【摘要】 本文全面闡述了廣州市廣播電視臺的4K超高清全媒體組合式轉播車系統全融合的設計。首先介紹了4K超高清全媒體組合式轉播車的整體方案，包括系統的組成以及全融合的整體技術方案，并通過對系統網絡設計思路詳細介紹，闡述了轉播車系統網絡設計方法及全融合技術的整體網絡結構，最后對轉播車系統在不同工作模式下的系統設置情況進行說明。

【關鍵詞】4K超高清全媒體組合式轉播車  全融合  SPINE-LEAF  媒體數據交換網絡  控制網絡  VLAN  PTP  IGMP

一．4K超高清全媒體組合式轉播車系統全融合技術方案

廣州市廣播電視臺建設國際國內技術領先的4K超高清全媒體組合式轉播車是基于雙車系統的設計，雙車系統由一臺16+4訊道4K IP轉播車（A車）和一臺10+2訊道4K IP（B車）轉播車組成，雙車可靈活地獨立運作，并通過車體組合、系統融合，實現人員、設備和空間優化重組，并實現IP下視頻，音頻，通話，控制信號全聯通，是業界首個SMPTE ST-2110全融合系統，系統全融合技術得益于電視制作系統IP技術的發展，充分利用了IP技術帶來的安全，高效，便捷等特點，創造出獨特的系統優勢，讓雙車系統真正融合為一體，成為32訊道+雙獨立制作區的超大制作系統。

圖1 4K超高清全媒體組合式轉播車外觀圖

4K超高清全媒體組合式轉播車系統以IP架構為制作核心，IP信號流采用符合SMPTE ST 2110、ST2022-7等系列標準的4K非壓縮單流技術，支持4K HDR，兼容高清SDR。視頻系統配置有HDC-3500超高清訊道、HDC-5500超高清高速攝像機訊道，HDCE-TX30 ST2110 4K IP攝像機遠程制作系統、Sony 4K IP切換臺、PWS-4500記錄服務器、EVS XTVIA慢動作服務器、HDRC-4000 HDR節目制作轉換單元、核心交換機、網關、SNP IP畫面分割器等，通過Sony LSM管理系統對IP信號進行靈活統一調度，通話和音頻系統主要采用了ADAM-M數字通話矩陣,斯泰克AVATUS、AURATUS調音臺系統。

圖2 4K超高清全媒體組合式轉播車系統圖

系統全融合技術方案采用了A車接管B車方式來實現，在A車、B車獨立制作時，A車和B車核心交換機都是SPINE-LEAF架構，使用各自的IP管理系統，設備各自注冊到本車的IP管理系統進行管理，A、B車控制均各自使用IGMP組播路由的方式實現控制數據交互。A車和B車在系統融合工作時，僅A車IP管理系統開啟，A車作為SPINE 配置，B車作為LEAF配置啟動，B車作為LEAF通過光纖和A車的SPINE交換機連接，A車、B車設備均注冊進A車IP管理系統，使用A車IGMP作為路由層，實現A、B車控制數據交互，A車具備A車+B車所有信號的管理、控制及調度，將兩車系統融合為真正一體且規模更大的制作系統。

圖3 全融合技術方案

二．4K超高清全媒體組合式轉播車全融合系統設計

轉播車系統擔負著節目錄制和直播工作，要確保高質量的視音頻信號進行實時傳播，系統中在建設基于面向SMPTE ST2110標準的4K非壓縮技術全IP網絡架構系統時，采用了非阻塞SPINE-LEAF網絡架構（葉脊網絡）進行網絡規劃，通過交換機VLAN劃分對媒體數據流轉發進行引導，合理分配網絡帶寬資源，避免網絡阻塞。系統中的網絡設備可接入脊交換機也可接入葉交換機，系統網絡規劃基于在大帶寬、低延時的基礎上，充分提高帶寬利用率，通過脊交換機，可實現水平方向擴展帶寬和增加網絡接口，葉脊網絡中設備發生故障時，不存在網絡重新收斂，同時系統中網絡具備冗余備份，所有設備端IP接口具備冗余網絡接口,網絡流量將繼續在其他正常路徑上傳輸，確保了媒體數據流的實時傳輸安全，確保了制作系統的安全性。

圖4 系統冗余網絡架構

4K IP轉播車系統按網絡應用主要分為媒體數據網絡和控制網絡兩部分，媒體數據網實現視音頻數據流的交互，媒體數據網包括了媒體核心數據交換網絡、音頻系統數據交換網絡、通話系統數據交換網絡三部分。媒體核心數據交換網絡實現媒體數據流調度和管理，采用SPINE-LEAF葉脊架構，系統內配置了Sony LSM管理系統，LSM通過NDCP等私有設備管理協議、NMOS等開放設備管理協議實現IP網絡的集中控制，設備通過IGMP加入或離開組播組以收取IP流的管理方式實現網絡的集中控制。音頻系統數據交換網絡和通話系統數據交換網絡是相對獨立的系統，數據流通過其系統內應用軟件完成內部信號流調度，并通過網關和媒體核心數據交換網絡實現數據流交互，同時LSM管理系統對進入到媒體核心數據交換網絡的音頻數據流實現統一管理和調度，完成節目的制作。控制網絡相對簡單，主要由NS-BUS控制網絡、攝像機系統控制網絡、設備控制網絡等組成。NS-BUS網絡主要是完成LSM服務器和LSM切換面板的接入，并實現LSM IP TALLY的分發。LSM服務器需和媒體核心數據交換網絡進行連接，通過NDCP等私有管理協議實現對媒體數據流的管理和控制設備數據轉發。攝像機系統控制網絡主要RCP、CCU、MSU等終端設備網絡互聯，實現攝像機參數控制和調整，設備控制網絡主要實現終端設備連接，通過網頁對設備參數進行設置，以及IP TALLY的接收。

1.媒體數據核心交換網絡設計

（1）設備端口和帶寬

按以上表中統計，我們可統計出兩車獨立工作時A車和B車核心媒體交換網絡的端口和帶寬基本情況，但考慮到兩車系統全融合情況，A車對B車進行接管,A車和B車系統要增加最大帶寬約1855G，那么意味著兩車級聯按100G的端口連接，兩車之間就需要19根光纖完成系統融合連接，則B車所需100G端口增加為31個，A車所需100G端口增加為40個。

（2）網絡設計

媒體數據核心交換網絡采用無阻塞SPINE-LEAF架構，設備可接入SPINE交換機，也可以接入LEAF交換機，在SPINE交換機的選擇上，在滿足網絡數據交換容量條件下，具備提供靈活的網絡端口接入能力，則需要端口具備降速和拆分等功能。我們SPINE交換機采用了64*100G端口的華為8850交換機，設備具備12.8T交換容量、系統內采用mode3方式（其中24個端口可拆分、32個端口不可拆分、8個端口不可用）、具備端口降速等能力，能充分滿足我們系統設計要求。

B車網絡規模較小，網絡中接入端口需求：44*25G+31*100G+3*10G，8850交換機使用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交換機的24個可拆分端口已經能充分滿足44*25G+3*10G端口接入，實際上用13個拆分端口通過使用光纖并線盒方式完成設備端口接入。

可見,B車由于設備體量較小，通過最簡單的脊網絡架構(Single Spine架構)就能完成了B車網絡建設。

圖5 B車網絡架構

A車網絡中接入端口需求為：68*25G+40*100G+3*10G，8850交換機使用mode3后，具備56*100G可用端口，在滿足40*100G端口接入后，交換機還剩余16*100G可拆分端口，無法滿足68*25G+3*10G端口接入，在8850端口接入資源比較緊張情況下，考慮到實際上數據流帶寬是遠小于端口帶寬，為充分提高帶寬利用率，選擇LEAF交換機來擴展端口接入能力，滿足8850交換機端口設備接入。LEAF采用華為6865交換機，具備了48*25G下行端口，8*100G的上行端口，通過綜合計算LEAF下行端口數據所接入數據的實際帶寬，可使用了LEAF交換機7個上行100G端口上完成系統中39個下行端口數據的轉發，同時8850交換機還有9個可拆分端口完全可滿足剩余的32端口接入，并通過使用光纖并線盒方式完成端口接入。

可見,A車由于設備體量較大，8850交換機的接口資源比較緊張，通過LEAF交換機充分利用網絡帶寬來提高端口接入能力，實現網絡優化設計。

圖6 A車網絡架構

在系統同步方面，媒體數據交換網絡中的網絡設備主要采用PTP進行同步，A車和B車各配置主備兩臺同步機，同步系統采用單GPS架構，主同步機鎖定GPS時鐘信號，生成PTP時鐘基準，同時主同步機通過BB+VITC信號方式鎖定備同步機，主備同步機PTP信號各自連接主備網絡。同時在主備核心交換機上進行了直連，在主同步機出現故障,主PTP信號中斷情況下，備同步機的PTP就能切換到主網絡中，確保了主網絡PTP信號不中斷。在A車、B車系統融合使用時，通過級聯光纖將A車的PTP信號輸送給B車，B車主同步機通過核心交換機獲取到A車PTP信號，設備處于SLAVE模式，這樣可以保證B車主同步機可以與A車同步機擁有相同的同步基準，B車主同步機輸出的BB信號也可以和A車BB信號同步，B車備同步機采用B車主同步機的BB+VITC信號鎖定。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，且出現單點故障發生同步倒換時也不會對兩車造成影響，保證了兩車級聯時的安全和穩定。

圖7 PTP同步網絡架構

（3）網絡流量規劃

在完成網絡中設備接入規劃后，為了實現網絡負載均衡、防止網絡阻塞，合理分配帶寬資源，交換機端口需要進行VLAN劃分，系統中VLAN劃分依據交換機的100G端口帶寬原則來進行，通過VLAN的劃分完成了對媒體數據流轉發線路的引導，合理分配帶寬資源，實現信號轉發鏈路合理規劃。

2.其他部分網絡的設計

（1）音頻系統網絡和通話系統網絡都是相對獨立系統，網絡設備接入端口規模比較小，車內系統采用了兩臺華為S5720交換機作為音頻通話主備交換機，完成了音頻系統和通話系統網絡接入，同時在交換機上將這兩部分劃分不同的VLAN，并配置相應的網關，將音頻通話交換機和核心交換機連接，實現了車內音頻數據的交互。

圖8 音頻系統和通話系統的網絡架構

（2）控制網絡主要通過設備的網絡控制端口接入到控制網絡中，實現控制端信息交互、設備參數設置。

圖9 控制網絡架構

3.系統全融合時網絡結構

系統全融合時，B車8850交換機則作為LEAF通過19根雙向100G的光纖接入到A車的SPINE中，完成了兩車網絡連接，同時通過VLAN的劃分來引導數據轉發，通過網關實現不同網絡的數據交互，完成了系統的全融合，充分體現了IP技術在廣電電視制作領域的優越性。

圖10 系統全融合時網絡拓撲圖

控制系統的級聯往往也需要實現主備備份，為了避免環路的出現，雙星架構的優勢得以體現。雙星的原理是在主備SDN交換機內分別配置虛擬網關，并設置不同優先級，主交換機優先級高于備交換機，正常情況下，控制數據只通過優先級高的主SDN交換機進行數據交互，在主交換機出現故障情況下，控制數據才會通過備交換機進行數據交互。控制網絡通過VLAN劃分成不同網段，將不同的應用隔離在不同的廣播域內，提高了終端之間的通信效率及網絡安全性。

三．4K超高清全媒體組合式轉播車在不同工作模式下的系統設置

A車無論是在單車獨立工作還是系統融合工作情形下，都是作為SPINE配置，系統狀態不變，不需要進行任何更改。A車LSM管理系統在初始配置時將A車和B車的設備都注入進A車即可。

B車在獨立工作時，作為SPINE配置，在系統融合工作時，B車作為LEAF配置。因此，B車在兩種不同工作模式下，系統設置是有區別的，主要區別體現如下：

• LSM管理系統在B車獨立工作時啟用，系統融合工作時必須關閉。
• 8850交換機在B車獨立工作時作為SPINE配置，使用B車獨立工作狀態下的配置文件。在系統融合工作時,8850交換機作為LEAF配置，使用兩車級聯工作狀態下的配置文件。
• 主同步機在B車獨立工作時，PTP作為MASTER模式，通過GPS鎖相。在系統融合工作時，PTP作為SLAVE模式，通過系統主PTP鎖相。
• 切換臺110SC1控制單元在B車獨立工作時，B車LSM讀取110SC1控制單元信息，在系統融合工作時，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行適配。

四．結束語

無論在模擬時代或SDI時代，轉播車都一直都在嘗試進行系統級聯，但由于轉播車系統線路多且復雜，模擬、SDI信號線路又是單一對應關系，系統級聯實現全融合難度非常大。但隨著IP技術在廣電制作領域的應用發展，轉播車系統級聯實現全融合已完全能通過IP技術手段來實現。正是基于此，我臺建設了業界首個SMPTE ST-2110全融合系統的4K超高清全媒體組合式轉播車，在我們實際應用中，系統全融合能快速、輕松的完成調試，系統擴容輕易實現，給節目制作提供了強大動能和創作空間。