全台IP化技术探讨

全台IP化技术探讨

刘孔泉

 

  当前，IT技术已经大范围应用于广电行业，广电领域专业人才依靠IT平台的程度在不断加深。网络化程度及网络部署的深入，广电行业的竞争已经从封闭的专业领域变换到普通行业领域，竞争变得极为强烈。不论是从体制还是业务实现流程上，传播触角的快速、极致延伸，要求广电行业做出改变。

  为终保证广电业务流程中节目的高质量，基础手段还是数字化视音频技术。网络化建设的普及，业务IT化全面提高了节目制作水平和效率，提升了节目生产过程的管控能力。而信号的IP化，使得节目周转、运营从便捷性上了更高的可能。

  当前，电视台总控系统相关设备的IP化应用趋势明显，很多设备已经可以直接转换IP数据流。大量IP化数据中转逐渐成为常态，授权控制难度加大。

  信源的增加速度加快，信源的管理日趋复杂。各类信号到IP，IP到各类信号的环节越来越多。目前，电视台可IP化的业务资源包括：常态资源和临时资源两类。常态资源有：本台播出的电视频道，编码输出的IP流资源；卫视频道，通过卫星接收机输出IP流；有线数字电视频道，通过接收设备输出IP流；其他电视台提供的直播频道，IP流方式提供的信号等。临时资源有：使用3G/4G回传设备回传的IP流；使用转播车，临时租借卫星回传的信号；交通、安防等监控IP流等。

  基带数字信号系统具备技术成熟，可靠性高的特点。信号传输延迟低，适合于直播，技术积累多，信号和线缆对应简单，逻辑清晰，故障易于定位和排查，易于维护。

  但是，基带数字信号系统也存在布线较复杂，线材自身较重，较粗，走线要求高的劣势。信号衰减大，远距离传输需要设备中继。更为麻烦的是，目前4K信号需要多根高清信号线组合同步传输。基带数字信号系统的配套设备较多，包括：视音频矩阵，视频分配器，帧同步器，光端机，大屏监看设备，视音频卡等。这些设备对机房的空间环境、电力、温湿度均有很高要求，综合使用成本较高。

  随着IT技术的进步，全台信号采用IP分发已经可行。千兆(GE)/万兆(10GE)以太网带宽足以传输多路视音频信号。交换机SFP模块＋光纤的普及，实现远距离传输更加容易。基于IP封装的视频信号的检测技术成熟，1根线缆可同时传输多路IP视频信号。IP流监看技术的成熟，极大降低了监看监视的成本。基于MPEG2，H.264，H.265，AVS，JPEG2000，AC3/AAC/MP3/MP2视音频压缩技术已经成熟，TS流封装，已经在卫星/有线系统上成熟应用多年。TS流IP封装传输协议在IPTV系统上也已经全面实现。以太网单播，组播传输协议较的大范围运用也给全台信号采用IP分发提供了可靠的技术保障。

  全台信号IP化分发，对制播过程中使用信号的总控、传输环节进行革新，全面替代目前的数字基带总控矩阵、传输矩阵功能。为保障节目质量，输入端可采用原始码流，直接保存，避免重新编码降低质量。在输出端直接使用IP网络传输，不再是先基带信号输出，再编码保存为文件。电视节目素材收录直接以IP信号收录保存。监看/监测全IP化。基带信号备份，提升信号可用性。播出，监看，收录，IPTV，手机电视，OTT电视，网络电视全面打通。将全面降低传输，监看，接收等环节的布线和管理成本。

  当然，全台信号IP化也面临挑战和问题。这包括：如何封装数据、如何传输分发、延时和丢包问题、IP化控制问题、运营思路及人才储备、设备改造可能带来的业务流程变化等。由于以太网原本只设计用于处理纯粹的静态非实时数据和保证其可靠性，至于顺序和包延迟等并非作为重要的考虑因素。尽管传统二层网络已经引入了优先级（Priority）机制，三层网络也已内置了服务质量（QoS）机制，但由于多媒体实时流量与普通异步TCP流量存在着资源竞争，导致了过多的时延（Delay）和抖动（Jitter），使得传统的以太网无法从根本上满足语音、多媒体及其它动态内容等实时数据的传输需要。

  关于数据封装，视音频要分开还是合并在1个流里，目前有两种思路。一种思路是将视音频合并在一起，保持视音频同步，类似TS流，这种封装有利于传输不利于后期制作。另一种思路是把视音频分开，按需传输，这种模式有利于后期制作包装。随着第一轮IP不压缩基本流SMPTE ST 2110标准完成，现场制作演播室内已可从基于SDI信号流转换到基于IP。

  演播室系统必须安装大容量因特网以太网交换机，容量要达到每秒兆兆位（Tb/s）范围。需要安装IEEE 1588精确时间协议主时钟和基础设施。一些大电视广播网当前正在进行这些升级。IEEE 1588精确时间协议的基本构思是通过硬件和软件将网络设备的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立的时间小于1us的运用。其中最关键的协议是IEEE802.1AS精准时间同步协议（PTP），这是IEEE1588的简化版。PTP完全基于二层网络，非IP路由。它PTP定义了一个自动协商网络主时钟的方法，以及底层协商和信令机制，以标识出主时钟。网络中设备，利用路径延迟测算和补偿技术，将其本地实时时钟（RTC）与主时钟匹配。在最大7跳的网络环境中，理论上PTP能够保证时钟同步误差在1us以内。

  除了视频，IP技术已经对其它用于现场制作的信号产生重大影响。一个例子是内部通话系统，它几乎已经抛弃了昂贵的T1/E1和ISDN电话线路，转而使用低成本IP接口，特别是在广域网中。对采用AES 67标准传输不压缩音频，IP网络也越来越受欢迎，尤其是在音频信号没有被嵌入SDI视频信号内的场合。

  IP网络流行的另一种应用是在系统控制和监测中。应用范围从简单的设备状态报告到现场制作实时全面控制。考虑到这些所需的极小带宽，IP系统的灵活性提供巨大的好处。此外，现场制作期间还有很多可通过IP完成的非实时工作。包括电子邮件、基于网络的搜索及其它准备工作。

  文件传输为又一个IP技术明显占据支配地位的领域。目前大部分现场制作需要各种各样的图形叠加、插播广告、存档片段及其它基于文件的内容等形式的支持。无论是在演播室内还是在远程输送网络上，IP网络都是传输这些文件的完美选择。

总的来说，全台实现IP化之后，系统结构将更加简单，系统将更加安全，运营维护成本也将大幅度降低。