高清數字電視的IP化技術探討

尹鴻學

摘 要 IP化、云計算和大數據是融合媒體時代的關鍵技術。國家三網融合戰略計劃已經開始實施，在移動網和互聯網蓬勃發展的同時，廣電網絡如何利用新興技術彌補自身短板、拓展業務范圍，應對三網融合，是廣電人面臨的嚴峻挑戰。文章通過分析傳統SDI的優缺點和高清數字電視IP化的可行性，探討高清數字電視的IP化進程，旨在構建融合媒體時代下高效、穩定的數字電視播控體系。

關鍵詞 數字電視；IP化

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-0360（2017）23-0010-02

隨著科技不斷發展，移動網、電視網、互聯網在技術和功能上趨于一致，業務范圍逐漸重合，三網之間可以互聯互通、資源共享，“三網融合”的理念由此被提出。從應用層面來說，三網融合，IP協議是唯一的選擇。近年來，電視行業在完成了數字化和網絡化升級后，隨著融合媒體、超高清等技術的發展應用，全媒體融合業務平臺的建設被提上了日程，但是，融合平臺的內容匯聚、制作、統一調度與傳輸、多渠道發布都對電視臺的業務系統提出了更高的需求，傳統電視行業通用的SDI技術架構已經難以適應，而IP技術以多樣的兼容性、靈活的數據交換方式、龐大的帶寬為全媒體融合平臺提供了有效的解決方案，高清數字電視系統IP化的呼聲日漸高漲，已經有專家斷言，通用的IT架構、軟件化、去硬件化是數字電視發展的未來。

1 傳統SDI方式的優缺點

其實，在目前高清數字電視還沒有普及的情況下，電視傳統的SDI技術架構還是具有很多優勢的，概括起來就是：

1）無損性。SDI信號是無壓縮信號，畫質無損，傳輸穩定，可靠性高。

2）實時性。信號傳輸延遲率很低，幾乎沒有圖像延遲，直播效果很好。

3）易用性。一根SDI線纜只傳輸一路信號，信號與線纜邏輯關系清晰，不需設置，易于定位和排查故障。

但是，SDI方式的缺點也同樣明顯：

1）SDI線纜傳輸距離有限制，無法長距離傳輸。

2）一線一信號導致線纜過多，電視臺的播出機房內會有幾百甚至上千條SDI線纜，增加了布線和維護難度，在線纜故障時，處理方式通常是增加一條新線而不是替換掉故障線纜。

3）SDI線纜傳輸高清數字電視信號沒有問題，但是很難勝任超高清電視信號的傳輸。傳輸一路4K超高清信號需要4根3G-SDI線纜，對設備接口要求太高；雖然單根12G-SDI線纜已經出現，但是高昂的價格使其距離進入實用階段還遙遙無期，而且與IP傳輸相比并無優勢，所以，要發展4K超高清數字電視就只能放棄SDI架構。

4）SDI線纜和相應的處理設備成本高昂，現在各電視臺的信源和輸出量都有所增加，SDI調度信號規模不斷擴大，系統實施的成本也大幅提高。

2 高清數字電視IP化的可行性

1）視音頻數據的IP化封裝技術已經成熟，各種格式視音頻流和文件的IP化封裝、傳輸、監測技術已經成功應用，并且可以做到多路視音頻流和辦公業務流混合傳輸、互不影響。

2）SDI over IP路由矩陣已經可以替代傳統SDI矩陣。這種IP化矩陣是建立在IP網絡基礎上的SDI矩陣，采用IP交換機+SDN（軟件定義網絡），在SDN的控制和管理下，通過IP交換機來完成傳統SDI矩陣的切換功能。SDI over IP路由矩陣具有SDI輸入與輸出接口，可以將SDI基帶信號實時打包為IP數據包，在以太網中進行傳輸。IP矩陣可以實現所有的信號在任意輸入輸出間的調度，網絡帶寬可以支持傳輸多路 SDI over IP數據。

3）IP化的系統可以充分利用虛擬化、云計算、大數據等新技術，優化系統結構、共享資源、增強協作和管控、吸收互聯網運營管理經驗、提高工作效率。

4）基于開放平臺的IP系統應用廣泛，適用于交互和多屏業務，使廣電機構開展移動App、IPTV、手機電視、O2O、OTT等新媒體業務成為可能，彌補自身短板，與互聯網和移動網開展全方位競爭。

5）IP化之后三網之間協議統一，可以有效消除網間邊界問題，資源共享，有助于推動傳統媒體與新興媒體的融合發展，滿足融合媒體時代的業務需求。

6）IP網絡架構相對簡單、網絡配置靈活、布線難度低、易維護；IP鏈路可同時支持多路SD-SDI、HD-SDI或3G-SDI信號混合，支持長距離傳輸；系統擴展性強，擴充節目只需接入網關設備，可以實現標清電視向高清、超高清電視的平滑升級。

7）基于SDI的設備通用性低，關鍵技術幾乎都把持在國外組織廠商手中，價格偏高，而基于IP的設備通用性強，國產化程度高，IP化系統建設成本相對較低。

3 高清數字電視IP化的發展思路

按照發展進度，高清數字電視IP化可以分為三個階段：

第一階段：業務平臺和傳輸IP化，即業務控制和壓縮視音頻傳輸的IP化，在很多電視臺已經基本實現。第二階段：總控IP化，IP矩陣取代SDI矩陣，實現無壓縮視音頻的IP化傳輸，目前技術基本成熟，標準化工作已取得較大進展，但是還有些問題待解決。第三階段：從采編、制作到播出、分發的全流程無壓縮視音頻IP化，標志著IP化的徹底完成。

從發展內容上來說，高清數字電視IP化主要包括：

1）業務平臺的IP化。以吉林電視臺為例，包括視頻素材的數字化、文件化；內部交互的IP化；非編系統的數字化和網絡化；素材整備的流程化和網絡化等等，在經過全臺網改造后，已經基本實現，全媒體融合業務平臺的建設，也引入了IP化解決方案。

2）SDI信號的IP化。SDI over IP，意為SDI信號的IP化，目前SDI→IP及IP→SDI信號轉換器、IP網關、IP路由矩陣等設備已經可以實現精確到幀的實時IP視頻無縫切換、路由和分包。endprint

3）視音頻信號傳輸的IP化。高清數字電視需要傳輸的視音頻數據量龐大，且對延時與同步很敏感，對抖動的要求也很高。以用戶的收視心理來說，在網絡上觀看視頻時需要緩沖或有卡頓是可以接受的，但是對電視的要求則高得多，所以，要實現高清數字電視的IP化，網絡的可用帶寬必須遠遠超過所傳輸視音頻的碼率，否則如果造成延遲或丟包將嚴重影響用戶的收視體驗。以一路50p高清視頻數據量大約1.5Gbps計算，萬兆以太網最多可以同時傳輸6路，所以要實現無壓縮IP視頻數據的路由交換，必須使用萬兆以太網。

為應對SDI→IP傳輸時面臨的延時和丟包問題，可以引入RTP（實時傳輸協議）、RTCP（RTP控制協議）、RTSP（實時流協議）等流媒體協議；為解決傳輸可靠性問題，可以引入RSVP（資源預留協議）、采取QoS技術和FEC（前向糾錯）技術。

4 高清數字電視IP化面臨的問題

1）網絡安全問題。高清數字電視傳統的SDI架構是封閉、單向的網絡，傳輸數據有固定協議，網絡很安全；而IP架構則是開放的、雙向的網絡，IP化進程必然帶來新的網絡安全問題。目前IP 網絡安全保護技術和設備已經完備，能夠保證網絡和數據的安全。具體安全措施有：部署防火墻、部署防病毒網關、部署IDS入侵檢測設備或IPS入侵防護設備、部署網絡物理隔離網閘、采用私有協議、屏蔽危險端口、建立安全管理平臺、實施數據庫審計和運維審計等等。

2）數據安全問題。在設計網絡拓撲結構時，應注意實現數據傳輸安全備份；關鍵設備必須有冗余備份，比如核心交換機應有兩臺以上，交換機之間應通過接口互聯，保證任意一臺交換機故障時網絡仍能正常運行；應采用鏈路聚合負載均衡冗余技術，保證鏈路負載均衡，在故障發生時可以實現主備鏈路快速切換；對播出網絡等關鍵區域，應采用完全物理獨立的兩組網絡，向下游鏈路同時發送兩個相同的數據流，下游接收端交換機應具有自動倒換機制，保證數據安全傳輸。

3）IP化架構的同步問題。同步問題是電視系統的固有問題，在傳統結構的電視系統中，使用專用的線纜傳輸同步信號進行同步，保證聲音和圖像正常。IP化數字電視系統則是將同步信息嵌入網絡，在以太網中傳輸同步定時信息。但是由于網絡狀況、抖動、交換機延時等不確定因素，在IP網絡環境中實現同步和精確定時的難度較大。常用的NTP（網絡時間協議）雖然可以用于局域網的同步定時，但其精度并不能滿足電視系統的要求。所以，引入精確時間協議（PTP）勢在必行，PTP可以實現高精度頻率同步、相位同步和幀、行同步。

5 結束語

在融合媒體大潮下，數字電視播控體系IP化已是大勢所趨。但是，IP化技術還處于發展階段、相關技術標準還在完善。作為電視從業者，我們首先要清楚認識到，高清數字電視的發展不能一蹴而就、一勞永逸。IP化的目的是簡化系統結構、降低系統成本，在IP化進程中不可盲目追新求快，要密切跟蹤IP化技術發展動向和標準進展，針對全媒體融合業務平臺的建設，科學合理地引入IP化解決方案，促進傳統媒體與新興媒體加速融合發展，滿足融合媒體時代背景下的各種業務需求。

參考文獻

[1]徐儉，馬春，徐有聰.媒體融合時代電視中心IP化基礎架構技術初探[J].廣播電視信息，2015（3）：64-67，74.endprint