南京广电集团融媒播控中心系统设计与实践

文章阐述了南京广电集团融媒播控中心基于 SMPTE 2110 标准的IP 播出系统的设计原 则和系统架构,提供了总控SDN、IP 播出及 系统监控等重点环节的设计思路与实施方案。 该系统目前已基本完成安装调试,即将进入试 运行阶段,该系统的建成为电视中心架构IP 化 的全面应用提供了成功案例。

摘要

南京广电集团原有电视播出系统始建于2001年,此后进行过两次部分升级改造,为适应播出架构IP化及媒体融合的发展趋势,2019 年在同址不同层新建融媒播控中心。机房总面积475 平方米,其中播出、总控及融媒发布机房275 平方米,节目准备机房40平方米,模块化设备机房160 平方米,机房布局如图1 所示。

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机房配套工程包含装修、风管道改造、VRV 空调、新风系统、消防工程、动力配电及安防监控等。总控屏幕墙采用1.875mm 间距LED 显示屏,总面积约31平方米。播出屏幕墙由33 台58 英寸LED 电视组成。模块化设备机房包括46 个标准机柜、4 个配电柜、6台38kW 列间空调,冷热通道封闭,配有动环监控。市电来自两个不同路由的专线,经ATS 倒换后送到机房。新购两套160kVA 冗余UPS 作为机房主路供电,利旧的120kVA UPS 与市电自动倒换作为备路供电。值班机房实景图如图2。

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一 系统设计原则

◆标准与先进:系统设计符合技术规范,技术指标符合行业标准。所选设备在本领域内具备技术先进性、运行稳定。IP 播出系统采用最新SMPTE 2110 标准,适应广电行业的未来发展趋势;

◆安全和可靠:系统组件确保长期可靠运行,采用冗余备份设计,无单一崩溃点;利用虚拟化技术提高安全性、稳定性和应急响应速度。构建信息安全防范体系,确保系统通过三级等保测评;

◆操作易维护:软件界面友好、操作流程清晰、监控手段完善。虚拟化服务分布式部署,可在线恢复故障,加快业务负载再生速度,达到高效自动化运维的目标;

◆经济易推广:利用虚拟化技术提高设备利用率,大幅减少系统布线和硬件投入,提高系统综合性价比;通用IT 设备占比高,具备良好的推广前景与广阔的应用空间;

◆开放易融合:系统软、硬件设计均采用开放式模块化设计并采用通用接口,确保其扩展性,实现无缝融合、高效对接和数据共享。

二 融媒播控中心系统建设方案

1. 系统整体架构

系统整体架构包含总控调度、IP 播出、远程IP灾备、编码复用传输、信息安全及融媒发布六部分,如图3 所示。

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(1)网络架构

分为数据业务网和IP 流播出网,前者采用叶脊模式二层网络架构,主备核心交换机交换容量为64.32/256Tbps,包转发率为8400/72000Mpps。每台配有2 块16 端口的万兆光接口板,满足核心数据业务的接入需求;2 块48 端口千兆电口网板用于素材传输、播出控制、NDI 字幕流、监控及管理配置等;通过防火墙模块连接编单和广告送播两个子系统。独立的IP 流播出网,基于IGMP 万兆交换层,保证了节目流输出稳定。

(2)二级存储

新购5 节点的EMC X210, 集群物理容量为240TB;原有3 节点EMC X210 二级存储进行扩容至6 个节点,物理容量216TB。2 个集群互为备份,实时自动镜像。

(3)远程IP 灾备系统

系统由1 台刀箱(含5 个刀片服务器)、72TB缓存、万兆光交换机、IP 网关、编码器,以及业务交换机等设备组成。系统位于15 公里外的有线前端机房,利用5G 链路,与主系统进行素材、数据、控制信息及监控信号的双向传输。为适应5G 链路上传带宽限制,素材先在本地自动进行低码率转换。5G 传输链路可以规避传统光缆传输被挖断造成的意外中断,极端情况下,利用本地素材提供不间断的播出信号。

(4)编码复用传输

编码复用设备及光链路均采用冗余备份设计,配备2 台基于ST2110 标准的IP 编码器、2 台HD-SDI编码器、3 台DCM 复用器(2 台用于主备播出信号的复用传输,1 台用于接收有线前端返送的10 路高清信号)。编码器内置“高清”水印及下变换( 挤压模式)。通过光链路将复用后的TS 流分别传输到有线网和2 个发射台。

(5)信息安全

系统信息安全设计目标是符合三级等保要求,保障业务流程以及对外功能模块的安全可靠运行。通过部署防火墙、网闸、堡垒主机、日志审计及数据库审计等信息安全设备,实现边界防护、身份鉴别、日志审计和数据库审计等功能。

(6)融媒发布

系统包含融媒发布板块,融合广播、网络传媒等多平台资源,纳入全频率广播虚拟化集成播控远程监控平台,同时支持PC、手机等多屏内容编辑、管理与发布,为网台及牛咔App 提供短视频及垫片信号,并实时进行融媒传播效果分析。融媒发布具体建设将于项目二期建设中实施,本文不予展开。

2. 总控调度系统设计方案

IP 域的总控信号调度架构大致可分为三种:“双SDN 调度”“SDN 调度+SDI 矩阵”“双SDN 调度+SDI 矩阵”。本系统采用第三种方案,其中SDI 矩阵利旧。对于规模较小的系统,可以将播出、总控SDN 合一。

系统配置2 台支持PTP 的48 个25GbE 光接口的万兆SDN 交换机,形成主备IP 总控SDN 调度,交换机容量3.6Tbps,包转发率2700Mpps,时延450ns,通过100GbE 接口与播出SDN 相连,周边包括SDN控制、IP 网关、IP 多画分、IP 延时等。其中,21 块IP网关负责信号转换,将演播室、卫星接收机、光端机、测试卡、应急源及SDI 矩阵的高清信号转换成IP 流,对于非常规直播的信源则通过SDI 矩阵进行调度。无压缩IP 流的调度可以选择源切换、路由切换和目的切换三种方式,本系统采用第三种,切换在目的端设备(如IP 网关、IP 播出虚机等)完成:接收到切换命令后,由目的端设备向SDN 交换机发起“加入与离开相应的组播组的请求”,由SDN 交换机完成待切换组播流的加入与被切换组播流的离开。SDN交换机接收到IGMP 请求后,在流表(Flow Table) 中查找是否有流表项匹配,若有,则将待切换组播流与被切换组播流同步传输到目的端,此时目的端同时收到两路组播流数据包。先根据PTP 判别帧位置,再利用组播流数据包头的帧结束标识判别帧边界,从而实现IP 流的精准净切换。切换后,被切换的组播流离开所在组播组。通过仿真界面,值班人员可以像操作传统矩阵那样完成IP 信号的调度。但切换时在目的端同时存在2 个码流会占用双倍带宽,因此要限制目的端信号数量,避免因端口堵塞而造成信号中断。新购1 台北斗双模时钟和2 台支持PTP 的同步信号发生器,与原有GPS 时钟及同步信号发生器互为备份。新购1 台IP/SDI 媒体分析平台,用于信号分析和监测。

3. IP 播出系统设计方案

(1)基于ST 2110 的IP 播出系统技术方案SMPTE 2110 系列标准包括ST 2110-10( 系统时钟和定义)、ST 2110-20( 非压缩有效视频)、ST2110-30(PCM 数字音频) 和ST 2110-40( 视频流量整形和辅助数据) 等[1],在HD-SDI 封装成IP 流的过程中,音频流、视频流和辅助数据流既独立又同步,通过各自路由进行传输并在终端同步汇聚,简化了附加字幕、标题及多语言音频等处理,提高了带宽利用率。

a. IP 播出系统架构

在基带向IP 过渡的现阶段,播出系统可采用“双IP”“双IP+SDI”“IP+SDI”等架构,本系统选用“双IP+SDI”,其中SDI 部分利旧。如图4 所示,IP 播出系统由刀片服务器、存储盘阵、播出SDN、IP 四选一、IP 字幕机、IP 画分及IP 监测卡等组成。配置2 台与总控同类型交换机作为主/ 备播出SDN,通过100GbE 接口上联总控,完成IP 流的播出端调度。配置2 台互为主备的刀片服务器机箱,每台内置8 块刀片服务器,并通过万兆接口连接72GTB 在线盘阵,读取素材文件并进行IP 封装播出。

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b. 服务虚拟化

IP 流播出与代理服务可以采用独立分布和混合分布方式,本项目选择后者。假如1 个刀片出现故障,影响流播出服务使用率的17% 或代理服务使用率的14%,冗余度明显高于独立分布方案。每个刀箱另有1 块空闲刀片用于服务漂移,采用专业虚拟化管理组件,达到高可靠、自动化运维的目标。除数据库、HA、Web、控制服务外,将其他每台物理机虚拟成4~6 个虚机,实现IP 流播出、切换、虚拟存储、台时标/ 字幕叠加、监控、迁移、技审、校验、导入等业务。其中专门设置存储虚机挂载在线存储,上接二级存储,下连IP 播出虚机,将播出与存储运算分离,提高播出稳定性。

c. 播出虚机IP 流的净静切换

播出虚机同时支持2 路IP 流输入和1 路IP 流输出,通过配置硬件切换面板,与SDI 切换台或16×2同步切换。IP 播出服务依据串联单,将16 路外来IP流中待切换流引入虚机,实现净静切换。

d. IP 和SDI 的四选一应用

IP 播出每频道配备2 块IP 四选一倒换器,保证输出稳定流。IP 四选一遵循ST 2022-7 标准,支持冗余光纤输入,在自动模式下可以对2 根光纤、或者光纤中优先级高的2 路信号进行数据包层面的检测倒换,最终输出的IP 流返回播出SDN,主备SDN 各自将4路IP流复用在一根光纤,冗余输出至IP编码器。IP 四选一四路输入分别为主备IP 虚机、转为IP 格式的SDI 播出信号及应急垫片。SDI 四选一输入分别为主备IP 四选一的SDI 输出、SDI 播出信号和应急垫片,其输出至SDI 编码器。

e. 高清字幕系统

配备6 台高清SDI/IP 网络字幕机,除支持传统字幕制作、播出功能, 还支持NDI 协议, 单网卡可同时输出4 路NDI 字幕流, 带宽在35Mbps ~ 40Mbps[2]。网络字幕机采用分布式架构,具有独立的数据库、制作和编单工作站。

f. SDI 播出系统

利用之前的5 台多通道高清视频服务器,2 个主要频道保留“切换台+ 四选一”方式,其余频道采用“16×2+ 四选一”方式。保留原有上载/ 审查通道,包含介质上载及文件化送播的人工审查。另配8 台共享应急蓝光录像机用于应急播出。

(2)IP 播出系统软件设计

IP 播出软件系统采用以数据库为中心的分布式架构,同时支持C/S 和B/S 模式,对实时性要求高的播出和控制类软件使用C/S 架构,对灵活性要求高的业务类软件使用B/S 架构。采用模块化结构、开放型平台,各功能模块既相对独立又紧密配合。整个系统由13 个功能模块组成:IP 流播出服务、IP 流播控服务、监管服务、分配服务、代理服务、校时服务、接口服务、监控服务、分片技审服务、分片转码服务、广告管理及串编服务、串联单编排服务、播后统计服务[2] 等,其中主要模块如下:

◆ IP 流播出服务。该服务安装在IP 播出虚机上,完成素材读取、素材封装、流净静切换、内部IP 字幕叠加、外来NDI 字幕叠加、IP 流上变换(拉伸模式)及IP 流播出等功能。采用松耦合模式,定时同步播出串联单至虚机,可实现离线播出功能;

◆ IP 流播控服务。该服务安装在播控站中,依据串联单控制IP 流播出虚机播出,同时对基带系统的切换台或16×2、字幕机、录像机等进行帧精度控制。播控软件保留触发、保持、主从切换,以及“节目预告”(与字幕机关联)等基带播控功能,能够实现系统软/硬件检测、提示、报警,带应急操作软面板;

◆分配服务。完成后台提交任务的分配工作。分配服务对任务进行切片后,自动根据工作状态、资源利用率等,统筹、均衡地为代理服务分配并下达任务,最后对完成的切片予以合并,有效提高了效率及安全性;◆代理服务。该服务安装在多台虚机上,执行MD5 校验、上传、迁移、技审、转码、监控等任务。

(3)可视化智能监控方案

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IP 系统相比于传统基带系统,在大幅简化设备与线路的同时,却给应急处理和故障定位提高了难度,因此IP 系统必须依托强大的后台服务与资源,打造智能化、可视化、细粒度、可追溯的运维监控体系。本系统监控方案保留了传统的设备级、信号级、文件级、流程级等多维立体监测报警展示功能[3],实现了全链路实时可视化展现,加入了基于深度学习的异常事件检测预警和应急处理单元,满足了播出系统智能运维需求,为安全播出提供有效保障。

a. 可视化监控

对全链路关键点IP 及SDI 信号进行采集与检测,实现可视化监控。如图5 所示,在各频道播出链路中部署采集点,通过编码和后台服务转为NDI 低码流以实现图像展示,并辅助显示信号流向、流状态等,以实现快速故障定位。具体关键点如下:

◆ IP 链路:每频道取5 个关键点:主/ 备虚机、主/ 备IP 四选一、SDI 系统16×2 或切换台转IP 信号,其中主频道增加高清央视一套及本台1600 高清演播室信号。所有链路共享IP 应急垫片信号;

◆ SDI 链路:每个频道取8 个关键点:主/ 备视频服务器、HD-SDI 切换台或16×2、主/ 备IP四选一的SDI 输出、SDI 四选一输出、视分、标清PGM。SDI 应急垫片信号共享。

b. 智能播出应急响应

通过数据录入、历史处理记录、日志归集等方式,对常见故障事件及应急处理方案进行深度学习、分析、统计与归纳。异常事件发生时,在进行传统报警提示的同时,智能化提供最优应急处理选项供值班人员参考。

三 结束语

南京广电集团融媒播控系统采用SMPTE 2110 标准、服务虚拟化、分布式计算等技术,构建了虚拟化环境下的“双IP+SDI”混合播出系统,系统无单一溃点,具备完善的监控和应急处理手段,辅以5G 远程IP 灾备系统,为融媒播控系统安全运行提供了可靠平台,体现了标准与先进、安全又可靠、操作易维护、经济易推广、开放易融合的设计原则,满足本集团自办频道高标清节目安全、优质播出的需要。

参考文献:

[1] 贾宏君, 李晓宇.2016 年SMPTE 电视技术标准化跟踪研究[J].广播与电视技术,2017,44(3):155-160.

[2] 金剑, 曹健, 吴永生, 等. 无压缩视频IP 流播出系统的研发与应用[J]. 现代电视技术,2017(11):71-74.

[3] 吴永生, 杨旸. 播出信号监测监录系统的设计与应用[J]. 电视技术,2014,38(8):87-88,94.

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:江苏省南京广播电视集团 金剑 朱晓春 吴永生 杨旸