差逐步進(jìn)行頻率和相位調(diào)整，實現(xiàn)與主時鐘的同步。

3 IP 化4K 播出系統(tǒng)的基本架構(gòu)

在IP化的播出系統(tǒng)中，交換機(jī)取代了SDI矩陣，網(wǎng)線和光纖取代了同軸電纜，整體結(jié)構(gòu)簡潔明了。以一個頻道的4K 播出系統(tǒng)為例，其基本架構(gòu)主要由基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、IP 流調(diào)度切換及播控系統(tǒng)設(shè)備組成。

3.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以太網(wǎng)是IP 化播出系統(tǒng)的主干傳輸通道。數(shù)據(jù)的交換、設(shè)備的控制和IP 流的傳輸調(diào)度，均通過以太網(wǎng)絡(luò)來完成。按照功能來分，以太網(wǎng)分為文件域、控制域和信號域三類網(wǎng)絡(luò)。這三類網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的需求分別設(shè)計組網(wǎng)，各自獨(dú)立運(yùn)行。這種組網(wǎng)方式可以更好地保證播出安全，也有利于網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)。

所謂“知止”，既是自覺地節(jié)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(xiàn)為一種與自身超然地位相對應(yīng)的宏觀思維以及在此思維指導(dǎo)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(zhuǎn)化點，從而將不利于己的現(xiàn)實或形勢導(dǎo)向?qū)ψ约河欣姆矫?，在保證基礎(chǔ)不受損傷或平衡不被顛覆的前提下謀求發(fā)展，確保統(tǒng)治者在社會活動或政治活動中轉(zhuǎn)化的主動權(quán)，實現(xiàn)長久不衰的統(tǒng)治，也就是“?！?。

（1）文件域網(wǎng)絡(luò)與SDI 基帶播出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)類似，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)庫、編單站、上載站、播出站及媒資系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)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(tǒng)規(guī)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(wǎng)絡(luò)取代了SDI 基帶播出系統(tǒng)的RS-422 接口控制方式，通過TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)對各類設(shè)備的控制。為保證系統(tǒng)安全，一般配置主備冗余的播控機(jī)和交換機(jī)。

（3）信號域網(wǎng)絡(luò)是IP 化4K 播出系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)，其功能類似于SDI 基帶系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)設(shè)計，可以采用25 Gb·s-1帶寬的光纖網(wǎng)絡(luò)和星型連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩臺OpenFlow 交換機(jī)組成主備架構(gòu)[4]。

3.2 IP 流調(diào)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(jī)組成。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備均通過雙鏈路連接到主、備兩臺OpenFlow 交換機(jī)。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(shè)備的信號傳輸。其調(diào)度流程如下：

（1）信號源端按照ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)封裝的無壓縮IP 流接入SDN 矩陣，當(dāng)需要給目標(biāo)節(jié)點（接收設(shè)備）切換某路信號時，播控機(jī)向SDN 控制器發(fā)出請求；

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

（3）OpenFlow 交換機(jī)依據(jù)新建流表使源設(shè)備的組播地址指向目標(biāo)節(jié)點，從而實現(xiàn)信號源的切換。

3.3 播控系統(tǒng)設(shè)備

4 IP 化的播出流程

4.1 信號的IP 化轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)的播出信號源分別來自播出服務(wù)器、演播室和外來轉(zhuǎn)播信號。播出服務(wù)器在內(nèi)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(zhuǎn)播信號多數(shù)是SDI 基帶信號或壓縮的TS 流。這些信號須按照ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成無壓縮IP 流，然后再送入SDN 矩陣。信號格式的轉(zhuǎn)換由IPG 網(wǎng)關(guān)和IP 信號處理器來完成。

4.2 IP 流的播出鏈路

經(jīng)過轉(zhuǎn)換的IP 流接入主、備SDN 矩陣。播控機(jī)依據(jù)播出串聯(lián)單發(fā)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(guān)。

四選一切換開關(guān)支持ST 2022-7 協(xié)議的無損切換方式，其輸入端口設(shè)置為不同的優(yōu)先級。來自SDN 主矩陣的IP 流設(shè)為最高優(yōu)先級，備矩陣的IP流設(shè)為次優(yōu)先級。這兩路完全一致的IP 流同步接入四選一切換開關(guān)，當(dāng)主路IP 流丟失或數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤時，將自動切換到備路，待主路恢復(fù)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(guān)輸出的IP 流接入臺標(biāo)鍵控機(jī)疊加臺標(biāo)、字幕，然后送入超高清（UHD）編碼器編碼輸出。

5 結(jié) 語

當(dāng)前，SDI Over IP 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已較為完善，關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，支撐IP 化的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和硬件設(shè)備也有了成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用案例，IP 化已是大勢所趨，必將成為構(gòu)建4K 超高清播出系統(tǒng)的主流模式。當(dāng)然，IP 化也不是盡善盡美。IP 化可能帶來的網(wǎng)絡(luò)擁堵、數(shù)據(jù)丟包、傳輸延時等問題應(yīng)引起高度重視，并在實際應(yīng)用中采取措施防范化解。此外，IP 化播出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管控較為復(fù)雜，運(yùn)行操作方式較SDI 基帶系統(tǒng)發(fā)生了較大變化。這對技術(shù)人員提出了更高的要求，將促使技術(shù)人員學(xué)習(xí)掌握IP技術(shù)，積極適應(yīng)IP 化帶來的轉(zhuǎn)變。