【摘要】 本文全面闡述了廣州市廣播電視臺(tái)的4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)全融合的設(shè)計(jì)。首先介紹了4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車的整體方案，包括系統(tǒng)的組成以及全融合的整體技術(shù)方案，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路詳細(xì)介紹，闡述了轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法及全融合技術(shù)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后對(duì)轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)在不同工作模式下的系統(tǒng)設(shè)置情況進(jìn)行說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車  全融合  SPINE-LEAF  媒體數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)  控制網(wǎng)絡(luò)  VLAN  PTP  IGMP

一．4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)全融合技術(shù)方案

廣州市廣播電視臺(tái)建設(shè)國(guó)際國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車是基于雙車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，雙車系統(tǒng)由一臺(tái)16+4訊道4K IP轉(zhuǎn)播車（A車）和一臺(tái)10+2訊道4K IP（B車）轉(zhuǎn)播車組成，雙車可靈活地獨(dú)立運(yùn)作，并通過(guò)車體組合、系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備和空間優(yōu)化重組，并實(shí)現(xiàn)IP下視頻，音頻，通話，控制信號(hào)全聯(lián)通，是業(yè)界首個(gè)SMPTE ST-2110全融合系統(tǒng)，系統(tǒng)全融合技術(shù)得益于電視制作系統(tǒng)IP技術(shù)的發(fā)展，充分利用了IP技術(shù)帶來(lái)的安全，高效，便捷等特點(diǎn)，創(chuàng)造出獨(dú)特的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，讓雙車系統(tǒng)真正融合為一體，成為32訊道+雙獨(dú)立制作區(qū)的超大制作系統(tǒng)。

圖1 4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車外觀圖

4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)以IP架構(gòu)為制作核心，IP信號(hào)流采用符合SMPTE ST 2110、ST2022-7等系列標(biāo)準(zhǔn)的4K非壓縮單流技術(shù)，支持4K HDR，兼容高清SDR。視頻系統(tǒng)配置有HDC-3500超高清訊道、HDC-5500超高清高速攝像機(jī)訊道，HDCE-TX30 ST2110 4K IP攝像機(jī)遠(yuǎn)程制作系統(tǒng)、Sony 4K IP切換臺(tái)、PWS-4500記錄服務(wù)器、EVS XTVIA慢動(dòng)作服務(wù)器、HDRC-4000 HDR節(jié)目制作轉(zhuǎn)換單元、核心交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、SNP IP畫面分割器等，通過(guò)Sony LSM管理系統(tǒng)對(duì)IP信號(hào)進(jìn)行靈活統(tǒng)一調(diào)度，通話和音頻系統(tǒng)主要采用了ADAM-M數(shù)字通話矩陣,斯泰克AVATUS、AURATUS調(diào)音臺(tái)系統(tǒng)。

圖2 4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)圖

系統(tǒng)全融合技術(shù)方案采用了A車接管B車方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，在A車、B車獨(dú)立制作時(shí)，A車和B車核心交換機(jī)都是SPINE-LEAF架構(gòu)，使用各自的IP管理系統(tǒng)，設(shè)備各自注冊(cè)到本車的IP管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，A、B車控制均各自使用IGMP組播路由的方式實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)交互。A車和B車在系統(tǒng)融合工作時(shí)，僅A車IP管理系統(tǒng)開啟，A車作為SPINE 配置，B車作為L(zhǎng)EAF配置啟動(dòng)，B車作為L(zhǎng)EAF通過(guò)光纖和A車的SPINE交換機(jī)連接，A車、B車設(shè)備均注冊(cè)進(jìn)A車IP管理系統(tǒng)，使用A車IGMP作為路由層，實(shí)現(xiàn)A、B車控制數(shù)據(jù)交互，A車具備A車+B車所有信號(hào)的管理、控制及調(diào)度，將兩車系統(tǒng)融合為真正一體且規(guī)模更大的制作系統(tǒng)。

圖3 全融合技術(shù)方案

二．4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車全融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著節(jié)目錄制和直播工作，要確保高質(zhì)量的視音頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳播，系統(tǒng)中在建設(shè)基于面向SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)的4K非壓縮技術(shù)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，采用了非阻塞SPINE-LEAF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（葉脊網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，通過(guò)交換機(jī)VLAN劃分對(duì)媒體數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行引導(dǎo)，合理分配網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，避免網(wǎng)絡(luò)阻塞。系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可接入脊交換機(jī)也可接入葉交換機(jī)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃基于在大帶寬、低延時(shí)的基礎(chǔ)上，充分提高帶寬利用率，通過(guò)脊交換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)水平方向擴(kuò)展帶寬和增加網(wǎng)絡(luò)接口，葉脊網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，不存在網(wǎng)絡(luò)重新收斂，同時(shí)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)具備冗余備份，所有設(shè)備端IP接口具備冗余網(wǎng)絡(luò)接口,網(wǎng)絡(luò)流量將繼續(xù)在其他正常路徑上傳輸，確保了媒體數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)傳輸安全，確保了制作系統(tǒng)的安全性。

圖4 系統(tǒng)冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4K IP轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)按網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要分為媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)兩部分，媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)流的交互，媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)包括了媒體核心數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、音頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、通話系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)三部分。媒體核心數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)流調(diào)度和管理，采用SPINE-LEAF葉脊架構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)配置了Sony LSM管理系統(tǒng)，LSM通過(guò)NDCP等私有設(shè)備管理協(xié)議、NMOS等開放設(shè)備管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)的集中控制，設(shè)備通過(guò)IGMP加入或離開組播組以收取IP流的管理方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制。音頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)和通話系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)流通過(guò)其系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用軟件完成內(nèi)部信號(hào)流調(diào)度，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)和媒體核心數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流交互，同時(shí)LSM管理系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入到媒體核心數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的音頻數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和調(diào)度，完成節(jié)目的制作?？刂凭W(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由NS-BUS控制網(wǎng)絡(luò)、攝像機(jī)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)等組成。NS-BUS網(wǎng)絡(luò)主要是完成LSM服務(wù)器和LSM切換面板的接入，并實(shí)現(xiàn)LSM IP TALLY的分發(fā)。LSM服務(wù)器需和媒體核心數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過(guò)NDCP等私有管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)媒體數(shù)據(jù)流的管理和控制設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。攝像機(jī)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)主要RCP、CCU、MSU等終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)參數(shù)控制和調(diào)整，設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備連接，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以及IP TALLY的接收。

1.媒體數(shù)據(jù)核心交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備端口和帶寬

按以上表中統(tǒng)計(jì)，我們可統(tǒng)計(jì)出兩車獨(dú)立工作時(shí)A車和B車核心媒體交換網(wǎng)絡(luò)的端口和帶寬基本情況，但考慮到兩車系統(tǒng)全融合情況，A車對(duì)B車進(jìn)行接管,A車和B車系統(tǒng)要增加最大帶寬約1855G，那么意味著兩車級(jí)聯(lián)按100G的端口連接，兩車之間就需要19根光纖完成系統(tǒng)融合連接，則B車所需100G端口增加為31個(gè)，A車所需100G端口增加為40個(gè)。

（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

媒體數(shù)據(jù)核心交換網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)阻塞SPINE-LEAF架構(gòu)，設(shè)備可接入SPINE交換機(jī)，也可以接入LEAF交換機(jī)，在SPINE交換機(jī)的選擇上，在滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換容量條件下，具備提供靈活的網(wǎng)絡(luò)端口接入能力，則需要端口具備降速和拆分等功能。我們SPINE交換機(jī)采用了64*100G端口的華為8850交換機(jī)，設(shè)備具備12.8T交換容量、系統(tǒng)內(nèi)采用mode3方式（其中24個(gè)端口可拆分、32個(gè)端口不可拆分、8個(gè)端口不可用）、具備端口降速等能力，能充分滿足我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

B車網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，網(wǎng)絡(luò)中接入端口需求：44*25G+31*100G+3*10G，8850交換機(jī)使用mode3后，具備56*100G可用端口，在滿足31*100G端口接入后，還有剩余25*100G端口，其中8850交換機(jī)的24個(gè)可拆分端口已經(jīng)能充分滿足44*25G+3*10G端口接入，實(shí)際上用13個(gè)拆分端口通過(guò)使用光纖并線盒方式完成設(shè)備端口接入。

可見,B車由于設(shè)備體量較小，通過(guò)最簡(jiǎn)單的脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(Single Spine架構(gòu))就能完成了B車網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

圖5 B車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

A車網(wǎng)絡(luò)中接入端口需求為：68*25G+40*100G+3*10G，8850交換機(jī)使用mode3后，具備56*100G可用端口，在滿足40*100G端口接入后，交換機(jī)還剩余16*100G可拆分端口，無(wú)法滿足68*25G+3*10G端口接入，在8850端口接入資源比較緊張情況下，考慮到實(shí)際上數(shù)據(jù)流帶寬是遠(yuǎn)小于端口帶寬，為充分提高帶寬利用率，選擇LEAF交換機(jī)來(lái)擴(kuò)展端口接入能力，滿足8850交換機(jī)端口設(shè)備接入。LEAF采用華為6865交換機(jī)，具備了48*25G下行端口，8*100G的上行端口，通過(guò)綜合計(jì)算LEAF下行端口數(shù)據(jù)所接入數(shù)據(jù)的實(shí)際帶寬，可使用了LEAF交換機(jī)7個(gè)上行100G端口上完成系統(tǒng)中39個(gè)下行端口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)8850交換機(jī)還有9個(gè)可拆分端口完全可滿足剩余的32端口接入，并通過(guò)使用光纖并線盒方式完成端口接入。

可見,A車由于設(shè)備體量較大，8850交換機(jī)的接口資源比較緊張，通過(guò)LEAF交換機(jī)充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)提高端口接入能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 A車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在系統(tǒng)同步方面，媒體數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要采用PTP進(jìn)行同步，A車和B車各配置主備兩臺(tái)同步機(jī)，同步系統(tǒng)采用單GPS架構(gòu)，主同步機(jī)鎖定GPS時(shí)鐘信號(hào)，生成PTP時(shí)鐘基準(zhǔn)，同時(shí)主同步機(jī)通過(guò)BB+VITC信號(hào)方式鎖定備同步機(jī)，主備同步機(jī)PTP信號(hào)各自連接主備網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在主備核心交換機(jī)上進(jìn)行了直連，在主同步機(jī)出現(xiàn)故障,主PTP信號(hào)中斷情況下，備同步機(jī)的PTP就能切換到主網(wǎng)絡(luò)中，確保了主網(wǎng)絡(luò)PTP信號(hào)不中斷。在A車、B車系統(tǒng)融合使用時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)光纖將A車的PTP信號(hào)輸送給B車，B車主同步機(jī)通過(guò)核心交換機(jī)獲取到A車PTP信號(hào)，設(shè)備處于SLAVE模式，這樣可以保證B車主同步機(jī)可以與A車同步機(jī)擁有相同的同步基準(zhǔn)，B車主同步機(jī)輸出的BB信號(hào)也可以和A車BB信號(hào)同步，B車備同步機(jī)采用B車主同步機(jī)的BB+VITC信號(hào)鎖定。從而最大限度的保證了A、B兩車的PTP和BB，IP和基帶的深度同步，且出現(xiàn)單點(diǎn)故障發(fā)生同步倒換時(shí)也不會(huì)對(duì)兩車造成影響，保證了兩車級(jí)聯(lián)時(shí)的安全和穩(wěn)定。

圖7 PTP同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（3）網(wǎng)絡(luò)流量規(guī)劃

在完成網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備接入規(guī)劃后，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、防止網(wǎng)絡(luò)阻塞，合理分配帶寬資源，交換機(jī)端口需要進(jìn)行VLAN劃分，系統(tǒng)中VLAN劃分依據(jù)交換機(jī)的100G端口帶寬原則來(lái)進(jìn)行，通過(guò)VLAN的劃分完成了對(duì)媒體數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)線路的引導(dǎo)，合理分配帶寬資源，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)鏈路合理規(guī)劃。

2.其他部分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

（1）音頻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和通話系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都是相對(duì)獨(dú)立系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入端口規(guī)模比較小，車內(nèi)系統(tǒng)采用了兩臺(tái)華為S5720交換機(jī)作為音頻通話主備交換機(jī)，完成了音頻系統(tǒng)和通話系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入，同時(shí)在交換機(jī)上將這兩部分劃分不同的VLAN，并配置相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，將音頻通話交換機(jī)和核心交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)音頻數(shù)據(jù)的交互。

圖8 音頻系統(tǒng)和通話系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）控制網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)控制端口接入到控制網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)控制端信息交互、設(shè)備參數(shù)設(shè)置。

圖9 控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.系統(tǒng)全融合時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)全融合時(shí)，B車8850交換機(jī)則作為L(zhǎng)EAF通過(guò)19根雙向100G的光纖接入到A車的SPINE中，完成了兩車網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)通過(guò)VLAN的劃分來(lái)引導(dǎo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，完成了系統(tǒng)的全融合，充分體現(xiàn)了IP技術(shù)在廣電電視制作領(lǐng)域的優(yōu)越性。

圖10 系統(tǒng)全融合時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

控制系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)往往也需要實(shí)現(xiàn)主備備份，為了避免環(huán)路的出現(xiàn)，雙星架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。雙星的原理是在主備SDN交換機(jī)內(nèi)分別配置虛擬網(wǎng)關(guān)，并設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)，主交換機(jī)優(yōu)先級(jí)高于備交換機(jī)，正常情況下，控制數(shù)據(jù)只通過(guò)優(yōu)先級(jí)高的主SDN交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在主交換機(jī)出現(xiàn)故障情況下，控制數(shù)據(jù)才會(huì)通過(guò)備交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?？刂凭W(wǎng)絡(luò)通過(guò)VLAN劃分成不同網(wǎng)段，將不同的應(yīng)用隔離在不同的廣播域內(nèi)，提高了終端之間的通信效率及網(wǎng)絡(luò)安全性。

三．4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車在不同工作模式下的系統(tǒng)設(shè)置

A車無(wú)論是在單車獨(dú)立工作還是系統(tǒng)融合工作情形下，都是作為SPINE配置，系統(tǒng)狀態(tài)不變，不需要進(jìn)行任何更改。A車LSM管理系統(tǒng)在初始配置時(shí)將A車和B車的設(shè)備都注入進(jìn)A車即可。

B車在獨(dú)立工作時(shí)，作為SPINE配置，在系統(tǒng)融合工作時(shí)，B車作為L(zhǎng)EAF配置。因此，B車在兩種不同工作模式下，系統(tǒng)設(shè)置是有區(qū)別的，主要區(qū)別體現(xiàn)如下：

• LSM管理系統(tǒng)在B車獨(dú)立工作時(shí)啟用，系統(tǒng)融合工作時(shí)必須關(guān)閉。
• 8850交換機(jī)在B車獨(dú)立工作時(shí)作為SPINE配置，使用B車獨(dú)立工作狀態(tài)下的配置文件。在系統(tǒng)融合工作時(shí),8850交換機(jī)作為L(zhǎng)EAF配置，使用兩車級(jí)聯(lián)工作狀態(tài)下的配置文件。
• 主同步機(jī)在B車獨(dú)立工作時(shí)，PTP作為MASTER模式，通過(guò)GPS鎖相。在系統(tǒng)融合工作時(shí)，PTP作為SLAVE模式，通過(guò)系統(tǒng)主PTP鎖相。
• 切換臺(tái)110SC1控制單元在B車獨(dú)立工作時(shí)，B車LSM讀取110SC1控制單元信息，在系統(tǒng)融合工作時(shí)，則是A車LSM讀取110SC1控制單元信息，110SC1控制單元NS-BUS的IP地址需在不同工作模式下需要進(jìn)行適配。

四．結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論在模擬時(shí)代或SDI時(shí)代，轉(zhuǎn)播車都一直都在嘗試進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)聯(lián)，但由于轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)線路多且復(fù)雜，模擬、SDI信號(hào)線路又是單一對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)全融合難度非常大。但隨著IP技術(shù)在廣電制作領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)全融合已完全能通過(guò)IP技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。正是基于此，我臺(tái)建設(shè)了業(yè)界首個(gè)SMPTE ST-2110全融合系統(tǒng)的4K超高清全媒體組合式轉(zhuǎn)播車，在我們實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)全融合能快速、輕松的完成調(diào)試，系統(tǒng)擴(kuò)容輕易實(shí)現(xiàn)，給節(jié)目制作提供了強(qiáng)大動(dòng)能和創(chuàng)作空間。