【數(shù)字視聽網(wǎng)訊】廣電行業(yè)視頻業(yè)務發(fā)展迅速，高清、超高清、各種新興視頻業(yè)務不斷涌現(xiàn)，預示著4K/8K超高清時代已經(jīng)來臨。據(jù)統(tǒng)計，2017年全球4K電視發(fā)貨7500萬臺，占電視總發(fā)貨量的35%。Ovum報告顯示，全球4K付費電視用戶數(shù)量在未來幾年都呈現(xiàn)逐年上漲趨勢，2020年有望達到3000萬用戶。廣電行業(yè)視頻業(yè)務發(fā)展迅速，高清、超高清、各種新興視頻業(yè)務不斷涌現(xiàn)，預示著4K/8K超高清時代已經(jīng)來臨。

在產業(yè)和標準化方面，2012年歐洲廣播聯(lián)盟(簡稱EBU)就已經(jīng)將4K納入到未來超高清發(fā)展路線圖中，并開始制定相關行業(yè)標準，其中重要的關于IP化的標準SMPTE2110也在2017年年底正式發(fā)布;在國內，廣電總局提出將發(fā)展4K超高清電視納入“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃，按照規(guī)劃要求，到2020年，高清頻道要成為主流播出模式，省級以上電視臺標清頻道將全部停播。由工信部、廣電總局、央視總臺三部門印發(fā)的《超高清視頻產業(yè)發(fā)展行動計劃(2019-2022年)》明確提出2020年4K用戶達到1億，2022年達到2億，超高清產業(yè)總體規(guī)模超過4萬億，，4K產業(yè)生態(tài)體系基本完善的目標。

在這種趨勢之下，各電視臺也紛紛開始轉型并進行4K改造試點和商用部署，為大規(guī)模4K建設做鋪墊，4K制播技術和方案成為當前電視臺關注的重點之一。

 

 

 

 

SDI制播系統(tǒng)制約超高清內容生產，成為產業(yè)發(fā)展瓶頸

當前電視臺內部大多采用SDI矩陣對臺內視頻流進行調度和分發(fā)。SDI矩陣在標清和高清視頻業(yè)務發(fā)展階段發(fā)揮了重要作用。然而，視頻業(yè)務在不斷演進，SDI技術卻發(fā)展緩慢，無法滿足4K/8K業(yè)務對大帶寬、靈活性以及成本的發(fā)展訴求。

電視臺內部內容生產過程包括三大環(huán)節(jié)，前端完成攝像機輸入信號、外來信號以及本地收錄節(jié)目的接入，中間經(jīng)過演播室、轉播車、總控和收錄域的SDI交換矩陣進行視頻傳輸，后端實現(xiàn)4K信號處理、多畫面顯示。

SDI交換矩陣作為超高清內容生產的關鍵環(huán)節(jié)，由于其存在維護困難、容量小難擴展和技術封閉等問題，嚴重制約了產業(yè)發(fā)展。

 

 

一、電纜多、維護困難

4K需要的3G-SDI電纜數(shù)量是HD的4倍，3G-SDI傳送距離<=60m，需額外部署光端機，維護困難

采用SDI建設4K制播系統(tǒng)，成本成倍增長

二、容量小、難擴展

3G-SDI/12G-SDI帶寬低，難以匹配4K/8K業(yè)務需求

SDI技術和標準發(fā)展緩慢，成本高

三、技術封閉、制播效率低

制播網(wǎng)和分發(fā)網(wǎng)技術不統(tǒng)一，架構復雜，難以應用虛擬化、云化、AI等先進的ICT技術來提升節(jié)目內容的生產制作效率

IP成為超高清視頻業(yè)務發(fā)展關鍵使能技術，電視臺向融合新媒體轉型需擁抱新ICT技術

當前廣電行業(yè)正面臨著從HD向4K/8KUHD演進、從單一電視業(yè)務向融媒體業(yè)務演進，SDI基礎技術架構已經(jīng)顯得力不從心，在傳送帶寬、傳送距離、部署運維成本、靈活性、自動化、智能化等方面與業(yè)務需求存在巨大差距。

與之相比，IP、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、AI等ICT相關技術發(fā)展迅猛，一日千里，眾多的視頻OTT借助這些新技術獲得了高速發(fā)展。享受ICT技術發(fā)展帶來的紅利，通過先進的ICT技術來改造傳統(tǒng)的廣播電視節(jié)目生產制作系統(tǒng)，提升節(jié)目內容的生產制作效率，提升用戶體驗，降低成本已經(jīng)成為業(yè)界共識，廣播電視基礎架構的IP化、云化、微服務化是廣播電視節(jié)目生產系統(tǒng)改造的重點方向。

為提升節(jié)目制作效率和用戶體驗，傳統(tǒng)電視臺也在積極探索向融合新媒體轉型。轉型過程中，電視臺充分借鑒OTT行業(yè)的成功經(jīng)驗，應用云計算、大數(shù)據(jù)、AI、5G等最新ICT技術對傳統(tǒng)電視業(yè)務進行改造。

為引進新ICT技術，電視臺首先需要借助IP技術進行系統(tǒng)架構簡化，實現(xiàn)傳統(tǒng)電視業(yè)務和新媒體節(jié)目內容的統(tǒng)一制作與分發(fā)，提供更新、更震撼的視聽體驗。

 

 

在面向未來的IP化的廣播電視基礎架構當中，IP網(wǎng)絡和IT軟件將成為價值的部分。在轉播車、演播室、總控、播出系統(tǒng)當中，將以IP交換矩陣為核心連接各種信號處理系統(tǒng)、監(jiān)視監(jiān)看系統(tǒng)、音視頻制作系統(tǒng)、同步系統(tǒng)，來實現(xiàn)視音頻信號、時鐘同步信號的復雜調度和分發(fā);媒資控制器軟件將作為整個系統(tǒng)的大腦，提供融合的控、管、監(jiān)能力;專用的音視頻處理硬件系統(tǒng)，包括切換臺、編等，將逐步實現(xiàn)軟件定義，通過服務器集群+GPU/FPGA+軟件的方式來實現(xiàn);隨著遠程制作、虛擬演播室等業(yè)務的發(fā)展，軟件定義的制播網(wǎng)將成為主流模式。對于非編系統(tǒng)，基于私有云、公有云或者混合云的基礎架構將逐步取代當前的煙囪型的獨立系統(tǒng)，通過構建統(tǒng)一的、共享的基礎資源平臺，來滿足不同電視頻道業(yè)務的需求。

廣電行業(yè)IP化進展快速，標準和產品進入成熟階段

2017年年底，行業(yè)權威標準組織SMPTE正式發(fā)布了IP化標準ST2022和ST2110，標志著SDI制播正在加速向IP制播遷移。

與此同時，業(yè)內主流設備供應商都陸續(xù)推出了各自的IP化產品，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡廠商也積極推出了適配電視臺內部制播網(wǎng)的IP化產品和解決方案。

一、IP交換矩陣是制播網(wǎng)當中核心的設備，當前存在三種主要的技術路線：

第一種由傳統(tǒng)廣電廠商提供的專用的IP交換矩陣，其特點是功能較為完善，支持凈切換等關鍵特性，能夠充分保障視頻質量，但是由于系統(tǒng)封閉，目標市場狹窄，無法分攤成本，價格高昂，業(yè)界對這種技術路線的持續(xù)演進能力存在疑慮。

第二種由傳統(tǒng)網(wǎng)絡廠商提供的通用IP交換機方案，優(yōu)點是開放性強，缺點是無法直接支持凈切換等關鍵特性，需要依賴媒資網(wǎng)關設備實現(xiàn)，導致媒資控制器與媒資終端之間緊耦合，整個系統(tǒng)的靈活性和擴展性不足，不利于系統(tǒng)總成本的持續(xù)降低。

第三種基于通用IP路由器的4K制播網(wǎng)解決方案，目前的典型代表是華為IP化矩陣解決方案，基于路由器網(wǎng)絡處理器芯片強大的深度報文解析能力、靈活可編程能力，再加上創(chuàng)新的軟件算法，提供凈切換、組播NAT、精準PTP時鐘同步、視音頻質量可視化等功能，整體架構簡潔高效，與媒資設備完全解耦，具備非常強的靈活性、擴展性。

二、廣電主流廠商推出符合標準的4K超高清IP化產品

廣播電視基礎架構的IP化涉及眾多子系統(tǒng)，包括交換矩陣、PTP時鐘發(fā)生器、攝像機及訊道控制系統(tǒng)、切換臺、IPG信號轉換網(wǎng)關、多畫面監(jiān)視監(jiān)看系統(tǒng)、慢動作回放系統(tǒng)、幀同步器、技術監(jiān)測系統(tǒng)、編、視頻播出服務器、視頻錄制和存儲系統(tǒng)、環(huán)繞聲/全景聲音頻制作系統(tǒng)等。目前各主流廠商紛紛推出符合ST2110標準的支持4KUHD的產品，但部分產品僅僅是對外提供IP接口，內核并沒有真正IP化，缺乏緩存和幀同步能力，對系統(tǒng)的工程設計帶來挑戰(zhàn)，這類產品未來仍需進一步改進，與此同時，多廠商系統(tǒng)之間的互通性也有待進一步的測試驗證。

新一代面向4K/8K的IP制播網(wǎng)解決方案

為推動超高清產業(yè)發(fā)展，讓更多用戶有機會感受超高清業(yè)務的震撼體驗，華為推出了新一代面向4K/8K的IP制播網(wǎng)解決方案，成功突破超高清制播技術瓶頸。

方案可適配電視臺內部的不同制作場景，包括轉播車、演播室、播出域、收錄和總控。依據(jù)不同場景下業(yè)務規(guī)模的大小，靈活選用NE系列路由器組成雙機主備或者Spine-Leaf結構的IP交換矩陣，幫助客戶構建制播網(wǎng)IP化解決方案。

突破超高清制播技術瓶頸，推動超高清產業(yè)發(fā)展，讓更多用戶都能感受到超高清的震撼體驗。

 

 

華為4KIP制播網(wǎng)解決方案采用創(chuàng)新的算法和靈活可編程的網(wǎng)絡處理器技術，提供基于IP交換矩陣的凈切換和智能識別4K/8K流幀邊界，可實現(xiàn)大規(guī)模音視頻業(yè)務高可靠調度，從而為后端播出提供高質量4K/8K視頻內容;基于Spine/Leaf的Fabric靈活極簡架構，支撐制播系統(tǒng)靈活擴容和超高清平滑演進。

4KIP制播網(wǎng)解決方案具有如下特點：

高質量制播：方案遵循ST2022-6和ST2110、ST2059多種標準格式，基于IP交換矩陣實現(xiàn)視頻流凈切換，配套PTP實現(xiàn)精準時鐘同步。

高可靠制播：采用在運營商市場成熟應用超20年的華為核心路由器設備，具備芯片級、設備級、網(wǎng)絡級的三級高可靠保障，符合媒資行業(yè)ST2022-7標準要求。

極簡制播：設備支持GE/10GE/25GE/40GE/50GE/100GE全系列接口，可實現(xiàn)全系列視頻碼流任意接入。支持與第三方媒體控制器對接集成，可以對端到端IP網(wǎng)絡資源進行統(tǒng)一調度和管理,實現(xiàn)可視化運維。

開放生態(tài)：具備開放的北向接口，支持與多廠商媒資控制器的靈活集成對接。此外，作為傳統(tǒng)IP設備提供商，積極與視頻行業(yè)標準組織、產業(yè)聯(lián)盟以及主流廣電廠商開放合作。

關鍵技術一：凈切換

4KIP制播網(wǎng)解決方案通過NP芯片+創(chuàng)新算法實現(xiàn)IP交換矩陣凈切換，完美保障每一幀視頻質量。

一、凈切換算法：

整幀切換取代傳統(tǒng)報文切換

基于IP交換矩陣實現(xiàn)，與前后端設備解耦，無需雙倍帶寬

自學習，適配多種音視頻格式

二、網(wǎng)絡處理器芯片：

深度報文解析，支持識別幀邊界

靈活可編程，支持各種音視頻標準，兼容主流廠商產品

超高性能，業(yè)界16nm1T芯片，支持大量無壓縮4K流調度

三、凈切換技術實現(xiàn)了切換畫面無損，達到即切即得的切換效果。

畫面無損：普通報文切換的過程中存在黑場、靜幀等問題，而凈切換算法由于實現(xiàn)了整幀切換，可保證每一幀視頻畫面的無損切換。

即切即得：網(wǎng)絡處理器強大的芯片處理能力可以在芯片接收到切換指令后毫秒級完成凈切換，有效保障了客戶佳操作體驗。

 

 

同時，凈切換技術遵循ST2022-6、ST2110標準協(xié)議，支持對SD/HD/UHD等多種格式的音視頻流切換，可支撐各類標準音視頻內容的制播。

關鍵技術二：組播NAT

SDI交換矩陣管理的是物理連接，視頻流的切換基于物理連接進行，不會發(fā)生地址沖突問題。

 

 

交換矩陣IP化后，將面臨如下挑戰(zhàn)：

IP交換矩陣基于IP邏輯鏈路進行視頻流切換，跨部門連接以及臺外互聯(lián)時就會出現(xiàn)地址沖突問題。

IP交換矩陣需要保持網(wǎng)絡物理拓撲和邏輯拓撲穩(wěn)定，消除大量4K/8K視頻調度時遇到的性能瓶頸問題。

 

 

基于此，4K制播網(wǎng)IP化矩陣解決方案中加入了內置組播NAT技術，保證IP交換矩陣與傳統(tǒng)SDI交換矩陣一樣具有簡單的連接。

組播NAT是基于強大的網(wǎng)絡處理器實現(xiàn)的，可以做到按需進行地址轉換，部署方便而且靈活，無需調整網(wǎng)絡拓撲和路由。

分布式NAT，靈活部署，容量大，沒有性能瓶頸。

內置組播NAT，無需額外部署NAT設備，節(jié)省投資。

關鍵技術三：無阻塞調度

在IP化制播網(wǎng)矩陣中承載上百路/千路4K信號時，IP矩陣應具備每路信號帶寬保護、優(yōu)先級策略、負載均衡算法、故障自動恢復、自動釋放網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)大規(guī)模全臺IP總控的IP信號無阻塞實時調度。

在Leaf與Spine之間以及總控與全臺各系統(tǒng)之間，當采用多條100GE互聯(lián)互通時，需要對多條鏈路上的信號進行統(tǒng)一調度策略，保證信號均勻分布在多條鏈路上，保證每路信號的帶寬，避免由于分擔不均勻造成擁塞并出現(xiàn)丟包、信號劣化等現(xiàn)象。

 

 

基于此，4K制播網(wǎng)IP化矩陣解決方案具備了無阻塞調度技術，保證矩陣承載的每路信號帶寬得到保障，相互之間不相互沖突和干擾。

網(wǎng)絡控制器根據(jù)網(wǎng)絡帶寬利用情況，按照均衡算法為新業(yè)務規(guī)劃轉發(fā)路徑并下發(fā)調度策略。

轉發(fā)設備支持對每路信號、每條流量指定出口鏈路，從而保證每路信號從Leaf-Spine-Leaf每跳的轉發(fā)路徑。

在故障發(fā)生時，SDN控制器對故障鏈路上的流量重新計算倒換路徑并重新下發(fā)，整個下發(fā)間隔為秒級。

關鍵技術四：PTP精準時鐘同步

制播系統(tǒng)要求嚴格的時鐘同步。針對標清和高清視頻流，傳統(tǒng)SDI制播系統(tǒng)采用黑場信號(BB)、三電平(TLS)進行精確時鐘同步，實現(xiàn)幀對齊，保證畫面穩(wěn)定和唇音同步。制播網(wǎng)IP化后，如何保障IP制播系統(tǒng)與全臺其他系統(tǒng)的時鐘同步成為了關鍵挑戰(zhàn)。為此，視頻行業(yè)標準組織SMPTE專門推出了ST2059時鐘標準。

 

 

4K制播網(wǎng)IP化矩陣方案中通過PTP技術實現(xiàn)精準時鐘同步，該技術具備如下優(yōu)點：

精度高：同步時鐘精度小于1μs;

部署靈活：遵循ST2059標準要求，支持BC/TC/OC三種時鐘部署模式;

安全可靠：可以部署主備時鐘，基于BMC算法實現(xiàn)時鐘切換保護。

開放協(xié)作，共同促進4K/8K超高清產業(yè)發(fā)展

華為4KIP制播網(wǎng)解決方案提供開放北向接口，支持NETCONF,Telemetry和SNMP等標準協(xié)議，可通過標準接口文檔與第三方控制器進行靈活集成對接，共同實現(xiàn)視頻流的調度、運維等。

同時，配套設備遵循ST2022,ST2110,ST2059等標準協(xié)議,與廣電廠商各種音視頻終端設備具備良好的互通性，確保IP化后網(wǎng)絡設備能平滑融入廣電媒資的生態(tài)系統(tǒng)。

 

 

華為公司同關鍵客戶、主流廣電供應商和行業(yè)標準組織/聯(lián)盟展開廣泛積極的合作、創(chuàng)新，共同推進4K/8K超高清產業(yè)發(fā)展。

與央視進行聯(lián)合創(chuàng)新。完成了聯(lián)合技術驗證并共同申報國家科技部項目，在2019年BIRTV聯(lián)合展示了制播網(wǎng)IP化方案。

與業(yè)界主流廣電廠商(包括海外的SONY、Imagine，國內的格非科技、新奧特正奇等)都建立了合作伙伴關系，致力于為客戶提供端到端佳集成方案。

與國內國際標準組織和產業(yè)聯(lián)盟展開協(xié)作，為超高清標準的持續(xù)發(fā)展和市場推廣作出積極貢獻。

基于華為NE系列路由器打造4KIP制播網(wǎng)解決方案

華為公司簡介

華為是全球的ICT(信息與通信)基礎設施和智能終端提供商，致力于把數(shù)字世界帶入每個人、每個家庭、每個組織，構建萬物互聯(lián)的智能世界。華為攜手合作伙伴，為電信運營商提供創(chuàng)新、極簡智能和安全可信的網(wǎng)絡產品與解決方案;為政企行業(yè)客戶提供開放、智能和安全可信的ICT基礎設施產品與服務。華為主張開放、合作、共贏，與客戶、伙伴合作創(chuàng)新、擴大產業(yè)價值，形成健康良性的產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。作為數(shù)字化轉型的，華為堅持圍繞客戶需求持續(xù)創(chuàng)新，加大基礎研究投入，厚積薄發(fā)，推動世界進步。華為創(chuàng)立于1987年，目前華為約有19.4萬員工，業(yè)務遍及170多個國家和地區(qū)，服務30多億人口。

（編輯：hxl）