浙江广电集团基带IP总控系统的设计与应用

 

浙江广播电视集团 李一君

随着SDI over IP技术的迅速发展,电视技术正处于从传统SDIIP化转变的关键阶段。总控系统作为全台信号调度处理的核心,是节目制作、播出、传送和交互的重要枢纽,其涉及多地域、多系统、多种类的信号互联互通。总控系统IP化所带来的扩展性、融合性和轻量化等方面的优势非常显著,能够有效解决传输带宽问题,顺应媒体融合的发展趋势,其通用特性打破了系统间信号格式的限制,可以更好地对接全媒体领域。

一、系统概述

近年来,浙江广电集团在基础平台建设上持续加大投入,逐渐形成了跨江协同发展的事业新格局。新建的浙江国际影视中心,集新兴媒体生产发布、大型综艺节目录制、影视产品后期制作等功能于一体,是集团新技术创新发展的重要孵化基地。

集团在国际影视中心打造了一批新技术集群,其中主要包括一个按照国际T4标准建设的数据中心,支撑新媒体、新蓝网、好易购运行发展的新媒体技术集群以及2500m ²1200m ²600m ²8个高清演播厅组成的演播厅集群。此外,国际影视中心还具有7100200平米录音室和制作棚,8个独立制作楼,高端影视后期剪辑、调色等专业系统。

在这些新技术集群背后,有两大基础支撑平台,基带IP总控系统是其中之一。如图1所示,它是属于星形结构的专业信号基带IP传输平台,跨越钱塘江连接广电集团大院的电视播出、广联传输、广播制播等传统制播技术系统,实现两地间资源共享。在影视中心内部,它承载了集团新蓝网、好易购、IPTV等新媒体集群、2500m 2/1200m 2演播室集群和中国蓝云平台等技术系统平台的信号交互与应用。依托基带IP总控系统的传输调度能力,集团在两地实现了11个电视频道的IP异地容灾备播。

 

二、系统的设计与特点

1. 支持协议标准

近年来,基带IP的协议标准发展迅速。2012年,SMPTE出台了ST 2022系列的标准,规范了如何通过IP方式传输高质量视频信号,它制定了可以传输高比特率信号的方式,包括高清1.485Gbps3Gbps信号。从图2中可以看出,由VSF TR-03发展而来,用于制作域的基于管理型IP网络的专业媒体标准SMPTE ST 211020179月部分发布。用于IP视音频系统PTP同步基准的SMPTE ST2059标准也已正式发布,并在基于ST 2110的系统中投入使用。

 

这些信号标准解决了信号识别层面的问题,它们可以使IP设备真正的积木化,达到类似于SDI设备的即插即用特性。AMWA 正在制定一系列涉及设备发现和注册(IS-04)、连接管理(IS-05)、网路控制(IS-06)、一个事件和Tally通知、音频声道映射的公共规范。这些规范将使未来的IP系统更加开放和灵活。

基带IP总控系统支持ST 2022-6 IP网络高码率媒体信号传输标准和ST 2022-7 IP数据报信号无缝路由切换保护标准。同时,系统支持向未来ST 2022-8标准的升级。

2. 主体架构设计

作为集团融合媒体技术体系规划中的重要一环,基带IP总控系统不仅要立足于目前全高清制播使用,更需要兼顾未来的4K制播应用和扩充升级。因此,系统配置了2台适用于广播电视实时直播、大带宽信号调度的核心交换机,采用支持10G/25G/100G的接口类型,以适应未来4K8K等信号接入。

每台核心交换机的背板带宽达10T,可支持最多安装57610G SFP模块,理论上可以支持3456×3456HD-SDI信号(1.485Gbps)的路由调度,整个系统采用无阻塞的设计架构。为满足广播电视制作需要,系统信号切换采用VBI切换方式。基带IP总控系统拓扑架构如图3所示。

 

系统规划将传输的信号根据重要程度分为三类:

重要播出信号:主信号进入主、备核心交换,镜像备路信号进入主、备核心交换;

● 重要信号:有镜像信号分别进入主、备核心交换,无镜像单路信号通过ST 2022-7光纤保护的模式进入主、备核心交换;

● 一般信号:信号可以合理使用分配带宽。

系统具备以下几个特点:首先它是全IP系统,整体基于ST 2022-6协议,系统配置10G接口。系统本地环接的多功能信号处理、多分画等设备也都是基于SDI over IP架构。

其次,系统边界较广,涉及各个专业系统。为了兼容信号使用,我们将各个业务单位分成不同级别。系统在信号数量多、内容丰富、级别高的重要节点配置接入汇聚交换设备。在信号源单一或数量较少的普通节点配置IP网关,用于SDI信号的IP封装。

第三,系统支持融合IP传输。总控内部的卫星接收子系统接收TS的信号,通过NAT设备接入核心交换机,在系统中实现了SDIover IP TS over IP信号业务的融合传输。

3. 控制管理系统

IP化后信号看不见、摸不着,系统控制成为关键,既要考虑设备、链路、信号的多级追踪,也要考虑外来信号接入时系统能够自动信源发现,以及远距离传输时的带内控制功能。

IP总控系统的控制系统基于SDVN网络架构,配置基于Linux操作系统的主备控制管理服务器。控制系统支持集群化的冗余配置,负责将核心交换、多画面、IP网关等所有IP设备统一管理,完全基于TCP/IP的网络连接,支持网管端口的绑定,实现主备管理路由之无缝切换。

控制系统统一管理部署在各点传输和封装设备,打破了常规控制网+业务网的双网架构,采用In-band Control模式,将远端设备的访问权限通过IP网关集中传回总控机房,实现远端设备访问、控制和管理功能。如图4所示,它可根据实际系统,快速添加硬件模块,建立硬件模块端口与端口的Link链接。从而形成一张与我们实际系统完全匹配的信号传输链路拓扑图,便于对系统进行管理。

 

4. 卫星信号接收子系统

卫星信号是IP总控的重要信源,满足多个业务单位的播出、直播和收录需求。IP总控设置卫星天线16座,其中4.5米口径9座,3.5米口径7座,部分电动天线配备自动寻星和自动除雪功能。信号接收包括中星6A、中星6B、亚洲4号、亚洲5号、亚洲7号等多颗卫星。

根据各使用部门不同需求,卫星信号传输方式主要分L-Band信号、常态解调传输(TS over IP)、临时解码传输(SDI over IP)三类:

● L-Band信号:L-Band信号传输取自光分器输出和L-Band矩阵输出口,通过L波段光端机传输给所需部门自行解调使用,包含两地异地备份功能。

● 常态解调传输:固定接收频点信号,用于新媒体直播、网络直播、节目收录等。

● 临时解码传输:环接卫星接收机接收,通过IP网关封装进入核心交换。该部分主要负责直播备份和临时接收业务。

如图5所示,卫星信号经天线接收,其L-Band信号送至IP总控机房后,经无源功分器,集中输入至L波段矩阵和解调设备,以三种不同的信号格式送至使用部门。目前,系统接收国内外信号源80多个频点,200多套节目,为新媒体技术集群提供了丰富的信号源。

 

三、系统的功能与应用

1. IP化管理模式

基带IP总控系统基于全IP化管理模式,将分控直播IP信号、各型网络IP编码流、远程网络IP流、演播室现场直播信号流等实时多格式IP信号在总控端实现资源汇聚,经过统一处理后,完成信号的总控调度、多目标分发、直播管控、安全自动切换等应用模式,为传统电视播出、融媒体演播室、IPTV播出平台、互联网电视、网站/手机实现融媒体业务的集中管控。

系统内配置NAT地址转换网关,主要用于系统与第三方IP设备间IP流信号地址转换。可实现单播与单播、组播与组播、单播与组播间的互相转换。NAT地址转换网关可有效解决IP当前发展阶段中,各厂家IP设备控制不兼容的问题,实现不同厂家IP设备的联通应用。当NAT用于系统与WAN网连接时,NAT地址转换网关还能够有效地避免来自网络外部的攻击,隐藏并保护网络内部设备。

2. 资源池和微服务应用

随着技术的发展,信号处理平台从专用硬件解决方案逐渐向软件定义的专用服务器、虚拟化软件、云平台的方向发展。基带IP总控系统设计时借鉴在通用IT架构中广泛使用的微服务理念,配置了两套微服务处理单元,将专用实时流处理设备封装为统一化、集群化的能力集群,成为了支持多租户、自分配、负载均衡的资源池服务体系。它利用多节点FPGA加速计算刀片,提供高密度FPGA处理节点,提高系统灵活性,同时还确保了低延迟、低功耗、确定性和可靠的处理流水线。在实际使用中,可根据需要,快速改变设备应用环境,实现如交叉变换、多画面、矩阵、IP协议转换、音频混合等功能。

它通过将基本的核心广播服务与底层处理引擎分离,彻底改变了广播基础设施从离散的、固定功能的硬件到具有软件许可服务的通用硬件池的转换,提供了灵活的、可伸缩的广播基础设施,以动态地满足和适应设施的未来变化需求,使其成为一个面向未来的平台。

所有功能在管理软件中以功能组件的形式出现,用户可自由选择各功能组件的组合方式及处理顺序,系统自动规划信号传输路径、调用微服务处理资源,为后续系统自动化部署、智能端点、基础设施自动化提供了完善的平台解决方案。

3. 拓扑式控制管理和数据分析

SDVN管理软件部署在主备两台控制管理服务器,两台设备间通过心跳线互联,可自动监测故障,实现管理软件的自动倒换功能,保障系统的安全运行。管理软件支持对系统内设备信息、路由的查看,还可以随时导出、保存和指派配置。控制系统的拓扑图管理功能,可实现设备级、链路级、信号级三级信号追踪功能以及设备、链路连接状态自动监测和报警、流量实时监控等功能。

系统配置大数据分析软件,可对整个IP调度传输系统的信号流向及设备状态进行监测,收集、汇总、存储并对其进行索引所有机器数据,并能够搜索、监视和进一步分析存储的数据,这些收集的数据集相互关联,提供更有效的故障诊断信息、关键性能度量和实时仪表板。如图6所示,信息包括报警严重计数,分钟/最大带宽测量等,为运维工作提供较大的便利。

 

4. 灵活的信号监看共享模式

基带IP总控系统导控工位的监控屏幕由1655寸的液晶屏拼接组成,能方便调取多种显示模板方案,支持4×4完整拼接显示,并通过软硬件完成不同显示模板间的一键切换。

监看系统以矩阵集中的路由分发为设计基础,为了实现屏墙多画面监看显示和灵活调用的需求,采用液晶拼接大屏幕+多画面分割器+核心IP交换调度监看的开放式架构,动态调用所需资源,控制调整实时监看,使信号均可被灵活、有效地覆盖到所有监看大屏,满足了监看的全局化和主动式调用需求,集中管控,统一分配,实现开放式全动态监看。

系统还配置了部分机动的IP多分画设备,作为资源共享使用。每块多画面分割器提供610G带宽光纤,可接受36路高清信号输入画面分割器,提供43G画面分割信号返回核心IP交换,可自由调度给下游系统,能够快速实现远程多画面共享支持,为远程直播、临时系统、大型会议等监看提供支持,极大地提高了设备使用效率。

5. 未来的应用展望

基带IP总控系统留足了信号可扩展的空间和带宽,并为将来的多种应用模式提供了可能:一方面,它具备与在建的省广电主干传输网专用传输平台对接能力。传输平台通达11个地市,采用单波100G8T总容量的OTN技术架构,国际影视中心是其中的跨环站点之一。基带IP总控在目前可以通过对接10G业务的IP网关进行接入,未来升级100G业务后,可采用直连OTN平台方式实现接入。这样,基带IP总控系统也将成为全省信号互联互通的一颗强大心脏。另一方面,基带IP总控系统整体具备扩展25G条件,配合集团最新的IP车,实现4K节目的制播和信号传输也将非常值得期待。

四、结语

基带IP总控系统承载了集团两地的信号交互任务,是两地双核、跨江发展的重要技术平台。系统整体符合IP化的技术发展趋势,实现了标清和高清信号在各制播专业系统之间混合传输、交互、融合。系统充分体现了IT资源特性,简化了传统系统需要庞大规模设备构建问题,实现整体轻量化,其强大的交换能力和扩展能力,充分满足了集团未来的业务发展需要。

随着基带IP技术的不断发展,不同的专业信号接口有望能向统一标准化的方向发展,基带IP技术的应用不仅为电视节目制播和信号交互兼容奠定了基础,其带宽上的优势,也对将来4K8K的全流程制播具有较大的意义。

 

 

 

来源:选自2019年第1期《现代电视技术》