4K IP小型技术支持平台建设浅析

刚 勇，王海亮，吴永波

（中仪英斯泰克进出口有限公司，北京 100044）

0 引 言

目前，索尼公司的4K IP系统占有最大的市场份额，投入使用的系统多达几十套，对售后服务的需求越来越大。然而，4K IP系统技术门槛较高，实施工程师需要深厚的IP网络知识，还要有系统的培训和实践的机会。现有售后工程师的工作主要以单机维修为主，少量系统工程师的知识经验还停留在基带层面上，因此，尽快培养出满足售后要求的IP系统工程师，是一个非常紧迫的任务。另外，客户的系统设备或板卡发生故障后，维修站目前没有4K IP系统，无法对送修的故障设备进行真实的还原检测。在此背景下，中仪英斯泰克公司专业技术服务团队联合索尼公司，以索尼设备为核心，共同建设一个4K IP技术平台。该平台以视频系统为主，所有IP流符合ST 2110标准，视频、音频及meta data分别符合2110-20、2110-30、2110-40等标准[1]。

1 系统概述

建设该技术平台主要目的是利用4K IP系统，提升工程师的IP系统技术能力，完成客户设备和板卡的测试和维修工作，同时该系统也可以用于本地和远程培训，系统在前期设计时充分考虑了这些需求。平台建设场地位于英斯泰克大厦六层办公区，面积比较紧张，同时噪音应尽量控制，不能影响办公区的正常办公。最终确定建设位置在维修区和办公区的隔离区域，使用玻璃隔断进行隔离，兼顾安全和噪音控制。玻璃隔断内共设立5个标准机柜和1个操作台，配有独立空调。考虑到培训需求，技术团队在大教室和小会议室设计了投影、试音话筒、通话及扩声系统，保证与机房的互通互动。远程培训主要通过AWS-750切换台，将培训的视音频PGM进行推流，实现网上直播。为了给拍摄提供更好的环境，团队专门在维修区域设立一间暗室，用于摄像机的拍摄和调试，配置了色卡、拍摄物、灯光等。平台建设区域如图1所示。

图1 平台建设区域图

在系统设计方面，业务流主要参考了索尼公司认证的华为CE8850-64CQ-EI交换机作为核心设备，采用主备配置模式；控制系统使用华为S5720-28X交换机，视频系统使用索尼的讯道摄像机和切换台，控制和POE供电设计采用思科2960X POE交换机。总的来说，该系统功能不求精、但求全，可满足维修、测试、培训的需求。部分设备布局如图2所示。

图2 部分设备布局图

2 IP系统架构

本系统方案具有简单可靠的特点。系统采用安全备份技术，架构及流程合理，具有一定的冗余和容错能力。系统的IP架构以HUAWEI CE8850-64CQ-EI作为核心交换机，具有很好的开放性。IP化的系统架构使线缆的数量大幅减少，信号格式和扩展更加灵活便利，不同系统之间的数据信号共享也更容易实现。视频信号链路和控制信号链路是系统的主要部分[2]。系统整体网络拓扑如图3所示。

图3 4K IP技术中心网络拓扑图

本系统在设备选型上选用了HUAWEI CE8850-64CQ-EI、HUAWEI S5720-28X、CISCO 2960X三 层通用交换机。考虑到办公地点空间等资源有限，网络架构采用了两层网络结构（在拓扑结构上类似叶脊网络结构），能够很好地满足高带宽、低延时等需求。

视频业务层核心交换机采用HUAWEI CE8850-64CQ-EI交换机，主备各1台，具有64个40GE/100GE QSFP28以太网光接口，如图4所示。QSFP28以太网光接口支持拆分为4个10GE或4个25GE接口。在本系统中，核心交换机采用PortMode2方式工作，与切换台采用100 Gb·s-1光纤直连方式连接[3]，同时连接至SDN交换机和其他系统设备。由于SDN控制管理系统（LSM）需要对系统信号进行实时管控，核心交换机（主备）与下层SDN交换机（主备）分别连接，并且连接“心跳线”，既分别独立，又实时备份，保证了核心业务（音视频）的安全稳定。核心交换机100 Gb·s-1宽带保证了整个核心层数据高效、可靠、且低延时的高速交换。以核心交换机为主的IP视频链路主要由切换台、CCU、音视频存储单元（PWS-4500）、IPG网关等构成。IPG网关实现IP信号流与4K基带信号之间的转换，组播数据流的复制和转发由核心交换机完成。核心交换机输出IP流视频信号到PWS-4500，进行慢动作制作并输入到核心交换机。切换台负责处理所有视频信号（包括DME），完成节目制作。IPG网关将IP流信号转换成4K基带信号输入波监和技术监视器，对核心层的4K信号进行画面监看、技术指标监测。HD-SDI SDR基带外来信号进入4K IP系统，通过IPG网关的FS帧同步和SDR-HDR色域转换功能转换为4K IP流，通过核心交换机和系统内其他信号一起参与节目制作。制作完成后的视频信号回到核心交换机。备份机制也符合SMPTE 2110标准的相关要求[4]。

图4 HUAWEI CE8850-64CQ-EI交换机

第二层控制层采用HUAIWEI S5720-28X交换机，具有24个10/100/1000BASE-T以太网电接口以及4个10GE SFP+以太网光接口，面板如图5所示。采用主备交换机，分别上联主备核心交换机，下联LSM服务器、系统同步机、控制面板、切换台系统控制器以及其他IE访问类设备。这一层通过索尼LSM系统实施汇聚，管理和集中控制具备网络服务功能以及有控制需求的设备、服务器，减少核心层的业务量。两台SDN交换机（S5720-28X）通过级联方式连接，分别下联LSM服务器、系统同步机、控制面板、切换台系统控制器等设备，互为备份，无论哪台SDN交换机无法工作，都能保证PTP同步、LSM无缝管控以及设备的正常运行。

图5 HUAWEI S5720-28X和CISCO 2960X交换机

最底层不需要处理大流量的信号，主要需求是POE供电和简单的控制信号交流，采用思科2960 POE交换机，主要接入讯道系统设备、切换台操作面板及Menu panel等。整个网络以划分VLAN的形式在各个交换机中划分出不同的子网，用以处理视频、PTP、通话、控制等信号。将控制域内的SDN交换机划分出NS-BUS、音视频存储单元（PWS-4500）、IP TALLY、PTP、交换机调试、通话等子网，将POE交换机分为摄像机控制和切换台控制。通过这几类VLAN的划分，使不同功能的设备分布在不同广播域下，相互隔离，有效避免了网络拥堵和广播风暴，使得整个网络更有策略，更加安全、高效。

标准的IP架构需要网络冗余备份技术（ST2022-7），但网络倒换不同于广电倒换净切，倒换时会产生抖动撕裂。索尼公司基于ST-2022-7标准采用了专用的芯片进行主备信号同时发包，在末端芯片主备同时接收，发生网络故障时，倒换能够在逆场中进行，完成主备净倒换。采用末端净切换方式，可以支持在IP交换机实现信号净切，保证信号在交换机内实现应急的广播级净切。

同步设计为主备同步机同时发出BB和PTP精准同步信号，将第二台同步机更改优先级，依据BMCA最佳时钟算法计算流程，设为备同步机，PTP通过SDN交换机接入核心交换并分配，同时在主备SDN交换机连接心跳线，确保任意一台SDN交换机故障时，实时无缝接管PTP同步。所有设备、周边板卡的芯片都支持PTP同步，与BB形成双同步，更加安全。本系统采用的同步设备是利达LT4610同步发生器。同步逻辑方面，由利达同步发生器产生PTP和BB同步信号，下发到下游的CCU、切换台、调音台以及各类周边机箱。作为维修测试平台，除了IP设备外，还有基带设备维修测试的需求。因此，系统中还有部分设备需要BB信号的存在来完成信号同步，如切换台基带系统、高清视频矩阵、周边机箱板卡等。该同步发生器可同时输出BB和PTP信号（SMPTE 2110的标准格式），可满足系统内基带和IP设备的同步需求。

3 LSM管理系统的应用

索尼IP Live管理系统LSM具有非常友好的操作界面，可以管理和监控4K IP技术中心网络中的系统设备，包括显示系统的工作状态和系统矩阵的管理和切换，通过NMOS实现对第三方设备的连接和控制。LSM系统为IP双网结构，所有设备端口均为双网口，配置双网络管理服务器和交换机，具有系统冗余备份，最大限度地保证直播安全性，能够完成各个信号的无缝倒换。本系统中，主、备PWS-110NM1的LAN1分别连接到主、备SDN交换机（S5720），并划分VLAN90和VLAN190，同时实现NS-BUS的连接。主、备PWS-110NM1的LAN2以“心跳线”的方式相互连接，实现实时在线管控。本系统需要NMOS互通功能，增加了LAN3网卡，LAN3口连接到SDN交换机（S5720），TALLY功能也通过LAN3来实现。PWS-110NM1从AV和网络设备收集状态日志，从而提供基本系统维护功能。通过使用索尼的远程维护设备，PWS-110NM1可与远程维护服务器通信，从而允许远程用户和索尼支持团队检测和排查系统问题。

在Dashboard菜单中，可查看系统中设备的工作状态。正常情况下，所有设备均应显示绿灯。该菜单只能进行查看，不能进行其他操作。Dashboard菜单界面如图6所示。

图6 Dashboard菜单

在网络拓扑视图中可以检查设备的状态，帮助用户直观地了解出现错误部分的位置，提供多种状态指示灯如网络交换机状态指示和设备状态指示，如图7所示。

图7 网络拓扑视图

LSM系统提供多种配置功能，如路由器设置、监控设置、冗余设置、设备注册、工作组注册及用户注册。这些配置设置可灵活修改，且用户可在一个AV设备联网系统下构建多个制作系统。在System Controller菜单中，根据工作场景，可生成不同的工作组。在工作组中配置常用的设备，场景中用不到的设备可排除在外，简化了系统，提高工作效率。LSM提供与视频路由器类似的视频和音频路由功能，可由用户自行决定灵活配置控制按钮及其布局，如图8所示。工作组的source和destination路由可根据场景要求进行打点控制。

图8 System Controller菜单

4 视频系统设计

视频系统的设计目标主要是为测试、维修及培训搭建平台，拟建成具有3套Studio型摄像机、1套多通道硬盘慢动作服务器、1路外来高清信号的视频系统。其中，外来高清信号来自游机Z280，该机利用办公区的WiFi，以无线传输方式把高清信号送到系统中。系统通过PWS-110RX1把无线信号转化成高清SDI信号，再通过IPG板卡转换成IP流信号。由此，系统的信号源就具有了多样性，4K IP流、HD IP流、12G基带、4*3G基带及HD-SDI高清基带信号，都可以接入系统，统一转换为4K HDR IP的格式。

视频系统选用的切换台是索尼XVS-9000，同时配备IP和12G SDI接口，可输入16路4K IP流信号和8路4K基带信号，可输出8路4K IP流信号和多路基带信号，完全能够满足需要。由于本系统的主要功能为测试维修，因此涉及的信号格式较多，包含4K IP、4K 12G、HD SDI等。其中4K IP以ST 2110标准为主，考虑到测试维修的需求，在切换台中分别配置了NMI输入输出板卡各一块。但NMI和2110不能混用，一般情况下，系统均设置为ST 2110。讯道的CCU LAN1作为主，LAN2作为备，通过飞速盒输入到核心交换机中。切换台的IP输入和输出可直接通过100 Gb·s-1IP接口连接。切换台PGM IP流输出到IPG板卡转成4*3G 4K信号，再通过SONY HDCU4000分配给技监和波形监视器，经过色域转换和下变换功能同时输出HD-SDI高清信号[5]。

视频系统配置了一台IXS-6600高清矩阵，可为所有能提供视频信号以及设备菜单的信号通过高清矩阵调配至本机房监看以及大教室、会议室和推流切换台，便于进行本地和远程培训教学。视频系统整体架构如图9所示。

图9 视频系统图

5 结 语

本系统作为索尼售后服务网络唯一的维修测试平台，在提升4K IP设备维修速度方面将起到至关重要的作用。在建好之后的两个月内，系统已经完成客户IP板卡测试15次，维修相关设备7台，同时，还有多家第三方厂家到该4K IP技术平台进行新产品测试（调试），促进了ST 2110标准的推广。通过该系统的建设，有3名工程师逐渐熟悉和深入了解了4K IP技术，为以后熟练应用4K IP技术奠定了基础。由于时间较仓促，本系统还有一定的提升空间，之后，技术团队将不断地对系统进行完善和提升。从整个服务网络来看，还有许多维修站需要了解和掌握4K IP技术，因此在培训上要加大力度，特别是在疫情背景下要着重发展远程培训。另外，还要充分利用这个技术平台，在产品研发方面取得突破。