IP 化4K 超高清播出技术探讨

潘宏伟

（济宁广播电视台，山东 济宁 272000）

0 引 言

4K 超高清（Ultra High Definition，UHD）电视播出技术是继广播电视数字化、高清化后的又一次重大技术变革。与1 080P 高清信号相比，4K 超高清信号具有更高的清晰度、更宽的色域、更大的动态范围和更逼真的声音，可以给观众带来更加丰富、更加震撼的视听体验。但另一方面，4K 超高清信号的高分辨率、高帧频对系统的带宽要求较高，50帧超高清信号的码率是1 080P 高清信号的4 倍，如果继续沿用传统的数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架构，会受到传输带宽、传输距离等因素的制约。相比之下，IP 架构则具有较大的优势，代表着4K 时代制播技术的发展方向。

1 IP 化4K 播出的优势

早期的4K 播出系统大多采用基于SDI 架构的4×3G-SDI 模式。由于4K 超高清信号的码率高达12 Gb·s-1，而单根同轴电缆只能传送1 路SDI 信号，最高支持3 Gb·s-1的带宽，传送1 路4K 超高清信号需要4 根同轴电缆，所以称为4×3G-SDI 模式。显而易见，这种模式势必造成矩阵切换系统过于复杂庞大，加大了信号调度和运行操作的难度。成倍增加的线缆也给系统后期维护和系统扩展带来较大的困难[1]。

IP 技术在广电领域的应用，为解决SDI 架构的带宽瓶颈提供了可行的方案。其高带宽、简洁灵活的特性更能满足4K 超高清播出对高码率信号传输和分发的需求。与SDI 模式相比，IP 化4K 播出的优势主要体现在以下几个方面。

（1）采用光纤网络传输视音频信号，网络带宽已经发展到25 Gb·s-1，40 Gb·s-1，100 Gb·s-1甚至更高，传输4K 超高清信号轻而易举。一路100 Gb·s-1光纤链路可以传送8 路无压缩的超高清信号。

（2）IP 化的播出系统中，交换机取代了矩阵，设备之间通过网线或光纤连接，可以重用设备和链路，省去了大量的周边设备和同轴电缆，整体结构简洁明了，更便于管理和维护。

（3）基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术的信号调度和基于以太网协议的设备控制更加灵活智能，不需要点对点布线，通过交换机可以调度任意节点的信号，利用TCP/IP 协议可以控制网络内任意节点的设备，具有更好的弹性和冗余措施。

（4）可以采用IT 领域的商用产品（COTS）来构建系统。受益于IT 商用产品的规模化和通用性，这样能有效降低建造和维护成本。

2 IP 化4K 播出的关键技术

IP 化4K 播出的显著特点是所有播出流程均通过以太网来完成，包括信号的传输调度、设备控制、资源管理等方面。因此，保证播出网络的传输畅通和精准调度至关重要。这涉及以下几项关键技术。

2.1 SDI Over IP 技术

基于IP 的SDI 实时传输（SDI Over IP）技术是一种将SDI 基带信号进行IP 化封装和传输，应用于电视制播领域的技术。其标准由电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定，先后发布了ST 2022、ST 2110 和ST 2059 等系列标准，定义了无压缩SDI 基带信号通过IP 网络传输的具体协议，将基带信号的传输调度全部基于以太网环境来实现，为超高清电视的IP 化制播奠定了基础[2]。

2.2 SDN 技术

SDN 是一种控制平面与数据平面分离、可通过软件编程的新型网络架构。数据平面由交换机等网络设备组成，控制平面的核心是SDN 控制器，两层之间通过开放接口进行交互。SDN 的内涵是通过控制与转发分离，把网络设备的控制权交由控制器集中管理，交换机仅根据控制器下发的规则对数据包进行转发。用户可以自定义任何想实现的网络路由和传输规则，从而使资源管理变得更加智能和灵活。

OpenFlow 是SDN 控制器与转发设备之间的通信协议，运行该协议的交换机称为OpenFlow交换机。OpenFlow 协议的特点是基于流的概念来匹配转发规则。每台交换机都配置一个流表（Flow Table），并按照流表中的转发规则进行转发。而流表的建立、维护和下发均由控制器来完成。控制器下发流表到具体的OpenFlow 交换机，从而定义、控制交换机的转发行为[3]。

2.3 PTP 精准同步技术

基带SDI 的播出系统一般采用BB 黑场信号或三电平信号作为同步基准信号。而IP 化播出系统则采用精准时间协议（Precision Time Protocol，PTP）来实现同步。SMPTE ST 2059 标准对PTP 协议进行了优化。其中，ST 2059-1 标准定义了如何基于PTP时钟来确定各类信号的相位信息，ST 2059-2 标准对PTP 协议如何在专业广电领域应用进行了定义。

PTP 同步系统以人工配置或最佳时钟算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）来确定主时钟（PTP Master）和从时钟（PTP Slave），主、从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间。从时钟通过计算报文往返的时间差来计算链路上的延时，然后根据时钟偏差逐步进行频率和相位调整，实现与主时钟的同步。

3 IP 化4K 播出系统的基本架构

在IP化的播出系统中，交换机取代了SDI矩阵，网线和光纤取代了同轴电缆，整体结构简洁明了。以一个频道的4K 播出系统为例，其基本架构主要由基础网络、IP 流调度切换及播控系统设备组成。

3.1 基础网络架构

以太网是IP 化播出系统的主干传输通道。数据的交换、设备的控制和IP 流的传输调度，均通过以太网络来完成。按照功能来分，以太网分为文件域、控制域和信号域三类网络。这三类网络根据不同的需求分别设计组网，各自独立运行。这种组网方式可以更好地保证播出安全，也有利于网络的管理维护。

所谓“知止”，既是自觉地节制，是在思维上将自身置身于矛盾双方所形成的平衡的平衡点。 具体表现为一种与自身超然地位相对应的宏观思维以及在此思维指导下的尽可能客观的行事方式。 通过这种思维及行为，使自身的存在成为平衡的中心点，从而把握矛盾的转化点，从而将不利于己的现实或形势导向对自己有利的方面，在保证基础不受损伤或平衡不被颠覆的前提下谋求发展，确保统治者在社会活动或政治活动中转化的主动权，实现长久不衰的统治，也就是“常”。

（1）文件域网络与SDI 基带播出系统的数据传输网络类似，主要承担数据库、编单站、上载站、播出站及媒资系统之间的数据交换和文件传输。4K超高清素材文件的编码方式大多采用XAVC-Intra Class 300 格式，其码率为500 Mb·s-1。在系统规模不大的情况下，采用万兆带宽即可满足播出需求。

（2）控制域网络取代了SDI 基带播出系统的RS-422 接口控制方式，通过TCP/IP 协议实现对各类设备的控制。为保证系统安全，一般配置主备冗余的播控机和交换机。

（3）信号域网络是IP 化4K 播出系统的核心网络，其功能类似于SDI 基带系统的播出通道，能够满足码率为12 Gb·s-1超高清IP 流的传输和分发需求，具有低时延、高流量的特点。如果按一个频道的超高清播出系统设计，可以采用25 Gb·s-1带宽的光纤网络和星型连接的网络拓扑结构，由两台OpenFlow 交换机组成主备架构[4]。

3.2 IP 流调度切换

无压缩IP 流通过SDN 矩阵完成实时无缝切换。SDN 矩阵由SDN 控制器和OpenFlow 交换机组成。网络内的所有设备均通过双链路连接到主、备两台OpenFlow 交换机。两条链路互为备份，即使一条链路因故障断开，也不会影响这台设备的信号传输。其调度流程如下：

（1）信号源端按照ST 2110 标准封装的无压缩IP 流接入SDN 矩阵，当需要给目标节点（接收设备）切换某路信号时，播控机向SDN 控制器发出请求；

（2）SDN 控制器调取并建立新的流表（Flow Table），向OpenFlow 交换机下发指令；

（3）OpenFlow 交换机依据新建流表使源设备的组播地址指向目标节点，从而实现信号源的切换。

3.3 播控系统设备

4 IP 化的播出流程

4.1 信号的IP 化转换

系统的播出信号源分别来自播出服务器、演播室和外来转播信号。播出服务器在内部完成4K 超高清素材文件的解码，输出IP 流送入SDN 矩阵。来自演播室和外来的转播信号多数是SDI 基带信号或压缩的TS 流。这些信号须按照ST 2110 标准转换成无压缩IP 流，然后再送入SDN 矩阵。信号格式的转换由IPG 网关和IP 信号处理器来完成。

4.2 IP 流的播出链路

经过转换的IP 流接入主、备SDN 矩阵。播控机依据播出串联单发出指令，SDN 矩阵接受指令，完成切换。主、备矩阵输出的IP 流接入四选一切换开关。

四选一切换开关支持ST 2022-7 协议的无损切换方式，其输入端口设置为不同的优先级。来自SDN 主矩阵的IP 流设为最高优先级，备矩阵的IP流设为次优先级。这两路完全一致的IP 流同步接入四选一切换开关，当主路IP 流丢失或数据包发生错误时，将自动切换到备路，待主路恢复正常后再自动切回，从而保证播出信号的安全可靠[6]。

四选一切换开关输出的IP 流接入台标键控机叠加台标、字幕，然后送入超高清（UHD）编码器编码输出。

5 结 语

当前，SDI Over IP 的技术标准已较为完善，关键技术日趋成熟，支撑IP 化的基础网络设施和硬件设备也有了成熟的产品和应用案例，IP 化已是大势所趋，必将成为构建4K 超高清播出系统的主流模式。当然，IP 化也不是尽善尽美。IP 化可能带来的网络拥堵、数据丢包、传输延时等问题应引起高度重视，并在实际应用中采取措施防范化解。此外，IP 化播出系统的网络管控较为复杂，运行操作方式较SDI 基带系统发生了较大变化。这对技术人员提出了更高的要求，将促使技术人员学习掌握IP技术，积极适应IP 化带来的转变。