【摘要】2021年2月中央廣播電視總臺首個8K超高清試驗頻道播出，并進行了8K牛年春晚的直播。“十四五”開局之年，8K超高清技術正在以迅雷不及掩耳之勢闖入公眾視野。本文主要介紹了IP技術在此次春晚8K超高清試驗頻道播出系統中的應用和創新。
【關鍵詞】8K試驗頻道 IP化 國產無壓縮IP服務器 IP信號切換控制
2021年2月1日，中央廣播電視總臺8K超高清電視頻道試驗開播。總臺作為國際一流的新型主流媒體，體量規模大、業務形態多、覆蓋范圍廣，并以2022年北京冬奧會為契機，大力實施5G+4K/8K+AI戰略。在牛年除夕之夜，總臺通過8K超高清試驗頻道對央視春晚進行了直播，這也是全世界8K超高清電視領域的首次直播！
一.技術概要
科技發展日新月異，雖然電視進入尋常百姓生活不過短短幾十年，但視頻技術進步的腳步始終沒有停下。從標清電視信號、高清電視信號，到4K和8K超高清電視信號，每一次技術變革都將用戶的視覺體驗上升至新的高度。視頻技術的重要性和意義已經不言而喻。面對8K電視技術的興起，以中國、歐美、日韓為主的各國紛紛對其積極探索，呈現出一片百花齊放的態勢。
2019年《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》中指出，按照“4K先行，兼顧8K”的總體技術路線，大力推進超高清視頻產業發展和相關領域的應用。 2020年《超高清視頻標準體系建設指南（2020版）》強調超高清視頻產業具有產業鏈長、涉及范圍廣、跨領域綜合性強等特性，正式形成全新復雜的生態體系。2021年年初發布的《中央廣播電視總臺8K超高清電視節目制播技術要求（暫行）》涵蓋了8K節目制播流程、視音頻基本技術參數、視音頻制作技術要求、播出系統技術要求、播出信號編碼壓縮技術要求、分發技術要求、大屏幕顯示技術要求等各個方面。
IP技術在廣電領域已經應用多時。雖然SDI架構形式具有無壓縮、不丟幀和運用多年技術相對成熟的優勢，但其在大型系統中卻存在布線復雜和配置不靈活的弊端。IP架構易于實現信號調度，在復雜業務的管理上存在優勢，越來越多的得到廣電領域的青睞。無壓縮視音頻IP化的傳輸形式，經過多年的工程驗證，已具備實用性、安全性、標準化、易維護和擴展的優勢，可與基帶系統兼容，實現資源共享，滿足統一管理業務和輕量化播出的需求。
雖然IP化的認可度越來越高，但是要實現從采集、制作到播出、存儲和最后分發的全流程IP化，目前仍存在一系列問題，如鏈路帶寬壓力大、系統交換能力瓶頸限制、 PTP精準時鐘同步系統的穩定性等，這需要廣電人在未來的研究探索中一一去攻克。
國際上現行SMPTE、ASPEN、AIMS、AVB等多個組織聯盟，目前多數廠商設備均支持SMPTE ST 2110標準，使其漸成為電視臺播出系統IP化進程中的主流技術標準。
現行的SMPTE 2110包括如下子標準：
· SMPTE ST 2110-10：基本結構與時序
· SMPTE ST 2110-20：無壓縮視頻流
· SMPTE ST 2110-21：無壓縮視頻的業務量控制和傳輸定時
· SMPTE ST 2110-22：淺壓縮壓縮視頻流
· SMPTE ST 2110-30：無壓縮PCM音頻流
· SMPTE ST 2110-31: 非PCM音頻流/AES3透傳
· SMPTE ST 2110-40: 輔助數據流
二. IP技術系統應用
1. IP技術于播出系統鏈路的應用
8K超高清播出系統在設計與實施階段，面臨眾多應用場景，系統主要具備如下特點：
· 支持信號直播和文件播出
· 支持HDR、SDR之間的轉換
· 支持基帶信號和無壓縮IP信號，支持兩種信號相互轉換；
· 具有較高的通用性標準，可兼容第三方設備的接入；8K超高清試驗頻道播出系統架構采用SDI和無壓縮IP的混合架構,其中 IP鏈路采用四路SMPTE 2110標準作為封裝調度參考依據，SDI鏈路采用四路12G信號進行傳輸。整個8K畫幅采用SQD的拼接方式，由左上（LT）、右上（RT）、左下（LB）、右下（RB）4個子畫面組合而成。 CCTV 8K超高清試驗頻道播出系統的視音頻鏈路滿足
主備路備份的基礎要求，按照基帶和IP流的混合鏈路設計原則，其中IP鏈路采用國產無壓縮IP視頻服務器，以SDI/IP信號轉換單元、視頻服務器、IP信號調度交換機為核心組網設備，按需從核心交換機調取IP信號流進行處理。 SDI鏈路以視頻服務器為核心，視頻服務器前后環節設置SDI/IP信號轉換單元，按需求對信號進行封裝/解封裝操作。系統末級輸出的IP信號、SDI信號分送至總控系統。
圖1 春晚直播播出系統鏈路圖
信號轉換單元在系統播出鏈路中具備以下幾個功能：
· 負責基帶SDI信號和無壓縮視音頻IP流信號間的雙向信號格式轉換。單臺信號轉換單元具備四個Processor。在UHD模式下，兩個Processor支持一路8K信號處理，單臺設備最大支持兩路8K信號。每臺設備在輸出一路2110標準無壓縮4K視頻信號的同時，還可支持一路2110標準無壓縮1.5G高清視頻信號。其中左上LT同時輸出兩路音頻流和一路輔助數據流，右上RT同時輸出兩路音頻流，并采用100G光接口對接IP信號調度核心交換機。
· 負責NAT地址轉換。4臺信號轉換單元負責將總控IP地址和播出域內指定IP地址進行雙向轉換。
· 具備信號應急凈切換的能力。在系統的外來信號輸入選切以及末級輸出選切應用上層管控，設置應急切換節點，在播出信號出現異常時具備倒換他路信號的能力，保障系統安全性。
2. IP技術于視頻服務器的應用
傳統播出視頻服務器主要集中在國外幾家視頻服務器品牌，在8K超高清試驗頻道項目建設之初，產品設備選型較少，項目實施方案和業務流程方案可供借鑒的案例不多。此次，總臺播出系統嘗試與國產無壓縮IP服務器廠商合作，采用VIPS-8K-IP播出視頻服務器和FMS-8K-IP播出視頻服務器，構建出完整8K播出系統架構，并在高精度同步控制等關鍵技術取得突破性進展。
大洋VIPS-8K-IP播出視頻服務器采用IP技術，輸出信號符合高動態范圍、寬色域、IP無壓縮信號傳輸相關的國際標準；在本系統中實現4路4K IP信號碼流的輸入輸出，4路4K文件播出的功能；實現了外來信號與本地文件凈靜切換的功能。服務器采用All In One架構，無需借助外部字幕機即可實現單機上臺標或掛角的功能。
新奧特FMS-8K-IP視頻服務器采用 All in one架構，輸出信號符合高動態范圍、寬色域、IP無壓縮信號傳輸相關的國際標準。支持2路8K IP信號輸入、1路8K IP信號輸出，支持立體聲及DolbyE透傳。
在系統設計和實施過程中也針對服務器部分關鍵技術進行充分研究，比如8K播出中4通道4K同步播出時輸入輸出信號的對齊問題；服務器對系統PTP環境要求較高等問題。視頻服務器的健壯性和IP信號傳輸的穩定性，是未來8K全IP化要面對的挑戰。
3. IP技術于監看系統鏈路的應用
信號級監看此次采用IP多畫面設計，單臺信號轉化單元在HD-MV模式下，使用32路高清無壓縮IP信號輸入， 2路display大屏輸出。信號轉化單元與2臺IP信號調度核心交換機相互聯通，將采用的2110標準無壓縮1.5G高清信號，通過配置相應組播地址以及display的布局進行畫面分割、上屏監看。
圖2 8K系統IP信號監聽監看鏈路圖
技監級IP流技術指標的監測通過示波器Pr i sm和Inspect IP碼流檢測儀來實現。Prism和Inspect IP碼流檢測儀支持SMPTE 2110標準4K信號輸入，與2臺IP信號調度核心交換機相互聯通，通過配置相應組播地址對鏈路中任意IP碼流進行監看；Wohler支持SMPTE 2110標準高清信號輸入，從IP信號調度核心交換機獲取信號，進行監聽。
（1） 對8K信號IP流監看方式的探討
受限于設備支持情況，目前IP信號指標的監看只可選擇PGM畫面中LT、RT、LB、RB任意單路信號流進行監看分析，就此問題存在以下兩種技術路線可以優化。一可以考慮淺壓縮的技術路線。目前淺壓縮8K傳輸方案正逐漸發展，有望成為未來主流的8K信號IP調度封裝方式。通過增加JPEG XS功能，對8K信號進行淺壓縮，節省接入帶寬，同時可對淺壓縮8K信號進行完整分析。另一種改進方式是在核心交換機內增加多路IP探針設備，增加后臺對指定4K信號的監看行為，并結合示波器進行系統聯動監測。
4. IP技術的 8K信號交換調度機制
（1）現有交換調度機制
目前8K超高清試驗頻道基于PIM及OSPF協議下，使用常規三層組播分發的機制進行組播分發，大致過程如下：
· 信號源向交換機發送組播信號并進行注冊，交換機確認并記錄組播信號源路徑。
· 目的設備向交換機發起IGMP申請
· 交換機基于PIM的組播調度機制，根據收到的申請確認并建立目的路徑
· 連接源路徑與目的路徑，逐級添加組播表項
· 建立組播轉發
（2）交換調度方式的探討
基于PIM的組播調度機制經過多年實踐已然證明其穩定性和可靠性，此機制下通過基于交換機硬件的無阻塞管理功能，增加針對終端接入和組播的限制，指定各個接口可收發組播列表，同時限制指定組播的帶寬，實現IP交換系統的安全性提升。同時還可以通過引入SDN機制實現交換系統的管控與轉發分離。由SDN系統直接向交換機下達指令，實現指定路由的組播轉發、單組播帶寬限制、信源/目的設備的組播白名單管理功能以及IP調度系統的無阻塞功能，提高可管控調度能力和系統安全性。SDN機制通過軟件定義信號通路，將基礎硬件與業務實現分離、將控制與轉發分離，更利于網絡的集中管控。但其在初期部署和運行后調整過程較為復雜，同時SDN算法的穩定性與經過幾十年時間的傳統組播調度方式相比，更加依賴于SDN廠家的技術實力。
三. IP信號切換機制
1. 單路凈靜切換方式
圖3 MBB處理方式機制
8K超高清試驗頻道播出系統采用交換機負責信號調度，網關設備負責切換的設計思路。本次選用的網關產品在凈靜切換功能的實現上采用如圖3所示的MBB（make-before-break）處理方式，即先加入后離開的處理方式。當網關設備收到切換指令，并不當即釋放掉正在使用的一路組播信號，而是先通過IGMP協議向交換機申請下一條IP信號碼流，等待下一個組播信號的到來，此刻兩路信號會出現短暫的同時共存現象，之后實行凈靜切換的操作將上一條組播信號做完全釋放操作。此過程相較BBM （break-before-make）先斷后切機制可實現單路信號的平滑凈靜切換輸出功能。
2. IP化8K信號切換過程實現
系統調度控制層面主要由SDNO服務器實現，該服務器主要用于獲取并存儲系統內全部信源和目的通道參數，并接收面板切換指令、根據面板指令觸發終端設備實現通道參數的調整和信號的接收。協調系統內的信源設備和目的設備，實現整個IP系統信號調度。
目前8K超高清試驗頻道的切換過程如圖4所示：
圖4 IP信號切換控制圖
· 由SDNO服務器獲取信源通道信源信息，對于SDNO可管控的設備（如網關）信源通道信息由設備上報方式錄入，對于SDNO非可管控信源設備（如視頻服務器，包裝服務器）通道信息通過手動方式實現錄入。
· 由面板觸發切換指令
· SDNO服務器將指定切換信源參數信息發送給目的設備
· 目的設備根據SDNO指令對接收通道參數進行調整，調整內容包括視音頻格式，組播地址等。
· 目的端設備根據組播參數向交換機發起IGMP申請
· 交換機根據IGMP申請建立組播轉發
· 目的設備接收到組播并進行相應處理。
3. IP化8K信號切換方式的探討
目前系統內涉及8K信號切換的環節主要集中于以下兩種場景：
· All in one視頻服務器對于兩路輸入信號之間的切換。
· 系統末級主備信號的2×1應急凈切換。
基于現有的技術發展情況，8K整畫幅信號的凈切換可以考慮兩種技術路線進行探索。一種可以在控制層面實現通道綁定，由網關設備自行實現4通道齊切，做到8K信號凈切換。另一條技術路線可通過路由器實現信號切換。路由器可對組播信號的源地址，目的地址及端口號進行轉換，路由器識別2110信號幀尾IP包中的mark位，準確識別幀結束點，并在此包結束后立即接入下一路信號幀首數據包實現凈切換。在NAT地址轉換及幀尾切換的基礎上，路由器將IP包序列號重新梳理，避免造成設備因兩路信號序列號不連續產生丟包報警，最終實現整個視頻信號的凈切。
圖5 8K實驗頻道播出系統實景圖
四.總結
目前電視制播系統正在逐步實現傳輸級和交換級的IP化，技術愈發成熟，主要應用的傳輸協議、傳輸接口、交換設備在4K播出系統已經應用，在此次8K超高清試驗頻道系統中相關技術又得到進一步驗證。筆者認為待全IP產品豐富市場、在進行詳細的測試論證安全性和功能性后，8K系統的全IP化是完成可期的。
8K融入人們生活的趨勢勢不可擋。相信隨著5G技術的普及和高分辨率屏幕的陸續推出，在不遠的將來， 5G+8K必然會走進我們這一代人的生活。B&P