高清数字电视的IP化技术探讨

尹鸿学

摘 要 IP化、云计算和大数据是融合媒体时代的关键技术。国家三网融合战略计划已经开始实施，在移动网和互联网蓬勃发展的同时，广电网络如何利用新兴技术弥补自身短板、拓展业务范围，应对三网融合，是广电人面临的严峻挑战。文章通过分析传统SDI的优缺点和高清数字电视IP化的可行性，探讨高清数字电视的IP化进程，旨在构建融合媒体时代下高效、稳定的数字电视播控体系。

关键词 数字电视；IP化

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 2096-0360（2017）23-0010-02

随着科技不断发展，移动网、电视网、互联网在技术和功能上趋于一致，业务范围逐渐重合，三网之间可以互联互通、资源共享，“三网融合”的理念由此被提出。从应用层面来说，三网融合，IP协议是唯一的选择。近年来，电视行业在完成了数字化和网络化升级后，随着融合媒体、超高清等技术的发展应用，全媒体融合业务平台的建设被提上了日程，但是，融合平台的内容汇聚、制作、统一调度与传输、多渠道发布都对电视台的业务系统提出了更高的需求，传统电视行业通用的SDI技术架构已经难以适应，而IP技术以多样的兼容性、灵活的数据交换方式、庞大的带宽为全媒体融合平台提供了有效的解决方案，高清数字电视系统IP化的呼声日渐高涨，已经有专家断言，通用的IT架构、软件化、去硬件化是数字电视发展的未来。

1 传统SDI方式的优缺点

其实，在目前高清数字电视还没有普及的情况下，电视传统的SDI技术架构还是具有很多优势的，概括起来就是：

1）无损性。SDI信号是无压缩信号，画质无损，传输稳定，可靠性高。

2）实时性。信号传输延迟率很低，几乎没有图像延迟，直播效果很好。

3）易用性。一根SDI线缆只传输一路信号，信号与线缆逻辑关系清晰，不需设置，易于定位和排查故障。

但是，SDI方式的缺点也同样明显：

1）SDI线缆传输距离有限制，无法长距离传输。

2）一线一信号导致线缆过多，电视台的播出机房内会有几百甚至上千条SDI线缆，增加了布线和维护难度，在线缆故障时，处理方式通常是增加一条新线而不是替换掉故障线缆。

3）SDI线缆传输高清数字电视信号没有问题，但是很难胜任超高清电视信号的传输。传输一路4K超高清信号需要4根3G-SDI线缆，对设备接口要求太高；虽然单根12G-SDI线缆已经出现，但是高昂的价格使其距离进入实用阶段还遥遥无期，而且与IP传输相比并无优势，所以，要发展4K超高清数字电视就只能放弃SDI架构。

4）SDI线缆和相应的处理设备成本高昂，现在各电视台的信源和输出量都有所增加，SDI调度信号规模不断扩大，系统实施的成本也大幅提高。

2 高清数字电视IP化的可行性

1）视音频数据的IP化封装技术已经成熟，各种格式视音频流和文件的IP化封装、传输、监测技术已经成功应用，并且可以做到多路视音频流和办公业务流混合传输、互不影响。

2）SDI over IP路由矩阵已经可以替代传统SDI矩阵。这种IP化矩阵是建立在IP网络基础上的SDI矩阵，采用IP交换机+SDN（软件定义网络），在SDN的控制和管理下，通过IP交换机来完成传统SDI矩阵的切换功能。SDI over IP路由矩阵具有SDI输入与输出接口，可以将SDI基带信号实时打包为IP数据包，在以太网中进行传输。IP矩阵可以实现所有的信号在任意输入输出间的调度，网络带宽可以支持传输多路 SDI over IP数据。

3）IP化的系统可以充分利用虚拟化、云计算、大数据等新技术，优化系统结构、共享资源、增强协作和管控、吸收互联网运营管理经验、提高工作效率。

4）基于开放平台的IP系统应用广泛，适用于交互和多屏业务，使广电机构开展移动App、IPTV、手机电视、O2O、OTT等新媒体业务成为可能，弥补自身短板，与互联网和移动网开展全方位竞争。

5）IP化之后三网之间协议统一，可以有效消除网间边界问题，资源共享，有助于推动传统媒体与新兴媒体的融合发展，满足融合媒体时代的业务需求。

6）IP网络架构相对简单、网络配置灵活、布线难度低、易维护；IP链路可同时支持多路SD-SDI、HD-SDI或3G-SDI信号混合，支持长距离传输；系统扩展性强，扩充节目只需接入网关设备，可以实现标清电视向高清、超高清电视的平滑升级。

7）基于SDI的设备通用性低，关键技术几乎都把持在国外组织厂商手中，价格偏高，而基于IP的设备通用性强，国产化程度高，IP化系统建设成本相对较低。

3 高清数字电视IP化的发展思路

按照發展进度，高清数字电视IP化可以分为三个阶段：

第一阶段：业务平台和传输IP化，即业务控制和压缩视音频传输的IP化，在很多电视台已经基本实现。第二阶段：总控IP化，IP矩阵取代SDI矩阵，实现无压缩视音频的IP化传输，目前技术基本成熟，标准化工作已取得较大进展，但是还有些问题待解决。第三阶段：从采编、制作到播出、分发的全流程无压缩视音频IP化，标志着IP化的彻底完成。

从发展内容上来说，高清数字电视IP化主要包括：

1）业务平台的IP化。以吉林电视台为例，包括视频素材的数字化、文件化；内部交互的IP化；非编系统的数字化和网络化；素材整备的流程化和网络化等等，在经过全台网改造后，已经基本实现，全媒体融合业务平台的建设，也引入了IP化解决方案。

2）SDI信号的IP化。SDI over IP，意为SDI信号的IP化，目前SDI→IP及IP→SDI信号转换器、IP网关、IP路由矩阵等设备已经可以实现精确到帧的实时IP视频无缝切换、路由和分包。endprint

3）视音频信号传输的IP化。高清数字电视需要传输的视音频数据量庞大，且对延时与同步很敏感，对抖动的要求也很高。以用户的收视心理来说，在网络上观看视频时需要缓冲或有卡顿是可以接受的，但是对电视的要求则高得多，所以，要实现高清数字电视的IP化，网络的可用带宽必须远远超过所传输视音频的码率，否则如果造成延迟或丢包将严重影响用户的收视体验。以一路50p高清视频数据量大约1.5Gbps计算，万兆以太网最多可以同时传输6路，所以要实现无压缩IP视频数据的路由交换，必须使用万兆以太网。

为应对SDI→IP传输时面临的延时和丢包问题，可以引入RTP（实时传输协议）、RTCP（RTP控制协议）、RTSP（实时流协议）等流媒体协议；为解决传输可靠性问题，可以引入RSVP（资源预留协议）、采取QoS技术和FEC（前向纠错）技术。

4 高清数字电视IP化面临的问题

1）网络安全问题。高清数字电视传统的SDI架构是封闭、单向的网络，传输数据有固定协议，网络很安全；而IP架构则是开放的、双向的网络，IP化进程必然带来新的网络安全问题。目前IP 网络安全保护技术和设备已经完备，能够保证网络和数据的安全。具体安全措施有：部署防火墙、部署防病毒网关、部署IDS入侵检测设备或IPS入侵防护设备、部署网络物理隔离网闸、采用私有协议、屏蔽危险端口、建立安全管理平台、实施数据库审计和运维审计等等。

2）数据安全问题。在设计网络拓扑结构时，应注意实现数据传输安全备份；关键设备必须有冗余备份，比如核心交换机应有两台以上，交换机之间应通过接口互联，保证任意一台交换机故障时网络仍能正常运行；应采用链路聚合负载均衡冗余技术，保证链路负载均衡，在故障发生时可以实现主备链路快速切换；对播出网络等关键区域，应采用完全物理独立的两组网络，向下游链路同时发送两个相同的数据流，下游接收端交换机应具有自动倒换机制，保证数据安全传输。

3）IP化架构的同步问题。同步问题是电视系统的固有问题，在传统结构的电视系统中，使用专用的线缆传输同步信号进行同步，保证声音和图像正常。IP化数字电视系統则是将同步信息嵌入网络，在以太网中传输同步定时信息。但是由于网络状况、抖动、交换机延时等不确定因素，在IP网络环境中实现同步和精确定时的难度较大。常用的NTP（网络时间协议）虽然可以用于局域网的同步定时，但其精度并不能满足电视系统的要求。所以，引入精确时间协议（PTP）势在必行，PTP可以实现高精度频率同步、相位同步和帧、行同步。

5 结束语

在融合媒体大潮下，数字电视播控体系IP化已是大势所趋。但是，IP化技术还处于发展阶段、相关技术标准还在完善。作为电视从业者，我们首先要清楚认识到，高清数字电视的发展不能一蹴而就、一劳永逸。IP化的目的是简化系统结构、降低系统成本，在IP化进程中不可盲目追新求快，要密切跟踪IP化技术发展动向和标准进展，针对全媒体融合业务平台的建设，科学合理地引入IP化解决方案，促进传统媒体与新兴媒体加速融合发展，满足融合媒体时代背景下的各种业务需求。

参考文献

[1]徐俭，马春，徐有聪.媒体融合时代电视中心IP化基础架构技术初探[J].广播电视信息，2015（3）：64-67，74.endprint