IP 时代下的电视播出系统架构思考

吴世佳

（海口广播电视台，海南 海口 570126）

0 引言

随着20 世纪80 年代末电视由模拟向数字化转变，串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）在电视系统中几乎无处不在，随之而来的是电视行业最繁荣的时期。2010 年后，随着互联网技术、信息技术（Information Technology，IT）的蓬勃发展，4K、8K 超高清技术的出现及基于网际互连协议（Internet Protocol，IP）网络的传输标准日益完善，电视系统传统的SDI 技术架构在带宽、互联网应用、资源的灵活配置等方面显得越来越力不从心。而面向互联网的IP 技术、虚拟化技术、云技术以海量的带宽、算力、存储资源池、灵活的业务部署方式以及多样的兼容性为电视播出系统的架构提供了新的思路。

电视系统传统的SDI 架构具有延迟低、无压缩、低抖动、基于帧的切换以及设备连接简单等优点，但其在建设成本、带宽、传送距离及智能化等方面相较于日益成熟的IP 技术架构处于劣势。面向互联网的IP 技术具有海量的带宽、多样的兼容性、高可扩展性、灵活的数据交换方式以及布线简单等特点。目前，信号IP 压缩编码方式及基于IP 网络的传输标准日益成熟、完善。2022 年，北京冬奥会实现了全球首次“云上奥运”，是电视转播的一次重大技术进步。因此，电视播出系统架构从SDI 向全IP 架构转变，全IP 架构电视播出和IP 化的云播出共存，将是电视播出系统架构的趋势。本文将对电视播出系统架构的过去、现在、未来进行说明分析，引出大家对今后电视播出系统架构选择的更深层次的思考。

1 电视播出系统架构的过去——传统SDI 架构

SDI 架构是电视人的老朋友。随着20 世纪80 年代末电视由模拟向数字化转变，它在电视系统中几乎无处不在，成为当时电视播出系统的典型架构。SDI 是基于电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）串行链路标准，通过75 Ω 同轴电缆传输未压缩的数字视频的一种实时传输系统[1]。由于SDI 接口中传输的是无压缩的串行数字信号，因此压缩数字信号要进入SDI 系统，必须经过解压才能进入。SDI 接口可简单地分为SD-SDI（270 Mb·s-1，SMPTE 259M）、HD-SDI（1.485 Gb·s-1，SMPTE 292M）、3G-SDI（2.97 Gb·s-1，SMPTE 424M）、12G-SDI（12 Gb·s-1，SMPTE ST-2082）。SDI 的优点在于使用同轴电缆进行未压缩的原始视频数据的实时传输，真实呈现画质无损的视频内容，保证图像的实时性。现行SDI 接口标准的对比如表1 所示。

表1 现行SDI 接口标准对比

一个传统SDI 架构高标清同播的电视播出系统如图1 所示，切换台是核心，播出控制机通过控制切换台切换播出服务器信号、总控矩阵信号、中国中央电视台（China Central Television，CCTV）卫星或同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）信号，垫片信号等信号源，输出节目信号（Program，PGM）通过带等响度功能二选一开关给主备高清编码器后，经复用器送下游传输单位。切换台Clean 口信号经下变换器，做标清同播，同时切换台还负责上台标、上键的工作。PGM、预置（Preset，PST）、CLEAN 等信号通过视分分配去多画面系统。技术人员通过多画面对系统中不同点信号进行实时监看，就可以准确地判断系统故障所在，从而快速地解决电视播出遇到的问题。这种传统HD-SDI 架构的电视播出系统具有以下特点：实时传输视频信号，保证图像的实时性；固有的近乎即插即用功能使得系统的建设更加轻松、安全；电缆和设备的可靠性高，使得整个系统具有相当高的可靠性；测量和系统诊断工具成熟，系统出现致命故障的风险极低。SDI 就是凭借这些优秀的特性，引领电视播出系统架构数十载。

图1 传统SDI 架构高标清同播系统图

2 电视播出系统架构的现在——SDI与IP 的融合

随着我国广播电视全面进入4K/8K 时代，SDI已逐渐不能满足4K/8K 化制播所要求的高帧率、高码率、宽色域等带来的低延迟、高带宽的要求。同时，伴随着互联网技术的不断发展，相关设备的不断成熟，新媒体的不断拓展、高清化网络制播的发展，以SDI 为基础架构的制播体系已难以满足广播电视中心未来技术发展和业务扩展的需求。实现制播架构的IP化，将IP技术与SDI技术相互融合，势在必行[2]。SMPTE ST 2022 及其后续SMPTE ST 2110 系列标准的相继发布，直接加速了SDI 与IP 技术的融合。

过去SDI over IP 的解决方案中，仅把以太网络作为数据的传输通道来使用，并未对SDI 信号封装做处理。SMPTE ST 2022 系列标准详细定义了SDI在网络中传输的IP 网络高码率媒体信号传输、IP网络恒定/可变码率MPEG TS 流单向传输、IP 网络实时视频/音频前向纠错等SDI 信号的IP 化传输标准。其中最重要的SMPTE ST 2022-6 标准依据实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）、精确时钟同步协议（Precision Time Protocol，PTP）[3]、用户数据包协议、网络分组管理协议等协议构成元数据，定义了SDI 信号的IP 封装格式。基于SMPTE ST 2022 系列标准，就可以不仅仅只能通过同轴电缆发送或接收高码率SDI 视频信号了。

随后，SMPTE 发布了ST 2110 系列标准，对SMPTE ST 2022-6 标准的不足进行了补充。两者最大的差别在于：SMPTE ST 2022-6 标准只是单纯地对SDI 信号进行IP 封装，对于视频、音频、辅助数据未进行区分；而SMPTE ST 2110 标准则是把SDI信号中的视频、音频、辅助数据单独封装后分别进行传输[4]。

SMPTE ST 2110 标准与SMPTE ST 2022-6 标准对于SDI 信号数据不同的封装方式导致两者在系统设计思路上存在根本性的不同。采用SMPTE ST 2022-6 标准建设的系统，其IP 流都是经过压缩的，当需要单独处理视频、音频或者辅助数据的时候，需要对流进行解嵌，处理完成后再进行加嵌。

而采用SMPTE ST 2110 标准建设的系统，由于其视频、音频、辅助数据流单独封装、分别传输，当需要单独处理视频、音频或者辅助数据的时候，可以直接对相应的流进行处理，免去了SMPTE ST 2022-6 系统中对流解嵌再加嵌的过程。这样不仅提升了系统的可扩展性，而且增加了系统带宽的弹性。由于SMPTE ST 2110 系统中分别传输了3 种不同的流，相较于SMPTE ST 2022-6 系统的单一流，ST 2110 系统中视频、音频流之间的同步就难得多。因此SMPTE ST 2110 系统采用PTP 作为整个系统的同步信号，采用RTP 时间戳进行音频、视频流自身的同步，采用网络时钟协议（Network Time Protocol，NTP）进行音频、视频流之间的同步，这也是SMPTE ST 2110-10 标准比较核心的内容。一个典型的SDI 和IP 融合的电视播出系统如图2 所示。

图2 SDI 与IP 互为主备的电视播出系统图

通过图2 不难看出，传统SDI 架构和IP 架构播出系统最大的不同在于：播出系统中信号格式不同，SDI 架构播出系统中信号为基带信号，而IP 架构播出系统中信号为SMPTE ST2110 IP 流信号[5]；切换方式不同，SDI 架构播出系统采用RS-232/RS-442接口控制切换台输出SDI 信号，IP 架构播出系统运用Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）Join/Leave 方式实现信号静净切换；同步方式不同，SDI 架构播出系统采用BB 信号作为系统同步信号，IP 架构播出系统则采用PTP、NTP、RTP 时间戳等作为视频、音频流及系统的同步；播出控制方式不同，SDI 架构播出系统采用RS-232/RS-422 接口进行播出控制，IP 架构播出系统采用软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、IGMP 等协议进行播出控制。

当下SDI 和IP 融合的电视播出系统中，大多采取SDI 架构和IP 架构互为备份的冗余设计，这样设计的目的在于，应用新技术的同时能保证安全播出的底线。传统的SDI 架构部分保留了基带矩阵，使用播出控制机运用RS-232/RS-442 接口控制切换台输出SDI 信号，在这一部分系统架构中，基带信号、BB 信号、RS-232/RS-422、通用输入（General Purpose Input，GPI）这些SDI 架构播出系统中的要素依然存在。IP 架构部分则引入了互联网协议网关（Internet Protocol Gateway，IPG）、SDN 交 换 机和PTP 同步，外来基带信号通过IPG 网关转换为IP架构系统所需要的IP 流进入系统，而需要播出的节目素材则通过视频服务器直接以IP 流的方式输出，切换方式采用IGMP Join/Leave 进行播出信号的静净切换。

3 电视播出系统架构的未来——全IP化的云播出

安全是电视播出的生命线，因此当下大部分IP架构电视播出系统采用SDI 与IP 互为备份的方式，在应用新技术的同时能保证播出的安全。随着IP技术和相关设备的日益成熟，全IP 架构的电视播出系统必然是大势所趋。但随着互联网的飞速发展，网络直播、网络点播已经对传统的电视行业造成了巨大冲击，若只是单纯地把IP 技术运用到广电行业、广播电视中心，仍然将业务停留在传统大屏，忽视互联网端、移动端，显然不仅无法满足其业务发展的需求，而且对广播电视中心的生存也会构成威胁。为满足互联网端、移动端的需求，“云”提供了一个不错的选择。2022 年，北京冬奥会成功实现了全球首次“云上奥运”，实现了“云转播”，为电视播出系统的架构提供了新的思路。

传统的电视转播中，转播车、摄像机、光纤或者卫星传输链路是必不可少的要素。而云上转播将设备功能软件化，提供虚拟化的视频处理及基于IP 网络的流信号。一些中小型转播媒体不需要转播现场，就可以远程接收、转播赛事内容并可以进行特效视频、内容集锦制作及精彩回放等。云上转播借助云技术的高带宽、低延迟、高并发的特点，提供全景观看的电影特效式画面及高自由视角观赛特效，对于体育赛事中运动员的精彩瞬间进行360°全方位自由观看视角捕捉，为观众带来更加多样的节目观看方式和更加丰富的沉浸式观看体验，这是传统转播技术无法实现的。

云上转播利用虚拟化的计算资源及存储资源池，实现制播的云化、远程化，极大地降低现场转播负载。节目转播现场除摄像设备以外，所有导、切制作均可以在云端完成。通过云转播平台，工作人员只需要笔记本电脑，就可以实现多路信号的云上切换。节目制作人员在咖啡店、家里或者其他任何地方，都可以借助云端提供的虚拟化视频处理功能完成节目的制作。目前，不论是广播级的摄像机还是手机等非专业摄像设备，都能在云转播系统前端发挥应有的作用。通过“云转播”，观众可以看到多路转播信号，实现多维视角观看。相比于传统转播只能观看一路信号，云转播有着更加良好的观看体验。阿里体育公有云播出的应用案例如图3所示。

图3 阿里体育公有云播出架构

图3 是阿里体育使用公有云进行播出的成功案例，其云播具有以下特点：用于阿里体育版权的一些低成本体育赛事的转播、轮播，部署在阿里云，真实公有云租赁环境，PGM 采用RTMP 点对点协议，直播信源也采用RTMP，RTMP 流均经过流媒体服务器，以实现转发功能，具备相对完整的云管控功能（后页为Web 界面），支持公有云快速部署。

尽管2022 年冬奥会实现了全球首次“云上奥运”，实现了“云转播”，并且给观众带来随时随地的、全新视角的沉浸式视觉体验，但云播出在许多关键性问题上也面临诸多挑战。

私有云环境下，云播出面临的挑战包括无压缩IP ST 2110 信号兼容性（码流指标包括PIT、流量整形、PTP 同步指标等），网络媒体开放规范（Networked Media Open Specification，NMOS）功能及兼容性，ST 2110 信号监测与信号故障应急，系统中IP 流可观测性以及软件运行状态监测。

公有云环境下，云播出面临的挑战包括网络安全（EBU-R143），节目单、文件同步的安全传输以及时效性保证（支持异构第三方），低延迟要求，公网下信号的安全、可靠传输，软件运行监控以及信号监测（信号实时性、故障应急）。

上述关键性问题使得云播出在当下应用场景限于电视播出系统第三备、第四备、灾备，轻量级播出及互联网运营。

4 结语

本文详细介绍了电视播出系统的过去、现在和未来，总结了云播出技术在一些关键性问题上面临的挑战。尽管面临挑战，随着广播电视技术和互联网技术的不断发展，全IP 化的云播出仍是电视播出系统架构一个很好的选择。