IP化對廣播電視行業的機遇、挑戰及IP系統的實踐

方 輝

（浙江新藍網絡傳媒有限公司，杭州 310000）

由于三網融合，傳統媒體，互聯網視頻制作、傳輸、分發，產業鏈相互滲透，帶來視頻業務蓬勃發展，從制作、傳輸、分發幾個方面增加網絡傳輸的要求，帶寬要求越來越高，傳輸質量要求也越來越高。業務層上互相滲透和交叉，應用層上趨向使用統一的IP協議；在經營上互相競爭、互相合作，提供多樣化、多媒體化、個性化服務的同一目標逐漸交匯在一起，行業管制和政策方面也逐漸趨向統一。

1 IP化在廣電行業中所具備的優勢

（1）具備當下可利用帶寬條件。目前，10G帶寬的傳輸設備及方案已經很成熟，而25G、40G甚至100G超高帶寬的傳輸技術也將日趨完善。

（2）視頻格式不再受限。無論是無壓縮的UHD、3G、高清、標清視頻信號，亦或是壓縮的JPEG2000，H.264，MPEG-2，HEVC over TS-IP信號，都能在IP網絡系統中正常傳輸。

（3）雙向傳輸、資源共享。不再受限于基帶視頻系統SDI的單向傳輸方式，節省資源、傳輸靈活；并且，只要在IP網絡系統覆蓋之內，理論上任意信號可達任意地點，實現資源共享。

（4）資源虛擬化。不再受限于基帶視頻系統SDI的分配模式，無需配置許多視頻分配板卡，即可實現資源的自由分配。

2 IP化在廣電行業中的關鍵技術

2.1 標準

2012年，SMPTE出臺了SMPTE 2022系列的標準，規范了如何通過IP方式傳輸高質量視頻信號。其中《Transpor t of High Bit Rate Media Signals over IP Networks（HBRMT），：.ST 2022-6：2012》指定了一種方式，可以傳輸高比特率信號（包括3Gbps 1080p視頻信號）而不把信號壓縮為MEPG-2流傳輸。

圖1 SMPTE 2022-6 單個組播流組成

（1）SMPTE ST 2022-6：2012：IP網絡高碼率媒體信號傳輸定義了一個統一的數據映射格式，依據實時傳輸協議、精確時鐘同步協議、用戶數據包協議、網絡分組管理協議等協議構成的元數據，定義SDI信號的IP封裝格式協議，支持多種HD-SDI和3G-SDI視頻信號格式。采用這一標準，不同廠商的產品可以發送或接收通過IP網絡分發的高碼率視頻信號。

（2）SMPTE ST 2022-7：2013：IP數據報信號無縫路由切換保護定義兩個流數據包，從源到目的地接收者之間自動切換的方法。

該標準的出現打破了兩種技術之間的壁壘，使得在現有廣播電視基礎上通過IP網絡傳輸未壓縮的視頻信號成為可能。

2017年，SMPTE起草了SMPTE 2110系列的標準，SMPTE ST 2110標準讓音頻、視頻和輔助數據流得以分開。這一提升簡化了附加字幕、標題，圖文電視，以及處理多語言音頻等任務。每個實體流都可以分開傳送并在終端重新匯聚。其中每個組成部分——音頻、視頻和輔助數據流可實現同步，因此實體流在保持獨立的同時又能實現同步。為IP網絡傳輸不同的視頻、音頻和輔助數據流定義一個可互操作的系統。

它們包括：SMPTE ST 2110-10：同步和會話描述標準；SMPTE ST 2110-20：無壓縮的有效視頻（基于RFC 4175）；SMPTE ST 2110-30：無壓縮的PCM音頻（AES67）；SMPTE ST 2110-21：流量整形和傳輸定時；SMPTE ST 2110-22：壓縮視頻（tbc）；SMPTE ST 2110-31：AES3傳輸（包括壓縮音頻）；SMPTE ST 2110-40：輔助數據（IETF有效載荷RTP輔助草案）；SMPTE ST 2110-50：兼容SMPTE 2022-6傳輸標準。

SMPTE與音頻工程師協會（AES）、I P 媒體解決方案聯盟（AIMS）高級媒體工作流協會（AMWA）、歐洲廣播聯盟（EBU）、IABM、媒體網絡聯盟（MNA）以及視頻服務論壇（VSF）在2017年IBC展會上對該標準共同進行了展示。

2.2 核心交換結構

首先，需要確定核心交換設備，核心交換設備應具備的特性有：高容量、非阻塞、低延時、設備可見性、完全可控性、冗余及安全性。

Evertz 核心IPX交換機（16，32，64，128口）64口背板帶寬1.2Tb/s，相當于384*384矩陣（HD SDI），其主要特征：確定的組播數據包路由；基于IP數據包的凈切換；輸入組播地址的自動發現；支持端口Vlan劃分；端口流量監控報警；完善的信號傳輸路徑監看和控制管理。

圖2 Evertz IPX核心交換矩陣

其次，系統架構應為無阻塞架構，如圖3所示：

最后，交換機切換方案的選擇，當前三 種可行的切換基準方案：一是Dest ina t ion-Timed switching，“目的基準”切換——帶寬損失一半；二是Source-Timed switching，“信源基準”切換——建立索引表，多級及聯理時，非常復雜；三是Switch-Timed switching，“ 切換基準”切換——高效、節省帶寬。Switch-timed Switching 目前是較好的解決方案。

圖3 無阻塞架構

圖4 三種切換基準方案

2.3 管理及控制

軟件定義視頻網絡（SDVN）。當下媒體行業正逐漸從傳統基帶架構向以IP為中心的交換網絡進行過渡，Evertz的軟件定義視頻網絡（SDVN）給這種過渡提供了一條完全無縫且無需任何妥協的途徑。憑借Evertz的超大容量核心交換設備（包括EXE及3080IPX IP矩陣）以及MAGNUM統一網管，使得SDVN的方案可以被應用于任何制作域、播出域和傳輸域架構進行統一的調度、管理、采集和分發。

MAGNUM控制軟件在整合IP網絡系統的一體化控制進程上一直是卓越的，不僅可對EXE、3080IPX、570IPG等IP矩陣和網關等設備進行整體管控，同時兼容了原有基帶EQX系列的融合。當下廣電行業正快速向IP化進行改革性轉變，EQX矩陣平臺由于具有通道路徑級的交叉點冗余備份機制，是IP、基帶混合方式的最佳平臺，EVERTZ為EQX 矩陣平臺最新開發的IP/基帶混合輸入輸出板卡可完美適配MAGNUM系統。

SDVN是一種建立在大容量包交換設備、各種類媒體網關和MAGNUM SDVN統一網管系統之上的架構，同時支持SD/HD高標清、Ult raHD 4K 超高清，甚至8K下一代超高清信號接入。SDVN在MAGNUM這個Evertz屢獲獎項的網管之驅動下，可以讓客戶完全不改變原有的操作習慣就一步跨越至Video over IP的世界。

MAGNUM使得用戶在同一平臺、同一操作系統上即可實現對矩陣、多畫面監看、TALLY、周邊設備、操作面板等等設備完成一體化的管控。該軟件為高度成熟軟件，在國際和國內（如中央電視臺、浙江電視臺、江蘇電視臺、云南電視臺、重慶電視臺、海南電視臺、四川電視臺、中國聯通、廣東電視臺等）都有成熟的案例應用，不勝枚舉。

圖5 Evertz IP系統自2014年應用于全球超過120個國際傳媒機構的實踐經驗與挑戰

圖6 設備發現

圖7 設備路由管理

圖8 流量/帶寬管理

圖9 網絡/設備狀態管理

2.4 時碼

伴隨著網絡技術的不斷增加和發展，尤其是以太網在測量和控制系統中應用越來越廣泛，計算機和網絡業界也在致力于解決以太網的定時同步能力不足的問題，以減少采用其他技術，例如IRIG-B等帶來的額外布線開銷。于是開發出一種軟件方式的網絡時間協議（NTP），來提高各網絡設備之間的定時同步能力。

1992年NTP版本的同步準確度可以達到200μs，但是仍然不能滿足測量儀器和工業控制所需的準確度。為了解決這個問題，同時還要滿足其他方面需求。網絡精密時鐘同步委員會于2001年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標準技術研究所（NIST）的支持，該委員會起草的規范在2002 年底獲得IEEE標準委員會通過，作為IEEE1588標準。該標準定義的就是PTP協議（Precision Time Protocol）。

PTP 是一種主從同步系統，采用主從時鐘方式，對時間信息進行編碼，利用網絡的對稱性和延時測量技術，實現主從時間的同步。

在系統的同步過程中，主時鐘周期性發布PTP 時間同步協議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息，系統據此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從設備時間保持與主設備時間一致的頻率與相位。

圖10 PTP主從設備及邊界時鐘拓撲結構

3 IP化在廣電行業中的未來發展趨勢

在未來的廣電行業中，IP化不可避免，許多廠家已經走在了技術的前沿，對遠程制作、微服務服務器等都有了各自的最新產品及相關案例，相信在不久的將來，這些前沿的技術及方案會逐漸在各廣電行業中日趨成熟。■