The Opportunities and Challenges of SDI over IP to Radio and Television Industry and The Practice of SDI over IP System

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Fang Hui

(Zhejiang New Blue Network Media Co., Ltd., Hangzhou, 310000)

由于三网融合,传统媒体,互联网视频制作、传输、分发,产业链相互渗透,带来视频业务蓬勃发展,从制作、传输、分发几个方面增加网络传输的要求,带宽要求越来越高,传输质量要求也越来越高。业务层上互相渗透和交叉,应用层上趋向使用统一的IP协议;在经营上互相竞争、互相合作,提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起,行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。

1 IP化在广电行业中所具备的优势

(1)具备当下可利用带宽条件。目前,10G带宽的传输设备及方案已经很成熟,而25G、40G甚至100G超高带宽的传输技术也将日趋完善。

( 2 )视频格式不再受限。无论是无压缩的UHD、3G、高清、标清视频信号,亦或是压缩的

JPEG2000, H.264, MPEG-2, HEVC over TS-IP信号,都能在IP网络系统中正常传输。

(3)双向传输、资源共享。不再受限于基带视频系统SDI的单向传输方式,节省资源、传输灵活;并且,只要在IP网络系统覆盖之内,理论上任意信号

可达任意地点,实现资源共享。

(4)资源虚拟化。不再受限于基带视频系统SDI的分配模式,无需配置许多视频分配板卡,即可

实现资源的自由分配。

2 IP化在广电行业中的关键技术

2.1 标准

2012年, SMPTE出台了SMPTE 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。其中《Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT) , :. ST 20226:2012》指定了一种方式,可以传输高比特率信号(包括3Gbps 1080p视频信号)而不把信号压缩为MEPG-2流传输。

(1)SMPTE ST 2022-6:2012:IP网络高码率媒体信号传输定义了一个统一的数据映射格式,依据实时传输协议、精确时钟同步协议、用户数据包协议、网络分组管理协议等协议构成的元数据,定

义SDI信号的IP封装格式协议,支持多种HD-SDI和3G-SDI视频信号格式。采用这一标准,不同厂商的产品可以发送或接收通过IP网络分发的高码率视频

信号。

(2)SMPTE ST 2022-7:2013:IP数据报信号

无缝路由切换保护定义两个流数据包,从源到目的地接收者之间自动切换的方法。

该标准的出现打破了两种技术之间的壁垒,使

得在现有广播电视基础上通过IP网络传输未压缩

的视频信号成为可能。

2017年,SMPTE起草了SMPTE 2110系列的标准,SMPTE ST 2110标准让音频、视频和辅助数据

流得以分开。这一提升简化了附加字幕、标题,图文电视,以及处理多语言音频等任务。每个实体流都可以分开传送并在终端重新汇聚。其中每个组成部分——音频、视频和辅助数据流可实现同步,因此实体流在保持独立的同时又能实现同步。为IP网络

传输不同的视频、音频和辅助数据流定义一个可互操作的系统。

它们包括:SMPTE ST 2110-10:同步和会话描述标准;SMPTE ST 2110-20:无压缩的有效视频(基于RFC 4175);SMPTE ST 2110-30:无压缩的PCM音频(AES67);SMPTE ST 2110-21:流量整形和传输定时;SMPTE ST 2110-22:压缩视频(TBC);SMPTE ST 2110-31:AES3传输(包括压缩音频);SMPTE ST 2110-40:辅助数据(IETF有效载荷RTP辅助草案);SMPTE ST 2110-50:兼容SMPTE 2022-6传输标准。

SMPTE与音频工程师协会( AES )、IP媒体解决方案联盟( AIMS )高级媒体工作流协会( A M WA )、欧洲广播联盟( EBU)、IABM、媒体网络联盟( MNA )以及视频服务论坛(VSF)在2017年IBC展会上对该标准共同进行了展示。

2.2 核心交换结构

首先,需要确定核心交换设备,核心交换设备应具备的特性有:高容量、非阻塞、低延时、设备可见性、完全可控性、冗余及安全性。

Evertz 核心IPX交换机(16,32,64 ,128口)64口背板带宽1.2TB/S,相当于384*384矩阵(HD SDI),其主要特征:确定的组播数据包路由;基于IP数据 包的净切换;输入组播地址的自动发现;支持端口

Vlan划分;端口流量监控报警;完善的信号传输路径监看和控制管理。

其次,系统架构应为无阻塞架构,如图3所示:

最后,交换机切换方案的选择,当前三 种可行的切换基准方案:一是Destination-timed switching,“目的基准”切换--带宽损失一半;二是Source-timed switching ,“信源基准”切换--建立索引表,多级及联理时,非常复杂;三是Switch-timed switching,“切换基准”切换--高效、节省带宽。Switch-timed Switching 目前是较好的解决方案。 2.3 管理及控制

软件定义视频网络(SDVN)。当下媒体行业正逐渐从传统基带架构向以IP为中心的交换网络进行

过渡,Evertz的软件定义视频网络(sdvn)给这种

过渡提供了一条完全无缝且无需任何妥协的途径。凭借Evertz的超大容量核心交换设备(包括exe及3080IPX IP矩阵)以及MAGNUM统一网管,使得SDVN的方案可以被应用于任何制作域、播出域和

传输域架构进行统一的调度、管理、采集和分发。

MAGNUM控制软件在整合IP网络系统的一

体化控制进程上一直是卓越的,不仅可对EXE、3080IPX、570IPG等IP矩阵和网关等设备进行整体管控,同时兼容了原有基带EQX系列的融合。当下广电行业正快速向IP化进行改革性转变,EQX矩阵

平台由于具有通道路径级的交叉点冗余备份机制,是IP、基带混合方式的最佳平台,EVERTZ为EQX矩阵平台最新开发的IP/基带混合输入输出板卡可完美适配MAGNUM系统。

SDVN是一种建立在大容量包交换设备、各种类媒体网关和MAGNUM SDVN统一网管系统之上的架构,同时支持SD/HD高标清、ULTRAHD 4K超高清,甚至8K下一代超高清信号接入。SDVN在MAGNUM这个Evertz屡获奖项的网管之驱动下,

可以让客户完全不改变原有的操作习惯就一步跨越至Video over IP的世界。

MAGNUM使得用户在同一平台、同一操作系统上即可实现对矩阵、多画面监看、TALLY、周边

设备、操作面板等等设备完成一体化的管控。该软件为高度成熟软件,在国际和国内(如中央电视台、浙江电视台、江苏电视台、云南电视台、重庆电视台、海南电视台、四川电视台、中国联通、广东电视台等)都有成熟的案例应用,不胜枚举。 2.4 时码

伴随着网络技术的不断增加和发展,尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛,计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力

不足的问题,以减少采用其他技术,例如IRIG-B等

带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的

网络时间协议(NTP),来提高各网络设备之间的定

时同步能力。

1992年NTP版本的同步准确度可以达到

200μs,但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所

需的准确度。为了解决这个问题,同时还要满足其

他方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所(NIST)的支持,该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过,作为IEEE1588标准。该标准定义的就是PTP协议(Precision Time Protocol)。

PTP 是一种主从同步系统,采用主从时钟方式,对时间信息进行编码,利用网络的对称性和延时测量技术,实现主从时间的同步。

在系统的同步过程中,主时钟周期性发布PTP

时间同步协议及时间信息,从时钟端口接收主时钟 端口发来的时间戳信息,系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差,并利用该时间差调整本地时间,使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。

3 IP化在广电行业中的未来发展趋势

在未来的广电行业中,IP化不可避免,许多厂家已经走在了技术的前沿,对远程制作、微服务服务器等都有了各自的最新产品及相关案例,相信在不久的将来,这些前沿的技术及方案会逐渐在各广电行业中日趋成熟。■

图1 SMPTE 2022-6 单个组播流组成

图2 Evertz IPX核心交换矩阵

图4三种切换基准方案

图3无阻塞架构

图7设备路由管理

图8流量/带宽管理

图9网络/设备状态管理

图6设备发现

图5 Evertz IP系统自2014年应用于全球超过120个国际传媒机构的实践经验与挑战

图10 PTP主从设备及边界时钟拓扑结构

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