【摘要】 本文全面阐述了广州市广播电视台的4K超高清全媒体组合式转播车系统全融合的设计。首先介绍了4K超高清全媒体组合式转播车的整体方案，包括系统的组成以及全融合的整体技术方案，并通过对系统网络设计思路详细介绍，阐述了转播车系统网络设计方法及全融合技术的整体网络结构，最后对转播车系统在不同工作模式下的系统设置情况进行说明。

【关键词】4K超高清全媒体组合式转播车  全融合  SPINE-LEAF  媒体数据交换网络  控制网络  VLAN  PTP  IGMP

一．4K超高清全媒体组合式转播车系统全融合技术方案

广州市广播电视台建设国际国内技术领先的4K超高清全媒体组合式转播车是基于双车系统的设计，双车系统由一台16+4讯道4K IP转播车（A车）和一台10+2讯道4K IP（B车）转播车组成，双车可灵活地独立运作，并通过车体组合、系统融合，实现人员、设备和空间优化重组，并实现IP下视频，音频，通话，控制信号全联通，是业界首个SMPTE ST-2110全融合系统，系统全融合技术得益于电视制作系统IP技术的发展，充分利用了IP技术带来的安全，高效，便捷等特点，创造出独特的系统优势，让双车系统真正融合为一体，成为32讯道+双独立制作区的超大制作系统。

图1 4K超高清全媒体组合式转播车外观图

4K超高清全媒体组合式转播车系统以IP架构为制作核心，IP信号流采用符合SMPTE ST 2110、ST2022-7等系列标准的4K非压缩单流技术，支持4K HDR，兼容高清SDR。视频系统配置有HDC-3500超高清讯道、HDC-5500超高清高速摄像机讯道，HDCE-TX30 ST2110 4K IP摄像机远程制作系统、Sony 4K IP切换台、PWS-4500记录服务器、EVS XTVIA慢动作服务器、HDRC-4000 HDR节目制作转换单元、核心交换机、网关、SNP IP画面分割器等，通过Sony LSM管理系统对IP信号进行灵活统一调度，通话和音频系统主要采用了ADAM-M数字通话矩阵,斯泰克AVATUS、AURATUS调音台系统。

图2 4K超高清全媒体组合式转播车系统图

系统全融合技术方案采用了A车接管B车方式来实现，在A车、B车独立制作时，A车和B车核心交换机都是SPINE-LEAF架构，使用各自的IP管理系统，设备各自注册到本车的IP管理系统进行管理，A、B车控制均各自使用IGMP组播路由的方式实现控制数据交互。A车和B车在系统融合工作时，仅A车IP管理系统开启，A车作为SPINE 配置，B车作为LEAF配置启动，B车作为LEAF通过光纤和A车的SPINE交换机连接，A车、B车设备均注册进A车IP管理系统，使用A车IGMP作为路由层，实现A、B车控制数据交互，A车具备A车+B车所有信号的管理、控制及调度，将两车系统融合为真正一体且规模更大的制作系统。

图3 全融合技术方案

二．4K超高清全媒体组合式转播车全融合系统设计

转播车系统担负着节目录制和直播工作，要确保高质量的视音频信号进行实时传播，系统中在建设基于面向SMPTE ST2110标准的4K非压缩技术全IP网络架构系统时，采用了非阻塞SPINE-LEAF网络架构（叶脊网络）进行网络规划，通过交换机VLAN划分对媒体数据流转发进行引导，合理分配网络带宽资源，避免网络阻塞。系统中的网络设备可接入脊交换机也可接入叶交换机，系统网络规划基于在大带宽、低延时的基础上，充分提高带宽利用率，通过脊交换机，可实现水平方向扩展带宽和增加网络接口，叶脊网络中设备发生故障时，不存在网络重新收敛，同时系统中网络具备冗余备份，所有设备端IP接口具备冗余网络接口,网络流量将继续在其他正常路径上传输，确保了媒体数据流的实时传输安全，确保了制作系统的安全性。

图4 系统冗余网络架构

4K IP转播车系统按网络应用主要分为媒体数据网络和控制网络两部分，媒体数据网实现视音频数据流的交互，媒体数据网包括了媒体核心数据交换网络、音频系统数据交换网络、通话系统数据交换网络三部分。媒体核心数据交换网络实现媒体数据流调度和管理，采用SPINE-LEAF叶脊架构，系统内配置了Sony LSM管理系统，LSM通过NDCP等私有设备管理协议、NMOS等开放设备管理协议实现IP网络的集中控制，设备通过IGMP加入或离开组播组以收取IP流的管理方式实现网络的集中控制。音频系统数据交换网络和通话系统数据交换网络是相对独立的系统，数据流通过其系统内应用软件完成内部信号流调度，并通过网关和媒体核心数据交换网络实现数据流交互，同时LSM管理系统对进入到媒体核心数据交换网络的音频数据流实现统一管理和调度，完成节目的制作。控制网络相对简单，主要由NS-BUS控制网络、摄像机系统控制网络、设备控制网络等组成。NS-BUS网络主要是完成LSM服务器和LSM切换面板的接入，并实现LSM IP TALLY的分发。LSM服务器需和媒体核心数据交换网络进行连接，通过NDCP等私有管理协议实现对媒体数据流的管理和控制设备数据转发。摄像机系统控制网络主要RCP、CCU、MSU等终端设备网络互联，实现摄像机参数控制和调整，设备控制网络主要实现终端设备连接，通过网页对设备参数进行设置，以及IP TALLY的接收。

1.媒体数据核心交换网络设计

（1）设备端口和带宽

按以上表中统计，我们可统计出两车独立工作时A车和B车核心媒体交换网络的端口和带宽基本情况，但考虑到两车系统全融合情况，A车对B车进行接管,A车和B车系统要增加最大带宽约1855G，那么意味着两车级联按100G的端口连接，两车之间就需要19根光纤完成系统融合连接，则B车所需100G端口增加为31个，A车所需100G端口增加为40个。

（2）网络设计

媒体数据核心交换网络采用无阻塞SPINE-LEAF架构，设备可接入SPINE交换机，也可以接入LEAF交换机，在SPINE交换机的选择上，在满足网络数据交换容量条件下，具备提供灵活的网络端口接入能力，则需要端口具备降速和拆分等功能。我们SPINE交换机采用了64*100G端口的华为8850交换机，设备具备12.8T交换容量、系统内采用mode3方式（其中24个端口可拆分、32个端口不可拆分、8个端口不可用）、具备端口降速等能力，能充分满足我们系统设计要求。

B车网络规模较小，网络中接入端口需求：44*25G+31*100G+3*10G，8850交换机使用mode3后，具备56*100G可用端口，在满足31*100G端口接入后，还有剩余25*100G端口，其中8850交换机的24个可拆分端口已经能充分满足44*25G+3*10G端口接入，实际上用13个拆分端口通过使用光纤并线盒方式完成设备端口接入。

可见,B车由于设备体量较小，通过最简单的脊网络架构(Single Spine架构)就能完成了B车网络建设。

图5 B车网络架构

A车网络中接入端口需求为：68*25G+40*100G+3*10G，8850交换机使用mode3后，具备56*100G可用端口，在满足40*100G端口接入后，交换机还剩余16*100G可拆分端口，无法满足68*25G+3*10G端口接入，在8850端口接入资源比较紧张情况下，考虑到实际上数据流带宽是远小于端口带宽，为充分提高带宽利用率，选择LEAF交换机来扩展端口接入能力，满足8850交换机端口设备接入。LEAF采用华为6865交换机，具备了48*25G下行端口，8*100G的上行端口，通过综合计算LEAF下行端口数据所接入数据的实际带宽，可使用了LEAF交换机7个上行100G端口上完成系统中39个下行端口数据的转发，同时8850交换机还有9个可拆分端口完全可满足剩余的32端口接入，并通过使用光纤并线盒方式完成端口接入。

可见,A车由于设备体量较大，8850交换机的接口资源比较紧张，通过LEAF交换机充分利用网络带宽来提高端口接入能力，实现网络优化设计。

图6 A车网络架构

在系统同步方面，媒体数据交换网络中的网络设备主要采用PTP进行同步，A车和B车各配置主备两台同步机，同步系统采用单GPS架构，主同步机锁定GPS时钟信号，生成PTP时钟基准，同时主同步机通过BB+VITC信号方式锁定备同步机，主备同步机PTP信号各自连接主备网络。同时在主备核心交换机上进行了直连，在主同步机出现故障,主PTP信号中断情况下，备同步机的PTP就能切换到主网络中，确保了主网络PTP信号不中断。在A车、B车系统融合使用时，通过级联光纤将A车的PTP信号输送给B车，B车主同步机通过核心交换机获取到A车PTP信号，设备处于SLAVE模式，这样可以保证B车主同步机可以与A车同步机拥有相同的同步基准，B车主同步机输出的BB信号也可以和A车BB信号同步，B车备同步机采用B车主同步机的BB+VITC信号锁定。从而最大限度的保证了A、B两车的PTP和BB，IP和基带的深度同步，且出现单点故障发生同步倒换时也不会对两车造成影响，保证了两车级联时的安全和稳定。

图7 PTP同步网络架构

（3）网络流量规划

在完成网络中设备接入规划后，为了实现网络负载均衡、防止网络阻塞，合理分配带宽资源，交换机端口需要进行VLAN划分，系统中VLAN划分依据交换机的100G端口带宽原则来进行，通过VLAN的划分完成了对媒体数据流转发线路的引导，合理分配带宽资源，实现信号转发链路合理规划。

2.其他部分网络的设计

（1）音频系统网络和通话系统网络都是相对独立系统，网络设备接入端口规模比较小，车内系统采用了两台华为S5720交换机作为音频通话主备交换机，完成了音频系统和通话系统网络接入，同时在交换机上将这两部分划分不同的VLAN，并配置相应的网关，将音频通话交换机和核心交换机连接，实现了车内音频数据的交互。

图8 音频系统和通话系统的网络架构

（2）控制网络主要通过设备的网络控制端口接入到控制网络中，实现控制端信息交互、设备参数设置。

图9 控制网络架构

3.系统全融合时网络结构

系统全融合时，B车8850交换机则作为LEAF通过19根双向100G的光纤接入到A车的SPINE中，完成了两车网络连接，同时通过VLAN的划分来引导数据转发，通过网关实现不同网络的数据交互，完成了系统的全融合，充分体现了IP技术在广电电视制作领域的优越性。

图10 系统全融合时网络拓扑图

控制系统的级联往往也需要实现主备备份，为了避免环路的出现，双星架构的优势得以体现。双星的原理是在主备SDN交换机内分别配置虚拟网关，并设置不同优先级，主交换机优先级高于备交换机，正常情况下，控制数据只通过优先级高的主SDN交换机进行数据交互，在主交换机出现故障情况下，控制数据才会通过备交换机进行数据交互。控制网络通过VLAN划分成不同网段，将不同的应用隔离在不同的广播域内，提高了终端之间的通信效率及网络安全性。

三．4K超高清全媒体组合式转播车在不同工作模式下的系统设置

A车无论是在单车独立工作还是系统融合工作情形下，都是作为SPINE配置，系统状态不变，不需要进行任何更改。A车LSM管理系统在初始配置时将A车和B车的设备都注入进A车即可。

B车在独立工作时，作为SPINE配置，在系统融合工作时，B车作为LEAF配置。因此，B车在两种不同工作模式下，系统设置是有区别的，主要区别体现如下：

• LSM管理系统在B车独立工作时启用，系统融合工作时必须关闭。
• 8850交换机在B车独立工作时作为SPINE配置，使用B车独立工作状态下的配置文件。在系统融合工作时,8850交换机作为LEAF配置，使用两车级联工作状态下的配置文件。
• 主同步机在B车独立工作时，PTP作为MASTER模式，通过GPS锁相。在系统融合工作时，PTP作为SLAVE模式，通过系统主PTP锁相。
• 切换台110SC1控制单元在B车独立工作时，B车LSM读取110SC1控制单元信息，在系统融合工作时，则是A车LSM读取110SC1控制单元信息，110SC1控制单元NS-BUS的IP地址需在不同工作模式下需要进行适配。

四．结束语

无论在模拟时代或SDI时代，转播车都一直都在尝试进行系统级联，但由于转播车系统线路多且复杂，模拟、SDI信号线路又是单一对应关系，系统级联实现全融合难度非常大。但随着IP技术在广电制作领域的应用发展，转播车系统级联实现全融合已完全能通过IP技术手段来实现。正是基于此，我台建设了业界首个SMPTE ST-2110全融合系统的4K超高清全媒体组合式转播车，在我们实际应用中，系统全融合能快速、轻松的完成调试，系统扩容轻易实现，给节目制作提供了强大动能和创作空间。