王浩

【摘要】4K超高清播出已成為趨勢，將IP技術(shù)與SDI技術(shù)架構(gòu)相互融合，是必然趨勢。傳統(tǒng)的基帶播出系統(tǒng)都是圍繞硬件設(shè)備（如矩陣、存儲、視頻服務(wù)器）為核心來設(shè)計系統(tǒng)。隨著廣播電視技術(shù)的發(fā)展，以及大眾對電視清晰度的要求不斷提高，4K超高清播出逐漸成為趨勢。IP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計提供了新方向。本文介紹了作者單位近年來播出系統(tǒng)的變革，著重介紹了目前使用的4K超高清播出系統(tǒng)，并通過基帶播出系統(tǒng)和IP播出系統(tǒng)的比較，提出了IP播出系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】SAN架構(gòu);4K播出系統(tǒng);IP化播出

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.04.002

IP化播出系統(tǒng)，不再以硬件設(shè)備為核心，采用軟件和硬件相結(jié)合的模式。硬件設(shè)備為軟件系統(tǒng)提供平臺和環(huán)境，軟件系統(tǒng)為硬件設(shè)備提供服務(wù)并監(jiān)控硬件設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1. 電視播出系統(tǒng)情況簡介

我臺播出系統(tǒng)經(jīng)歷了多次改造、升級，大致可以分為3個階段：第一階段，以總控調(diào)度為核心，視頻服務(wù)器為輔助搭建的播出系統(tǒng);第二階段，以存儲為核心搭建的播出系統(tǒng);第三階段以交換機(jī)為核心搭建的播出系統(tǒng)。

1.1 以總控矩陣為核心的播出系統(tǒng)

我臺硬盤播出系統(tǒng)始于20世紀(jì)90年代末搭建。在此之前播出系統(tǒng)作為一個獨(dú)立的子網(wǎng)，主要方式為盤帶混播，以總控矩陣為核心，信號源由總控矩陣統(tǒng)一調(diào)配。當(dāng)時受限于播出方式、節(jié)目內(nèi)容等因素影響，視頻服務(wù)器同時承擔(dān)著播出和存儲的雙重責(zé)任。

1.2 以存儲為核心的播出系統(tǒng)

隨著全臺網(wǎng)的普及，電視臺業(yè)務(wù)不斷地拓展，設(shè)備的更新?lián)Q代，原有的播出方式已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的播出模式。新系統(tǒng)的建設(shè)不僅要解決日常業(yè)務(wù)的需要，還要有更高的穩(wěn)定性、可靠性。播出系統(tǒng)不再是獨(dú)立于全臺網(wǎng)之外的系統(tǒng)，需要與媒資備播系統(tǒng)相連，由媒資系統(tǒng)完成節(jié)目播出單發(fā)送及素材的推送工作。

播出系統(tǒng)與備播系統(tǒng)都采用FC-SAN架構(gòu)，我們以播出系統(tǒng)為例。BWFS文件系統(tǒng)通過兩臺MDS服務(wù)器對存儲進(jìn)行管理，所有需要使用存儲的工作站、服務(wù)器需要配置FC卡，同時需要安裝BWFS客戶端。

選用FC-SAN架構(gòu)的原因：

FC-SAN雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮FC光纖盤陣的帶寬的優(yōu)勢，同時有效地解決了大量客戶端并發(fā)訪問存儲時，系統(tǒng)I/O帶寬瓶頸的問題，充分滿足播出系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸和編輯的高帶寬、低延時的要求。

FC-SAN架構(gòu)中數(shù)據(jù)采用FCP協(xié)議以塊方式存取，幾乎不占用服務(wù)器CPU運(yùn)算處理資源。

MDS服務(wù)器采用雙機(jī)熱備模式，雙機(jī)互為備份。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)行服務(wù)時，備機(jī)通過心跳線監(jiān)測到主機(jī)故障后自動接管服務(wù)，保證前端業(yè)務(wù)能夠正常運(yùn)行。

存儲管理軟件統(tǒng)一管理所有主機(jī)，根據(jù)需求合理地分配帶寬資源以核心交換機(jī)為核心的播出系統(tǒng)。2015年以來電視高清化的不斷推進(jìn)，我們完成了播出、備播兩個系統(tǒng)改造任務(wù)，以及8個標(biāo)清頻道的高清化改造。在原系統(tǒng)中，瓶頸主要集中在網(wǎng)絡(luò)、二級存儲與視頻服務(wù)器三個方面，新系統(tǒng)也針對這三個方面做了升級。

網(wǎng)絡(luò)方面：選用了H3C S7506E萬兆核心交換機(jī)作為整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主體。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由FC-SAN雙網(wǎng)架構(gòu)改造成為以存儲為核心的NAS架構(gòu)。新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬是舊系統(tǒng)的10倍，核心交換機(jī)采用堆疊的方式能提供高于實(shí)際使用時的背板帶寬。NAS架構(gòu)較SAN成本更低，不用再配置光纖交換機(jī)，主機(jī)只需要接入備播網(wǎng)絡(luò)，通過CIFS協(xié)議就可以訪問存儲。

存儲方面：選用的是EMC Isilon X410。CX4-480最高提高220MB/s的帶寬，X410配備了5個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)能提供500MB/s有效讀寫帶寬。X410比CX4-480的安全性更高，沒有了MDS服務(wù)器，減少了故障點(diǎn)，3+2的模式，大大提升了系統(tǒng)的安全性。此外，X410與CX4-480相比最大的不同是X410使用自己的文件系統(tǒng)OneFS。視頻服務(wù)器：選用的是OMNEON7000系列。7000系列在遷移速度上較5000系列提高了近3倍，存儲容量提高了2倍。

2. 4K播出系統(tǒng)架構(gòu)

4K播出系統(tǒng)設(shè)計方案主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的SDI基帶播出系統(tǒng)，另一種是無壓縮IP化播出系統(tǒng)。

2.1 基帶播出系統(tǒng)有三種方式

4×3G SQD方式：將4K畫面按順序分割成4幅1920*1080的畫面，使用4根3G同軸電纜同時傳輸，在接收端組合。

4×3G 2SI方式：將4K的單幀畫每8個取樣點(diǎn)平均分成4份，采用4根同軸電纜傳出，在播出端呈現(xiàn)4幅相同的1080P畫面。不管是SQD還是2SI都存在同樣的問題，系統(tǒng)過于復(fù)雜，線纜、板卡過多，機(jī)房部署實(shí)施壓力巨大，還有一個無法避免的問題同步漂移，必須定期排查和調(diào)試同步，所以這兩種系統(tǒng)架構(gòu)也逐漸被拋棄。

隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的更新，12G-SDI的系統(tǒng)架構(gòu)逐漸取代4×3G播出系統(tǒng)架構(gòu)。

12G-SDI系統(tǒng)的信號架構(gòu)和傳統(tǒng)播出架構(gòu)相似，全部為單線連接，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單直觀，但12G-SDI缺點(diǎn)也較為明顯：無法監(jiān)控所有鏈路狀態(tài)，只能取點(diǎn)監(jiān)控。傳輸距離有限，線纜最大的部署距離不能超過70米。系統(tǒng)中無法增加跳線，跳線會使信號衰減嚴(yán)重。

2.2 無壓縮IP化播出系統(tǒng)

無壓縮IP化播出（SDI OVER IP）系統(tǒng)是以SMPTEST2110、SMPTE ST2022標(biāo)準(zhǔn)以及精準(zhǔn)時間協(xié)議PTP為依據(jù)，以無壓縮的方式傳輸，基于25G、40G、100G網(wǎng)絡(luò)的播出架構(gòu)。

2.2.1 IP化播出路由調(diào)度

IP化播出最關(guān)鍵的問題是路由調(diào)度問題。目前各個廠商都給出了不同的解決方案，主要包括以下三種方式：接收端切換、交換機(jī)切換和信源端切換。

接收端切換（IGMP切換）：通過控制接收端加入或者離開的組播地址來實(shí)現(xiàn)信號切換，如圖1所示。

交換機(jī)切換：通過交換機(jī)來解析數(shù)據(jù)包的中的數(shù)據(jù)進(jìn)行切換，如圖2所示。

信源端切換（SDN切換）：SDN交換機(jī)通過SDN控制器對信號進(jìn)行切換，如圖3所示。

這三種切換方式都是IP化播出采用較多的方式。第二種交換機(jī)切換，需要定制交換機(jī)，定制化的產(chǎn)品較通用產(chǎn)品價格更昂貴，而且定制的交換機(jī)對其它廠商設(shè)備的兼容性無法保證，在后期的維護(hù)、升級也更加困難，所以IGMP切換和SDN切換成為了主流方式。

IGMP切換和SDN切換各有優(yōu)劣：

切換：IGMP切換取決于交換機(jī)組播的響應(yīng)時間，并且在切換過程中需要雙倍帶寬，但I(xiàn)GMP切換可以做到凈切換;SDN切換切換速度更快，響應(yīng)快，不需要額外，但無法做到凈切換。調(diào)度控制：IGMP切換需要對每個設(shè)備都進(jìn)行控制;SDN切換通過SDN控制器對所有信號進(jìn)行控制。安全性：IGMP切換控制和路由是統(tǒng)一控制的;SDN切換路由和控制是分開控制的，SDN切換較IGMP切換更加安全。

2.2.2 IP化播出設(shè)計架構(gòu)

如圖4所示，調(diào)度交換機(jī)負(fù)責(zé)信號調(diào)度，相當(dāng)于傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的切換矩陣。所有信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后進(jìn)入到調(diào)度交換機(jī)，IP矩陣管理系統(tǒng)通過設(shè)定好的路由規(guī)則來調(diào)度所有信號。每個信號從進(jìn)入系統(tǒng)到最后被送出都被實(shí)時監(jiān)控。如果圖像有問題，監(jiān)控系統(tǒng)會立即報警，并通知一致性比對系統(tǒng)對信號進(jìn)行自動切換，保證安全播出。

2.3 基帶播出系統(tǒng)和IP化播出系統(tǒng)比較

系統(tǒng)管理 SDI模式 IP模式

方式 特點(diǎn) 方式 特點(diǎn)

拓?fù)溥壿?與傳統(tǒng)播出結(jié)構(gòu)相似易排查 系統(tǒng)簡單直觀 能實(shí)時獲得每個鏈路的狀態(tài) 監(jiān)控軟件實(shí)時監(jiān)控各條鏈路

切換方式 切換面板切換 手動/自動切換 軟件自動切換 切換邏輯復(fù)雜

主備邏輯

鏈路 2*1/3*1/4*1倒換開關(guān) 一致性比對自動切換 切換面板/IP切換器 根據(jù)需求調(diào)整策略滿足不同的應(yīng)急要求

斷電旁通 人工操作 人工操作 自動容錯 無需人工操作只需一路路由正常就能自動切換

跳線 無 損耗太多無跳線

信號監(jiān)看 取關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)看 易產(chǎn)生誤報，不能全鏈路監(jiān)看 通過SDN交換機(jī)，任意選擇監(jiān)看點(diǎn) 更加靈活，根據(jù)需求制定策略

信號比對 硬件+軟件方式 需每條鏈路逐一調(diào)試

2.4 4K播出系統(tǒng)架構(gòu)

未來的播出架構(gòu)會隨著技術(shù)的更新，不斷發(fā)生變化。IP播出作為未來的發(fā)展方向，基帶播出作為安全播出的保障，ALL IN ONE作為第三備播出，異構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計既能保障安全播出，又為系統(tǒng)擴(kuò)容與升級打下了基礎(chǔ)，如圖5所示。

廣播電視用近三十年的時間從模擬復(fù)合時代進(jìn)入數(shù)字時代，用十年的時間完成了高清化播出，6年間4K播出已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。4K的發(fā)展帶來許多新的技術(shù)，虛擬化、云架構(gòu)已逐漸被運(yùn)用，未來廣播電視的發(fā)展會越來越快，我們還需更加努力跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

參考文獻(xiàn)：

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