平昌冬奧會(huì)4路smpe2025-ip化總控調(diào)度系統(tǒng)

平昌冬奧會(huì)4路smpe2025-ip化總控調(diào)度系統(tǒng)

三gs-sdi接口改造在平昌奧運(yùn)會(huì)的播種過程中，obs最初為每個(gè)接受能力的播種者提供了4個(gè)高分辨率的公共信號。在對4K信號進(jìn)行調(diào)度處理時(shí),傳統(tǒng)SDI數(shù)字視頻矩陣只能以4路3G-SDI接口的方式進(jìn)行支持,這不僅會(huì)占用大量的系統(tǒng)接口資源,增加外場集成和實(shí)施難度,也帶來了4路3G-SDI信號調(diào)度傳輸時(shí)的不同步等新問題。為了優(yōu)化4K信號的調(diào)度和處理機(jī)制,IBC總控系統(tǒng)對雙核心調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了異構(gòu)設(shè)計(jì),A調(diào)度核心仍為傳統(tǒng)的SDI數(shù)字視頻矩陣,而B調(diào)度核心則首次使用了IP化的總控信號調(diào)度系統(tǒng)。1.ip數(shù)字視頻流的信號封裝2007年~2013年間,美國電影電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)陸續(xù)發(fā)布了視音頻IP化封裝標(biāo)準(zhǔn),如SMPTE2022等。SMPTE2022標(biāo)準(zhǔn)定義了音視頻信號IP化的基本方式,為電視信號的全流程IP化制播和傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。但是近年來隨著4K信號的蓬勃發(fā)展,為了突破SMPTE2022標(biāo)準(zhǔn)最高只支持3G信號帶寬,以及無法解決視音頻分離獨(dú)立傳輸?shù)钠款i,SMPTE頒布了SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)。SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了專業(yè)IP網(wǎng)上獨(dú)立的各信號流實(shí)時(shí)傳輸、同步的方式,它有兩個(gè)非常重要的定義:一是定義了音頻、視頻和輔助數(shù)據(jù)IP流的分離傳輸,而各個(gè)IP流之間又可保持同步,為下游制播系統(tǒng)獨(dú)立使用視音頻信號提供了便利,打通了全流程IP化的制播環(huán)節(jié)。二是將所需封裝的視頻信號從像素點(diǎn)的層面進(jìn)行定義,不再受3G接口帶寬的限制。無論是對4K、8K乃至更高分辨率和帶寬的信號,都可按照SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的IP化封裝,形成單一IP視頻流在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行調(diào)度使用,徹底解決了4路SMPTE2022-6信號IP流在解決4K信號調(diào)度和使用過程中的問題。基于平昌冬奧會(huì)4K信號的調(diào)度需求和SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)的未來發(fā)展方向,并兼顧中央電視臺演播室系統(tǒng)的IP化設(shè)計(jì)改造進(jìn)程以及無損調(diào)度傳輸?shù)募夹g(shù)要求,IP化總控調(diào)度系統(tǒng)采用了SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)信號IP化封裝的基本實(shí)施規(guī)范。2.網(wǎng)口接入和ip信號封裝IP化總控調(diào)度系統(tǒng)以COTS交換機(jī)為核心交換調(diào)度單元,配備SDI/IP封裝和解封裝的網(wǎng)關(guān)(Gateway)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)SDI信號的輸入輸出,再輔以SDN網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)測軟件,實(shí)現(xiàn)整個(gè)IP調(diào)度系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。z交換機(jī)調(diào)度系統(tǒng)采用2葉1脊架構(gòu)(Spine-leaf)。脊交換機(jī)為全100GE接口交換機(jī),負(fù)責(zé)連接各個(gè)葉交換機(jī)。而葉交換機(jī)則配備100G、10G或1G的網(wǎng)口,接入了SDI網(wǎng)關(guān)和IP監(jiān)看等業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)備,或其他外來IP信號流;z系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立物理域的交換系統(tǒng)架構(gòu),每個(gè)域配備獨(dú)立的葉脊傳輸設(shè)備,可分別傳輸SMPTE2022-7的主或備流,確保主備信號物理傳輸?shù)莫?dú)立與安全;z網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)SDI信號和IP信號間的封裝和解封裝工作。高清和4K的SDI信號首先接入到網(wǎng)關(guān)設(shè)備中,按照SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)封裝為視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)三路獨(dú)立的IP組播流,并通過100GE接口輸出至葉交換機(jī);z支持SMPTE2022-7協(xié)議,在SDI信號IP封裝時(shí)輸出主、備兩路相同內(nèi)容的IP流,解封裝網(wǎng)關(guān)通過同時(shí)接收主、備路IP信號并解封裝使用,將IP傳輸過程中丟包或抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)因素對視頻信號產(chǎn)生的影響降到最低;zIP終端設(shè)備在需要使用源IP信號組播流時(shí),通過發(fā)起IGMP組播請求協(xié)議的方式向交換機(jī)發(fā)起組播使用請求,交換機(jī)通過內(nèi)部控制器對組播進(jìn)行路由,將信號最終送至終端設(shè)備中使用;z配備泰克公司的SPG8000A同步信號發(fā)生器,通過1GE網(wǎng)口與交換機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)廣播PTP信息。各終端設(shè)備均與PTP相鎖定;z配備IP多畫面分割器和IP信號示波器,通過10G端口與交換機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有IP流的實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)看。IP化總控調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。3.采用二次組播方式確保帶寬充放電IP總控系統(tǒng)采用的是商業(yè)交換機(jī)方案(COTS:Commercialoff-the-shelf架構(gòu))來進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計(jì):z系統(tǒng)使用通用IT交換機(jī),享受交換機(jī)處理能力高速發(fā)展的紅利,適應(yīng)總控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量信號調(diào)度處理和高帶寬與高密集度架構(gòu)的需要;z由于二層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在組播下的默認(rèn)行為是廣播組播流量至所有交換機(jī)的端口,組播有可能導(dǎo)致“溢出(flooding)”,影響電視IP信號流的正常使用。系統(tǒng)采用通用的三層組播(參考OSI模型)架構(gòu),系統(tǒng)在接收者主動(dòng)申請(IGMP方式)使用組播時(shí),才會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的IP數(shù)據(jù)流,從而確保最佳的帶寬利用率;z系統(tǒng)配備媒體控制器,實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)的流量策略控制和IP流的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)通過收到來自接收端的IGMP加入請求,觸發(fā)控制器實(shí)時(shí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的可用路徑,提供最終端到端的路徑。這個(gè)過程有助于確保有效使用帶寬,保障所有的高帶寬流量全部為無阻礙傳輸。z媒體控制器還為系統(tǒng)提供了開機(jī)自動(dòng)配置(POAP)、動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)拓?fù)浜椭鳈C(jī)連接、建立帶有保證帶寬的流量、進(jìn)行流量策略設(shè)置包括帶寬預(yù)留和流量監(jiān)管、對流量進(jìn)行監(jiān)測和分析等功能。IP總控系統(tǒng)在實(shí)施時(shí)即通過控制器對交換機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組播白名單以及每個(gè)組播帶寬控制策略等進(jìn)行設(shè)置,確保網(wǎng)絡(luò)接入的安全和組播的有效管理(圖5)。4.sdi/ip網(wǎng)關(guān)由于3840×2160/59.94P格式的4K信號在按照SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IP化封裝時(shí),視頻信號的IP流高于10G帶寬,現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)設(shè)備若仍采用10GE的接口可能無法滿足4K信號IP流的使用。IP化總控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高清和4K信號SDI/IP封裝和解封裝功能,使用了100GE接口的SDI/IP網(wǎng)關(guān)設(shè)備,以期解決10GE網(wǎng)絡(luò)接口對信號調(diào)度和使用的局限。IP化總控系統(tǒng)配備的SDI/IP網(wǎng)關(guān)設(shè)備基于SMPTE2110標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),配備32個(gè)SDI信號接口,內(nèi)置4個(gè)核心處理器,采用2個(gè)100G帶寬的接口完成高達(dá)32路3G信號或8路4K信號的無壓縮封裝/解封裝處理,充分滿足高清和4K信號的IP傳輸要求。同時(shí),網(wǎng)關(guān)還支持MADI音頻、光電電光轉(zhuǎn)換、IP封裝解封裝、4K/UHD上下變換等多種信號的處理功能、基于SMPTE2022-7標(biāo)準(zhǔn)的鏈路保護(hù)和NAT地址轉(zhuǎn)換等功能(圖6)?？偪卣{(diào)度系統(tǒng)共配備了8臺網(wǎng)關(guān)設(shè)備,來支持128路3G信號的輸入和輸出(其中每4個(gè)SDI輸入可視為1路4K信號)。IP信號封裝端固定對輸入的SDI信號進(jìn)行IP化封裝,而解封裝端按需在交換機(jī)內(nèi)進(jìn)行組播使用請求,并將IP信號解封裝成SDI信號輸出。SDI/IP網(wǎng)關(guān)的每路SDI(高清或4K)輸入和輸出信號接口,都映射為控制系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)輸入或輸出端口。在對信號進(jìn)行切換時(shí)控制服務(wù)器會(huì)通過數(shù)據(jù)庫尋找源信號的組播地址,并將其下發(fā)到解封裝端的SNP端口上。輸出端口在收到所需解封裝的組播地址信息后,對交換機(jī)發(fā)起IGMP請求,取得該IP組播流后,解封裝成SDI信號輸出,完成輸出信號的切換工作。在平昌冬奧會(huì)轉(zhuǎn)播過程中,我們對不同的視頻信號源分別按SMPTE2110-20標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IP化封裝和使用,包括高清、3G和4K信號源(圖7)。同時(shí),總控系統(tǒng)通過IP示波器和媒體控制器,對SDI/IP網(wǎng)關(guān)封裝的SMPTE2110-20標(biāo)準(zhǔn)的IP流信號進(jìn)行了檢測,情況如表1所示。而公共信號中的8聲道嵌入音頻,SDI/IP網(wǎng)關(guān)按照SMPTE2110-30標(biāo)準(zhǔn)封裝成1路IP音頻組播流。音頻組播流的情況如圖8所示。5.ip化總控制系統(tǒng)IP化總控系統(tǒng)使用同步信號發(fā)生器輸出PTP,接至交換機(jī),作為全局PTP信號使用。同時(shí),在交換機(jī)完成PTP協(xié)議開啟和相關(guān)設(shè)置,使得全交換網(wǎng)絡(luò)均能透傳PTP,確保網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠正常鎖定在PTP上。IP化總控系統(tǒng)中,交換機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行PTP信息的傳遞,而SDI/IP網(wǎng)關(guān)設(shè)備則按照PTP基準(zhǔn)進(jìn)行SDI和IP間的封裝和解封裝。在進(jìn)行IP化封裝時(shí),SNP負(fù)責(zé)將PTP的同步時(shí)間戳封裝到RTP包頭數(shù)據(jù)中進(jìn)行傳輸。而在IP到SDI的解封裝時(shí),網(wǎng)關(guān)設(shè)備將視頻和音頻的RTP包頭時(shí)間同步戳轉(zhuǎn)換到本地時(shí)鐘上后,通過算法進(jìn)行還原和對齊,實(shí)現(xiàn)IP信號的解封裝(如圖9、圖10)。四基于超高清信號的ip化調(diào)度系統(tǒng)在國內(nèi)的成功實(shí)踐2018屆平昌冬奧會(huì)期間,中央電視臺總控系統(tǒng)創(chuàng)新性地將支持4K超高清信號的IP化實(shí)時(shí)直播處理和調(diào)度系統(tǒng)投入生產(chǎn)應(yīng)用中,對SDI的IP化網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、PTP時(shí)鐘、IP信號監(jiān)控等重要技術(shù)進(jìn)行了充分的論證和實(shí)踐,圓滿完成了中央電視臺轉(zhuǎn)播工作。雖然為了適配其他制播系統(tǒng)的接口條件,總控4K的IP化調(diào)度系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的信號接口格式仍保留了4路3GS