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4K/8K超高清时代到来,推动制播系统向IP化演进

导语:电视台也纷纷开始转型并进行4K改造试点和商用部署,为大规模4K建设做铺垫,4K制播技术和方案成为当前电视台关注的重点之一

      广电行业视频业务发展迅速,高清、超高清、各种新兴视频业务不断涌现,预示着4K/8K超高清时代已经来临。据统计,2017年全球4K电视发货7500万台,占电视总发货量的35%。Ovum报告显示,全球4K付费电视用户数量在未来几年都呈现逐年上涨趋势,2020年有望达到3000万用户。广电行业视频业务发展迅速,高清、超高清、各种新兴视频业务不断涌现,预示着4K/8K超高清时代已经来临。

      在产业和标准化方面,2012年欧洲广播联盟(简称EBU)就已经将4K纳入到未来超高清发展路线图中,并开始制定相关行业标准,其中最重要的关于IP化的标准SMPTE 2110也在2017年年底正式发布;在国内,广电总局提出将发展4K超高清电视纳入“十三五”科技发展规划,按照规划要求,到2020年,高清频道要成为主流播出模式,省级以上电视台标清频道将全部停播。由工信部、广电总局、央视总台三部门印发的《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022年)》明确提出2020年4K用户达到1亿,2022年达到2亿,超高清产业总体规模超过4万亿,,4K产业生态体系基本完善的目标。

      在这种趋势之下,各电视台也纷纷开始转型并进行4K改造试点和商用部署,为大规模4K建设做铺垫,4K制播技术和方案成为当前电视台关注的重点之一。

 

 

      SDI制播系统制约超高清内容生产,成为产业发展瓶颈

      当前电视台内部大多采用SDI矩阵对台内视频流进行调度和分发。SDI矩阵在标清和高清视频业务发展阶段发挥了重要作用。然而,视频业务在不断演进,SDI技术却发展缓慢,无法满足4K/8K业务对大带宽、灵活性以及成本的发展诉求。

      电视台内部内容生产过程包括三大环节,前端完成摄像机输入信号、外来信号以及本地收录节目的接入,中间经过演播室、转播车、总控和收录域的SDI交换矩阵进行视频传输,后端实现4K信号处理、多画面显示。

      SDI交换矩阵作为超高清内容生产的关键环节,由于其存在维护困难、容量小难扩展和技术封闭等问题,严重制约了产业发展。

      一、电缆多、维护困难

      4K需要的3G-SDI电缆数量是HD的4倍,3G-SDI传送距离<=60m,需额外部署光端机,维护困难

      采用SDI建设4K制播系统,成本成倍增长

      二、容量小、难扩展

      3G-SDI/12G-SDI带宽低,难以匹配4K/8K业务需求

      SDI技术和标准发展缓慢,成本高

      三、技术封闭、制播效率低

      制播网和分发网技术不统一,架构复杂,难以应用虚拟化、云化、AI等先进的ICT技术来提升节目内容的生产制作效率

      IP成为超高清视频业务发展关键使能技术,电视台向融合新媒体转型需拥抱新ICT技术

      当前广电行业正面临着从HD向4K/8K UHD演进、从单一电视业务向融媒体业务演进, SDI基础技术架构已经显得力不从心,在传送带宽、传送距离、部署运维成本、灵活性、自动化、智能化等方面与业务需求存在巨大差距。

      与之相比, IP、云计算、大数据、物联网、5G、AI等ICT相关技术发展迅猛,一日千里,众多的视频OTT借助这些新技术获得了高速发展。享受ICT技术发展带来的红利,通过先进的ICT技术来改造传统的广播电视节目生产制作系统,提升节目内容的生产制作效率,提升用户体验,降低成本已经成为业界共识,广播电视基础架构的 IP化、云化、微服务化是广播电视节目生产系统改造的重点方向。

      为提升节目制作效率和用户体验,传统电视台也在积极探索向融合新媒体转型。转型过程中,电视台充分借鉴OTT行业的成功经验,应用云计算、大数据、AI、5G等最新ICT技术对传统电视业务进行改造。

      为引进新ICT技术,电视台首先需要借助IP技术进行系统架构简化,实现传统电视业务和新媒体节目内容的统一制作与分发,提供更新、更震撼的视听体验。

      在面向未来的IP化的广播电视基础架构当中,IP网络和IT软件将成为最具价值的部分。在转播车、演播室、总控、播出系统当中,将以IP交换矩阵为核心连接各种信号处理系统、监视监看系统、音视频制作系统、同步系统,来实现视音频信号、时钟同步信号的复杂调度和分发;媒资控制器软件将作为整个系统的大脑,提供融合的控、管、监能力;专用的音视频处理硬件系统,包括切换台、编解码器等,将逐步实现软件定义,通过服务器集群+GPU/FPGA+软件的方式来实现;随着远程制作、虚拟演播室等业务的发展,软件定义的制播网将成为主流模式。对于非编系统,基于私有云、公有云或者混合云的基础架构将逐步取代当前的烟囱型的独立系统,通过构建统一的、共享的基础资源平台,来满足不同电视频道业务的需求。

      广电行业IP化进展快速,标准和产品进入成熟阶段

      2017年年底,行业权威标准组织SMPTE正式发布了IP化标准ST2022和ST2110,标志着SDI制播正在加速向IP制播迁移。

      与此同时,业内主流设备供应商都陆续推出了各自的IP化产品,传统的网络厂商也积极推出了适配电视台内部制播网的IP化产品和解决方案。

      一、IP交换矩阵是制播网当中最核心的设备,当前存在三种主要的技术路线:

      第一种由传统广电厂商提供的专用的IP交换矩阵,其特点是功能较为完善,支持净切换等关键特性,能够充分保障视频质量,但是由于系统封闭,目标市场狭窄,无法分摊成本,价格高昂,业界对这种技术路线的持续演进能力存在疑虑。

      第二种由传统网络厂商提供的通用IP交换机方案,优点是开放性强,缺点是无法直接支持净切换等关键特性,需要依赖媒资网关设备实现,导致媒资控制器与媒资终端之间紧耦合,整个系统的灵活性和扩展性不足,不利于系统总成本的持续降低。

      第三种基于通用IP路由器的4K制播网解决方案,目前的典型代表是华为IP化矩阵解决方案,基于路由器网络处理器芯片强大的深度报文解析能力、灵活可编程能力,再加上创新的软件算法,提供净切换、组播NAT、精准PTP时钟同步、视音频质量可视化等功能,整体架构简洁高效,与媒资设备完全解耦,具备非常强的灵活性、扩展性。

      二、广电主流厂商推出符合标准的4K超高清IP化产品

      广播电视基础架构的IP化涉及众多子系统,包括交换矩阵、PTP时钟发生器、摄像机及讯道控制系统、切换台、IPG信号转换网关、多画面监视监看系统、慢动作回放系统、帧同步器、技术监测系统、编解码器、视频播出服务器、视频录制和存储系统、环绕声/全景声音频制作系统等。目前各主流厂商纷纷推出符合ST2110标准的支持4K UHD的产品,但部分产品仅仅是对外提供IP接口,内核并没有真正IP化,缺乏缓存和帧同步能力,对系统的工程设计带来挑战,这类产品未来仍需进一步改进,与此同时,多厂商系统之间的互通性也有待进一步的测试验证。

      新一代面向4K/8K的IP制播网解决方案

      为推动超高清产业发展,让更多用户有机会感受超高清业务的震撼体验,华为推出了新一代面向4K/8K的IP制播网解决方案,成功突破超高清制播技术瓶颈。

      方案可适配电视台内部的不同制作场景,包括转播车、演播室、播出域、收录和总控。依据不同场景下业务规模的大小,灵活选用NE系列路由器组成双机主备或者Spine-Leaf结构的IP交换矩阵,帮助客户构建制播网IP化解决方案。

      突破超高清制播技术瓶颈,推动超高清产业发展,让更多用户都能感受到超高清的震撼体验。

      华为4K IP制播网解决方案采用创新的算法和灵活可编程的网络处理器技术,提供基于IP交换矩阵的净切换和智能识别4K/8K流帧边界,可实现大规模音视频业务高可靠调度,从而为后端播出提供高质量4K/8K视频内容;基于Spine/Leaf的Fabric灵活极简架构,支撑制播系统灵活扩容和超高清平滑演进。

      4K IP制播网解决方案具有如下特点:

      高质量制播

      方案遵循ST2022-6和ST2110、ST2059多种标准格式,基于IP交换矩阵实现视频流净切换,配套PTP实现精准时钟同步。

      高可靠制播

      采用在运营商市场成熟应用超20年的华为核心路由器设备,具备芯片级、设备级、网络级的三级高可靠保障,符合媒资行业ST2022-7标准要求。

      极简制播

      设备支持GE/10GE/25GE/40GE/50GE/100GE全系列接口,可实现全系列视频码流任意接入。支持与第三方媒体控制器对接集成,可以对端到端IP网络资源进行统一调度和管理, 实现可视化运维。

      开放生态

      具备开放的北向接口,支持与多厂商媒资控制器的灵活集成对接。此外,作为传统IP设备提供商,积极与视频行业标准组织、产业联盟以及主流广电厂商开放合作。   

      关键技术一:净切换

      4K IP制播网解决方案通过NP芯片+创新算法实现IP交换矩阵净切换,完美保障每一帧视频质量。

      一、净切换算法:

      整帧切换取代传统报文切换

      基于IP交换矩阵实现,与前后端设备解耦,无需双倍带宽

      自学习, 适配多种音视频格式

      二、网络处理器芯片:

      深度报文解析,支持识别帧边界

      灵活可编程,支持各种音视频标准,兼容主流厂商产品

      超高性能,业界首个16nm 1T芯片,支持大量无压缩4K流调度

      三、净切换技术实现了切换画面无损,达到即切即得的切换效果。

      画面无损:普通报文切换的过程中存在黑场、静帧等问题,而净切换算法由于实现了整帧切换,可保证每一帧视频画面的无损切换。

      即切即得:网络处理器强大的芯片处理能力可以在芯片接收到切换指令后毫秒级完成净切换,有效保障了客户最佳操作体验。

      同时,净切换技术遵循ST2022-6、ST2110标准协议,支持对SD/HD/UHD等多种格式的音视频流切换,可支撑各类标准音视频内容的制播。

      关键技术二:组播NAT

      SDI交换矩阵管理的是物理连接,视频流的切换基于物理连接进行,不会发生地址冲突问题。

      交换矩阵IP化后,将面临如下挑战:

      IP交换矩阵基于IP逻辑链路进行视频流切换,跨部门连接以及台外互联时就会出现地址冲突问题。

      IP交换矩阵需要保持网络物理拓扑和逻辑拓扑稳定,消除大量4K/8K视频调度时遇到的性能瓶颈问题。

      基于此,4K制播网IP化矩阵解决方案中加入了内置组播NAT技术,保证IP交换矩阵与传统SDI交换矩阵一样具有简单的连接。

      组播NAT是基于强大的网络处理器实现的,可以做到按需进行地址转换,部署方便而且灵活,无需调整网络拓扑和路由。

      分布式NAT,灵活部署,容量大,没有性能瓶颈。

      内置组播NAT,无需额外部署NAT设备,节省投资。

      关键技术三:无阻塞调度

      在IP化制播网矩阵中承载上百路/千路4K信号时,IP矩阵应具备每路信号带宽保护、优先级策略、负载均衡算法、故障自动恢复、自动释放网络资源,实现大规模全台IP总控的IP信号无阻塞实时调度。

      在Leaf与Spine之间以及总控与全台各系统之间,当采用多条100GE互联互通时,需要对多条链路上的信号进行统一调度策略,保证信号均匀分布在多条链路上,保证每路信号的带宽,避免由于分担不均匀造成拥塞并出现丢包、信号劣化等现象。

      基于此,4K制播网IP化矩阵解决方案具备了无阻塞调度技术,保证矩阵承载的每路信号带宽得到保障,相互之间不相互冲突和干扰。

      网络控制器根据网络带宽利用情况,按照均衡算法为新业务规划转发路径并下发调度策略。

      转发设备支持对每路信号、每条流量指定出口链路,从而保证每路信号从Leaf-Spine-Leaf每跳的转发路径。

      在故障发生时,SDN控制器对故障链路上的流量重新计算倒换路径并重新下发,整个下发间隔为秒级。

      关键技术四:PTP精准时钟同步

      制播系统要求严格的时钟同步。针对标清和高清视频流,传统SDI制播系统采用黑场信号(BB)、三电平(TLS)进行精确时钟同步,实现帧对齐,保证画面稳定和唇音同步。制播网IP化后,如何保障IP制播系统与全台其他系统的时钟同步成为了关键挑战。为此,视频行业标准组织SMPTE专门推出了ST2059时钟标准。

      4K制播网IP化矩阵方案中通过PTP技术实现精准时钟同步,该技术具备如下优点:

      精度高:同步时钟精度小于1μs;

      部署灵活:遵循ST2059标准要求,支持BC/TC/OC三种时钟部署模式;

      安全可靠:可以部署主备时钟,基于BMC算法实现时钟切换保护。

      开放协作,共同促进4K/8K超高清产业发展

      华为4K IP制播网解决方案提供开放北向接口,支持NETCONF, Telemetry和SNMP等标准协议,可通过标准接口文档与第三方控制器进行灵活集成对接,共同实现视频流的调度、运维等。

      同时,配套设备遵循ST2022, ST2110, ST2059等标准协议, 与广电厂商各种音视频终端设备具备良好的互通性,确保IP化后网络设备能平滑融入广电媒资的生态系统。

      华为公司同关键客户、主流广电供应商和行业标准组织/联盟展开广泛积极的合作、创新,共同推进4K/8K超高清产业发展。

      与央视进行联合创新。完成了联合技术验证并共同申报国家科技部项目,在2019年BIRTV联合展示了制播网IP化方案。

      与业界主流广电厂商(包括海外的SONY、Imagine,国内的格非科技、新奥特正奇等)都建立了合作伙伴关系,致力于为客户提供端到端最佳集成方案。

      与国内国际标准组织和产业联盟展开协作,为超高清标准的持续发展和市场推广作出积极贡献。

      基于华为NE系列路由器打造4K IP制播网解决方案

 

      华为公司简介

      华为是全球领先的ICT(信息与通信)基础设施和智能终端提供商,致力于把数字世界带入每个人、每个家庭、每个组织,构建万物互联的智能世界。华为携手合作伙伴,为电信运营商提供创新领先、极简智能和安全可信的网络产品与解决方案 ;为政企行业客户提供开放、智能和安全可信的ICT 基础设施产品与服务。华为主张开放、合作、共赢,与客户、伙伴合作创新、扩大产业价值,形成健康良性的产业生态系统。作为数字化转型的领导者,华为坚持围绕客户需求持续创新,加大基础研究投入,厚积薄发,推动世界进步。华为创立于1987年,目前华为约有19.4万员工,业务遍及170多个国家和地区,服务30多亿人口。

【责任编辑: 张鹏 】

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