基于VC-2淺壓縮技術的IP化傳輸網絡架構設計

余明明

（桐廬縣融媒體中心，浙江 桐廬 311500）

0 引 言

為了有效應對使用場景對于海量視頻信號傳輸的要求，通過信號處理技術來進行信號預處理，優化網絡結構環境。現階段，高清視頻信號傳輸技術的實現依賴于分布式Hybrid-Matrix算法的H.264/H.265編碼協議[1]。考慮到分布式應用可以滿足遠超320路高清信號采集、多目標源使用場景以及跨域海量信號匯集和變換等要求，但同時會帶來信號極致壓縮所引起的信號質量降低，并出現時延和異步等情況，因此提出了一種能夠同時滿足多類多域使用場景且容易實現數據擴容和同步實時傳輸的IP化傳輸網絡結構。通過VC-2淺壓縮技術將分布式信號重組應用在IP化寬帶網絡架構中，充分實現高清視頻信號在多級場景中的跨域采集與傳輸[2]。

1 視頻傳輸網絡架構分析

1.1 基本組織框架

IP化視頻傳輸網絡架構主要由信號的接入層、傳輸層以及應用層組成，通過VC-2淺壓縮技術實現跨域視頻信號的采集、輸入、解碼譯碼、碼元轉換以及編碼傳輸等，通過信號重組完成IP化寬帶網絡建設[3]。網絡組織架構如圖1所示。

圖1 IP化視頻傳輸網絡基礎架構

1.2 網絡傳輸協議

IP化視頻傳輸網絡的傳輸場景如圖2所示，其中涉及了基于IP化網絡碼流的編解碼設備、管理與數據交換設備等[4]。值得注意的是，數據交互應當充分考慮承擔任務量、使用效率以及用戶設備范圍等，需要預留空間來應對額外接入的數據吞吐，有效解決未來業務模式升級帶來的網絡承載問題。

圖2 IP化視頻傳輸網絡傳輸場景

2 基于VC-2淺壓縮技術的視頻信號編解碼

VC-2淺壓縮技術能夠對信號有效壓縮，通過網絡架構的優化保證視頻信號不失真、不掉幀，滿足高清顯示的要求[5]。經優化后的傳輸網絡信號時延將小于20 ms，可以保證多路視頻唇音同步，視覺上無明顯延遲。依靠編解碼設備、信號傳輸設備、變換轉換機制等構建子系統，系統間通過寬帶網絡橋接，同步實現視頻信號的數據傳輸。對于無線多通道視頻信號傳輸而言，信號采集設備通過VC-2淺壓縮技術將跨域視頻信號以超壓縮比格式進行再編碼，如圖3所示，以頻帶置換數據空間，然后再局部封裝形成IP化網絡傳輸數據包，從而實現數據傳輸交換[6]。

圖3 無線多通道視頻信號傳輸模式下淺壓縮技術運用

數據信號解碼的前提是信號流轉中IP化網文格式的二次解封，網文解碼后可以通過交換機實時聯動信號顯示單元，同步輸出高清數字信號[7]。基于VC-2淺壓縮技術實現視頻信號擴容、降噪、降時延以及低失真等目標，其中信號交互設備、轉換設備通過寬帶網絡架構的僑聯實時采集、傳輸視頻數據。對于壓縮后的網絡報文信號，寬帶格式基本保存視頻信號的高頻部分，保證信號圖像無色彩損失、無失真。

3 基于IP化寬帶網絡重組架構設計

現階段，分布式場景中的網絡架構可以設計為兩種模式，即“中心+節點+接口”三級模式、“中心+接口”二級模式。“中心+節點+接口”三級模式采用環路結構，處理的數據信號量更大，但處置效率較低。根據多域視頻信號采集標準，以IP化視頻傳輸網絡架構為基礎，采用“環狀中心+節點+接口”三級模式作為寬帶組網的核心模式，即在環狀中心中安裝信號接入設備和匯總設備，便于在單獨的網絡節點中實現局域組網、分區處置[8]。

主網絡中心位置安裝兩組大型核心數據交互設備，同時將多路子系統的數據交互節點機全部橋接至核心交互設備中，從宏觀層面構建數據中心的大網絡，即數據中心（Data Center，DC）網。數據處置進程對于整個系統運維工作幾乎不會造成影響，且預留接口能夠隨時面對業務數據擴展等。次節點中心位置分別安裝多域數據接入端口，遠程控制數據匯總交互設備，從局部層面降低了核心網絡的承載壓力。根據跨域信號接入機制將視頻采集信號傳輸至最合適的次節點網絡中心，兼顧整個網絡架構的安全性，單中心的視頻信號采集、匯總以及分發由節點交換機堆疊完成。環狀網絡架構設計能夠有效減少核心交換設備的數量（本方案使用了兩組），在不大幅增加接入機和匯聚機的基礎上，提升了整體IP化網路架構的承載能力和擴容能力。此外，次節點中心可以獨立于系統運行，一旦遭受泛洪攻擊，不會破壞核心數據。IP化寬帶網絡重組架構如圖4所示。

圖4 IP化寬帶網絡重組架構

在使用場景中，如圖5所示，選擇48口接入式交互設備，便于后期數據擴容。現階段，單設備只使用36個網口與數據采集端相連，完成信號編碼和解碼[9]。按照一條數據通路平均帶寬500 Mb/s、峰值帶寬900 Mb/s計算，則單組接入式交互設備的總帶寬約為17.58 Gb/s，整體峰值帶寬約為31.64 Gb/s。根據計算結果，單通道最多配置兩條40 Gb/s的數據上行鏈路，直接對接兩組匯聚式數據交互設備，此時接入層的容錯機制和數據承載均能夠滿足實際使用需求。主網絡中心設計的兩組核心數據交互設備可以堆疊使用，其中下行數據端口與次節點中心的交互設備上行數據端口同步即可[10]。

圖5 IP化視頻信號傳輸應用場景

總而言之，通過VC-2淺壓縮技術能夠實現分布式信號重組，進而在全局IP化網絡架構的基礎上實現局部網絡最優傳輸的目的。應用層或傳輸層的主干網絡與接入層的支線網絡可以有效滿足視頻信號傳輸等需求，極大地提升了網絡傳輸的效率和穩定性。

4 結 論

針對現階段網絡矩陣節點過多、鏈路過長、H.264/H.265傳輸協議受限等問題，提出了一種基于VC-2淺壓縮技術的IP化傳輸網絡架構解決方案。通過分布式信號重組、基礎傳輸網絡異步重建、三級傳輸機制設置等方式完成了跨域多點高清視頻信號的采集、匯總、分發以及處置，有效提升了數據傳輸的穩定性，能夠滿足未來業務模式變化的數據端口拓展要求。