剛 勇，王海亮，吳永波

（中儀英斯泰克進(jìn)出口有限公司，北京 100044）

0 引 言

目前，索尼公司的4K IP系統(tǒng)占有最大的市場份額，投入使用的系統(tǒng)多達(dá)幾十套，對售后服務(wù)的需求越來越大。然而，4K IP系統(tǒng)技術(shù)門檻較高，實(shí)施工程師需要深厚的IP網(wǎng)絡(luò)知識，還要有系統(tǒng)的培訓(xùn)和實(shí)踐的機(jī)會?，F(xiàn)有售后工程師的工作主要以單機(jī)維修為主，少量系統(tǒng)工程師的知識經(jīng)驗(yàn)還停留在基帶層面上，因此，盡快培養(yǎng)出滿足售后要求的IP系統(tǒng)工程師，是一個非常緊迫的任務(wù)。另外，客戶的系統(tǒng)設(shè)備或板卡發(fā)生故障后，維修站目前沒有4K IP系統(tǒng)，無法對送修的故障設(shè)備進(jìn)行真實(shí)的還原檢測。在此背景下，中儀英斯泰克公司專業(yè)技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊聯(lián)合索尼公司，以索尼設(shè)備為核心，共同建設(shè)一個4K IP技術(shù)平臺。該平臺以視頻系統(tǒng)為主，所有IP流符合ST 2110標(biāo)準(zhǔn)，視頻、音頻及meta data分別符合2110-20、2110-30、2110-40等標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1 系統(tǒng)概述

建設(shè)該技術(shù)平臺主要目的是利用4K IP系統(tǒng)，提升工程師的IP系統(tǒng)技術(shù)能力，完成客戶設(shè)備和板卡的測試和維修工作，同時該系統(tǒng)也可以用于本地和遠(yuǎn)程培訓(xùn)，系統(tǒng)在前期設(shè)計時充分考慮了這些需求。平臺建設(shè)場地位于英斯泰克大廈六層辦公區(qū)，面積比較緊張，同時噪音應(yīng)盡量控制，不能影響辦公區(qū)的正常辦公。最終確定建設(shè)位置在維修區(qū)和辦公區(qū)的隔離區(qū)域，使用玻璃隔斷進(jìn)行隔離，兼顧安全和噪音控制。玻璃隔斷內(nèi)共設(shè)立5個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和1個操作臺，配有獨(dú)立空調(diào)?？紤]到培訓(xùn)需求，技術(shù)團(tuán)隊在大教室和小會議室設(shè)計了投影、試音話筒、通話及擴(kuò)聲系統(tǒng)，保證與機(jī)房的互通互動。遠(yuǎn)程培訓(xùn)主要通過AWS-750切換臺，將培訓(xùn)的視音頻PGM進(jìn)行推流，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上直播。為了給拍攝提供更好的環(huán)境，團(tuán)隊專門在維修區(qū)域設(shè)立一間暗室，用于攝像機(jī)的拍攝和調(diào)試，配置了色卡、拍攝物、燈光等。平臺建設(shè)區(qū)域如圖1所示。

圖1 平臺建設(shè)區(qū)域圖

在系統(tǒng)設(shè)計方面，業(yè)務(wù)流主要參考了索尼公司認(rèn)證的華為CE8850-64CQ-EI交換機(jī)作為核心設(shè)備，采用主備配置模式；控制系統(tǒng)使用華為S5720-28X交換機(jī)，視頻系統(tǒng)使用索尼的訊道攝像機(jī)和切換臺，控制和POE供電設(shè)計采用思科2960X POE交換機(jī)。總的來說，該系統(tǒng)功能不求精、但求全，可滿足維修、測試、培訓(xùn)的需求。部分設(shè)備布局如圖2所示。

圖2 部分設(shè)備布局圖

2 IP系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)方案具有簡單可靠的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用安全備份技術(shù)，架構(gòu)及流程合理，具有一定的冗余和容錯能力。系統(tǒng)的IP架構(gòu)以HUAWEI CE8850-64CQ-EI作為核心交換機(jī)，具有很好的開放性。IP化的系統(tǒng)架構(gòu)使線纜的數(shù)量大幅減少，信號格式和擴(kuò)展更加靈活便利，不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信號共享也更容易實(shí)現(xiàn)。視頻信號鏈路和控制信號鏈路是系統(tǒng)的主要部分[2]。系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 4K IP技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本系統(tǒng)在設(shè)備選型上選用了HUAWEI CE8850-64CQ-EI、HUAWEI S5720-28X、CISCO 2960X三 層通用交換機(jī)?？紤]到辦公地點(diǎn)空間等資源有限，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上類似葉脊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)），能夠很好地滿足高帶寬、低延時等需求。

視頻業(yè)務(wù)層核心交換機(jī)采用HUAWEI CE8850-64CQ-EI交換機(jī)，主備各1臺，具有64個40GE/100GE QSFP28以太網(wǎng)光接口，如圖4所示。QSFP28以太網(wǎng)光接口支持拆分為4個10GE或4個25GE接口。在本系統(tǒng)中，核心交換機(jī)采用PortMode2方式工作，與切換臺采用100 Gb·s-1光纖直連方式連接[3]，同時連接至SDN交換機(jī)和其他系統(tǒng)設(shè)備。由于SDN控制管理系統(tǒng)（LSM）需要對系統(tǒng)信號進(jìn)行實(shí)時管控，核心交換機(jī)（主備）與下層SDN交換機(jī)（主備）分別連接，并且連接“心跳線”，既分別獨(dú)立，又實(shí)時備份，保證了核心業(yè)務(wù)（音視頻）的安全穩(wěn)定。核心交換機(jī)100 Gb·s-1寬帶保證了整個核心層數(shù)據(jù)高效、可靠、且低延時的高速交換。以核心交換機(jī)為主的IP視頻鏈路主要由切換臺、CCU、音視頻存儲單元（PWS-4500）、IPG網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成。IPG網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)IP信號流與4K基帶信號之間的轉(zhuǎn)換，組播數(shù)據(jù)流的復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)由核心交換機(jī)完成。核心交換機(jī)輸出IP流視頻信號到PWS-4500，進(jìn)行慢動作制作并輸入到核心交換機(jī)。切換臺負(fù)責(zé)處理所有視頻信號（包括DME），完成節(jié)目制作。IPG網(wǎng)關(guān)將IP流信號轉(zhuǎn)換成4K基帶信號輸入波監(jiān)和技術(shù)監(jiān)視器，對核心層的4K信號進(jìn)行畫面監(jiān)看、技術(shù)指標(biāo)監(jiān)測。HD-SDI SDR基帶外來信號進(jìn)入4K IP系統(tǒng)，通過IPG網(wǎng)關(guān)的FS幀同步和SDR-HDR色域轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為4K IP流，通過核心交換機(jī)和系統(tǒng)內(nèi)其他信號一起參與節(jié)目制作。制作完成后的視頻信號回到核心交換機(jī)。備份機(jī)制也符合SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[4]。

圖4 HUAWEI CE8850-64CQ-EI交換機(jī)

第二層控制層采用HUAIWEI S5720-28X交換機(jī)，具有24個10/100/1000BASE-T以太網(wǎng)電接口以及4個10GE SFP+以太網(wǎng)光接口，面板如圖5所示。采用主備交換機(jī)，分別上聯(lián)主備核心交換機(jī)，下聯(lián)LSM服務(wù)器、系統(tǒng)同步機(jī)、控制面板、切換臺系統(tǒng)控制器以及其他IE訪問類設(shè)備。這一層通過索尼LSM系統(tǒng)實(shí)施匯聚，管理和集中控制具備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能以及有控制需求的設(shè)備、服務(wù)器，減少核心層的業(yè)務(wù)量。兩臺SDN交換機(jī)（S5720-28X）通過級聯(lián)方式連接，分別下聯(lián)LSM服務(wù)器、系統(tǒng)同步機(jī)、控制面板、切換臺系統(tǒng)控制器等設(shè)備，互為備份，無論哪臺SDN交換機(jī)無法工作，都能保證PTP同步、LSM無縫管控以及設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖5 HUAWEI S5720-28X和CISCO 2960X交換機(jī)

最底層不需要處理大流量的信號，主要需求是POE供電和簡單的控制信號交流，采用思科2960 POE交換機(jī)，主要接入訊道系統(tǒng)設(shè)備、切換臺操作面板及Menu panel等。整個網(wǎng)絡(luò)以劃分VLAN的形式在各個交換機(jī)中劃分出不同的子網(wǎng)，用以處理視頻、PTP、通話、控制等信號。將控制域內(nèi)的SDN交換機(jī)劃分出NS-BUS、音視頻存儲單元（PWS-4500）、IP TALLY、PTP、交換機(jī)調(diào)試、通話等子網(wǎng)，將POE交換機(jī)分為攝像機(jī)控制和切換臺控制。通過這幾類VLAN的劃分，使不同功能的設(shè)備分布在不同廣播域下，相互隔離，有效避免了網(wǎng)絡(luò)擁堵和廣播風(fēng)暴，使得整個網(wǎng)絡(luò)更有策略，更加安全、高效。

標(biāo)準(zhǔn)的IP架構(gòu)需要網(wǎng)絡(luò)冗余備份技術(shù)（ST2022-7），但網(wǎng)絡(luò)倒換不同于廣電倒換凈切，倒換時會產(chǎn)生抖動撕裂。索尼公司基于ST-2022-7標(biāo)準(zhǔn)采用了專用的芯片進(jìn)行主備信號同時發(fā)包，在末端芯片主備同時接收，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時，倒換能夠在逆場中進(jìn)行，完成主備凈倒換。采用末端凈切換方式，可以支持在IP交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信號凈切，保證信號在交換機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急的廣播級凈切。

同步設(shè)計為主備同步機(jī)同時發(fā)出BB和PTP精準(zhǔn)同步信號，將第二臺同步機(jī)更改優(yōu)先級，依據(jù)BMCA最佳時鐘算法計算流程，設(shè)為備同步機(jī)，PTP通過SDN交換機(jī)接入核心交換并分配，同時在主備SDN交換機(jī)連接心跳線，確保任意一臺SDN交換機(jī)故障時，實(shí)時無縫接管PTP同步。所有設(shè)備、周邊板卡的芯片都支持PTP同步，與BB形成雙同步，更加安全。本系統(tǒng)采用的同步設(shè)備是利達(dá)LT4610同步發(fā)生器。同步邏輯方面，由利達(dá)同步發(fā)生器產(chǎn)生PTP和BB同步信號，下發(fā)到下游的CCU、切換臺、調(diào)音臺以及各類周邊機(jī)箱。作為維修測試平臺，除了IP設(shè)備外，還有基帶設(shè)備維修測試的需求。因此，系統(tǒng)中還有部分設(shè)備需要BB信號的存在來完成信號同步，如切換臺基帶系統(tǒng)、高清視頻矩陣、周邊機(jī)箱板卡等。該同步發(fā)生器可同時輸出BB和PTP信號（SMPTE 2110的標(biāo)準(zhǔn)格式），可滿足系統(tǒng)內(nèi)基帶和IP設(shè)備的同步需求。

3 LSM管理系統(tǒng)的應(yīng)用

索尼IP Live管理系統(tǒng)LSM具有非常友好的操作界面，可以管理和監(jiān)控4K IP技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)設(shè)備，包括顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和系統(tǒng)矩陣的管理和切換，通過NMOS實(shí)現(xiàn)對第三方設(shè)備的連接和控制。LSM系統(tǒng)為IP雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備端口均為雙網(wǎng)口，配置雙網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器和交換機(jī)，具有系統(tǒng)冗余備份，最大限度地保證直播安全性，能夠完成各個信號的無縫倒換。本系統(tǒng)中，主、備PWS-110NM1的LAN1分別連接到主、備SDN交換機(jī)（S5720），并劃分VLAN90和VLAN190，同時實(shí)現(xiàn)NS-BUS的連接。主、備PWS-110NM1的LAN2以“心跳線”的方式相互連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線管控。本系統(tǒng)需要NMOS互通功能，增加了LAN3網(wǎng)卡，LAN3口連接到SDN交換機(jī)（S5720），TALLY功能也通過LAN3來實(shí)現(xiàn)。PWS-110NM1從AV和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收集狀態(tài)日志，從而提供基本系統(tǒng)維護(hù)功能。通過使用索尼的遠(yuǎn)程維護(hù)設(shè)備，PWS-110NM1可與遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)器通信，從而允許遠(yuǎn)程用戶和索尼支持團(tuán)隊檢測和排查系統(tǒng)問題。

在Dashboard菜單中，可查看系統(tǒng)中設(shè)備的工作狀態(tài)。正常情況下，所有設(shè)備均應(yīng)顯示綠燈。該菜單只能進(jìn)行查看，不能進(jìn)行其他操作。Dashboard菜單界面如圖6所示。

圖6 Dashboard菜單

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D中可以檢查設(shè)備的狀態(tài)，幫助用戶直觀地了解出現(xiàn)錯誤部分的位置，提供多種狀態(tài)指示燈如網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)狀態(tài)指示和設(shè)備狀態(tài)指示，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D

LSM系統(tǒng)提供多種配置功能，如路由器設(shè)置、監(jiān)控設(shè)置、冗余設(shè)置、設(shè)備注冊、工作組注冊及用戶注冊。這些配置設(shè)置可靈活修改，且用戶可在一個AV設(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下構(gòu)建多個制作系統(tǒng)。在System Controller菜單中，根據(jù)工作場景，可生成不同的工作組。在工作組中配置常用的設(shè)備，場景中用不到的設(shè)備可排除在外，簡化了系統(tǒng)，提高工作效率。LSM提供與視頻路由器類似的視頻和音頻路由功能，可由用戶自行決定靈活配置控制按鈕及其布局，如圖8所示。工作組的source和destination路由可根據(jù)場景要求進(jìn)行打點(diǎn)控制。

圖8 System Controller菜單

4 視頻系統(tǒng)設(shè)計

視頻系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)主要是為測試、維修及培訓(xùn)搭建平臺，擬建成具有3套Studio型攝像機(jī)、1套多通道硬盤慢動作服務(wù)器、1路外來高清信號的視頻系統(tǒng)。其中，外來高清信號來自游機(jī)Z280，該機(jī)利用辦公區(qū)的WiFi，以無線傳輸方式把高清信號送到系統(tǒng)中。系統(tǒng)通過PWS-110RX1把無線信號轉(zhuǎn)化成高清SDI信號，再通過IPG板卡轉(zhuǎn)換成IP流信號。由此，系統(tǒng)的信號源就具有了多樣性，4K IP流、HD IP流、12G基帶、4*3G基帶及HD-SDI高清基帶信號，都可以接入系統(tǒng)，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為4K HDR IP的格式。

視頻系統(tǒng)選用的切換臺是索尼XVS-9000，同時配備IP和12G SDI接口，可輸入16路4K IP流信號和8路4K基帶信號，可輸出8路4K IP流信號和多路基帶信號，完全能夠滿足需要。由于本系統(tǒng)的主要功能為測試維修，因此涉及的信號格式較多，包含4K IP、4K 12G、HD SDI等。其中4K IP以ST 2110標(biāo)準(zhǔn)為主，考慮到測試維修的需求，在切換臺中分別配置了NMI輸入輸出板卡各一塊。但NMI和2110不能混用，一般情況下，系統(tǒng)均設(shè)置為ST 2110。訊道的CCU LAN1作為主，LAN2作為備，通過飛速盒輸入到核心交換機(jī)中。切換臺的IP輸入和輸出可直接通過100 Gb·s-1IP接口連接。切換臺PGM IP流輸出到IPG板卡轉(zhuǎn)成4*3G 4K信號，再通過SONY HDCU4000分配給技監(jiān)和波形監(jiān)視器，經(jīng)過色域轉(zhuǎn)換和下變換功能同時輸出HD-SDI高清信號[5]。

視頻系統(tǒng)配置了一臺IXS-6600高清矩陣，可為所有能提供視頻信號以及設(shè)備菜單的信號通過高清矩陣調(diào)配至本機(jī)房監(jiān)看以及大教室、會議室和推流切換臺，便于進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程培訓(xùn)教學(xué)。視頻系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖9所示。

圖9 視頻系統(tǒng)圖

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)作為索尼售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)唯一的維修測試平臺，在提升4K IP設(shè)備維修速度方面將起到至關(guān)重要的作用。在建好之后的兩個月內(nèi)，系統(tǒng)已經(jīng)完成客戶IP板卡測試15次，維修相關(guān)設(shè)備7臺，同時，還有多家第三方廠家到該4K IP技術(shù)平臺進(jìn)行新產(chǎn)品測試（調(diào)試），促進(jìn)了ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的推廣。通過該系統(tǒng)的建設(shè)，有3名工程師逐漸熟悉和深入了解了4K IP技術(shù)，為以后熟練應(yīng)用4K IP技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。由于時間較倉促，本系統(tǒng)還有一定的提升空間，之后，技術(shù)團(tuán)隊將不斷地對系統(tǒng)進(jìn)行完善和提升。從整個服務(wù)網(wǎng)絡(luò)來看，還有許多維修站需要了解和掌握4K IP技術(shù)，因此在培訓(xùn)上要加大力度，特別是在疫情背景下要著重發(fā)展遠(yuǎn)程培訓(xùn)。另外，還要充分利用這個技術(shù)平臺，在產(chǎn)品研發(fā)方面取得突破。