现场报道视音频信号4G网络回传系统设计与组建

　　【摘要】本文主要从系统设计原则、系统主要功能部件组建、五款4G视频回传系统性能参数比较等方面，介绍了扬州电视台现场报道视音频信号4G网络回传系统设计与组建情况。

　　【关键词】 现场报道  视音频信号  4G视频采集编码终端    4G移动通信网络    接收服务器

　　在传统媒体与新兴媒体加速融合发展的新形势下，为了更好、更快地获取各类新闻事件的现场资讯，确保能够在第一时间快速进行新闻事件报道和新闻素材回传，扬州电视台在2015年8月新建了一套现场报道视音频信号4G网络回传系统，该系统利用摄像机等信源设备或4G手机和4G视频采集编码终端，将新闻事件现场的画面和声音通过无线移动通信网络运营商的公共无线4G/3G网络和有线互联网，以UDP/IP数据包或素材文件方式实时回传给台内总控机房的接收服务器，再解码输出为HD-SDI/SD-SDI信号供全媒体新闻演播室实时连线直播或者录播使用。

1  系统设计原则

　　1．1安全性原则

　　为保证新闻事件现场实时连线直播的安全性，系统必须确保结构安全、操作系统安全、内容安全、数据安全、网络安全和设备安全，系统各个部分、系统各级之间应具有冗余备份措施，具有完善的应急方案，并有效地防范病毒传播和恶意攻击。

　　1．2稳定性原则

　　系统4G视频采集编码终端应能够抗震、防摔，且传输性能稳定，对环境温度和湿度适应能力强，能满足7×24小时长时间运行要求。系统还应具有检错和纠错能力，并具有完善的备份措施。在系统出现故障时，能够在较短时间内恢复系统正常运行。

　　1．3开放性原则

　　应采用开放的系统结构、数据格式和接口协议，与非编制作系统之间可实现元数据级交互，视音频编码、复用及文件封装格式、SDI数字视频接口、网络接口等必须符合国标或行业标准。

　　1．4可扩展性原则

　　系统软件和硬件应具有良好的升级性和扩展性，在增加采集编码终端时，支持在信号接收及解码输出方面升级扩充，原有接收服务器无需更换，并保持系统整体结构的完整性。

　　1．5可维护性原则

　　系统能提供有效的系统监控软硬件手段，以及时发现并处理系统故障和隐患，4G视频采集编码终端应携带方便、操作简便、应急快捷、易于维护管理。

　　1．6高性价比原则

　　系统构建应充分考虑先进的AV技术、IT技术、IP技术、编解码技术、传输技术、网络技术，在满足系统功能、性能需求前提下，尽可能选用性价比高的设备，以节省经费投入。

2  系统主要功能部件组建

　　2．1 4G视频采集编码终端

　　4G视频采集编码终端负责实时采集新闻事件现场视音频信号，并通过公共4G网络和有线互联网通道发送给接收服务器。摄像机等信源设备与4G视频采集编码终端相连，将视音频信号输入采集编码终端的采集端口，编码为H.264视频数据流，再封装成UDP/IP数据包，通过公共无线4G网络和有线互联网进行直播传输或录播回传，正常开机2分钟以内可将现场声画回传至接收服务端。

　　4G视频采集编码终端支持HD-SDI、SDI、HDMI数字视频（嵌入音频）信号输入和CVBS模拟视音频信号输入，视音频编码采用H.264标准，兼容高清1080/50i、标清576/50i视音频信号传输。信源设备除了支持摄像机，在不增加接收服务器的前提下，可使用4G手机等信源设备回传现场画面，且可用App将所拍摄的素材文件进行预览和打点粗编，将粗编后的素材回传到台里。

　　系统配备有2台采集编码终端和相应的4G/3G上网卡适配器，支持TD-LTE、FDD-LTE、WCDMA、CDMA2000等4G/3G无线网络传输和有线网络传输，一般优先使用4G网络，在4G网络信号没有覆盖或无法接入情况下，可自动接入3G网络进行信号回传。为了保证足够的传输带宽及传输信号质量，可支持5张以上4G/3G上网卡绑定及相应无线信道自动混合捆绑使用，实现对采集编码的视音频信号的自适应传输。在传输过程中当部分4G/3G上网卡网络中断时，信号传输能不中断，并可实现多张4G上网卡的自动负载均衡传输，以有效地利用每张卡的最优传输速率。

　　4G视频采集编码终端内置嵌入式linux操作系统和编码应用固件（硬化软件），安装有实时传输采集端软件，采用可视化界面，在4G视频采集编码终端和接收服务器上均可对传输通道、编码码率、传输方式等进行设置，最高编码码率≥8Mbps。可以在直播过程中查看实时带宽、帧率和所采集的画面，在信号传输过程中可以自动根据实际的无线网络的带宽、延时和稳定性状况，调整视音频编码码率和传输参数，进行网络自适应的动态编码，以保证视音频信号连续传输，并达到最佳的传输信号质量。

　　4G视频采集编码终端采用加密方式传输UDP/IP视音频数据包，以不被其它品牌设备接收并解密信号，即使是同一厂商的4G视频采集编码终端发送的信号，也只能由授权的接收服务器接收。接收服务器可对采集编码终端进行授权，只有被授权的采集编码终端才能接入接收服务器。

　　4G视频采集编码终端采用便携式设计，整体重量≤5.5公斤，可由单人操作；且功耗低，一块160WH标准摄像机电池可供其连续使用1小时以上，支持后备电池或多种电源供电方式。

　　2．2 4G移动通信网络

　　4G视频采集编码终端输出的UDP/IP数据包的传输由公共的无线4G移动通信网络承载，并支持3G、WIFI等其他无线网络。第四代移动通信技术4G具有传输速率高、时延短、频谱效率高等特点，4G移动通信技术的国际标准主要有FDD-LTE、FDD-LTE-Advanced、TD-LTE、TD-LTE-Advanced，其中TD-LTE、TD-LTE-Advanced?是我国主导制定的4G?国际标准。FDD-LTE和TD-LTE分别是LTE的两种不同的系统模式，FDD为频分双工，TD为时分双工。LTE?移动通信网络系统在20MHz的频谱带宽下能够提供下行100Mbps（TD-LTE）或150Mbps（FDD-LTE）、上行50Mbps（TD-LTE）或40Mbps（FDD-LTE）的峰值传输速率。

　　LTE-Advanced完全兼容LTE，LTE-Advanced可以获得更宽的频谱带宽，LTE-Advanced移动通信网络系统在100MHz频谱带宽下能够提供下行1Gbps、上行500Mbps的峰值传输速率。

2．3接收服务器

　　接收服务器采用专业服务器硬件+解码软件+广播级SDI视频输出板卡结构，且高标清兼容，具备广播级HD-SDI/SD-SDI信号指标的输出板卡（BNC接口），同步锁相方式支持外接B.B同步信号。接收服务器连接10M有线互联网专线，负责接收4G视频采集编码终端传回的UDP/IP视音频数据包，每台接收服务器支持至少2路不同4G视频采集编码终端信号的同时并发接收，解码生成HD-SDI/SD-SDI信号，通过输出板卡输出至少2路不同信源的HD-SDI（1080i）/SD-SDI（576i）信号（嵌入音频），接入全媒体新闻演播室的直播切换台。接收服务器上安装linux操作系统和实时传输接收解码软件，既可将采集编码终端回传的UDP/IP视音频数据包接收解码成视音频信号，送到全媒体新闻演播室进行直播或录播；也可将UDP/IP视音频数据包接收并存储在本地硬盘上，再与新闻制播网实现数据对接，或者输出RTP、RTSP、RTMP等网络视频流用于网络直播。

　　接收服务器支持双机冗余热备和多ISP接入，以确保接收服务器网络接入的冗余性和可靠性，当主服务器宕机后，备份服务器能够自动接管主服务器工作，并可将接收到的UDP/IP视音频数据包分配到一个以上接收服务器同时进行解码输出。在连线直播过程中，当采集编码终端4G/3G网络信号不稳定造成视频信号中断时，接收服务器输出画面将为信号中断前最后一帧画面而非黑场，网络恢复正常后能够自动恢复信号传输。

　　接收服务器提供统一、完善、友好的设备管理中文界面，可对接收服务器和采集编码终端进行统一监看和管控，支持多画面监看和控制，在接收服务器上可远程设置每一台采集编码终端的传输通道、传输方式、传输码率、输出分辨率、画面延时等参数，远程监控其状态等，能够实时查看每一张4G/3G卡的信号强度、传输码率等信息。在接收服务器上能够实时查看接收信号和接收进度，保证回传文件的完整性和准确性。回传的画面流畅稳定、无马赛克，声音与画面延时差≤0.4秒，接收服务器解码输出的视音频信号较信源设备的信号延时≤4秒。

　　接收服务器支持今后采集编码终端和4G手机等信源设备的扩容，并能与现有接收服务器进行无缝对接，且无须对现有系统进行任何软硬件升级。

2．4系统技术原理

　　视音频信号4G网络回传系统的采集编码终端和接收服务器分别安装有对应的实时编码、传输软件和接收、解码软件，摄像机或4G手机拍摄的新闻事件现场实时HD-SDI/SD-SDI（嵌入音频）视频信号输出给4G视频采集编码终端，采集编码终端软件就对该HD-SDI/SD-SDI（嵌入音频）视频信号进行实时压缩编码，再封装成UDP/IP数据包，同时采集编码终端通过无线4G上网卡，快速接入4G网络，实时地通过无线4G网络和有线互联网，将已压缩编码和UDP/IP封装的视音频数据包发送传输到台内总控机房的接收服务器。接收服务器通过专线与互联网相连，接收服务器软件既可以对接收到的UDP/IP视音频数据包进行解封装，再对视音频数据进行解码，由HD-SDI/SD-SDI输出板卡输出HD-SDI/SD-SDI信号给全媒体新闻演播室的直播切换台进行实时直播；也可以把接收到的UDP/IP视音频数据包记录成视音频数据文件，并归档到媒资内容库，供检索再利用。

　　视音频信号4G网络回传系统采用基于H.264的高效视频压缩优化算法，视频编码压缩比很高、画面质量能够保证、解码延时也小。系统还采用网络自适应传输算法，在不同的网络带宽条件下都能尽可能地保证服务质量。当网络带宽条件变好时，能够向上提升服务质量，传输高码率、高质量的视音频数据；当网络带宽条件变差时，能够向下调整，传输低码率、低质量的视频数据。

图1 现场报道视音频信号4G网络回传系统架构示意图

3  五款4G视频回传系统性能参数比较

　　我台制播技术人员调研、试用并比较了世纪睿科、万博信普、深圳高视、迪乐普、捷成优联5家公司提供的5款视音频信号4G网络回传系统产品，最终选择的品牌型号是MLivev800，表1中将这5家公司随机代称为A公司、B公司、C公司、D公司、E公司。从实际测试情况看，扬州城区绝大部分地区已经被移动、电信和联通三家无线移动通信网络运营商的4G网络交叉覆盖，所测视音频信号4G网络回传系统产品设计成熟，所回传的画面及声音清晰流畅，没有出现定帧、马赛克等现象，基本能够达到直播要求。由于4G网络属于公共无线网络，在用作直播使用时，视音频信号4G网络回传系统回传的画面的连续性、画质和时延易受运营商基站覆盖范围以及网络拥堵情况影响。在测试过程中，我们发现测试地点的人数会对回传画面产生影响，可以考虑与4G网络运营商签订协议，以保证所用的4G卡能够优先抢占网络带宽。

表1五款4G视频回传系统性能参数比较

性能参数		A公司产品	B公司产品	C公司产品	D公司产品	E公司产品
品牌型号		TVU8200	LiveULU70HD	Glive2100	TeraDek	MLive V800
产地		美国	以色列	国产	美国	国产
压缩编码标准		H.264	H.264	H.264	H.264	H.264
高清图像格式		1080/50i	1080/50i	1080/50i	1080/50i	1080/50i
标清图像格式		576/50i	576/50i	576/50i	576/50i	576/50i
平均时延		≤3秒	≤3秒	≤3秒	≤3秒	≤3秒
最小时延		1秒	1.5秒	2秒	2秒	1.5秒
4G视频采集编码终端	采集编码终端外形图
	支持移动、联通、电信卡混插	是	是	是	是	是
	最大插卡数	8	8	5	5	8
	本次测试所插卡数	2电信4G+2移动4G	2电信4G+2移动4G	1电信4G+1移动4G +1联通4G	2移动4G +3联通3G	1电信4G+1移动4G +2联通3G
	本次测试实测平均传输码率	3-4Mbps	3Mbps左右	2-3Mbps	1-2 Mbps	1.5-3Mbps
	支持高清信号传输	是	是	是	是	是
	支持输入信号高标清自适应	是	是	否	否	否
	支持GPS定位终端位置	是	否	否	否	否
	根据网络质量实时调整画质	是	是	是	是	是
	支持文件传输	是	是	否	否	是
	支持无线热点功能	是	是	否	否	是
	支持CVBS传输	是	是，但需增加模块	否	否	是
	内置存储以待信号好时再发送	是	是	否	否	是
	可接受手机App控制	是	是	否	是	是
	支持外置（摄像机）电池	是	是	是	是	是
	可显示实时网络信号强度	是	是	是	是	是
	支持前端通话功能	否	是	是	否	是
	电池电量指示	是	是	是	是	是
	电池续航	1.5小时	2小时	2小时	2小时	5小时
	外形尺寸（cm）	5.5×18.4×21.5	11.5×25×36	3×12×19	3×7×9	4×16×25
	重量（kg）（含电池）	5.3	5	0.5	1.9	2.7
接收服务器	可带终端个数	不限	不限	不限	不限	不限
	支持4G手机等信源设备	是	是	是	是	是
	信号输出路数（标配）/(最大)	1/2	1/4	2/4	1/4	2/8
	支持高清信号输出	是	是	是	是	是
	可远程调整采集编码终端参数	是	是	是	是	是
	支持TS over IP视频流输出	是	否	是	否	是
	图像流畅度主观评价	流畅	流畅	流畅	流畅	流畅
	视频画质主观评价	良好	良好	良好	良好	良好
	声画同步主观评价	很好	很好	很好	很好	很好

　　4  结语

　　扬州电视台现场报道视音频信号4G网络回传系统自2015年9月8日开始上线正式使用，在新闻事件现场，记者利用该系统的4G视频采集编码终端连接摄像机、4G手机等信源设备，可以实时地把现场画面和声音拍摄、回传到全媒体新闻演播室进行连线直播，实现了对突发新闻事件在第一时间的快速报道。实践证明，该系统传输速率高、时延短、声画同步、图像流畅、视频画质良好，且高标清兼容，是一种非常便捷的现场报道视音频信号回传解决方案，不仅提高了现场报道视音频信号回传的灵活性，也提高了新闻事件报道的时效性和收视率。