IP技术在中央广播电视总台春晚8K超高清试验频道播出系统中的应用研究
甄真
2021年2月总台首个8K超高清试验频道播出，并进行了8K牛年春晚的直播。“十四五”开局之年， 8K超高清技术正在以迅雷不及掩耳之势闯入公众视野。本文主要介绍了IP技术在此次春晚8K超高清试验频道播出系统中的应用和创新。
【摘要】2021年2月中央广播电视总台首个8K超高清试验频道播出，并进行了8K牛年春晚的直播。“十四五”开局之年，8K超高清技术正在以迅雷不及掩耳之势闯入公众视野。本文主要介绍了IP技术在此次春晚8K超高清试验频道播出系统中的应用和创新。
【关键词】8K试验频道 IP化 国产无压缩IP服务器 IP信号切换控制
2021年2月1日，中央广播电视总台8K超高清电视频道试验开播。总台作为国际一流的新型主流媒体，体量规模大、业务形态多、覆盖范围广，并以2022年北京冬奥会为契机，大力实施5G+4K/8K+AI战略。在牛年除夕之夜，总台通过8K超高清试验频道对央视春晚进行了直播，这也是全世界8K超高清电视领域的首次直播！
一.技术概要
科技发展日新月异，虽然电视进入寻常百姓生活不过短短几十年，但视频技术进步的脚步始终没有停下。从标清电视信号、高清电视信号，到4K和8K超高清电视信号，每一次技术变革都将用户的视觉体验上升至新的高度。视频技术的重要性和意义已经不言而喻。面对8K电视技术的兴起，以中国、欧美、日韩为主的各国纷纷对其积极探索，呈现出一片百花齐放的态势。
2019年《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》中指出，按照“4K先行，兼顾8K”的总体技术路线，大力推进超高清视频产业发展和相关领域的应用。2020年《超高清视频标准体系建设指南（2020版）》强调超高清视频产业具有产业链长、涉及范围广、跨领域综合性强等特性，正式形成全新复杂的生态体系。2021年年初发布的《中央广播电视总台8K超高清电视节目制播技术要求（暂行）》涵盖了8K节目制播流程、视音频基本技术参数、视音频制作技术要求、播出系统技术要求、播出信号
编码压缩技术要求、分发技术要求、大屏幕显示技术要求等各个方面。
IP技术在广电领域已经应用多时。虽然SDI架构形式具有无压缩、不丢帧和运用多年技术相对成熟的优势，但其在大型系统中却存在布线复杂和配置不灵活的弊端。IP架构易于实现信号调度，在复杂业务的管理上存在优势，越来越多的得到广电领域的青睐。无压缩视音频IP化的传输形式，经过多年的工程验证，已具备实用性、安全性、标准化、易维护和扩展的优势，可与基带系统兼容，实现资源共享，满足统一管理业务和轻量化播出的需求。
虽然IP化的认可度越来越高，但是要实现从采集、制作到播出、存储和最后分发的全流程IP化，目前仍存在一系列问题，如链路带宽压力大、系统交换能力瓶颈限制、PTP精准时钟同步系统的稳定性等，这需要广电人在未来的研究探索中一一去攻克。
国际上现行SMPTE、ASPEN、AIMS、AVB等多个组织联盟，目前多数厂商设备均支持SMPTE ST 2110标准，使其渐成为电视台播出系统IP化进程中的主流技术标准。现行的SMPTE 2110包括如下子标准：
·SMPTE ST 2110-10：基本结构与时序
·SMPTE ST 2110-20：无压缩视频流
·SMPTE ST 2110-21：无压缩视频的业务量控制和传输定时
·SMPTE ST 2110-22：浅压缩压缩视频流
·SMPTE ST 2110-30：无压缩PCM音频流
·SMPTE ST 2110-31: 非PCM音频流/AES3透传·SMPTE ST 2110-40: 辅助数据流
二.IP技术系统应用
1.IP技术于播出系统链路的应用
8K超高清播出系统在设计与实施阶段，面临众多应用场景，系统主要具备如下特点：
·支持信号直播和文件播出·支持HDR、SDR之间的转换·支持基带信号和无压缩IP信号，支持两种信号相互转换； ·具有较高的通用性标准，可兼容第三方设备的接入； 8K超高清试验频道播出系统架构采用SDI和无压缩IP的混合架构,其中 IP链路采用四路SMPTE 2110标准作为封装调度参考依据，SDI链路采用四路12G信号进行传输。整个8K画幅采用SQD的拼接方式，由左上（LT）、右上（RT）、左下（LB）、右下（RB）4个子画面组合而成。
CCTV 8K超高清试验频道播出系统的视音频链路满足主备路备份的基础要求，按照基带和IP流的混合链路设计原则，其中IP链路采用国产无压缩IP视频服务器，以SDI/ IP信号转换单元、视频服务器、IP信号调度交换机为核心组网设备，按需从核心交换机调取IP信号流进行处理。SDI链路以视频服务器为核心，视频服务器前后环节设置
SDI/IP信号转换单元，按需求对信号进行封装/解封装操作。系统末级输出的IP信号、SDI信号分送至总控系统。
信号转换单元在系统播出链路中具备以下几个功能： ·负责基带SDI信号和无压缩视音频IP流信号间的双向信号格式转换。单台信号转换单元具备四个Processor。在Uhd模式下，两个processor支持一路8k信号处理，单台设备最大支持两路8K信号。每台设备在输出一路2110标准无压缩4K视频信号的同时，还可支持一路2110标准无压缩1.5G高清视频信号。其中左上LT同时输出两路音频流和一路辅助数据流，右上RT同时输出两路音频流，并采用100G光接口对接IP信号调度核心交换机。
·负责NAT地址转换。4台信号转换单元负责将总控IP地址和播出域内指定IP地址进行双向转换。
·具备信号应急净切换的能力。在系统的外来信号输入选切以及末级输出选切应用上层管控，设置应急切换节点，在播出信号出现异常时具备倒换他路信号的能力，保障系统安全性。2. IP技术于视频服务器的应用
传统播出视频服务器主要集中在国外几家视频服务器品牌，在8K超高清试验频道项目建设之初，产品设备选型较少，项目实施方案和业务流程方案可供借鉴的案例不多。此次，总台播出系统尝试与国产无压缩I P服务器厂商合作，采用VIPS-8K-IP播出视频服务器和FMS-8K-IP播出视频服务器，构建出完整8K播出系统架构，并在高精度同步控制等关键技术取得突破性进展。
大洋VIPS-8K-IP播出视频服务器采用IP技术，输出信号符合高动态范围、宽色域、I P无压缩信号传输相关的国际标准；在本系统中实现4路4K IP信号码流的输入输出，4路4K文件播出的功能；实现了外来信号与本地文件净静切换的功能。服务器采用All In One架构，无需借助外部字幕机即可实现单机上台标或挂角的功能。
新奥特FMS-8K-IP视频服务器采用 All in one架构，输出信号符合高动态范围、宽色域、I P无压缩信号传输相关的国际标准。支持2路8K IP信号输入、1路8K IP信号输出，支持立体声及Dolbye透传。
在系统设计和实施过程中也针对服务器部分关键技术
进行充分研究，比如8K播出中4通道4K同步播出时输入输出信号的对齐问题；服务器对系统PTP环境要求较高等问题。视频服务器的健壮性和IP信号传输的稳定性，是未来8K全IP化要面对的挑战。3. IP技术于监看系统链路的应用
信号级监看此次采用IP多画面设计，单台信号转化单元在H D-M V模式下，使用32路高清无压缩I P信号输入， 2路display大屏输出。信号转化单元与2台ip信号调度核心交换机相互联通，将采用的2110标准无压缩1.5G高清信号，通过配置相应组播地址以及display的布局进行画面分割、上屏监看。
技监级Ip流技术指标的监测通过示波器prism和Inspect Ip码流检测仪来实现。prism和inspect IP码流检测仪支持SMPTE 2110标准4K信号输入，与2台IP信号调度核心交换机相互联通，通过配置相应组播地址对链路中任意IP码流进行监看；WOHLER支持SMPTE 2110标准高清信号输入，从IP信号调度核心交换机获取信号，进行监听。
（1）对8K信号IP流监看方式的探讨受限于设备支持情况，目前IP信号指标的监看只可选择PGM画面中LT、RT、LB、RB任意单路信号流进行监看分析，就此问题存在以下两种技术路线可以优化。一可以考虑浅压缩的技术路线。目前浅压缩8K传输方案正逐渐发展，有望成为未来主流的8K信号IP调度封装方式。通过增加JPEG XS功能，对8K信号进行浅压缩，节省接入带宽，同时可对浅压缩8K信号进行完整分析。另一种改进方式是在核心交换机内增加多路I P探针设备，增加后台对指定4K信号的监看行为，并结合示波器进行系统联动监测。4. IP技术的8K信号交换调度机制
（1）现有交换调度机制目前8K超高清试验频道基于PIM及OSPF协议下，使用常规三层组播分发的机制进行组播分发，大致过程如下：
·信号源向交换机发送组播信号并进行注册，交换机确认并记录组播信号源路径。·目的设备向交换机发起IGMP申请·交换机基于PIM的组播调度机制，根据收到的申请确认并建立目的路径·连接源路径与目的路径，逐级添加组播表项·建立组播转发
（2）交换调度方式的探讨基于PIM的组播调度机制经过多年实践已然证明其稳定性和可靠性，此机制下通过基于交换机硬件的无阻塞管理功能，增加针对终端接入和组播的限制，指定各个接口可收发组播列表，同时限制指定组播的带宽，实现I P交换系统的安全性提升。同时还可以通过引入SDN机制实现交换系统的管控与转发分离。由SDN系统直接向交换机下达指令，实现指定路由的组播转发、单组播带宽限制、信源/目的设备的组播白名单管理功能以及I P调度系统的无阻塞功能，提高可管控调度能力和系统安全性。SDN机制通过软件定义信号通路，将基础硬件与业务实现分离、将控制与转发分离，更利于网络的集中管控。但其在初期部署和运行后调整过程较为复杂，同时SDN算法的稳定性与经过几十年时间的传统组播调度方式相比，更加依赖于SDN厂家的技术实力。
三.IP信号切换机制
1. 单路净静切换方式
8K超高清试验频道播出系统采用交换机负责信号调度，网关设备负责切换的设计思路。本次选用的网关产品在净静切换功能的实现上采用如图3所示的Mbb（makebefore-break）处理方式，即先加入后离开的处理方式。当网关设备收到切换指令，并不当即释放掉正在使用的一路组播信号，而是先通过IGMP协议向交换机申请下一条IP信号码流，等待下一个组播信号的到来，此刻两路信号会出现短暂的同时共存现象，之后实行净静切换的操作将上一条组播信号做完全释放操作。此过程相较BBM （break-before-make）先断后切机制可实现单路信号的平滑净静切换输出功能。
2. IP化8K信号切换过程实现
系统调度控制层面主要由SDNO服务器实现，该服务器主要用于获取并存储系统内全部信源和目的通道参数，并接收面板切换指令、根据面板指令触发终端设备实现通道参数的调整和信号的接收。协调系统内的信源设备和目的设备，实现整个IP系统信号调度。目前8K超高清试验频道的切换过程如图4所示： ·由SDNO服务器获取信源通道信源信息，对于SDNO可管控的设备（如网关）信源通道信息由设备上报方式录入，对于SDNO非可管控信源设备（如视频服务器，包装服务器）通道信息通过手动方式实现录入。·由面板触发切换指令·SDNO服务器将指定切换信源参数信息发送给目的设备·目的设备根据SDNO指令对接收通道参数进行调整，调整内容包括视音频格式，组播地址等。·目的端设备根据组播参数向交换机发起IGMP申请·交换机根据IGMP申请建立组播转发·目的设备接收到组播并进行相应处理。3. IP化8K信号切换方式的探讨
目前系统内涉及8K信号切换的环节主要集中于以下两种场景：
·All in one视频服务器对于两路输入信号之间的切换。·系统末级主备信号的2×1应急净切换。基于现有的技术发展情况，8K整画幅信号的净切换可以考虑两种技术路线进行探索。一种可以在控制层面实现通道绑定，由网关设备自行实现4通道齐切，做到8K信号净切换。另一条技术路线可通过路由器实现信号切换。路由器可对组播信号的源地址，目的地址及端口号进行转换，
路由器识别2110信号帧尾Ip包中的mark位，准确识别帧结束点，并在此包结束后立即接入下一路信号帧首数据包实现净切换。在NAT地址转换及帧尾切换的基础上，路由器将IP包序列号重新梳理，避免造成设备因两路信号序列号不连续产生丢包报警，最终实现整个视频信号的净切。
四.总结
目前电视制播系统正在逐步实现传输级和交换级的IP化，技术愈发成熟，主要应用的传输协议、传输接口、交换设备在4K播出系统已经应用，在此次8K超高清试验频道系统中相关技术又得到进一步验证。笔者认为待全I P产品丰富市场、在进行详细的测试论证安全性和功能性后，8K系统的全IP化是完成可期的。
8K融入人们生活的趋势势不可挡。相信随着5G技术的普及和高分辨率屏幕的陆续推出，在不远的将来， 5G+8K必然会走进我们这一代人的生活。B&P