朱江

【摘要】 本文以建設北京IPTV流播控系統(tǒng)項目為例，介紹了北京IPTV播控平臺所采用的超高清頭端編碼子系統(tǒng)、DCM流處理網(wǎng)關子系統(tǒng)、點播流播出子系統(tǒng)、應急切換子系統(tǒng)和智能化監(jiān)播子系統(tǒng)的需求、設計及實現(xiàn)，滿足了IPTV信號的編碼、播出、調(diào)度、安全訪問控制和監(jiān)播監(jiān)看的業(yè)務需求，同時就安全播出的應急切換邏輯和不同故障場景下的應急機制給出了一套完整的解決思路。

【關鍵字】 超高清 DCM IP應急切換 SOP

一.引言

北京地區(qū)IPTV集成播控平臺播出系統(tǒng)已投入運行6年有余，整個技術平臺和技術體系經(jīng)過了長時間的運行、磨合和優(yōu)化，已逐漸向更高的設計和管理水平邁進。本次系統(tǒng)建設是對于原平臺的一次全面的優(yōu)化和擴容升級。目前，在運營商的大力配合下，北京IPTV現(xiàn)已有超過200萬終端用戶。通過6年的系統(tǒng)運維經(jīng)驗，結(jié)合對現(xiàn)有系統(tǒng)的技術、管理進行總結(jié)，設計出了一套契合于北京IPTV業(yè)務發(fā)展需要的技術支撐體系。本文主要圍繞IPTV直播頻道各項技術系統(tǒng)的設計與應用進行研討說明。

二.需求分析

根據(jù)總局召開的關于IPTV建設管理工作會議的精神，北京IPTV的播出安全水平也被提到更高的水平線上。建設一套可管、可控，適應信息化、網(wǎng)絡化，滿足業(yè)務快速發(fā)展的IPTV播控平臺是對于新政策、新要求、新形勢的需要。結(jié)合目前行業(yè)發(fā)展趨勢，北京IPTV確定了建設涵蓋4K超高清、點播流業(yè)務、IP信號調(diào)度、智能化監(jiān)播等亮點和特色的IPTV播控平臺體系，本文結(jié)合北京IPTV播出平臺在直播系統(tǒng)建設的經(jīng)驗，總結(jié)出了一套適用于該體系下的廣播級安全播出解決方案。

1.超高清直播編碼系統(tǒng)

北京IPTV頭端編碼系統(tǒng)是支撐高質(zhì)量的高清、超高清直播節(jié)目編碼的能力平臺，對于4K超高清、高清直播流進行SDI到IP、IP不同協(xié)議間的編碼和轉(zhuǎn)換，為IPTV平臺提供高質(zhì)量、高可靠的直播信源。本次頭端編碼可滿足單路十路以上信源的編碼需求，實現(xiàn)1+1安全播出的備份機制，支持H.265、AVS+等多種編碼方式，支持標清、高清之間的上下變換能力，在變換的過程中要保證畫質(zhì)不損失、低延遲，同時具備一定的臺標、字幕、圖片的在線包裝功能。

2.完備的應急切換系統(tǒng)

在實際播出管理和運維過程中，節(jié)目的播出難免不出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，在保障IPTV安全播出環(huán)節(jié)中，能夠及時發(fā)現(xiàn)音視頻異態(tài)或者網(wǎng)絡傳輸故障，及時對故障進行應急解決、對于可能發(fā)生的故障進行提前預警就顯得尤為重要。因此，整體系統(tǒng)設計應具備完善的應急方案，做到應急操作快捷和安全；不僅要支持單機主備信源的自動切換，而且可通過后續(xù)升級集群架構來實現(xiàn)設備之間的主備安全。

3.流處理網(wǎng)關系統(tǒng)

隨著媒體融合的趨勢，北京IPTV越來越多的與外界產(chǎn)生視頻流交換、共享的業(yè)務需求。作為直播信源、音視頻信號匯聚平臺，北京IPTV需要與外省市IPTV播控體系、郊區(qū)縣媒資平臺、外場直播信號甚至互聯(lián)網(wǎng)視頻流進行對接。因此，對于視頻流的碼率，傳輸協(xié)議乃至信息安全方面就要嚴格的加以控制，保證播出和網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定、安全。流處理網(wǎng)關系統(tǒng)可以滿足直播信號的傳輸、調(diào)度、分發(fā)的業(yè)務需求，同時能很好的起到信息安全網(wǎng)關隔離的重要作用。

4.點播流播出系統(tǒng)

隨著北京IPTV輪播頻道的新增，以及新增的“4K超清頻道”，北京IPTV自辦點播流頻道包括淘電影、淘影視、淘少兒、大健康、4K超清等各類頻道，頻道設置門類齊全、涵蓋范圍廣。技術系統(tǒng)要滿足十路的高清頻道和一套4K頻道的播出，同時具備系統(tǒng)管理、編單管理、內(nèi)容管理、播出管理、以及字幕播出能力。實現(xiàn)無縫與現(xiàn)有內(nèi)容生產(chǎn)平臺、廣告發(fā)布平臺、存儲平臺集成是本次系統(tǒng)設計的重點。

5.智能化安全運維管理系統(tǒng)

北京IPTV播控系統(tǒng)環(huán)節(jié)復雜，信源、網(wǎng)絡、設備都可能存在問題，為了保證系統(tǒng)的正常播出秩序，需要對播出信號、傳輸鏈路、系統(tǒng)設備等不同環(huán)節(jié)進行全面的監(jiān)測，同時提供一套行之有效的協(xié)同化運維值班管理工具，滿足運維分析和日常值班的智能化呈現(xiàn)，提升運維效率，對保障播出安全必不可少。

三.解決方案

根據(jù)北京IPTV播控平臺系統(tǒng)和網(wǎng)絡現(xiàn)狀進行整體安全播出保障體系的規(guī)劃和方案設計，我們將整個系統(tǒng)劃分為頭端編碼、應急切換、流處理網(wǎng)關、點播流播出和安全運維監(jiān)測五個子系統(tǒng)進行分別設計。

1.超高清直播編碼系統(tǒng)

超高清直播編碼系統(tǒng)主要包括超高清編碼器、SDI光端機、集群管理系統(tǒng)和墊播系統(tǒng)組成。主要負責將臺內(nèi)傳送的SDI信號傳輸?shù)絀PTV平臺中。主要系統(tǒng)框圖如圖1。

（1）功能需求設計

此次直播編碼系統(tǒng)可支持主備16路高清SDI+4路超高清輸入，配置了兩臺編碼設備，采用1：1備份模式，通過集群管理系統(tǒng)，進行統(tǒng)一管理，對于編碼參數(shù)、模板靈活配置。利用現(xiàn)有IPTV平臺編碼資源，設計為主、備、備三路信源播出安全保障機制，同時配有墊播系統(tǒng)，可根據(jù)需要進行各頻道IP碼流的墊播。本次的亮點是可支持4K HDR的編碼功能，采用HLG編碼模式滿足未來北京IPTV超高清直播信源的引入和處理。同時，在頭端編碼環(huán)節(jié)，可做到簡單的一站式圖文包裝能力，支持靜態(tài)、動態(tài)臺標、文字的任意疊加，配合預覽功能所見即所得。

（2）非功能需求設計

北京IPTV頭端信源編碼平臺采用CPU+GPU軟硬件結(jié)合的技術對直播信源進行高質(zhì)量的編碼，保證圖像質(zhì)量。通過高密度并行編碼技術可實現(xiàn)一入多出的（1080P、720P、576P）信號，滿足多屏播放需要。同時系統(tǒng)支持豐富的輸入輸出流格式，如TS over UDP、TS over HTTP、FLV over HTTP、APPLE HLS和RTMP等。系統(tǒng)設計積極響應國家關于頭端信源格式轉(zhuǎn)換的政策，無縫支持AVS+格式接入和H.265的編碼算法。

2.完備的應急切換系統(tǒng)

應急切換子系統(tǒng)是安全播出保障的一個重要環(huán)節(jié)，本次系統(tǒng)采用IP切換卡進行節(jié)目的應急切換，組網(wǎng)圖如下所示（圖中綠色連線表示系統(tǒng)各部分運行均正常的情況下的信號流向），當信源或傳輸鏈路發(fā)現(xiàn)問題時，輔助系統(tǒng)值班員第一時間排障。本方案設計的要點如圖2：

·在每臺編碼器交換機上劃分兩個VLAN，將切換板卡接入到鏈路中，確保整體組網(wǎng)拓撲的邏輯性。

·主備兩個IP切換板卡，同一時刻只有一個的輸出處于打開狀態(tài)，確保核心交換機上拉流時只能拉取到一份數(shù)據(jù)。通過IP碼流切換系統(tǒng)可以控制主備板卡輸出的打開和關閉狀態(tài)。

·在主備編碼交換機上設置靜態(tài)組播，將需要切換的主備編碼輸出碼流推送到各個切換模塊；

·將交換機與IP切換器的輸出口相連接的端口設置為三層端口傳輸組播。

以下從工作模式和應急邏輯兩方面進行詳細介紹：

（1）工作模式

本此方案應急切換系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)動，提供了自動和手動兩種切換模式。自動模式針對每個頻道的主備輔信號完成自動切換，由切換板卡控制，無需外部干預。自動切換的觸發(fā)條件可根據(jù)碼流的流量異常、丟包、抖動、延遲等客觀指標，設定閾值自動觸發(fā)切換動作。并支持回切策略設置，一旦碼流質(zhì)量恢復正常，可選擇是否進行回切。

手動切換模式是根據(jù)人為判斷，進行人工干預的手動主備輔信號切換機制。本系統(tǒng)可做到單頻道的手動切換和板卡級主備鏈路的全頻道切換兩種模式。如圖3，界面上的每個方框展示了一個碼流（頻道）的主備輔輸入信號的監(jiān)測狀態(tài)和當前輸出所對應的輸入，點擊主備輔按鈕可以選擇對當前頻道進行手動切換控制。界面右上方會展示當前主備鏈路的使用情況，哪個鏈路處于使用狀態(tài)，對應的按鈕會高亮顯示。點擊按鈕可進行主備鏈路的切換，如點擊“備鏈路”按鈕，可控制主IP切換卡的輸出關閉，同時控制備IP切換卡的輸出打開。

（2）應急邏輯

應急邏輯是本套應急系統(tǒng)設計的核心，系統(tǒng)主要是在發(fā)生故障時進行信源選擇和傳輸鏈路的選擇。目前，北京IPTV本地信源編碼節(jié)目和自辦點播流節(jié)目都采用主備輔冗余的方式接入，在主路故障的情況下能夠及時的切入備路信源或墊播信源，保證播出的正常。傳輸鏈路中采用主備熱備的交換機交叉級聯(lián)模式，也為在某一交換機發(fā)生故障的情況下進行鏈路的自動或手動選擇提供必要的網(wǎng)絡支持。在系統(tǒng)正常運行的情況下，針對實際運行中可能出現(xiàn)的各類故障情況，本方案的應急處理邏輯如下表1所示。

3.流處理網(wǎng)關系統(tǒng)

流處理網(wǎng)關系統(tǒng)主要包括信源匯聚交換機、DCM9902，主要功能是接收來自外部的IP信源并實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，之后輸出至IPTV播控平臺。系統(tǒng)結(jié)構如圖4所示：

本系統(tǒng)中使用的DCM9902設備，有獨立4卡槽。配置千兆板卡1張，萬兆板卡1張。IP信源接入通過匯聚交換機進行信號匯聚，由萬兆光纖鏈路互聯(lián)至DCM設備，對于8M碼流的IPTV信源來說可支持上百路頻道的信號接入。DCM設備可做到對于IP信源協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在IPTV直播體系應用中，可設計并實現(xiàn)N路信源入，M路信源出的信號匯聚、處理、調(diào)度的效果，并支持反向傳送，方便與外部進行靈活的IP信號的分發(fā)與處理。同時，DCM設備為光復用設備，IPTV直播網(wǎng)絡部署采用DCM傳輸時，整體均采用光纖鏈路互聯(lián)，不需要以太網(wǎng)層面的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，起到了較好的信息安全隔離作用。本系統(tǒng)采用主備冗余設計，最大限度的提高安全播出的可靠性。管理可通過web方式登錄，方便進行查看和配置管理。系統(tǒng)目前已成功接入外部頻道10路，實踐證明是一套安全、穩(wěn)定、易用、貼合IPTV技術發(fā)展方向的成熟技術系統(tǒng)。

4.點播流播出系統(tǒng)

本次IPTV點播流播出系統(tǒng)設計采用集成度較高的TS流播出服務器、播出級臺標機為核心設備。其中播出服務器完成素材的文件到流化的IP碼流播出，臺標機進行實時編碼，實現(xiàn)節(jié)目的字幕臺標疊加功能。整套系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫模塊、接口模塊、素材遷移模塊、播出控制模塊、技審模塊、節(jié)目單編排模塊等，各司其職實現(xiàn)各自業(yè)務功能。

所有核心系統(tǒng)均為主備模式，通過轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)同現(xiàn)有的內(nèi)容生產(chǎn)服務系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)播出內(nèi)容整備的規(guī)范化與流程化。（如圖5）

（1）播出及存儲系統(tǒng)

此次項目設計支持了10套H.264高清頻道（8M碼率CBR模式）、1套4K SDR 4K頻道（20M平均碼率VBR模式）同時支持4K HDR素材的播出能力。節(jié)目存儲采用二級存儲模式，一級為在線在播庫（有效容量50TB，滿足60天的存儲需求），二級在播庫容量500TB，作為總節(jié)目庫，實際播出素材均通過一級在播庫輸出，合理分工擴容方便。

播出服務器根據(jù)節(jié)目單對即將播出的節(jié)目檢查其存在性以及有效性，之后根據(jù)策略或手動讀取播出節(jié)目單信息，進行正常的播出及控制。同時支持緊急情況節(jié)目單編輯、控播功能，緊急情況墊片自動播放機制等。

（2）字幕臺標系統(tǒng)

此部分系統(tǒng)以六臺臺標服務器為核心，在完成播出的同時可以同步實現(xiàn)對實時流進行臺標字幕的疊加，滿足了業(yè)務需求。碼流字幕系統(tǒng)可以在單機環(huán)境下，最大支持5路TS碼流的三維字幕圖文的實時疊加，為IPTV靈活的配置相關角標和字幕。局部解碼技術的應用，在最大限度保證廣播級的視頻質(zhì)量的同時，大大的提供高了系統(tǒng)系能，使得每個頻道單畫面上可獨立在源信號上疊加臺標、角標、時間、左飛字幕等最大8層信息，并將處理延時控制在秒級之內(nèi)。

（3）接口系統(tǒng)流程技術特點

此部分核心硬件為接口服務器、遷移服務器、二級NAS庫組成，接口服務器完成與上游（播控媒資平臺）和下游（云轉(zhuǎn)碼平臺）信息調(diào)度、任務接收下發(fā)等任務，遷移服務器將相應素材通過FTP方式光纖傳輸通道快速傳送至相應NAS庫分區(qū)。其基本流程如圖6：

通過如此組成，其特點為：

·與上下游對接均采用標準C2接口，消息調(diào)度均采用XML標準格式，與現(xiàn)有上下游所采用的成熟接口消息標準完全一致，以便今后修改和維護。

·采用接口服務器與遷移服務器分離的方式（兩部分均為主備熱切換模式），分工明確，且遷移服務器采用FTP光纖傳輸通道，提高了實體素材傳輸速度，滿足大量素材傳輸要求。

·將NAS庫分為3個獨立分區(qū)，A區(qū)為針對上游媒資系統(tǒng)下發(fā)的素材暫存區(qū)，B區(qū)為針對下游轉(zhuǎn)碼完成后回推至NAS的素材暫存區(qū)，C區(qū)為在播最終素材存儲區(qū)。基本流程為媒資原始素材寫入A區(qū)，à云轉(zhuǎn)碼后素材寫入B區(qū)，播出上載時遷移至C區(qū)，其中流程中素材遷移均采用剪切方式，這樣以最終保留到C區(qū)的素材為唯一素材。

·根據(jù)業(yè)務需求主要采用了3個分發(fā)域：高清轉(zhuǎn)碼分發(fā)域、4K轉(zhuǎn)碼分發(fā)域、4KHDR轉(zhuǎn)碼分發(fā)域。并針對某些特定素材（無需轉(zhuǎn)碼直接可以用的素材）單獨設置了一個直通域，這樣無需轉(zhuǎn)碼直接可以由上游傳輸至NAS庫的C區(qū)，提高了接口系統(tǒng)靈活度。

6.智能化安全運維管理系統(tǒng)

安全運維管理系統(tǒng)包含一套SOP安全運維監(jiān)控系統(tǒng)和一套鏈路展示系統(tǒng)，來完成信號監(jiān)測、設備網(wǎng)管等運維核心業(yè)務的協(xié)同化管理。節(jié)目調(diào)度展示、實時監(jiān)測、運維分析、鏈路展示等常用功能的智能化呈現(xiàn)，是本次系統(tǒng)設計的亮點。通過設備采集模塊、監(jiān)測模塊、業(yè)務流程監(jiān)控模塊、軟件監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫監(jiān)測模塊、時鐘系統(tǒng)監(jiān)測模塊來統(tǒng)一分析、展示、運維、管理各類系統(tǒng)信息。

系統(tǒng)的協(xié)同化管理可將信號監(jiān)測、設備監(jiān)測、切換控制、畫面調(diào)度、值班運維等業(yè)務功能通過統(tǒng)一的后臺實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；同時可根據(jù)不同值班人員的工作需要自定義展示來自各個業(yè)務系統(tǒng)指標數(shù)據(jù)、視音頻畫面、圖形圖表、報警日志等完成一鍵直達的業(yè)務效果。

信號全景功能和鏈路、碼流展現(xiàn)的功能還可以提供了對監(jiān)控碼流的靈活分組。根據(jù)不同等級，全景展示各個信號對應的碼流報警和視音頻內(nèi)容告警狀態(tài)。對于已恢復的報警可進行提示，有效輔助建立規(guī)范的值班運維流程。同時，以監(jiān)測全景為入口，可以快速查看對應信號的碼流鏈路和節(jié)目鏈路狀態(tài)，逐層分析問題、定位故障環(huán)節(jié)。實時抓取與當前信號傳輸相關的設備信息，能更好的快速定位故障點，結(jié)合碼流指標和節(jié)目的視音頻畫面詳情實現(xiàn)全方位的監(jiān)控管理。

四.系統(tǒng)特點與主要貢獻

整個系統(tǒng)根據(jù)實際使用情況來看，有以下幾個特點：

·整個系統(tǒng)符合《廣播電視安全播出管理規(guī)定 IPTV集成播控平臺實施細則》指的總體要求，能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)問題、第一時間定位問題、第一時間解決問題

·監(jiān)測全面無盲點，做到全鏈路傳輸監(jiān)測展示，出現(xiàn)問題能夠直觀清晰的展示出來，無論信源、IP全鏈路還是設備，全部納入監(jiān)測、管理范圍內(nèi)，并實現(xiàn)智能化監(jiān)控運維水平

·實現(xiàn)IPTV播出自動化應急切換機制，建立了主、備、備安播應急系統(tǒng)，頭端、輪播交叉?zhèn)浞輭|播系統(tǒng)，解決單點故障風險，使頭端系統(tǒng)、點播流播出系統(tǒng)安全穩(wěn)定性有質(zhì)的提升

·各系統(tǒng)全面支持超高清、HDR、5.1聲道等技術的節(jié)目處理能力，滿足技術發(fā)展和業(yè)務需要

·采用高集成度頭端編碼系統(tǒng)，高效的滿足業(yè)務需求，同時給技術運維帶來方便

五.總結(jié)與展望

北京IPTV流播控系統(tǒng)播出安全的設計與實現(xiàn)，充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡化的技術特點和IPTV的實際業(yè)務需求，隨著一線技術人員對系統(tǒng)的不斷使用和運維經(jīng)驗的積累，總結(jié)并設計出了本此適合于北京IPTV業(yè)務發(fā)展的技術系統(tǒng)，不斷優(yōu)化提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和準確率也帶來安全播出水平的提升，為IPTV業(yè)務穩(wěn)定運行和持續(xù)發(fā)展服務。這一新方案所能起到的作用必將隨著今后IPTV應用的進一步推廣得到認同，逐漸成為最佳實踐方法論的有機組成部分，并充分發(fā)揮其應有的積極作用。B&P

參考文獻

[1]余成偉，IPTV業(yè)務監(jiān)測技術方案，現(xiàn)代電信科技，2011（01）

[2]王瑾，浙江IPTV集成播控平臺監(jiān)看監(jiān)控系統(tǒng)，廣播與