IP交換矩陣分析研究

一.概述

追求更好的節(jié)目聲音和圖像質(zhì)量、音畫(huà)效果，更高的制作效率、更快的節(jié)目發(fā)布速度以及更廣的覆蓋率是廣播電視工作者的理想。隨著融媒體和超高清的發(fā)展，極大加快了廣播電視中心制作和播出系統(tǒng)從SDI電路交換系統(tǒng)向IP網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)遷移的速度。國(guó)家廣播電視總局匯聚了行業(yè)專(zhuān)家，著手編制《廣播電視IP化制播體系建設(shè)技術(shù)白皮書(shū)》，同時(shí)啟動(dòng)系列IP化標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。在2022年7月，國(guó)家廣播電視總局科技司和全國(guó)廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)通過(guò)了廣播電視和網(wǎng)絡(luò)視聽(tīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《IP交換矩陣技術(shù)要求和測(cè)量方法》審查，該標(biāo)準(zhǔn)明確IP交換矩陣的技術(shù)要求和相應(yīng)的測(cè)量方法，不僅有利于IP制播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)，還對(duì)促進(jìn)廣播電視IP化發(fā)展也具有的作用。

下文將將IP制播系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備IP交換矩陣進(jìn)行介紹和分析。

二.IP交換矩陣的介紹

IP交換矩陣在IP制播系統(tǒng)中處于核心地位，作為組網(wǎng)中不可或缺的設(shè)備，要求性能高，穩(wěn)定性強(qiáng)。該設(shè)備主要是指采用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)IP報(bào)文交換的方式，實(shí)現(xiàn)廣播電視信號(hào)從輸入接口至輸出接口調(diào)度和交換的設(shè)備。典型的IP交換矩陣的功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包括輸入接口模塊、輸出接口模塊、調(diào)度交換模塊、控制模塊以及時(shí)鐘同步模塊。

輸入/輸出接口模塊承接了交換矩陣對(duì)外的連接，匯聚臺(tái)內(nèi)外IP信號(hào)的輸入輸出，需適應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)并適配未來(lái)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，應(yīng)具備不同的接口，兼顧具備不同封裝格式以及不同的碼率的多種業(yè)務(wù)需求，支持高清、4K超高清、8K超高清以及其他的業(yè)務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)中要求，IP交換矩陣應(yīng)支持GE電接口、GE光接口、10GE電接口、10GE光接口、25GE光接口、40GE光接口、50GE光接口、100GE光接口和400GE光接口，相關(guān)接口指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)際、國(guó)家以及行業(yè)的相關(guān)規(guī)范要求，以保證接口和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

信號(hào)交換模塊完成IP信號(hào)交換和轉(zhuǎn)發(fā)，是IP交換矩陣的核心模塊。 該模塊實(shí)現(xiàn)了IP換矩陣內(nèi)的所有輸出接口上均可任意調(diào)度和切換所需的輸入信號(hào)；所有信號(hào)均可按照SMPTE ST 2022-7的模式，通過(guò)雙路由同時(shí)調(diào)度。在調(diào)度過(guò)程中，應(yīng)保持原輸入信號(hào)不變，包括封裝協(xié)議、視音頻信號(hào)格式和內(nèi)容，同時(shí)不應(yīng)影響其他信號(hào)的正常使用。

控制模塊通過(guò)下發(fā)控制和管理指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)度的控制和模塊管理。控制模塊應(yīng)支持輸入輸出信號(hào)的地址配置，針對(duì)同一輸入源的視音頻及輔助數(shù)據(jù)等信號(hào)可以進(jìn)行組綁定及組切換調(diào)度。為了更好地控制流量，還應(yīng)支持端口限速功能。為保證系統(tǒng)的安全，交換矩陣應(yīng)具備基于網(wǎng)絡(luò)傳輸層五元組的輸入輸出接口訪問(wèn)控制列表功能，可支持按照網(wǎng)絡(luò)傳輸層五元組有效管控輸入、輸出信號(hào)，可設(shè)置輸入信號(hào)源白名單以及黑名單，控制設(shè)備的接入。此外，為了提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的靈活便捷接入，IP交換矩陣還應(yīng)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如NMOS等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)注冊(cè)和受管理控制功能。一般情況下，IP交換矩陣至少應(yīng)支持SDN集中管控方式或協(xié)議交換模式中的一種調(diào)度交換方式，通過(guò)進(jìn)臺(tái)路由流表或IP網(wǎng)絡(luò)交換協(xié)議自動(dòng)建立信號(hào)調(diào)度路由，完成信號(hào)的調(diào)度和交換。

時(shí)鐘同步模塊是IP交換矩陣中保證信號(hào)同步的關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)鎖定和分發(fā)。要求持GY/T 348—2021《專(zhuān)業(yè)廣播環(huán)境下音視頻設(shè)備精確時(shí)間同步協(xié)議規(guī)范》規(guī)定的PTP信號(hào)鎖定，工作模式支持BC或TC工作模式。

三.IP交換矩陣組網(wǎng)特點(diǎn)

IP交換矩陣將主要應(yīng)用于臺(tái)內(nèi)制作系統(tǒng)或總控播出系統(tǒng)，其組網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：

一是組網(wǎng)規(guī)模大，支持?jǐn)?shù)量龐大的信號(hào)調(diào)度和交換。在信號(hào)調(diào)度上，IP交換矩陣需要對(duì)臺(tái)內(nèi)各個(gè)演播室信號(hào)、衛(wèi)星接收信號(hào)、中央廣播電視總臺(tái)以及其他臺(tái)的信號(hào)、前端回傳信號(hào)、新媒體信號(hào)等外來(lái)信號(hào)進(jìn)行調(diào)度，需要支持上百甚至上千條數(shù)據(jù)流的交叉轉(zhuǎn)發(fā)，如總臺(tái)在SDI模式下核心矩陣信號(hào)通路配置規(guī)模可達(dá)576×576，若按照音頻、音頻以及輔助數(shù)據(jù)獨(dú)立封裝的SMPTE 2110系列標(biāo)準(zhǔn)，視頻流、音頻流以及輔助數(shù)據(jù)均為獨(dú)立的IP流，一路節(jié)目至少包括1個(gè)視頻流、1個(gè)～6個(gè)音頻流和1個(gè)輔助數(shù)據(jù)流，在IP交換模式下，所支持的數(shù)據(jù)流要達(dá)到上千條。

二是支持多種格式的信號(hào)。目前大部分電視臺(tái)已實(shí)現(xiàn)全高清播出，部分具備4K/8K超高清播出，因此IP交換矩陣應(yīng)支持1.485Gbps高清晰度電視信號(hào)、3Gbps高清晰度電視信號(hào)和超高清晰度電視信號(hào)的調(diào)度和交換，同時(shí)還應(yīng)支持PCM等音頻信號(hào)的調(diào)度和交換。在系統(tǒng)中，還采用了不同編碼算法的壓縮信號(hào)流，因此IP交換矩陣還應(yīng)支持壓縮信號(hào)的調(diào)度和交換，信號(hào)編碼壓縮方式應(yīng)至少支持MPEG-2、AVS+、AVS2等方式。

三是轉(zhuǎn)發(fā)容量大。針對(duì)超高清信號(hào)，以逐行采樣，50Hz幀頻、10比特量化深度、4：4：4采樣結(jié)構(gòu)為例，4K超高清電視系統(tǒng)的無(wú)壓縮碼率為12.442Gb/s（3840×2160×50×10×3×〖10〗^（-9）=12.442Gb/s），8K的為49.766Gb/ s（7680×4320×50×10×3×〖10〗^（-9）=143.3Gb/s），而1920×1080/50I高清電視系統(tǒng)的無(wú)壓縮碼率是1.485Gbps。再考慮組網(wǎng)規(guī)模，在網(wǎng)調(diào)度交換的容量將會(huì)非常高，以一臺(tái)支持576×576條無(wú)壓縮8K視音頻轉(zhuǎn)發(fā)的IP交換進(jìn)行分析，其整機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)容量需要達(dá)到28.665Tb/s。

四是支持多種速率的接口。為了適應(yīng)不同速率的業(yè)務(wù)，如高清、4K超高清以及8K超高清業(yè)務(wù)，IP交換矩陣需要支持從1Gb/s至100Gb/s甚至400Gb/s的接口，以滿足不同業(yè)務(wù)的需要。

五是安全性要求高。臺(tái)內(nèi)總控播出系統(tǒng)是可以說(shuō)是臺(tái)內(nèi)系統(tǒng)的核心，對(duì)于其主要核心設(shè)備IP交換矩陣的要求更是重中之重，要求設(shè)備穩(wěn)定性好，可用性高，配置相關(guān)的冗余策略，具備業(yè)務(wù)流的安全控制策略，可按照SMPTE 2022-7對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行配置。

四.IP交換矩陣性能研究

我們對(duì)市場(chǎng)上主流的5個(gè)廠家的典型IP交換矩陣進(jìn)行測(cè)試研究，各個(gè)設(shè)備均具備了信號(hào)調(diào)度基本功能，可支持各種業(yè)務(wù)報(bào)文類(lèi)型包括TCP、UDP、RTP協(xié)議IP信號(hào)報(bào)文，支持高清、超高清等各種信號(hào)格式，信號(hào)封裝協(xié)議均支持包括 SMPTE ST 2022-2和SMPTE ST 2110-22等方式，并支持組播路由方式和單播路由方式進(jìn)行調(diào)交換。在工作模式上，有4款設(shè)備支持SDN集中管控方式，僅有1款設(shè)備支持動(dòng)態(tài)路由協(xié)議方式。

在配置的接口類(lèi)型上，所有的設(shè)備均未支持400G的接口，如下表1所示。

在針對(duì)IP信號(hào)線速轉(zhuǎn)發(fā)上，各設(shè)備間存在一定的差異，有3款設(shè)備支持IP信號(hào)線速轉(zhuǎn)發(fā)，1款設(shè)備不支持，1款設(shè)備僅支持包長(zhǎng)下的線速轉(zhuǎn)發(fā)。針對(duì)組播NAT功能上，各設(shè)備支持方式也存在差異，2款設(shè)備支持組播NAT功能，1款設(shè)備不支持該功能，1款設(shè)備僅支持輸出NAT設(shè)置，還有一款設(shè)備通過(guò)外置板卡實(shí)現(xiàn)NAT功能。

IP交換矩陣切換響應(yīng)時(shí)延的大小嚴(yán)重影響應(yīng)急情況下業(yè)務(wù)的切換速度，為此我們對(duì)5款設(shè)備的從控制端切換指令下發(fā)開(kāi)始到矩陣輸出端完成信號(hào)切換的整體切換延時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有的設(shè)備無(wú)法達(dá)到1.5秒要求，具體情況如下圖2所示。

所測(cè)4款I(lǐng)P交換矩陣從IP輸入接口到IP輸出接口的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延均在微秒級(jí)別，均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的30微秒的要求，如下圖3所示。

PTP定時(shí)是保證IP交換矩陣穩(wěn)定正常工作的基礎(chǔ)，其PTP抖動(dòng)精度對(duì)視音頻同步具有重大的影響，在《IP交換矩陣技術(shù)要求和測(cè)量方法》中，要求PTP絕對(duì)偏差在丙等下不大于100ns。通過(guò)對(duì)4款設(shè)備進(jìn)行測(cè)試（第5款設(shè)備由于其他原因未進(jìn)行本項(xiàng)測(cè)試），經(jīng)過(guò)一級(jí)交換設(shè)備分發(fā)后的PTP絕對(duì)偏差均小于47ns，滿足乙等的要求，其中3款設(shè)備可達(dá)甲等要求。

五.總結(jié)

通過(guò)對(duì)5款I(lǐng)P交換矩陣進(jìn)行測(cè)試研究，所研究的IP交換矩陣在功能上基本能滿足IP化制播的需求；在性能上，部分IP交換矩陣還需要進(jìn)一步優(yōu)化提升，以更好地支撐IP化制播發(fā)展，更好地促進(jìn)廣播電視的發(fā)展。

本文受?chē)?guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（National Key RD Program of China）贊助，“4K超高清電視制播系統(tǒng)研制”項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2019YFB1804300（課題二：2019YFB1804302） BP