IP技术在电视播出系统中的应用

王浩

【摘要】4K超高清播出已成为趋势，将IP技术与SDI技术架构相互融合，是必然趋势。传统的基带播出系统都是围绕硬件设备（如矩阵、存储、视频服务器）为核心来设计系统。随着广播电视技术的发展，以及大众对电视清晰度的要求不断提高，4K超高清播出逐渐成为趋势。IP技术的广泛应用，为系统设计提供了新方向。本文介绍了作者单位近年来播出系统的变革，着重介绍了目前使用的4K超高清播出系统，并通过基带播出系统和IP播出系统的比较，提出了IP播出系统是未来的发展方向的结论。

【关键词】SAN架构;4K播出系统;IP化播出

中图分类号：TN92                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.04.002

IP化播出系统，不再以硬件设备为核心，采用软件和硬件相结合的模式。硬件设备为软件系统提供平台和环境，软件系统为硬件设备提供服务并监控硬件设备的运行状态，从而保障系統的稳定运行。

1. 电视播出系统情况简介

我台播出系统经历了多次改造、升级，大致可以分为3个阶段：第一阶段，以总控调度为核心，视频服务器为辅助搭建的播出系统;第二阶段，以存储为核心搭建的播出系统;第三阶段以交换机为核心搭建的播出系统。

1.1 以总控矩阵为核心的播出系统

我台硬盘播出系统始于20世纪90年代末搭建。在此之前播出系统作为一个独立的子网，主要方式为盘带混播，以总控矩阵为核心，信号源由总控矩阵统一调配。当时受限于播出方式、节目内容等因素影响，视频服务器同时承担着播出和存储的双重责任。

1.2 以存储为核心的播出系统

随着全台网的普及，电视台业务不断地拓展，设备的更新换代，原有的播出方式已经不适应当前的播出模式。新系统的建设不仅要解决日常业务的需要，还要有更高的稳定性、可靠性。播出系统不再是独立于全台网之外的系统，需要与媒资备播系统相连，由媒资系统完成节目播出单发送及素材的推送工作。

播出系统与备播系统都采用FC-SAN架构，我们以播出系统为例。BWFS文件系统通过两台MDS服务器对存储进行管理，所有需要使用存储的工作站、服务器需要配置FC卡，同时需要安装BWFS客户端。

选用FC-SAN架构的原因：

FC-SAN双网结构可以充分发挥FC光纤盘阵的带宽的优势，同时有效地解决了大量客户端并发访问存储时，系统I/O带宽瓶颈的问题，充分满足播出系统对数据传输和编辑的高带宽、低延时的要求。

FC-SAN架构中数据采用FCP协议以块方式存取，几乎不占用服务器CPU运算处理资源。

MDS服务器采用双机热备模式，双机互为备份。当主机出现故障不能正常运行服务时，备机通过心跳线监测到主机故障后自动接管服务，保证前端业务能够正常运行。

存储管理软件统一管理所有主机，根据需求合理地分配带宽资源以核心交换机为核心的播出系统。2015年以来电视高清化的不断推进，我们完成了播出、备播两个系统改造任务，以及8个标清频道的高清化改造。在原系统中，瓶颈主要集中在网络、二级存储与视频服务器三个方面，新系统也针对这三个方面做了升级。

网络方面：选用了H3C S7506E万兆核心交换机作为整个网络结构的主体。网络架构由FC-SAN双网架构改造成为以存储为核心的NAS架构。新系统网络的带宽是旧系统的10倍，核心交换机采用堆叠的方式能提供高于实际使用时的背板带宽。NAS架构较SAN成本更低，不用再配置光纤交换机，主机只需要接入备播网络，通过CIFS协议就可以访问存储。

存储方面：选用的是EMC Isilon X410。CX4-480最高提高220MB/s的带宽，X410配备了5个节点，每个节点能提供500MB/s有效读写带宽。X410比CX4-480的安全性更高，没有了MDS服务器，减少了故障点，3+2的模式，大大提升了系统的安全性。此外，X410与CX4-480相比最大的不同是X410使用自己的文件系统OneFS。视频服务器：选用的是OMNEON7000系列。7000系列在迁移速度上较5000系列提高了近3倍，存储容量提高了2倍。

2. 4K播出系统架构

4K播出系统设计方案主要有两种：一种是传统的SDI基带播出系统，另一种是无压缩IP化播出系统。

2.1 基带播出系统有三种方式

4×3G SQD方式：将4K画面按顺序分割成4幅1920*1080的画面，使用4根3G同轴电缆同时传输，在接收端组合。

4×3G 2SI方式：将4K的单帧画每8个取样点平均分成4份，采用4根同轴电缆传出，在播出端呈现4幅相同的1080P画面。不管是SQD还是2SI都存在同样的问题，系统过于复杂，线缆、板卡过多，机房部署实施压力巨大，还有一个无法避免的问题同步漂移，必须定期排查和调试同步，所以这两种系统架构也逐渐被抛弃。

随着技术的发展和设备的更新，12G-SDI的系统架构逐渐取代4×3G播出系统架构。

12G-SDI系统的信号架构和传统播出架构相似，全部为单线连接，系统拓扑结构简单直观，但12G-SDI缺点也较为明显：无法监控所有链路状态，只能取点监控。传输距离有限，线缆最大的部署距离不能超过70米。系统中无法增加跳线，跳线会使信号衰减严重。

2.2 无压缩IP化播出系统

无压缩IP化播出（SDI OVER IP）系统是以SMPTEST2110、SMPTE ST2022标准以及精准时间协议PTP为依据，以无压缩的方式传输，基于25G、40G、100G网络的播出架构。

2.2.1 IP化播出路由调度

IP化播出最关键的问题是路由调度问题。目前各个厂商都给出了不同的解决方案，主要包括以下三种方式：接收端切换、交换机切换和信源端切换。

接收端切换（IGMP切换）：通过控制接收端加入或者离开的组播地址来实现信号切换，如图1所示。

交换机切换：通过交换机来解析数据包的中的数据进行切换，如图2所示。

信源端切换（SDN切换）：SDN交换机通过SDN控制器对信号进行切换，如图3所示。

这三种切换方式都是IP化播出采用较多的方式。第二种交换机切换，需要定制交换机，定制化的产品较通用产品价格更昂贵，而且定制的交换机对其它厂商设备的兼容性无法保证，在后期的维护、升级也更加困难，所以IGMP切換和SDN切换成为了主流方式。

IGMP切换和SDN切换各有优劣：

切换：IGMP切换取决于交换机组播的响应时间，并且在切换过程中需要双倍带宽，但IGMP切换可以做到净切换;SDN切换切换速度更快，响应快，不需要额外，但无法做到净切换。调度控制：IGMP切换需要对每个设备都进行控制;SDN切换通过SDN控制器对所有信号进行控制。安全性：IGMP切换控制和路由是统一控制的;SDN切换路由和控制是分开控制的，SDN切换较IGMP切换更加安全。

2.2.2 IP化播出设计架构

如图4所示，调度交换机负责信号调度，相当于传统播出系统的切换矩阵。所有信号经过转换后进入到调度交换机，IP矩阵管理系统通过设定好的路由规则来调度所有信号。每个信号从进入系统到最后被送出都被实时监控。如果图像有问题，监控系统会立即报警，并通知一致性比对系统对信号进行自动切换，保证安全播出。

2.3 基带播出系统和IP化播出系统比较

系统管理 SDI模式 IP模式

方式 特点 方式 特点

拓扑逻辑 与传统播出结构相似易排查 系统简单直观 能实时获得每个链路的状态 监控软件实时监控各条链路

切换方式 切换面板切换 手动/自动切换 软件自动切换 切换逻辑复杂

主备逻辑

链路 2*1/3*1/4*1倒换开关 一致性比对自动切换 切换面板/IP切换器 根据需求调整策略满足不同的应急要求

断电旁通 人工操作 人工操作 自动容错 无需人工操作只需一路路由正常就能自动切换

跳线 无 损耗太多无跳线

信号监看 取关键点监看 易产生误报，不能全链路监看 通过SDN交换机，任意选择监看点 更加灵活，根据需求制定策略

信号比对 硬件+软件方式 需每条链路逐一调试

2.4 4K播出系统架构

未来的播出架构会随着技术的更新，不断发生变化。IP播出作为未来的发展方向，基带播出作为安全播出的保障，ALL IN ONE作为第三备播出，异构的系统设计既能保障安全播出，又为系统扩容与升级打下了基础，如图5所示。

广播电视用近三十年的时间从模拟复合时代进入数字时代，用十年的时间完成了高清化播出，6年间4K播出已经实现。4K的发展带来许多新的技术，虚拟化、云架构已逐渐被运用，未来广播电视的发展会越来越快，我们还需更加努力跟上技术发展的步伐。

参考文献：

[1]吕斌.电视制作播出系统IP化网络架构解决方案技术研究[J].科技传播，2018，10（20）：89-90，165.

[2]武海明.浅谈IP技术在电视播出系统中的应用[J].数字通信世界，2020（8）：223-224.