广播电视行业从SDI 到IP 的转变

王世娜

（中央广播电视总台，北京 100040）

0 引言

串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）技术作为一种基于串行数字信号的传输技术，具有高带宽、高可靠性和高质量的特点。随着4K、8K 超高清电视快速普及，5G、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等信息技术得到广泛应用，广电行业已经进入媒体深度融合、新技术应用层出不穷的高速发展阶段。广电网际互连协议（Internet Protocol，IP）化被视为实现广电行业数字化转型的关键技术。2021 年11 月，《广播电视和网络视听 “十四五” 科技发展规划》正式印发，规划提出要 “建设新平台” ，这个 “新” 体现在广电媒体平台的IP 化、云化、融合化、智慧化上，标志着广电行业从传统技术布局向全面向IP 化战略格局转变。

1 SDI 技术的基础结构以及在广播电视行业的优势和局限性

1.1 SDI 技术的基础结构

SDI 是广播电视行业常用的数字信号传输技术，采用串行传输方式，能够实现高质量的音视频信号传输。SDI 技术的基础结构主要包括信号源、编码器、传输介质、解码器和显示设备等几个关键组成部分。信号源是指广播电视行业中产生音视频信号的设备，如摄像机、录音机等。这些设备将采集到的音视频信号转换成数字信号，通过编码器进行压缩编码，以便更好地传输和储存。编码器是将信号源产生的数字信号进行压缩编码的设备，主要采用一些先进的视频编码算法，如H.264、MPEG-2等，将数字信号压缩成更小的数据量，从而减少传输带宽和存储空间的占用。传输介质是指传输SDI信号所使用的物理媒介，一般采用同轴电缆或光纤等。同轴电缆具有良好的抗干扰能力和传输距离较远的特点，适用于短距离传输；光纤具有更高的带宽和更远的传输距离，适用于长距离传输。解码器是将传输过来的SDI 信号进行解码还原的设备，能够将压缩编码后的数字信号解码成原始的音视频信号，并通过显示设备进行播放或显示。显示设备是将解码后的音视频信号进行播放或显示的设备，如电视、显示器等，能够将解码后的信号还原成人眼可识别的图像和声音。

1.2 SDI 技术在广播电视行业的优势

SDI 技术在广播电视传输中具有高清晰度和高质量的优势。通过使用数字信号传输，SDI 能够保证视频和音频的高保真传输，避免了模拟信号传输过程中的损耗和干扰，能够保证视频的清晰度和准确性。这对于广播电视行业来说非常重要，因为观众对于高清晰度的视频有着越来越高的要求。

SDI 技术在广播电视传输中具有稳定性和可靠性。SDI 接口技术采用差分信号传输，能够有效地抵抗传输过程中的噪声。SDI 技术还支持纠错功能，能够自动检测和修复信号中的错误，提高传输的可靠性。这对于广播电视行业来说非常关键，因为广播电视节目需要长时间的连续传输，对于传输的稳定性和可靠性要求较高。特别是在直播和实时传输的场景下，SDI 技术更显优势。

1.3 SDI 技术在广播电视行业的局限性

SDI 线缆传输距离有限制，其传输距离一般不超过100 m。这对于一些需要长距离传输的场景来说是一个限制。SDI 信号是单向传输的，传输100路信号需要200 根线缆，导致线缆过多。电视台的播出机房内会有几百甚至上千条SDI 线缆，增加了布线和维护难度。SDI 线缆故障时，处理方式通常是增加一条新线而不是替换掉故障线缆。

SDI 接口缺乏网络化的特性。在当今信息技术快速发展的背景下，广播电视行业对于网络化的需求越来越高。SDI 接口并不支持网络传输，限制了其在一些网络化应用场景中的应用。

SDI 线缆传输高清数字电视信号没有问题，但是随着广播电视行业的发展，SDI 很难胜任超高清电视信号的传输。传统SDI 逐渐成为超高清内容生产发展的瓶颈。特别是在4K 电视节目制播流程中，传输一路4K 超高清信号需要4 根3G-SDI 线缆，对设备接口要求太高，且电缆过多会造成维护困难。尽管单根12G-SDI 线缆已经出现，但是高昂的价格使其距离实用阶段还遥遥无期。SDI 技术和标准发展缓慢，制播网和分发网技术不统一，难以应用虚拟化、云化等先进的技术来提升节目内容的生产制作效率[1]。

因此，要发展4K 超高清数字电视，只能放弃SDI 架构从而转向IP 技术。

2 广播电视行业中的IP 技术以及应用

2.1 IP 技术简介

IP 是一种用于数据传输的网络协议。IP 信号双向传输，有利于提高端口利用率，可以实现设备硬件小型化。IP 信号采用交换机实现汇聚转发，使得系统物理结构稳定，逻辑架构更灵活。一对光纤传输信号带宽由光模块决定，单链路能承载多路信号，能有效地提高线路利用率，系统集成和维护起来更简单。光信号传输距离更远，可实现远程制作，多系统级联更加方便。

2.2 IP 技术在广播电视中所具备的优势

不同于传统SDI，IP 技术带来了全新的信号传输和信号调度方式，同时兼容压缩与非压缩信号，无论是无压缩的超高清、高清、标清视频信号，还是压缩的MPEG-2、H.264 等信号都能正常传输[2]，有利于进一步利用现有运营商的基础干线和传输资源。IP 信号双向传输，可以提高端口利用率，节省资源，促使设备硬件可以逐步小型化。采用交换机实现汇聚转发，采用数据中心堆叠的方式，使得系统物理结构相对稳定且逻辑构架相对灵活，扩展以及升级非常方便。传输信号由光模块带宽决定，单链路承载多路信号，有效提高线路利用率，使得系统集成和维护起来相对简单。

2.3 IP 技术在广播电视中的应用

SDI over IP 路由矩阵完全可以替代传统SDI矩阵。这种IP 化矩阵是建立在IP 网络基础上的SDI 矩阵，采用IP 交换机和软件定义网络（Software Defined Networking，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。SDN 能够对传统基带矩阵和IP 矩阵统一管理，让它们看上去就如同一个矩阵系统一样运行[3]。SDI over IP 路由矩阵具有SDI 输入与输出接口，可以将SDI 基带信号实时打包为IP 数据包，在以太网中进行传输。IP 矩阵可以实现所有的信号在任意输入输出间的调度，网络带宽可以支持传输多路SDI over IP 数据。SDI over IP 路由矩阵能够同时支持对于SDI 信号和IP 信号的管理，工作人员并不需要关心信号的类型，只需要依照以往的操作模式进行操作[4]。

通过IP 化制播网，传统媒体可以弥补自身短板，与新媒体融合，实现信息交互和多屏；同时可以充分利用新兴技术，共享资源，吸收互联网经验，实现技术突破。IP 化制播网的核心是IP 化交换矩阵。IP 化交换矩阵主要由Spine 和Leaf 这两个交换层组成，Leaf 层由访问交换机组成，汇聚来自服务器的流量，并直接连接到Spine。Spine 交换机在全网格拓扑中互连所有Leaf 交换机。首先，IP 化交换矩阵更加扁平化，能有效缩短服务器之间的通信路径，从而降低延迟，可以显著提高应用程序和服务性能；其次，它更易扩展，可以通过增加Spine 节点数，解决Spine 交换机的带宽不足；再次，可以通过增加Leaf 节点数，解决接入连接不足；最后，可以在无环路环境中使用全网格中的每个链路并进行负载平衡。这种等价多路径设计，在使用SDN 等集中式网络管理平台时处于最佳状态。SDN 允许在发生堵塞或链路故障时简化流量的配置，管理和重新分配路由，使得智能负载均衡的全网状拓扑成为一个相对简单的配置和管理方式。在Spine-Leaf 网络架构的助力下，IP 化交换矩阵因其可扩展性、高可靠性和高性能备受青睐。

3 IP 化对广播电视行业的挑战以及解决策略

传统的SDI 系统中，SDI 的信号点对点传输，从一端到另一端，仅需要简单的连接就能连通。在故障排查方面遵循简单逻辑，能快速排查到故障点。但是在IP 系统中，信号都是以交换机作为传输核心，除了保证线缆连通外，还需要进行相应的设置，才能实现信号传输。在排查故障时，如果故障涉及交换机、终端设置错误，需要具备一定网络知识的人员完成。同样，在IP 化以前，系统的应急手段在理论上易于理解，在逻辑上明确清晰，应急流程可规范化，从而可降低操作难度，并且在经历了长时间的验证后证明有效，如以备路代替主路或者备份设备代替在用设备、物理跳线、设备重启等。系统IP 化后，上述措施大部分失效，取而代之的是需要对网络链路和设备进行流量分析、端口分析、路径分析及数据包分析等，进行一系列互联网层面的分析和排查。当面临紧急情况，广播电视行业安全播出保障人员必须具备很强的排除故障能力、有效应急能力，因此需要培训一批懂网络、懂IP 的广播电视行业从业人员。此外，基于大数据和AI 技术进行监控、故障判断以及定位[5]。

4 结语

广播电视行业正逐步实现从传统的SDI 到IP的转变。IP 化的精髓是，不同的信号可以共享同一个IP 平台，不同的信号可以共享同一个链路。与传统线性的、从左到右的SDI 不同，IP 化系统是非线性的，使得系统能更加灵活，有助于提升传输效率，降低成本。IP 技术以其多样的兼容性、灵活的数据交换方式、庞大的带宽，为广播电视行业全媒体融合平台提供了有效的解决方案。