IP 化技術(shù)在電視制播融合中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與信號(hào)傳輸應(yīng)用

郝延軍

（濱州博興縣融媒體中心，山東 濱州 256500）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電視、移動(dòng)通信等新技術(shù)在傳媒領(lǐng)域的快速融合與發(fā)展，網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）化技術(shù)的引入為電視制播業(yè)帶來了巨大機(jī)遇。IP 化電視制播網(wǎng)絡(luò)不僅可以傳輸高清電視信號(hào)，還支持基于超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）的流媒體點(diǎn)播，以及基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Realtime Transport Protocol，RTP）、實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（Realtime Transport Control Protocol，RTCP）的媒體流分發(fā)等新型電視服務(wù)。

IP 化技術(shù)利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議對(duì)音視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化編碼、傳輸和交換，采用分組交換的方式傳送壓縮編碼后的數(shù)字視頻流，有效提高了電視制播系統(tǒng)的靈活性。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定義串行數(shù)字接口和高清串行數(shù)字接口等專用同軸電纜和光纖信號(hào)鏈路，正逐步向支持多種數(shù)字信號(hào)的芯片和以太網(wǎng)交換機(jī)等硬件設(shè)備組成的IP 化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合過渡。本文從IP 化技術(shù)概述、電視制播融合的IP 化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、IP 化技術(shù)在制播融合電視信號(hào)傳輸中的應(yīng)用3 個(gè)方面，分析IP 化技術(shù)在推動(dòng)電視制播融合中的關(guān)鍵作用。

1 IP 化技術(shù)概述

IP 化技術(shù)是基于IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是指使用IP 技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的音視頻模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化編碼、壓縮和封裝成流格式數(shù)據(jù)包，然后通過IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分組傳輸?shù)倪^程[1]。

IP 化技術(shù)的核心是IP 分組傳輸，其基本思路是首先使用數(shù)字編碼器對(duì)模擬音視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化編碼和壓縮，生成數(shù)字比特流。編碼器輸出的數(shù)字比特流通過流媒體服務(wù)器進(jìn)行分封裝處理，生成能夠在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母袷交瘮?shù)據(jù)分組，為流媒體傳輸提供條件。目前，主要的流媒體傳輸協(xié)議有面向HTTP 應(yīng)用的HTTP 實(shí)時(shí)流媒體（HTTP Live Streaming，HLS）、HTTP 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP，DASH）等，以及面向?qū)崟r(shí)傳輸?shù)腞TP 等。經(jīng)過封裝處理后的流媒體數(shù)據(jù)分組進(jìn)入IP 網(wǎng)絡(luò)層，根據(jù)目的IP 地址由路由器進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，以進(jìn)行端到端的信號(hào)傳輸。在信號(hào)接收端會(huì)解封裝數(shù)據(jù)分組，還原成數(shù)字比特流，然后經(jīng)過解碼器進(jìn)行解碼和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換為用戶可以感知的音視頻信號(hào)。IP 化技術(shù)是數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)，也是推動(dòng)傳統(tǒng)專用信號(hào)鏈路電視制播系統(tǒng)向基于分組交換的IP 網(wǎng)絡(luò)制播系統(tǒng)融合的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

2 電視制播融合的IP 化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 電視制播融合

傳統(tǒng)電視制播系統(tǒng)由獨(dú)立的采集錄制設(shè)備、導(dǎo)播設(shè)備、播出鏈路組成，制作系統(tǒng)主要采用串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）和矩陣切換器構(gòu)建，具有系統(tǒng)封閉、距離限制等缺點(diǎn)，制作環(huán)節(jié)中的視頻信號(hào)、音頻信號(hào)難以靈活調(diào)度。

電視制播融合是基于數(shù)字技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電視制作和播出系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造和功能互聯(lián)的過程，主要包括以下流程。第一，制播流程融合。融合采集制作、播出傳輸兩個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)，提升制播效率。第二，制播系統(tǒng)融合。融合圖像采集、聲音采集、燈光控制、虛擬演播室等系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)同工作。第三，制播資源融合。通過內(nèi)容資源共享平臺(tái)，達(dá)成制作端和播出端的深度協(xié)作。第四，固定電視和移動(dòng)電視融合。支持接入多屏終端，實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目向多終端的無縫分發(fā)。第五，有線電視網(wǎng)和無線數(shù)字電視網(wǎng)的融合，統(tǒng)一內(nèi)容制作和傳輸網(wǎng)絡(luò)。第六，電視網(wǎng)與廣電數(shù)據(jù)中心的深度融合。由廣電數(shù)據(jù)中心提供云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，以支持電視制播。電視制播融合標(biāo)志著一個(gè)高度協(xié)同和開放的新一代數(shù)字電視制播模式的形成，而IP 化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一融合的核心基礎(chǔ)。

2.2 IP 化核心網(wǎng)及接入網(wǎng)構(gòu)成

IP 化電視制播網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)采用高速光傳輸平臺(tái)，確保滿足大量高清視頻內(nèi)容的傳輸需求。IP化核心網(wǎng)及接入網(wǎng)的構(gòu)成如表1 所示。

表1 IP 化核心網(wǎng)及接入網(wǎng)的構(gòu)成

核心層主要由高端路由器、大容量傳送平臺(tái)組成。路由器采用分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的交換與轉(zhuǎn)發(fā)。主干路由器提供大量10GE 端口，數(shù)據(jù)交換能力強(qiáng)。路由器之間通過光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）系統(tǒng)互聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。傳送平臺(tái)以密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）系統(tǒng)為主，在一根光纖上可支持幾十個(gè)波道，通過建鏈、掛接多個(gè)OTN 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸[3]。多協(xié)議標(biāo)記交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）技術(shù)用于流量工程，能夠提高線路利用率。接入層包含多功能接入設(shè)備和專業(yè)編碼設(shè)備。接入設(shè)備支持無源光纖網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）、同軸承載以太網(wǎng)（Ethernet Over Cable，EOC）等技術(shù)接入各類終端，支持多格式編碼，并組幀打包成IP 流進(jìn)行傳送。核心層和接入層之間部署傳送網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)控制、統(tǒng)計(jì)等功能，構(gòu)成一個(gè)可擴(kuò)展、可控的IP 化傳送保障網(wǎng)。

3 IP 化技術(shù)在制播融合電視信號(hào)傳輸中的應(yīng)用

3.1 流媒體信號(hào)的IP 化傳輸

流媒體是電視制播系統(tǒng)中大量存在的信號(hào)形式，包括視頻流、音頻流等。實(shí)現(xiàn)流媒體信號(hào)的IP化傳輸，是電視制播融合IP 化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。流媒體信號(hào)源包括模擬信號(hào)源和數(shù)字信號(hào)源。對(duì)于模擬信號(hào)源，如模擬攝像機(jī)，需要先通過視頻編碼器將其數(shù)字化，常用的編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-2、H.264 等。

數(shù)字化后的流媒體信號(hào)，進(jìn)行IP 封裝后才能在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸。最常用的傳輸協(xié)議是RTP。RTP提供了一系列傳輸功能，包括序號(hào)標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、載荷類型識(shí)別、內(nèi)置冗余校驗(yàn)，滿足了實(shí)時(shí)傳輸需求。典型的RTP 封裝方式有以下3 種：第一，RTP 直接封裝編碼數(shù)據(jù)，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸；第二，MPEGTS 提供定時(shí)功能，RTP 確保包序，適用于單點(diǎn)到多點(diǎn)的應(yīng)用；第三，由MP4 文件格式提供更強(qiáng)的媒體同步能力[4]。

RTP 主要應(yīng)用于傳輸音視頻流，如將攝像機(jī)RTP 流導(dǎo)入導(dǎo)播系統(tǒng)、兩地互聯(lián)的遠(yuǎn)程采訪等場景。RTP 的特點(diǎn)確保了這些實(shí)時(shí)流媒體信號(hào)的時(shí)延性和傳輸質(zhì)量。RTP 傳輸需要在源端和接收端分別部署支持RTP 的編碼器、流媒體服務(wù)器，以完成流媒體的RTP 打包和解析處理。

3.2 同步串行接口信號(hào)的IP 化傳輸

SDI 是電視行業(yè)長期以來使用的高質(zhì)量數(shù)字視頻傳輸接口，可提供同步定時(shí)功能。如何實(shí)現(xiàn)SDI接口信號(hào)的IP 化傳輸，是電視制播融合過程中的技術(shù)難點(diǎn)。

SDI 接口主要用于傳輸未壓縮的數(shù)字視頻，應(yīng)用場景以點(diǎn)到點(diǎn)為主。它支持固定碼率傳輸，符合不同接口標(biāo)準(zhǔn)。SDI 采用了嚴(yán)格的定時(shí)同步機(jī)制，能夠保證源端到終端的零延遲傳輸。目前，IP 化傳輸有兩種較為成熟的技術(shù)方案。第一，SMPTE 2022 標(biāo)準(zhǔn)。該方案直接在SDI 鏈路層使用用戶數(shù)據(jù) 報(bào) 協(xié) 議（User Datagram Protocol，UDP）、RTP進(jìn)行封裝，以保持源端的時(shí)序特征，適合于對(duì)終端定時(shí)有硬性需求的應(yīng)用場合，如有源電視轉(zhuǎn)播站等。第二，SMPTE 2110 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將SDI 中的視頻流、音頻流、數(shù)據(jù)流進(jìn)行拆分，分別以獨(dú)立流的形式進(jìn)行IP 封裝傳輸。這種方案更靈活，但對(duì)IP 網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)同步機(jī)制要求更高。SDI 信號(hào)IP 化的核心是使用支持SDI over IP 標(biāo)準(zhǔn)的編碼轉(zhuǎn)換設(shè)備，在保證傳輸質(zhì)量的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確復(fù)制源端時(shí)序[5]。

4 結(jié)語

IP 化技術(shù)的引入使電視制播網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生重大變革，從過去的專網(wǎng)模式向融合的IP化網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。在技術(shù)層面，IP 化的核心在于完成音視頻信號(hào)的數(shù)字編碼和封裝，以實(shí)現(xiàn)基于分組交換的流媒體傳輸。這需要在編碼標(biāo)準(zhǔn)、傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，以確保在IP 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下仍能提供高質(zhì)量的信號(hào)傳輸。