大型直播节目多媒体数据传输IP化解决方案

杨 斌

（浙江广播电视集团，浙江 杭州 310005）

0 引 言

SDI over IP路由矩阵是建立在IP网络基础上的数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）矩阵，采用IP交换机+软件定义网络（Software Defined Network，SDN），在SDN的控制和管理下，通过IP交换机来完成传统SDI矩阵的切换功能[1]。IP架构可以满足媒体业务灵活、弹性的增长。将网络IP技术运用到广播电视节目的传送领域，可以大幅提升广播电视节目信号的传输质量及传输效率，还能促进广播电视节目与新技术相结合，继而推动广播电视节目不断创新。

随着电视大型直播节目业务的飞速发展，直播外场和总控机房之间的信息交互类型、内容、方式都发生了深刻的变化，从单向的、纯视音频的转播需求，转变成包含数据、内通、视频、音频等多种媒体数据、多向交互的发布需求，而如何利用IP等技术改变原先卫星、光纤、网络及电话等传输载体分离、成本高昂的现状，在保证播出安全的基础上实现“降本增效”的效果，是技术上值得研究和探讨的。

1 主要研究内容

电视中心对媒体信号调度网络有着较高要求。调度网络需要具备高可靠、高带宽、低延时、精准的时钟同步等特征。基于SDN的媒体IP调度方案需要在多个方面做技术优化与创新。

首先是在SDI控制系统基础上探索向IP架构的扩展和升级，充分挖掘新型全数据混合（SDI+IP）一体化传输设备的功能；其次是探索新型“降本增效”的播出系统数据结构，将总控系统延伸到大型活动现场，以最小的传输链路成本，获取数据最大化传输价值。

为保证本项目可行性验证的准确性、兼容性及广泛性，整体研发项目提出两种IP控制方案，分别是IP边缘控制调度和SDN（组播NAT）切换调度方式。对软件控制模式、流程等进行优化，结合硬件部署、系统流程方案等，研究整体体系提升方案，针对不同方案进行对应的软件调改，使用调整后的软件进行可行性验证。

1.1 多媒体信号的综合管控研究

实现IP架构下SDI over IP的视音频信号的综合管控，可以部署在IT服务器等其他环境下，支持SMPTE 2110、AES 67等标准及技术规范[2]。

（1）两端最大化。在信号源端，汇总包括视频、音频、通话、网络多种格式的数据，最大化地进行数据汇集。在视频服务器端采用all in one的配置、控制与监控，完成台内垫播以及其他素材插入的需求。

（2）链路最简化。利用时钟差分技术，遵从IEEE 1588 PTP协议建立IP流平台精确时钟同步；并将所有信号进行统一传送，利用SMPTE ST2022-7标准进行网络路径冗余控制。

1.2 IP控制方案设计研究

IP控制方案的设计可参考以下方式。

（1）采用网络编程和逻辑与算法，优化网络SDI over IP流的带宽保护、流优先级、访问控制等策略，实现控制响应时间的优化。

（2）可采用IGMP Join/Leave方式、OpenFlow的交换机工作方式，控制器使用OpenFlow的协议，可添加、更新和删除流表中的表项，即主动或被动响应数据包[3]。每个流表项包含匹配字段，计数器和一组指令，用来匹配数据包。

（3）可采用交换机定时切换、源端定时切换、目的段定时切换等多种净切换方式[4]。

（4）可采用SMPTE 2110-20/21的N、W等多种信号类型，缓解ST 2110-20中存在的拥塞问题。

（5）可采用组网络地址转换（Network Address Translation，NAT）方式，给出了NAT在处理组播流量时的要求。实际上，为了支持组播流量，需要用组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）代理来增强NAT。此外，位于NAT内部的主机发送到外部的数据包的目的IP地址和端口不会被修改。从内部传输到外部的流量，其源地址和端口号可根据单播用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）行为修改。

当前，基于SMPTE ST2110标准的广电IP化制作播出系统作用愈发明显，而基于IP架构的设计思路在面向技术发展时依旧保留着极大的弹性空间。此次基于多功能综合传输设备MicroN为核心的多媒体数据传播系统可以将SMPTE ST2110-20、ST2110-30、ST2110-31等格式纳入体系，并支持NMOS IS-04、IS-05，利用网关节点将基带系统与IP系统对接融合。

另外，该架构组网拓扑结构较为灵活，除P2P方式外，环型、双链路环型、星型、Mesh结构均可使用。架构内节点支持基于设定优先级的自动路由计算及重构，在系统部分节点故障情况下可以依据设定确保信号传输，有效提高系统安全性。

2 系统总体设计

2.1 系统架构设计

系统架构设计上，充分利用IP及TDM分时复用光纤传输技术，结合原技术系统特点，搭建一套基于去中心化方式组建的分布式传输网络，架构如图1所示，将数据（Data）、内通（Intercom）、视频（Video）及音频（Audio）纳入其中。同时，在系统两端各增加一对安全可靠的传输（Secure Reliable Transport，SRT）编、解码器，既可满足直播外场、延时播出、融媒发布等各业务端对多种信号格式的技术需求，也增加了端到端的视音频传输安全性[5]。

图1 传输链路系统架构设计图

系统具备双向同带宽的传输能力，可直接通过光纤网络传输无压缩音视频，同时利用TDM时分复用技术，用千兆以太网通过以太网隧道方式进行传输，将系统功能延伸至千兆网络可容纳的全部使用场景，以此消弭播总控系统与直播外场的物理隔阂。

2.2 控制调度设计

由于系统架构设计充分考虑了多种媒体数据信号的传输调度功能，因此，控制调度设计必须在原SDI播出系统控制特点的基础上兼容IP化业务发展的技术需求。结合实际业务，利用IP技术设计的媒体信号调度控制如图2所示。

图2 媒体信号调度控制设计图

在具体应用上，用户可以根据IP业务需求量以及当前在用系统的技术特点，采用以下两种方式实现媒体信号的调度和控制。

2.2.1 IP边缘控制调度设计

进行以SDI信号调度为主的少量IP业务时，可采用IP边缘控制调度设计方案，如图3所示。系统由MicroN媒体处理设备、IGMP交换机、高清视频服务器（all in one）组成媒体节点及核心网络层，完成信号交换；上层由播控工作站控制视频服务器及MicroN媒体处理设备，播控软件根据播出节目单完成播出。

图3 IP边缘控制调度链路图

IP边缘控制调度过程设计如下。

（1）MicroN支持SDI over IP双向转换能力，同时支持内部切换，即MicroN同时作为信号输入输出边界和前级矩阵存在。

（2）播控软件采用sw-p-08协议对MicroN直接控制，完成播出前级信号做预调度。MicroN输出的外来信号PGM设置为固定的组播地址，通过MicroN内部切换对信号内容进行切换，即完成矩阵切换功能。MicroN预调度成功后反馈给播控软件，视频服务器通过IGMP交换机，固定拉取1～2路外来信号PGM流。

（3）播控软件根据播出节目在视频服务器内部完成硬盘-外来、外来-外来、外来-硬盘三类信号切换，并输出末级PGM信号。

2.2.2 SDN综合切换调度设计

转基因作物的种植现状。作为全球最早开发和种植转基因作物的国家之一，2013年，我国成为世界第6大转基因作物种植大国，主要为抗虫棉。转基因作物在生物转基因性状上包括：抗病毒、抗除草剂、抗细菌、抗耐药、抗旱、抗虫等改善品质。虽然在转基因农作物方面取得新成果，但是产业化的发展还不算很强，这就需要短期内进一步的改革和落实方案[2]。

进行以IP信号调度为主的大量IP业务时，可采用SDN切换调度设计方案，如图4所示。系统由MicroN形成信号处理边界，实现基带-IP的信号转换功能。切换动作由SDN交换机/路由器+SDN控制器实现，需要部署主备SDN控制器，控制SDN交换机将IP信号输入视频服务器；播出控制工作站的前级切换控制对象是SDN控制器。

图4 SDN综合切换调度链路图

SDN综合切换调度过程如下：

（1）MicroN媒体处理设备可以完成外来SDI信号向IP信号的转换，向SDN核心矩阵发流。

（2）播控软件与SDN控制器通信，做预调度动作；SDN控制器接收播控软件的控制命令，对SDN交换机下发流调度指令（流表），控制SDN交换机（NAT）模式完成信号复制工作；流完成切换这个组播NAT过程中，从MicroN输入的组播地址要更改为输出到FMS的组播地址，这两个地址是不一样。

SDN架构将传统网络调度的逻辑控制和物理切换层面分离，实现网络调度的可管可控是视音频信号IP化调度方案的前提，而实现SDN交换机的切换控制的方式就是下发流表[6]。流表中主要包含源和目的地址以及要进行的操作。

通过Openflow或交换机提供的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），可以控制数据流在交换机里的转发。如表1所示，源A源B输出至视频服务器，可用于外来IP流信号的切换。

表1 流组播地址

此时，交换机流表如表2。

表2 交换机流表

当播控软件向SDN控制器发出到“把源B切换到视频服务器IN”命令后，交换机将会删除流表项1，添加新的表项，从236.0.0.2：1001切换到视频服务器IN。预调度成功后反馈回播控软件。播控软件根据播出节目在视频服务器内部完成硬盘节目和外来信号的信号切换，输出PGM信号。

3 应用案列

3.1 中国好声音-巅峰之夜

在《中国好声音-巅峰之夜》节目转播中，在萧山转播现场与莫干山路总台总控系统中分别部署了MicroN分布式传输矩阵节点，搭建最大双向20 Gb·s-1带宽的互为备份的双环拓扑。该网络可支持最多12路双向传输嵌入16 Ch音频的1080i50信号，嵌入音频可支持Dolby-E格式，Dolby DD+编码透传格式，同时还可传输2×64 Ch MADI I/O@48 kHz音频信号；附加 1×1 Gb·s-1以太网隧道，可传输基于SMPTE ST2110-30标准、AES67标准的通话、音频组播，以及通过SRT编解码设备实现多种信号格式的信号备份和发布需求，在节目、宣传、编排、安播等各业务岗位之间建立起高效的连接，实现信号、数据、通话的共联共享，最大限度地满足通信、传输、剪辑、编播及发布等大型直播节目的业务需求。

3.2 天猫双11全球狂欢夜

2021年11月10日，《天猫双11全球狂欢夜》在上海梅赛德斯奔驰文化中心举行，浙江卫视、上海东方卫视、优酷视频等多家媒体同步播出。由于直播现场与总控之间的物理距离超出系统设计的10 Gb·s-1BiDi SFP+最大传输距离80 kM，技术团队引入5G传输，进一步扩展了系统的应用范围。

该方案对杭州莫干山总台总控、上海梅赛德斯-奔驰文化中心内转播车、上海SMG总控三地进行异地组网，实现基于不同运营商、不同地理位置的基于公网的异地局域网，通过建立Layer-2网络有效降低系统间通信的复杂度。其中，位于上海SMG总控的系统内，通过利用5G CPE及多运营商网络聚合方式，实现高稳定性公网接驳，从而以最简化系统满足了异地组网需求。方案建立了以浙江广电集团播出中心为中心节点，新闻演播室为本地通信节点，上海梅赛德斯奔驰文化中心、上海SMG总控为远程节点的通信网络。直播节目外场如图5所示。

图5 天猫双11直播节目外场

4 结 语

通过两场大型直播节目的实战检验，基于IP架构的多媒体数据传输管理和应用方案很好地解决了大型直播节目中外场与总控系统之间信号、数据、通信等多种媒体数据互通的业务需求，强化了直播现场与后端编播岗位之间的沟通联系，并对5G、IP以及SDI、IP共存状态下的传输、控制、切换等技术做了积极的探索和实践，为实现IP架构下的多种业务发展积累了经验。