北京廣播電視臺智能型4K-IP信號調(diào)度系統(tǒng)

一.系統(tǒng)概況

1.建設(shè)背景

近年來，超高清技術(shù)應(yīng)用與實踐走向深入，傳統(tǒng)SDI信號調(diào)度系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)模、線纜使用及調(diào)度分發(fā)上已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)快速發(fā)展的需要。采用IP化技術(shù)來構(gòu)建新型信號調(diào)度系統(tǒng)，可以有效解決帶寬保障、架構(gòu)設(shè)計、運行維護等方面的問題。

北京廣播電視臺于2020年底開通了國內(nèi)第一個4K超高清、高標清同播頻道，2021年底又開通了國內(nèi)第一個常態(tài)化播出的8K試驗頻道，超高清技術(shù)應(yīng)用規(guī)模不斷擴大。現(xiàn)有信號調(diào)度系統(tǒng)以256X256基帶高清矩陣為核心，是臺內(nèi)、外節(jié)目信號交互的核心環(huán)節(jié)，承擔(dān)臺內(nèi)、臺外信號的調(diào)度與處理任務(wù)，連接著播出中心、演播室、衛(wèi)星接收、內(nèi)容收錄、4G/5G回傳等多個系統(tǒng)，是各類信號匯聚的樞紐和橋梁，但現(xiàn)有的信號調(diào)度系統(tǒng)難以順應(yīng)超清化發(fā)展趨勢。

2021年智能型4K-IP信號調(diào)度系統(tǒng)啟動規(guī)劃建設(shè)進程。該系統(tǒng)在“控”、“管”、“監(jiān)”三個方面具備數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、信號調(diào)度、任務(wù)管理、任務(wù)執(zhí)行、鏈路建模、報警管理、數(shù)據(jù)分析、拓撲顯示、信息發(fā)布等功能，達成全域可感知、虛擬化、智能化目標。采用IP化技術(shù)構(gòu)建新型調(diào)度系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大規(guī)模、集中式、高帶寬信號的傳輸與處理，促進融合媒體發(fā)展的同時，帶來業(yè)務(wù)流程自動化、綜合網(wǎng)管全覆蓋等多方面的優(yōu)勢。

2.系統(tǒng)框架

（1）設(shè)計理念---智能

智能型4K-IP信號調(diào)度系統(tǒng)中，SDN網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)流程自動化、資源池管理、智能切換、系統(tǒng)監(jiān)控、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)處理分析等應(yīng)用模塊高效協(xié)同運轉(zhuǎn)。智能識別輸入IP信號數(shù)量、接入位置以及帶寬需求，根據(jù)排定的業(yè)務(wù)單和實時網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，感知網(wǎng)絡(luò)帶寬趨勢，對整體網(wǎng)絡(luò)使用進行動態(tài)調(diào)整，全局優(yōu)化穩(wěn)定性和可靠性。按照實際業(yè)務(wù)需求及資源決策信息，進行分類分級可視化管理，實現(xiàn)信號調(diào)度系統(tǒng)運維和管理的智能化創(chuàng)新。

● 信號路由選擇的智能化：信號調(diào)度系統(tǒng)通過SDN控制器進行網(wǎng)絡(luò)集中控制，負責(zé)內(nèi)部交換路徑和邊界業(yè)務(wù)路由的生成和網(wǎng)絡(luò)異態(tài)的處理。當發(fā)生鏈路故障、節(jié)點故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞時，控制器會根據(jù)這些狀態(tài)變化，智能調(diào)整交換和業(yè)務(wù)路徑，使得網(wǎng)絡(luò)始終能夠處于一個正常的服務(wù)狀態(tài)，避免數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)交互中出現(xiàn)丟包或帶寬溢出。

● 業(yè)務(wù)流程執(zhí)行的智能化：可根據(jù)錄入、審核后的任務(wù)單自動執(zhí)行，實現(xiàn)信號路由調(diào)度、資源池設(shè)備選擇、設(shè)備參數(shù)配置。同時對任務(wù)全流程進行監(jiān)測，當信號或設(shè)備出現(xiàn)故障時，啟用冗余資源實現(xiàn)業(yè)務(wù)自動遷移，并將報警和應(yīng)急操作信息按照規(guī)定等級同步推送給運維人員。

● 系統(tǒng)管理監(jiān)測的智能化：對機房內(nèi)信號、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境等進行全面健康監(jiān)測，實時感知整體網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，了解網(wǎng)絡(luò)是否有問題發(fā)生或有潛在風(fēng)險，達到預(yù)測性運維的目標。依據(jù)邏輯設(shè)定條件，實現(xiàn)報警信息按等級劃定，通過聯(lián)動系統(tǒng)圖、設(shè)備布局圖智能收斂故障點，為系統(tǒng)自動應(yīng)急修復(fù)提供保障。通過對運維數(shù)據(jù)的全面采集、匯聚和存儲，以及多維度的數(shù)據(jù)分析，支持故障回溯和因果鏈遞推，可對系統(tǒng)的智能化管理和自動化執(zhí)行流程提供持續(xù)優(yōu)化。

（2）整體架構(gòu)---IP

信號調(diào)度系統(tǒng)以高可靠的主備IP交換機為核心，采用無阻塞設(shè)計的Spine-Leaf的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Leaf到Spine之間采用多條上行鏈路負載均衡，數(shù)據(jù)流量既可以從Leaf節(jié)點，也可從Spine節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。充分發(fā)揮SDN網(wǎng)絡(luò)可編程特點，通過控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中控制和轉(zhuǎn)控分離，以及自動尋徑與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，支持視頻、音頻、同步和控制等數(shù)據(jù)的IP化傳輸和信號交換。如圖1所示。

SDN控制器通過北向接口為上層應(yīng)用軟件提供不同層次的定制研發(fā)能力，通過南向接口對交換機進行統(tǒng)一配置、管理和控制，同時交換機通過南向接口反饋網(wǎng)絡(luò)配置和運行狀態(tài)信息。信號處理周邊設(shè)備通過NMOS協(xié)議，接受系統(tǒng)的統(tǒng)一控制與管理。基于“SDN+組播NAT”方式，建立SDI OVER IP交換體系，進行各類視、音頻信號的高效、可靠調(diào)度和分發(fā)，支持SMPTE 2022-6、SMPTE 2110標準IP流，滿足臺內(nèi)外節(jié)目信號交互需求。

（3）功能設(shè)計

信號調(diào)度系統(tǒng)功能主要包括以下三個方面：

● 信號調(diào)度：以SDN為核心的信號調(diào)度管理，提供端到端的從局部優(yōu)化到全局最優(yōu)的全鏈路智能管理。在帶寬、端口管理的基礎(chǔ)上，通過虛擬化算法實現(xiàn)智能尋徑、冗余倒換及應(yīng)急處置策略。通過網(wǎng)絡(luò)拓撲展示圖，可以清晰的看到系統(tǒng)的整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中每條網(wǎng)絡(luò)鏈路中是否有IP數(shù)據(jù)通過，IP流數(shù)據(jù)的地址、源名、帶寬信息都清晰的呈現(xiàn)出來。所有IP業(yè)務(wù)流的調(diào)度全部通過SDN給網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備下發(fā)流表完成，有效避免非法內(nèi)容的接入和傳播。同時網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備具備QoS（流限速、接口限速、流優(yōu)先級）能力，可為每條業(yè)務(wù)流預(yù)留帶寬，避免業(yè)務(wù)流調(diào)度沖突。

● 業(yè)務(wù)流程：依托任務(wù)單驅(qū)動方式的IP業(yè)務(wù)流程自動化執(zhí)行，以標準化、流程化、自動化方式處理日常信號調(diào)度。具備預(yù)約、審批、參數(shù)填寫，以及信號調(diào)度執(zhí)行過程中設(shè)備的控制、調(diào)度等自動化處理能力，并提供事后數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能。從使用者視角出發(fā)聚焦業(yè)務(wù)需求，屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)細節(jié)，大幅降低IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操作難度。

● 網(wǎng)絡(luò)管理：對系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)和信號調(diào)度業(yè)務(wù)進行監(jiān)測與管理。具備多層級、多來源的數(shù)據(jù)采集和匯總能力，并提供不同視角的運維監(jiān)測展示界面。以大數(shù)據(jù)分析結(jié)合設(shè)定的邏輯判斷條件，進行系統(tǒng)運維自主決策分析，從而實現(xiàn)監(jiān)控、管理和故障定位的有機結(jié)合。通過提供全網(wǎng)性能的監(jiān)控與分析、資源可用性的監(jiān)控與分析和資源拓撲關(guān)系管理、故障分析及定位，實現(xiàn)集中化運維、一體化管理、智能化分析、流程化控制。隨著系統(tǒng)生命周期的延續(xù)，系統(tǒng)運維具備持續(xù)優(yōu)化空間。

三個功能層面分工明確、各負其責(zé)。信號調(diào)度是整個系統(tǒng)的核心，通過IP交換機實現(xiàn)信號路由的管理和選擇；周邊信號處理設(shè)備的參數(shù)配置與管理由業(yè)務(wù)流程自動化執(zhí)行；綜合網(wǎng)絡(luò)管理為系統(tǒng)硬件設(shè)備和業(yè)務(wù)流程提供全域覆蓋的監(jiān)測，有效保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性。

二.技術(shù)關(guān)鍵點

1.基于SDN的組播信號交換

組播是指發(fā)送源將IP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給一組特定接收對象的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。網(wǎng)絡(luò)中新的數(shù)據(jù)接收者發(fā)出申請，并加入該組播組，而未加入組播組的設(shè)備則不會收到該組的數(shù)據(jù)包。與單播相比，組播方式減輕了發(fā)送源的負擔(dān)，提高了鏈路利用率。和廣播相比，組播方式報文僅傳遞給接收者，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。信號調(diào)度管理系統(tǒng)采用組播方式，當網(wǎng)絡(luò)傳輸中出現(xiàn)偶爾的異常丟包時，只會出現(xiàn)輕微的卡頓，而不會因為丟包重傳而導(dǎo)致視頻畫面發(fā)送不連續(xù)的抖動。通過組播NAT技術(shù)將組播流復(fù)制到不同的出端口，同時修改組播流的目的IP地址和端口號并轉(zhuǎn)發(fā)，可以實現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)隔離，提升安全性。流組切換采用Openflow協(xié)議。通過對交換機下發(fā)流表實現(xiàn)對于IP流的切換，同時對于未知的非法IP流予以丟棄，防止未知流對正常業(yè)務(wù)的干擾。交換機通過IP流的物理端口（Input Interface）、目的地址（IPv4 Destination Address）、UDP端口號（UDP Destination Port）來判定該數(shù)據(jù)流是否命中流表，并借助流表中的組ID（Group）來決定如何進行轉(zhuǎn)發(fā)。

信號調(diào)度系統(tǒng)承擔(dān)全臺范圍的調(diào)度職能，需要做好安全隔離。關(guān)鍵在于將二級系統(tǒng)進行二層隔離。交換機通過流表指導(dǎo)協(xié)議報文的轉(zhuǎn)發(fā)，如果不做隔離將會使得整個信號系統(tǒng)中充滿了各個二級系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)出的協(xié)議報文，更嚴重的是可能因為某個二級系統(tǒng)內(nèi)的廣播風(fēng)暴導(dǎo)致全系統(tǒng)癱瘓。為防止信號調(diào)度系統(tǒng)將全臺各個分系統(tǒng)連成一個大的二層網(wǎng)絡(luò)，將二級系統(tǒng)劃分到不同的Vlan中，并通過流表修改IP流的Vlan標簽，從而實現(xiàn)在不同Vlan間只調(diào)度IP數(shù)據(jù)流而屏蔽協(xié)議報文和廣播的作用。

2.自動控制執(zhí)行的業(yè)務(wù)流程

傳統(tǒng)基帶調(diào)度系統(tǒng)與周邊系統(tǒng)以信號交互點為邊界。衛(wèi)星接收、4G＼5G回傳等二級系統(tǒng)有自己的管理控制與調(diào)度方式，送給演播室和播出頻道的路徑與操作方式也有較大差異，這對系統(tǒng)間信號調(diào)度操作的準確性與一致性帶來困擾。為改變這種傳統(tǒng)的、繁瑣的工作流程，信號調(diào)度系統(tǒng)中設(shè)計了業(yè)務(wù)流程自動化執(zhí)行系統(tǒng)，對衛(wèi)星接收機、延時器、交叉變換器、IPG、畫分等信號處理設(shè)備按業(yè)務(wù)需要智能分配任務(wù)，自動調(diào)用并實現(xiàn)參數(shù)配置功能。同時指揮IP信號調(diào)度管理系統(tǒng)完成組播流信號的調(diào)度，從而實現(xiàn)IP業(yè)務(wù)調(diào)度按流程全鏈路自動化執(zhí)行。

流程自動化關(guān)注的重點是信號調(diào)度任務(wù)按順序執(zhí)行過程的自動控制，期望形成一個完備的“業(yè)務(wù)需求-資源調(diào)度-自動執(zhí)行-資源更新”的可靠系統(tǒng)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。技術(shù)人員通過預(yù)約管理模塊填寫任務(wù)單，明確信號來源與類型及信號輸出目的；任務(wù)單經(jīng)過審核后，由任務(wù)管理與執(zhí)行系統(tǒng)自動映射成可執(zhí)行的任務(wù)單，根據(jù)路徑與資源池設(shè)備選擇邏輯，智能分配任務(wù)，實現(xiàn)信號調(diào)度鏈路建模以及應(yīng)急與沖突判斷等策略的執(zhí)行；將占用的設(shè)備、通道鏈路及時段等信息發(fā)送給大數(shù)據(jù)分析模塊，然后在規(guī)定時間自動執(zhí)行信號調(diào)度流程。

將信號調(diào)度系統(tǒng)周邊信號處理設(shè)備按設(shè)功能歸類，池化設(shè)備資源。通過算法合理分配各個設(shè)備的使用頻率，重點關(guān)注特殊功能設(shè)備的使用與應(yīng)急處置策略。如衛(wèi)星接收機任務(wù)分配時，設(shè)計原則是避免出現(xiàn)重復(fù)高強度使用一臺設(shè)備，造成其它設(shè)備長期不使用。

任務(wù)流程自動化要充分考慮出現(xiàn)故障后的應(yīng)急操作，并結(jié)合報警系統(tǒng)快速確認故障原因與故障點，然后采用不同的應(yīng)急處理方式。以衛(wèi)星接收信號為例。如果節(jié)目已開始而未到開播時間，發(fā)生異常要判斷是衛(wèi)星信號問題還是設(shè)備故障。如果是設(shè)備故障，可調(diào)用原預(yù)約單，基于資源沖突檢測，自動重新分配新設(shè)備取代故障設(shè)備工作；如果是傳輸通道問題，則通過SDN的路由功能，先檢測故障通道傳輸信號的帶寬，并獲取檢測其它鏈路上是否有足夠空余帶寬，再將該傳輸信號調(diào)度到有空余帶寬的鏈路上。

3.支持智能運維的全面監(jiān)控

如果說信號調(diào)度系統(tǒng)從基帶傳輸方式升級為IP架構(gòu)的主要價值是實現(xiàn)達成數(shù)字化音視頻和控制信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與接收，并達成系統(tǒng)間良好的融合與統(tǒng)一，那么支持智能運維的全面監(jiān)控，則是為信號調(diào)度系統(tǒng)配備了一個開了“天眼”的警察，為軟硬件資源分配和業(yè)務(wù)流程優(yōu)化導(dǎo)航。

智能運維監(jiān)控在報警信息的管理和呈現(xiàn)上具備一定的“智能邏輯”，讓一個判斷能夠綜合考慮多個報警信息。信號處理設(shè)備本身具備一定的信號監(jiān)測能力，當監(jiān)測報警系統(tǒng)報出信號告警時，相關(guān)業(yè)務(wù)鏈路上所有設(shè)備都會報警。是哪一個環(huán)節(jié)的設(shè)備引發(fā)的報警，還是信號源問題，會對故障點的判斷造成極大困擾。智能運維報警模塊在設(shè)計中結(jié)合邏輯算法具備信息收斂功能，緊密結(jié)合設(shè)備部署圖和業(yè)務(wù)邏輯圖，增加豐富的報警信息描述字段，將涉及信號業(yè)務(wù)層面的告警與設(shè)備狀態(tài)告警嚴格區(qū)分開。先判斷出是信號層面問題，還是設(shè)備故障所致，然后定位引發(fā)故障的起止點，并結(jié)合知識庫給出處理辦法。

在使用過程中，隨著報警信息收集規(guī)模的擴大及運維人員的認知深入，具備自身循序演進的能力。通過運維知識庫，將審核通過的維修記錄與應(yīng)急預(yù)案自動錄入后臺知識庫系統(tǒng)，用于類似問題再次發(fā)生時處理方法的提示與查詢。如果是設(shè)備故障引發(fā)的告警，快速關(guān)聯(lián)知識庫，以提供報警的含義、可能的原因和潛在的影響，以及既往類似故障的處理記錄和針對此次的快速解決建議等。

三.小結(jié)與展望

面對超高清技術(shù)的飛速發(fā)展和新業(yè)務(wù)需求的層出不窮，以及媒體深度融合的大勢所趨，信號調(diào)度系統(tǒng)作為廣播電視臺的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，在支持格式上從高清向超高清發(fā)展，在系統(tǒng)架構(gòu)上從基帶向IP演進，同時業(yè)務(wù)運轉(zhuǎn)和運維支撐的自動化和智能化程度不斷加深。我臺采用以SDN為核心的IP系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)了智能型4K-IP信號調(diào)度系統(tǒng)，具備全面完整的信號分配調(diào)度功能，業(yè)務(wù)流程自動執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)管理全域覆蓋。目前，系統(tǒng)建設(shè)正在緊張進行中，投入運行后將與原有基帶系統(tǒng)并行使用并開始業(yè)務(wù)過渡。

在享受新技術(shù)應(yīng)用帶來諸多優(yōu)勢的同時，也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先是全面IP化后帶來的網(wǎng)絡(luò)安全問題。以往的SDI基帶系統(tǒng)相對封閉，信號單向線性傳輸、承載數(shù)據(jù)相對安全。IP化后必然面臨著與其它系統(tǒng)的互聯(lián)互通，存在路由信息與控制信息的頻繁交互。同時，SDN集中式?jīng)Q策引擎導(dǎo)致自身成為網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險和威脅的焦點，一旦出現(xiàn)故障將影響全局運行。此外，系統(tǒng)架構(gòu)的變化也給系統(tǒng)運維提出了新要求。以往播出總控部門的運維人員大多熟悉視音頻基帶信號異常和故障的處置流程和方法，現(xiàn)在需要加強數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，切實提升IP異常和故障的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急處置能力。只有扎實的理論知識加上豐富的實踐經(jīng)驗，才能在系統(tǒng)運行維護過程中不斷優(yōu)化系統(tǒng)功能并及時排除可能發(fā)生的問題。

著眼未來，隨著4K乃至8K超高清時代的到來，對視頻處理能力和傳輸帶寬的需求空前提升，視音頻與信息通訊技術(shù)在應(yīng)用上的高度融合成為廣播電視技術(shù)工作的重要課題。過去以基帶信號為核心的演播、總控、轉(zhuǎn)播環(huán)節(jié)，開始采用基帶和IP方式結(jié)合的雙系統(tǒng)架構(gòu)并逐步向全面IT化發(fā)展。現(xiàn)階段IT化的主流實現(xiàn)形式是云計算架構(gòu)，在基礎(chǔ)資源層面表現(xiàn)為橫向打通、全局管理和統(tǒng)籌調(diào)度。系統(tǒng)之間的界限逐步模糊，信號調(diào)度系統(tǒng)將融入全臺IT基礎(chǔ)設(shè)施，視音頻處理能力也不再局限于單一功能、設(shè)備和系統(tǒng)而是可以全局分配。同時，基于語義分割的圖像處理、計算機視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的演進為人工智能賦予了前所未有的活力，針對系統(tǒng)運行狀態(tài)的感知、視頻編碼策略的選擇提供了更有力的手段。綜上所述，從自動到智能的實質(zhì)性跨越以及信號格式的全面兼容正在路上。BP