【數字視聽網訊】廣電行業視頻業務發展迅速，高清、超高清、各種新興視頻業務不斷涌現，預示著4K/8K超高清時代已經來臨。據統計，2017年全球4K電視發貨7500萬臺，占電視總發貨量的35%。Ovum報告顯示，全球4K付費電視用戶數量在未來幾年都呈現逐年上漲趨勢，2020年有望達到3000萬用戶。廣電行業視頻業務發展迅速，高清、超高清、各種新興視頻業務不斷涌現，預示著4K/8K超高清時代已經來臨。

在產業和標準化方面，2012年歐洲廣播聯盟(簡稱EBU)就已經將4K納入到未來超高清發展路線圖中，并開始制定相關行業標準，其中重要的關于IP化的標準SMPTE2110也在2017年年底正式發布;在國內，廣電總局提出將發展4K超高清電視納入“十三五”科技發展規劃，按照規劃要求，到2020年，高清頻道要成為主流播出模式，省級以上電視臺標清頻道將全部停播。由工信部、廣電總局、央視總臺三部門印發的《超高清視頻產業發展行動計劃(2019-2022年)》明確提出2020年4K用戶達到1億，2022年達到2億，超高清產業總體規模超過4萬億，，4K產業生態體系基本完善的目標。

在這種趨勢之下，各電視臺也紛紛開始轉型并進行4K改造試點和商用部署，為大規模4K建設做鋪墊，4K制播技術和方案成為當前電視臺關注的重點之一。

 

 

 

 

SDI制播系統制約超高清內容生產，成為產業發展瓶頸

當前電視臺內部大多采用SDI矩陣對臺內視頻流進行調度和分發。SDI矩陣在標清和高清視頻業務發展階段發揮了重要作用。然而，視頻業務在不斷演進，SDI技術卻發展緩慢，無法滿足4K/8K業務對大帶寬、靈活性以及成本的發展訴求。

電視臺內部內容生產過程包括三大環節，前端完成攝像機輸入信號、外來信號以及本地收錄節目的接入，中間經過演播室、轉播車、總控和收錄域的SDI交換矩陣進行視頻傳輸，后端實現4K信號處理、多畫面顯示。

SDI交換矩陣作為超高清內容生產的關鍵環節，由于其存在維護困難、容量小難擴展和技術封閉等問題，嚴重制約了產業發展。

 

 

一、電纜多、維護困難

4K需要的3G-SDI電纜數量是HD的4倍，3G-SDI傳送距離<=60m，需額外部署光端機，維護困難

采用SDI建設4K制播系統，成本成倍增長

二、容量小、難擴展

3G-SDI/12G-SDI帶寬低，難以匹配4K/8K業務需求

SDI技術和標準發展緩慢，成本高

三、技術封閉、制播效率低

制播網和分發網技術不統一，架構復雜，難以應用虛擬化、云化、AI等先進的ICT技術來提升節目內容的生產制作效率

IP成為超高清視頻業務發展關鍵使能技術，電視臺向融合新媒體轉型需擁抱新ICT技術

當前廣電行業正面臨著從HD向4K/8KUHD演進、從單一電視業務向融媒體業務演進，SDI基礎技術架構已經顯得力不從心，在傳送帶寬、傳送距離、部署運維成本、靈活性、自動化、智能化等方面與業務需求存在巨大差距。

與之相比，IP、云計算、大數據、物聯網、5G、AI等ICT相關技術發展迅猛，一日千里，眾多的視頻OTT借助這些新技術獲得了高速發展。享受ICT技術發展帶來的紅利，通過先進的ICT技術來改造傳統的廣播電視節目生產制作系統，提升節目內容的生產制作效率，提升用戶體驗，降低成本已經成為業界共識，廣播電視基礎架構的IP化、云化、微服務化是廣播電視節目生產系統改造的重點方向。

為提升節目制作效率和用戶體驗，傳統電視臺也在積極探索向融合新媒體轉型。轉型過程中，電視臺充分借鑒OTT行業的成功經驗，應用云計算、大數據、AI、5G等最新ICT技術對傳統電視業務進行改造。

為引進新ICT技術，電視臺首先需要借助IP技術進行系統架構簡化，實現傳統電視業務和新媒體節目內容的統一制作與分發，提供更新、更震撼的視聽體驗。

 

 

在面向未來的IP化的廣播電視基礎架構當中，IP網絡和IT軟件將成為價值的部分。在轉播車、演播室、總控、播出系統當中，將以IP交換矩陣為核心連接各種信號處理系統、監視監看系統、音視頻制作系統、同步系統，來實現視音頻信號、時鐘同步信號的復雜調度和分發;媒資控制器軟件將作為整個系統的大腦，提供融合的控、管、監能力;專用的音視頻處理硬件系統，包括切換臺、編等，將逐步實現軟件定義，通過服務器集群+GPU/FPGA+軟件的方式來實現;隨著遠程制作、虛擬演播室等業務的發展，軟件定義的制播網將成為主流模式。對于非編系統，基于私有云、公有云或者混合云的基礎架構將逐步取代當前的煙囪型的獨立系統，通過構建統一的、共享的基礎資源平臺，來滿足不同電視頻道業務的需求。

廣電行業IP化進展快速，標準和產品進入成熟階段

2017年年底，行業權威標準組織SMPTE正式發布了IP化標準ST2022和ST2110，標志著SDI制播正在加速向IP制播遷移。

與此同時，業內主流設備供應商都陸續推出了各自的IP化產品，傳統的網絡廠商也積極推出了適配電視臺內部制播網的IP化產品和解決方案。

一、IP交換矩陣是制播網當中核心的設備，當前存在三種主要的技術路線：

第一種由傳統廣電廠商提供的專用的IP交換矩陣，其特點是功能較為完善，支持凈切換等關鍵特性，能夠充分保障視頻質量，但是由于系統封閉，目標市場狹窄，無法分攤成本，價格高昂，業界對這種技術路線的持續演進能力存在疑慮。

第二種由傳統網絡廠商提供的通用IP交換機方案，優點是開放性強，缺點是無法直接支持凈切換等關鍵特性，需要依賴媒資網關設備實現，導致媒資控制器與媒資終端之間緊耦合，整個系統的靈活性和擴展性不足，不利于系統總成本的持續降低。

第三種基于通用IP路由器的4K制播網解決方案，目前的典型代表是華為IP化矩陣解決方案，基于路由器網絡處理器芯片強大的深度報文解析能力、靈活可編程能力，再加上創新的軟件算法，提供凈切換、組播NAT、精準PTP時鐘同步、視音頻質量可視化等功能，整體架構簡潔高效，與媒資設備完全解耦，具備非常強的靈活性、擴展性。

二、廣電主流廠商推出符合標準的4K超高清IP化產品

廣播電視基礎架構的IP化涉及眾多子系統，包括交換矩陣、PTP時鐘發生器、攝像機及訊道控制系統、切換臺、IPG信號轉換網關、多畫面監視監看系統、慢動作回放系統、幀同步器、技術監測系統、編、視頻播出服務器、視頻錄制和存儲系統、環繞聲/全景聲音頻制作系統等。目前各主流廠商紛紛推出符合ST2110標準的支持4KUHD的產品，但部分產品僅僅是對外提供IP接口，內核并沒有真正IP化，缺乏緩存和幀同步能力，對系統的工程設計帶來挑戰，這類產品未來仍需進一步改進，與此同時，多廠商系統之間的互通性也有待進一步的測試驗證。

新一代面向4K/8K的IP制播網解決方案

為推動超高清產業發展，讓更多用戶有機會感受超高清業務的震撼體驗，華為推出了新一代面向4K/8K的IP制播網解決方案，成功突破超高清制播技術瓶頸。

方案可適配電視臺內部的不同制作場景，包括轉播車、演播室、播出域、收錄和總控。依據不同場景下業務規模的大小，靈活選用NE系列路由器組成雙機主備或者Spine-Leaf結構的IP交換矩陣，幫助客戶構建制播網IP化解決方案。

突破超高清制播技術瓶頸，推動超高清產業發展，讓更多用戶都能感受到超高清的震撼體驗。

 

 

華為4KIP制播網解決方案采用創新的算法和靈活可編程的網絡處理器技術，提供基于IP交換矩陣的凈切換和智能識別4K/8K流幀邊界，可實現大規模音視頻業務高可靠調度，從而為后端播出提供高質量4K/8K視頻內容;基于Spine/Leaf的Fabric靈活極簡架構，支撐制播系統靈活擴容和超高清平滑演進。

4KIP制播網解決方案具有如下特點：

高質量制播：方案遵循ST2022-6和ST2110、ST2059多種標準格式，基于IP交換矩陣實現視頻流凈切換，配套PTP實現精準時鐘同步。

高可靠制播：采用在運營商市場成熟應用超20年的華為核心路由器設備，具備芯片級、設備級、網絡級的三級高可靠保障，符合媒資行業ST2022-7標準要求。

極簡制播：設備支持GE/10GE/25GE/40GE/50GE/100GE全系列接口，可實現全系列視頻碼流任意接入。支持與第三方媒體控制器對接集成，可以對端到端IP網絡資源進行統一調度和管理,實現可視化運維。

開放生態：具備開放的北向接口，支持與多廠商媒資控制器的靈活集成對接。此外，作為傳統IP設備提供商，積極與視頻行業標準組織、產業聯盟以及主流廣電廠商開放合作。

關鍵技術一：凈切換

4KIP制播網解決方案通過NP芯片+創新算法實現IP交換矩陣凈切換，完美保障每一幀視頻質量。

一、凈切換算法：

整幀切換取代傳統報文切換

基于IP交換矩陣實現，與前后端設備解耦，無需雙倍帶寬

自學習，適配多種音視頻格式

二、網絡處理器芯片：

深度報文解析，支持識別幀邊界

靈活可編程，支持各種音視頻標準，兼容主流廠商產品

超高性能，業界16nm1T芯片，支持大量無壓縮4K流調度

三、凈切換技術實現了切換畫面無損，達到即切即得的切換效果。

畫面無損：普通報文切換的過程中存在黑場、靜幀等問題，而凈切換算法由于實現了整幀切換，可保證每一幀視頻畫面的無損切換。

即切即得：網絡處理器強大的芯片處理能力可以在芯片接收到切換指令后毫秒級完成凈切換，有效保障了客戶佳操作體驗。

 

 

同時，凈切換技術遵循ST2022-6、ST2110標準協議，支持對SD/HD/UHD等多種格式的音視頻流切換，可支撐各類標準音視頻內容的制播。

關鍵技術二：組播NAT

SDI交換矩陣管理的是物理連接，視頻流的切換基于物理連接進行，不會發生地址沖突問題。

 

 

交換矩陣IP化后，將面臨如下挑戰：

IP交換矩陣基于IP邏輯鏈路進行視頻流切換，跨部門連接以及臺外互聯時就會出現地址沖突問題。

IP交換矩陣需要保持網絡物理拓撲和邏輯拓撲穩定，消除大量4K/8K視頻調度時遇到的性能瓶頸問題。

 

 

基于此，4K制播網IP化矩陣解決方案中加入了內置組播NAT技術，保證IP交換矩陣與傳統SDI交換矩陣一樣具有簡單的連接。

組播NAT是基于強大的網絡處理器實現的，可以做到按需進行地址轉換，部署方便而且靈活，無需調整網絡拓撲和路由。

分布式NAT，靈活部署，容量大，沒有性能瓶頸。

內置組播NAT，無需額外部署NAT設備，節省投資。

關鍵技術三：無阻塞調度

在IP化制播網矩陣中承載上百路/千路4K信號時，IP矩陣應具備每路信號帶寬保護、優先級策略、負載均衡算法、故障自動恢復、自動釋放網絡資源，實現大規模全臺IP總控的IP信號無阻塞實時調度。

在Leaf與Spine之間以及總控與全臺各系統之間，當采用多條100GE互聯互通時，需要對多條鏈路上的信號進行統一調度策略，保證信號均勻分布在多條鏈路上，保證每路信號的帶寬，避免由于分擔不均勻造成擁塞并出現丟包、信號劣化等現象。

 

 

基于此，4K制播網IP化矩陣解決方案具備了無阻塞調度技術，保證矩陣承載的每路信號帶寬得到保障，相互之間不相互沖突和干擾。

網絡控制器根據網絡帶寬利用情況，按照均衡算法為新業務規劃轉發路徑并下發調度策略。

轉發設備支持對每路信號、每條流量指定出口鏈路，從而保證每路信號從Leaf-Spine-Leaf每跳的轉發路徑。

在故障發生時，SDN控制器對故障鏈路上的流量重新計算倒換路徑并重新下發，整個下發間隔為秒級。

關鍵技術四：PTP精準時鐘同步

制播系統要求嚴格的時鐘同步。針對標清和高清視頻流，傳統SDI制播系統采用黑場信號(BB)、三電平(TLS)進行精確時鐘同步，實現幀對齊，保證畫面穩定和唇音同步。制播網IP化后，如何保障IP制播系統與全臺其他系統的時鐘同步成為了關鍵挑戰。為此，視頻行業標準組織SMPTE專門推出了ST2059時鐘標準。

 

 

4K制播網IP化矩陣方案中通過PTP技術實現精準時鐘同步，該技術具備如下優點：

精度高：同步時鐘精度小于1μs;

部署靈活：遵循ST2059標準要求，支持BC/TC/OC三種時鐘部署模式;

安全可靠：可以部署主備時鐘，基于BMC算法實現時鐘切換保護。

開放協作，共同促進4K/8K超高清產業發展

華為4KIP制播網解決方案提供開放北向接口，支持NETCONF,Telemetry和SNMP等標準協議，可通過標準接口文檔與第三方控制器進行靈活集成對接，共同實現視頻流的調度、運維等。

同時，配套設備遵循ST2022,ST2110,ST2059等標準協議,與廣電廠商各種音視頻終端設備具備良好的互通性，確保IP化后網絡設備能平滑融入廣電媒資的生態系統。

 

 

華為公司同關鍵客戶、主流廣電供應商和行業標準組織/聯盟展開廣泛積極的合作、創新，共同推進4K/8K超高清產業發展。

與央視進行聯合創新。完成了聯合技術驗證并共同申報國家科技部項目，在2019年BIRTV聯合展示了制播網IP化方案。

與業界主流廣電廠商(包括海外的SONY、Imagine，國內的格非科技、新奧特正奇等)都建立了合作伙伴關系，致力于為客戶提供端到端佳集成方案。

與國內國際標準組織和產業聯盟展開協作，為超高清標準的持續發展和市場推廣作出積極貢獻。

基于華為NE系列路由器打造4KIP制播網解決方案

華為公司簡介

華為是全球的ICT(信息與通信)基礎設施和智能終端提供商，致力于把數字世界帶入每個人、每個家庭、每個組織，構建萬物互聯的智能世界。華為攜手合作伙伴，為電信運營商提供創新、極簡智能和安全可信的網絡產品與解決方案;為政企行業客戶提供開放、智能和安全可信的ICT基礎設施產品與服務。華為主張開放、合作、共贏，與客戶、伙伴合作創新、擴大產業價值，形成健康良性的產業生態系統。作為數字化轉型的，華為堅持圍繞客戶需求持續創新，加大基礎研究投入，厚積薄發，推動世界進步。華為創立于1987年，目前華為約有19.4萬員工，業務遍及170多個國家和地區，服務30多億人口。

（編輯：hxl）