面向 8K 的 IP 化移动 总控系统设计浅谈

2019 年,中央广播电视总台总控系统面向总台 4K 和 8K 电视制播业务,建设了全 IP 化、面向 8K 电视制播应用的 移动总控系统,采用全 IP 架构体系,解决了传统 SDI 体系 下 4K、8K 信号的调度分发瓶颈,实现了 8K 电视信号总 控系统的调度和分发,为总台 8K 电视信号制播应用奠定了 基础。

摘要

 一 移动总控系统设计

随着电视制作播出从高清向 4K、8K 化发展速度的不断加快,4K、8K 超高清电视正成为当下全球视频产业发展的新方向。超高清电视兼具超高分辨率和清晰度,更广的色域展示,更高的动态范围显示等独特的技术特点,将电视的独特魅力以全新的方式展现在广大群众眼前,为他们提供了更加栩栩如生的精致画面,以及身临其境的视觉、听觉体验,激活了新的产业经济动能。在立足总台“5G+4K/8K+VR”的战略部署下,总台的 4K、8K 超高清电视业务正高速增长,打通电视台全域信号调度和分发、构建全台一体化的超高清电视制播体系的需求也越来越迫切。总控系统作为电视台节目播出、信号交换的重要环节和枢纽,必须解决大量超高清信号接入和调度分发的技术问题,为总台电视制播系统提供高质量的 4K、8K 电视制作信号。为了突破传统 SDI 系统在4K 甚至 8K 电视信号调度和分发上的技术瓶颈,彻底打通全台电视信号制播各环节形成合力,总控系统在 2019 年采用全 IP 技术,立足 8K 信号的调度需求,采用 SMPTE 2110 和 2059 等国际 IP 技术标准,建立了一套面向 8K 信号制播的移动总控系统。面向 8K 的 IP 化移动总控系统,是转播活动中信号调度和处理的关键和核心,系统在设计和建设时,既要全面支持 8K 信号的调度分发要求,也要兼容高清、4K 信号的使用;既要立足并推进 IP 技术体系的建立和关联系统信号的接入,也要支持传统 SDI 信号输入与输出的应用。系统在建设时设计包括有核心调度系统、网关处理系统、监看显示系统、技术检测系统、同步系统和控制与管理系统等部分。整个系统具备功能完善、安全可靠、灵活易用的特点。移动总控系统架构如图 1 所示。系统设备实景如图 2 所示。 


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1. 核心调度系统

在传统的 SDI 信号系统中,矩阵用于完成信号的调度和分发。在面向 8K 的 IP 化移动总控系统中,核心调度系统采用思科公司的通用 COTS 交换机构建。通用交换机是IT业界成熟的核心产品,市场保有量高,安全性强,无需额外的开发定制时间与成本,且技术发展迅速,系统采用通用交换机既可以享受 IT 行业的技术发展红利,又避免了私有开发产品与其他产品无法良好兼容的风险,同时更好地控制了系统成本。核心调度系统在结构上,由完全镜像的主、备双域组成,每个域内均采用叶脊结构搭建 IP 传输系统。叶脊结构的 IP 调度结构可通过横向的叶交换机网络完成信号的接入,再纵向向上汇聚到脊交换机中进行信号调度,每一个叶交换机通过叶脊拓扑的网络均可以访问到另一个交换机的信号。叶脊结构将网络变为二层的结构,扁平化的网络可以实现系统的平滑扩展,也降低了网络部署和维护的难度;同时,每一个叶交换机都可经过两跳与另一个叶交换机互联,在时延稳定的前提下减少了设备寻找或者等待连接的需求;第三,接入层和核心层有多条链路,加强了系统的冗余性和弹性,保障了信号传输的安全性。本系统的核心调度系统采用完全镜像的主备叶脊结构,可以实现信号的双路由备份机制,提高信号传输的安全性和可靠性。
接口上,核心调度系统应该具备灵活性,不同带宽的接口用于不同的信号接入,系统的叶脊间连接均采用 100G 的 IP 接口,确保 8K 信号叶脊调度的灵活可靠。在业务侧,用于 8K 信号 IP 化封装的网关系统设备采用 100G 接口接入,其他高清的无损 IP 信号流等可采用 10G 的 IP 接口进行信号接引。1G 的IP 接口则主要用于 PTP 的接入和压缩编码 IP 流的使用。端口均为支持 SFP 模块的光纤接口,形式统一。系统内 IP 端口数量具备一定冗余,可依据实际需要灵活使用,也为未来的系统扩展保留手段。

2. 网关处理系统

当前电视制播环境中,8K、4K 与高清信号,IP信号与 SDI 信号大量并存,且会维持相当长一段时间,因而总控系统在设计时必须考虑多种信号的支持能力。系统处理 SDI 接入方式的 8K、4K 或者高清信号时,需要将这些 SDI 信号封装为 IP 信号才能进入调度系统中调度和分发。同理,当下游对信号的需求为 SDI 信号时,移动总控也应负责将 IP 信号解封装为满足下游需求的 SDI 信号后进行分发,这些均通过网关处理设备完成。
移动总控系统配备了 20 台 Imagine 公司的 Selenio Network Processor(以下简称 SNP)网关设备,基于100G 网络连接断开,用于解决 SDI 信号 IP 化封装和解封装的需求,可实现 20 路 8K SDI 信号的输入和输出(或 80 路 4K SDI 信号的输入和输出)。系统对信号的 IP 化封装和解封装完全遵循国际通用的 SMPTE 2110 技术标准进行实践,根据 SDI 信号是 8K 还是4K,亦或高清等不同的实际情况,SNP 网关系统负责将信号封装成 48G、12G 或 1.5G 等不同带宽的 IP信号进入系统中进行调度,同时支持各类带宽信号的IP 化解封装。网关设备同时遵照 SMPTE2022-7 的标准,实现单路信号的双发双收模式。
此外,SNP 网关设备在完成 IP 信号的封装和解封装应用的同时,可支持完成 SDI 信号的帧同步、4K/ 高清上下变换、制式转换等信号处理功能,在统一的系统架构下,大大丰富了整个系统的处理能力。

3. 监看显示系统

传统的 SDI 信号系统中需要对系统中所有输入输出信号进行监看。SDI 信号的监看往往需要大量的周边设备、线缆和多画面设备,而在 IP 移动总控系统中监看显示系统基于 IP 信号,通过 IP 接口与核心调度系统相连,通过光纤进入交换机中收集信号实现监看。移动总控系统配备了 IP 化的监看显示系统,大大简化了系统布线,降低了系统复杂度。同时,监看显示系统也保留 SDI 信号接入的功能,实现 4K、HD信号的混合监看。在画面大屏展示的功能之外,监看显示系统还可以对所显示的信号视频、音频的状态进行告警设置,在大屏上进行告警提示。但是由于功能所限,现阶段 IP 画面分割器还不能实现大规模超高清信号的原质监看,主要采用生成高清码流的 Proxy实时流进行 IP 信号监看的方式实现。

4. 同步系统

移动总控在设计时,根据 SMPTE 2110 的标准,全系统的视音频 IP 信号均工作在同样的一个网络时钟基准 PTP 下,实现视音频的同步传输。同步系统设计采用两台泰克公司的 SPG8000A 作为 PTP 母钟对全系统进行授时,全系统的 PTP 信号通过交换机进行分发,所有系统内的设备均锁定在该 PTP 中。为了确保两个独立的调度系统域内PTP的绝对同步,以及两个主钟之间实现互相倒换,在两个域的脊交换机之间进行了直连,完成了移动总控系统全域 PTP的网络构建。移动总控系统 PTP 同步系统架构如图 3所示。


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5. 技术检测系统

对于系统内的所有信号,无论 IP 信号还是 SDI信号,系统中具备了技术检测的手段,以实现对信号客观准确的指标检测。技术检测系统通过配置支持25G 接口的 IP 信号的波形示波器,实现对 IP 流的格式、带宽、同步等指标进行分析。同时,技术检测系统兼容 SDI 信号的指标检测,包括信号类型、眼图、同步等各项内容。

6. 控制与管理系统

移动总控系统配备了系统级的控制管理软件,主要对系统的交换机 IP 信号调度,网关处理系统的功能控制等进行全面的管控和显示。系统具备的功能主要包括:对系统中所有设备进行参数设置、状态监测和控制等;对系统中所有输入输出 IP 信号进行调度和控制;对设备端口进行状态监测;对接入的信号进行可设置的策略管控等。

 二 关键技术研究和应用

1. 全 IP 架构的总控系统

面向 8K 的 IP 化移动总控系统立足于电视台不断增长的外场 8K、4K 信号业务应用,突破了传统总控SDI 信号的调度分发架构,采用了全 IP 构架作为系统的技术方向。系统内信号均按照 IP 流方式进行调度分发,IP外来信号可直接接入调度系统中进行调度。同时,考虑到现阶段仍为 SDI 和 IP 混合接入的制播时期,大量的 SDI 接口 4K 和高清信号是外场转播的客观条件,系统在 IP 核心调度系统的边界接口处配备了 SDI 封装和解封装的网关处理设备,可实现 SDI接口的 8K、4K 或高清信号的接入,并将其转换为 IP封装格式的信号进入系统中进行调度。如图 4 所示。移动总控系统设计时即基于使用通用 COTS 交换机,采用通用的 IGMP 等网络标准协议,实现 IP系统内信号的路由调度分发。系统充分立足于 8K应用实际,考虑到系统的前瞻性和实用性,基于SMPTE 2110 标准,实现了总控系统内 8K、4K 超高清信号按照单 IP 信号组播流的方式进行调度处理,无损无压缩地调度分发。不再受限于与传统 SDI 系统类似的 4 路信号绑定并行传输的技术路线,真正将 8K、4K 信号作为一个信号源进行调度使用,不仅解决了超高清信号多流并行传输所带来的复杂同步,单路信号多 IP 流路由管理,以及多 IP 流信号需要分散在两个 10G 网络接口上进行传输等技术问题,节约了系统接口,简化了系统链路。同时,在 8K 系统规划和实践应用中,在信号使用和系统业务流程上有更合理的设计和运行维护流程,大大简化了后续系统运维的难度。


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2. 融合媒体一体化信号调度分发

面向大屏电视制播传统 SDI 信号、小屏新媒体客户端制播的 IP 类信号的不同信号调度分发,传统的电视台总控系统需要面向多类业务建设 SDI 和 IP多个不同的调度系统,形成多平台并行建设和运行的复杂架构,大大增加了电视台系统建设和运行维护的成本。
面向 8K 的 IP 化移动总控系统充分考虑了总控多平台信号业务和运行特点,采用的全 IP 系统架构,在支持超高清电视信号无损调度分发的基础上,可实现支持多种 IP 格式信号的调度分发,如 SMPTE 2022-2 的 TS/IP 流、SMPTE 2022-6 的 流、SMPTE 2110 的 IP 流等。同时,对于 SDI 信号则通过系统内的网关处理系统,将 8K、4K 或高清信号封装成SMTPE 2110 格式的无损信号接入系统中进行分发。本系统在满足既有大屏信号调度的基础上,支持多种信号灵活接入、一体化调度,突破了总控融合媒体一体化信号调度和分发的技术瓶颈,真正实现了电视台大屏、小屏电视制播报道的融合。

3. 全 IP 电视信号监控

IP 化交换体系是一套比较复杂的网络通信系统,从系统结构到操作界面及基础理论知识均与广电传统设备存在较大差异,需要一套直观的图形化呈现系统帮助运维人员清晰了解网络实时状态,通过友善的操作界面完成日常维护管理。

针对此需求,本系统在设计和建设时,配置了全IP 化的管理和监控系统,用于对全 IP 总控系统实现图形化网络状态呈现。监控系统可支持对系统建立业务白名单,实现仅对系统内规划的流进行业务处理和调度,确保网络安全。同时还可以直观地呈现整个系统的网络拓扑,动态显示指定组播在网内的收发流向和路由路径,展示指定流的实时带宽和码流历史流量信息等,确保电视信号在调度时的可管、可监、可控。此外,本系统选用 IP 多画面显示设备,用以实现 IP 及 SDI 电视信号的混合接入显示监看。IP 多画面显示系统支持 48 路 SDI 信号或 80G 无压缩 IP 信号输入,4 路 LAYOUT 大屏输出。通过混合配置输入板卡实现 IP 与 SDI 信号的混合接入显示。同时该设备支持 PIP SHARE 功能,可将多台画分设备的输入信号通过共享网络呈现在任意一台画分所输出的LAYOUT 画面上,真正实现了无限制的任意调度显示。在产品呈现功能上,系统支持多画面分割显示,源名跟随,画面报警自定义 LAYOUT 等功能。系统全面支持 SMPTE 2110 标准的信号显示,由于 4K 信号占用带宽可达 10G 以上,当多路 4K 信号接入显示时,会面临超大的接入带宽资源占用。为保证监看系统的效能,系统设计在网关端对 4K 信号进行封装处理时,会产生 1 路 1.485G 的 Proxy 信号用于监看系统使用,大大减少了监看系统成本和带宽负荷,使得监看系统开销更加合理。(图 5)


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4. 8K 应用实践

面向 8K 的 IP 化移动总控系统在设计和建设时,专门联合了 Sony 公司,进行 8K 信号的 IP 化封装和传输应用实践。系统搭建环境如下:
◆ Sony 公司使用 UHC-8300 摄像机拍摄 8K 信号,信号通过 CCU 输出 16 个 3G-SDI 信号,信号符合 SMPTE 425 标准;
◆ CCU 输出的 SDI 信号接引到一台 SNP 网关设备上,对多路 SDI 信号进行并行 IP 化封装。16路 3G-SDI 信号接入,则每路也封装成 1 路 SMPTE 2110 格式的 IP 流,每路带宽约为 2.7G 左右,共计16 个 IP 组播流并行传输;
◆ SNP 网关设备将封装后的 IP 组播流通过 100G网络端口和直连光纤,接入到思科交换机中进行调度分发,再在另外一台 SNP 网关进行解封装输出 8K 的SDI 信号;
◆ SNP 网关设备将解封装后的信号通过 AJA 转换盒转换为 4 路 HDMI 2.0 信号,接入 Sony 的 85 寸8K 显示大屏 KD-85Z9G 上进行实时显示;

◆ 同时,还从 BASE LIGHT 的调色工作站输出了 4 路 12G-SDI 接口的 8K 信号,作为备份信号源用于实验。(图 6)


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上述实验系统搭建完毕后,通过 UHC-8300 摄像机输出的 8K 信号,或是从 BASE LIGHT 的调色工作站输出的 8K 信号,都可以被 SNP 网关进行正常的识别、封装、传输和解封装,并在大屏端进行信号的实时显示还原。在摄像机推拉摇移的过程和 8K 信号播放器信号播放的过程中,均未见到画面不同步产生的图像错位等情况,信号封装和传输质量良好。(图7) 同时,SNP 网关和交换机配备 100G 40km 的 SFP传输光模块,通过裸光纤直连的方式,实现了城域范围内 8K 信号的实时无损 IP 传输和分发。


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 三 结束语

面向 8K 的 IP 化移动总控系统是中央广播电视总台在广电领域电视系统 IP 化发展和 8K 全台电视应用道路上迈出的坚实一步。系统的建设和应用,不仅为总台 8K 超高清信号转播总控系统进行了业务积累和技术实践,为电视台超高清制播体系中总控系统的建设指明了方向,对其他友邻单位的 8K 系统调度传输体系建设也具有指导和借鉴作用。今后,中央广播电视总台总控系统还将继续对 8K、IP 系统的建设和应用进行探索,包括在 8K 信号的原质实时监看、IP 系统的安全防护以及基于总控实时业务的全系统控管监部署等方面进行攻关,使IP化系统能够早日成熟应用,并最终在固定系统中成功部署和实施。


转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 薛知行