朱江

【摘要】 本文以建設(shè)北京IPTV流播控系統(tǒng)項目為例，介紹了北京IPTV播控平臺所采用的超高清頭端編碼子系統(tǒng)、DCM流處理網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)、點播流播出子系統(tǒng)、應(yīng)急切換子系統(tǒng)和智能化監(jiān)播子系統(tǒng)的需求、設(shè)計及實現(xiàn)，滿足了IPTV信號的編碼、播出、調(diào)度、安全訪問控制和監(jiān)播監(jiān)看的業(yè)務(wù)需求，同時就安全播出的應(yīng)急切換邏輯和不同故障場景下的應(yīng)急機制給出了一套完整的解決思路。

【關(guān)鍵字】 超高清 DCM IP應(yīng)急切換 SOP

一.引言

北京地區(qū)IPTV集成播控平臺播出系統(tǒng)已投入運行6年有余，整個技術(shù)平臺和技術(shù)體系經(jīng)過了長時間的運行、磨合和優(yōu)化，已逐漸向更高的設(shè)計和管理水平邁進。本次系統(tǒng)建設(shè)是對于原平臺的一次全面的優(yōu)化和擴容升級。目前，在運營商的大力配合下，北京IPTV現(xiàn)已有超過200萬終端用戶。通過6年的系統(tǒng)運維經(jīng)驗，結(jié)合對現(xiàn)有系統(tǒng)的技術(shù)、管理進行總結(jié)，設(shè)計出了一套契合于北京IPTV業(yè)務(wù)發(fā)展需要的技術(shù)支撐體系。本文主要圍繞IPTV直播頻道各項技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用進行研討說明。

二.需求分析

根據(jù)總局召開的關(guān)于IPTV建設(shè)管理工作會議的精神，北京IPTV的播出安全水平也被提到更高的水平線上。建設(shè)一套可管、可控，適應(yīng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化，滿足業(yè)務(wù)快速發(fā)展的IPTV播控平臺是對于新政策、新要求、新形勢的需要。結(jié)合目前行業(yè)發(fā)展趨勢，北京IPTV確定了建設(shè)涵蓋4K超高清、點播流業(yè)務(wù)、IP信號調(diào)度、智能化監(jiān)播等亮點和特色的IPTV播控平臺體系，本文結(jié)合北京IPTV播出平臺在直播系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)驗，總結(jié)出了一套適用于該體系下的廣播級安全播出解決方案。

1.超高清直播編碼系統(tǒng)

北京IPTV頭端編碼系統(tǒng)是支撐高質(zhì)量的高清、超高清直播節(jié)目編碼的能力平臺，對于4K超高清、高清直播流進行SDI到IP、IP不同協(xié)議間的編碼和轉(zhuǎn)換，為IPTV平臺提供高質(zhì)量、高可靠的直播信源。本次頭端編碼可滿足單路十路以上信源的編碼需求，實現(xiàn)1+1安全播出的備份機制，支持H.265、AVS+等多種編碼方式，支持標清、高清之間的上下變換能力，在變換的過程中要保證畫質(zhì)不損失、低延遲，同時具備一定的臺標、字幕、圖片的在線包裝功能。

2.完備的應(yīng)急切換系統(tǒng)

在實際播出管理和運維過程中，節(jié)目的播出難免不出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，在保障IPTV安全播出環(huán)節(jié)中，能夠及時發(fā)現(xiàn)音視頻異態(tài)或者網(wǎng)絡(luò)傳輸故障，及時對故障進行應(yīng)急解決、對于可能發(fā)生的故障進行提前預警就顯得尤為重要。因此，整體系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具備完善的應(yīng)急方案，做到應(yīng)急操作快捷和安全；不僅要支持單機主備信源的自動切換，而且可通過后續(xù)升級集群架構(gòu)來實現(xiàn)設(shè)備之間的主備安全。

3.流處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

隨著媒體融合的趨勢，北京IPTV越來越多的與外界產(chǎn)生視頻流交換、共享的業(yè)務(wù)需求。作為直播信源、音視頻信號匯聚平臺，北京IPTV需要與外省市IPTV播控體系、郊區(qū)縣媒資平臺、外場直播信號甚至互聯(lián)網(wǎng)視頻流進行對接。因此，對于視頻流的碼率，傳輸協(xié)議乃至信息安全方面就要嚴格的加以控制，保證播出和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定、安全。流處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以滿足直播信號的傳輸、調(diào)度、分發(fā)的業(yè)務(wù)需求，同時能很好的起到信息安全網(wǎng)關(guān)隔離的重要作用。

4.點播流播出系統(tǒng)

隨著北京IPTV輪播頻道的新增，以及新增的“4K超清頻道”，北京IPTV自辦點播流頻道包括淘電影、淘影視、淘少兒、大健康、4K超清等各類頻道，頻道設(shè)置門類齊全、涵蓋范圍廣。技術(shù)系統(tǒng)要滿足十路的高清頻道和一套4K頻道的播出，同時具備系統(tǒng)管理、編單管理、內(nèi)容管理、播出管理、以及字幕播出能力。實現(xiàn)無縫與現(xiàn)有內(nèi)容生產(chǎn)平臺、廣告發(fā)布平臺、存儲平臺集成是本次系統(tǒng)設(shè)計的重點。

5.智能化安全運維管理系統(tǒng)

北京IPTV播控系統(tǒng)環(huán)節(jié)復雜，信源、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備都可能存在問題，為了保證系統(tǒng)的正常播出秩序，需要對播出信號、傳輸鏈路、系統(tǒng)設(shè)備等不同環(huán)節(jié)進行全面的監(jiān)測，同時提供一套行之有效的協(xié)同化運維值班管理工具，滿足運維分析和日常值班的智能化呈現(xiàn)，提升運維效率，對保障播出安全必不可少。

三.解決方案

根據(jù)北京IPTV播控平臺系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進行整體安全播出保障體系的規(guī)劃和方案設(shè)計，我們將整個系統(tǒng)劃分為頭端編碼、應(yīng)急切換、流處理網(wǎng)關(guān)、點播流播出和安全運維監(jiān)測五個子系統(tǒng)進行分別設(shè)計。

1.超高清直播編碼系統(tǒng)

超高清直播編碼系統(tǒng)主要包括超高清編碼器、SDI光端機、集群管理系統(tǒng)和墊播系統(tǒng)組成。主要負責將臺內(nèi)傳送的SDI信號傳輸?shù)絀PTV平臺中。主要系統(tǒng)框圖如圖1。

（1）功能需求設(shè)計

此次直播編碼系統(tǒng)可支持主備16路高清SDI+4路超高清輸入，配置了兩臺編碼設(shè)備，采用1：1備份模式，通過集群管理系統(tǒng)，進行統(tǒng)一管理，對于編碼參數(shù)、模板靈活配置。利用現(xiàn)有IPTV平臺編碼資源，設(shè)計為主、備、備三路信源播出安全保障機制，同時配有墊播系統(tǒng)，可根據(jù)需要進行各頻道IP碼流的墊播。本次的亮點是可支持4K HDR的編碼功能，采用HLG編碼模式滿足未來北京IPTV超高清直播信源的引入和處理。同時，在頭端編碼環(huán)節(jié)，可做到簡單的一站式圖文包裝能力，支持靜態(tài)、動態(tài)臺標、文字的任意疊加，配合預覽功能所見即所得。

（2）非功能需求設(shè)計

北京IPTV頭端信源編碼平臺采用CPU+GPU軟硬件結(jié)合的技術(shù)對直播信源進行高質(zhì)量的編碼，保證圖像質(zhì)量。通過高密度并行編碼技術(shù)可實現(xiàn)一入多出的（1080P、720P、576P）信號，滿足多屏播放需要。同時系統(tǒng)支持豐富的輸入輸出流格式，如TS over UDP、TS over HTTP、FLV over HTTP、APPLE HLS和RTMP等。系統(tǒng)設(shè)計積極響應(yīng)國家關(guān)于頭端信源格式轉(zhuǎn)換的政策，無縫支持AVS+格式接入和H.265的編碼算法。

2.完備的應(yīng)急切換系統(tǒng)

應(yīng)急切換子系統(tǒng)是安全播出保障的一個重要環(huán)節(jié)，本次系統(tǒng)采用IP切換卡進行節(jié)目的應(yīng)急切換，組網(wǎng)圖如下所示（圖中綠色連線表示系統(tǒng)各部分運行均正常的情況下的信號流向），當信源或傳輸鏈路發(fā)現(xiàn)問題時，輔助系統(tǒng)值班員第一時間排障。本方案設(shè)計的要點如圖2：

·在每臺編碼器交換機上劃分兩個VLAN，將切換板卡接入到鏈路中，確保整體組網(wǎng)拓撲的邏輯性。

·主備兩個IP切換板卡，同一時刻只有一個的輸出處于打開狀態(tài)，確保核心交換機上拉流時只能拉取到一份數(shù)據(jù)。通過IP碼流切換系統(tǒng)可以控制主備板卡輸出的打開和關(guān)閉狀態(tài)。

·在主備編碼交換機上設(shè)置靜態(tài)組播，將需要切換的主備編碼輸出碼流推送到各個切換模塊；

·將交換機與IP切換器的輸出口相連接的端口設(shè)置為三層端口傳輸組播。

以下從工作模式和應(yīng)急邏輯兩方面進行詳細介紹：

（1）工作模式

本此方案應(yīng)急切換系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)動，提供了自動和手動兩種切換模式。自動模式針對每個頻道的主備輔信號完成自動切換，由切換板卡控制，無需外部干預。自動切換的觸發(fā)條件可根據(jù)碼流的流量異常、丟包、抖動、延遲等客觀指標，設(shè)定閾值自動觸發(fā)切換動作。并支持回切策略設(shè)置，一旦碼流質(zhì)量恢復正常，可選擇是否進行回切。

手動切換模式是根據(jù)人為判斷，進行人工干預的手動主備輔信號切換機制。本系統(tǒng)可做到單頻道的手動切換和板卡級主備鏈路的全頻道切換兩種模式。如圖3，界面上的每個方框展示了一個碼流（頻道）的主備輔輸入信號的監(jiān)測狀態(tài)和當前輸出所對應(yīng)的輸入，點擊主備輔按鈕可以選擇對當前頻道進行手動切換控制。界面右上方會展示當前主備鏈路的使用情況，哪個鏈路處于使用狀態(tài)，對應(yīng)的按鈕會高亮顯示。點擊按鈕可進行主備鏈路的切換，如點擊“備鏈路”按鈕，可控制主IP切換卡的輸出關(guān)閉，同時控制備IP切換卡的輸出打開。

（2）應(yīng)急邏輯

應(yīng)急邏輯是本套應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計的核心，系統(tǒng)主要是在發(fā)生故障時進行信源選擇和傳輸鏈路的選擇。目前，北京IPTV本地信源編碼節(jié)目和自辦點播流節(jié)目都采用主備輔冗余的方式接入，在主路故障的情況下能夠及時的切入備路信源或墊播信源，保證播出的正常。傳輸鏈路中采用主備熱備的交換機交叉級聯(lián)模式，也為在某一交換機發(fā)生故障的情況下進行鏈路的自動或手動選擇提供必要的網(wǎng)絡(luò)支持。在系統(tǒng)正常運行的情況下，針對實際運行中可能出現(xiàn)的各類故障情況，本方案的應(yīng)急處理邏輯如下表1所示。

3.流處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

流處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要包括信源匯聚交換機、DCM9902，主要功能是接收來自外部的IP信源并實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，之后輸出至IPTV播控平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

本系統(tǒng)中使用的DCM9902設(shè)備，有獨立4卡槽。配置千兆板卡1張，萬兆板卡1張。IP信源接入通過匯聚交換機進行信號匯聚，由萬兆光纖鏈路互聯(lián)至DCM設(shè)備，對于8M碼流的IPTV信源來說可支持上百路頻道的信號接入。DCM設(shè)備可做到對于IP信源協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在IPTV直播體系應(yīng)用中，可設(shè)計并實現(xiàn)N路信源入，M路信源出的信號匯聚、處理、調(diào)度的效果，并支持反向傳送，方便與外部進行靈活的IP信號的分發(fā)與處理。同時，DCM設(shè)備為光復用設(shè)備，IPTV直播網(wǎng)絡(luò)部署采用DCM傳輸時，整體均采用光纖鏈路互聯(lián)，不需要以太網(wǎng)層面的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，起到了較好的信息安全隔離作用。本系統(tǒng)采用主備冗余設(shè)計，最大限度的提高安全播出的可靠性。管理可通過web方式登錄，方便進行查看和配置管理。系統(tǒng)目前已成功接入外部頻道10路，實踐證明是一套安全、穩(wěn)定、易用、貼合IPTV技術(shù)發(fā)展方向的成熟技術(shù)系統(tǒng)。

4.點播流播出系統(tǒng)

本次IPTV點播流播出系統(tǒng)設(shè)計采用集成度較高的TS流播出服務(wù)器、播出級臺標機為核心設(shè)備。其中播出服務(wù)器完成素材的文件到流化的IP碼流播出，臺標機進行實時編碼，實現(xiàn)節(jié)目的字幕臺標疊加功能。整套系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫模塊、接口模塊、素材遷移模塊、播出控制模塊、技審模塊、節(jié)目單編排模塊等，各司其職實現(xiàn)各自業(yè)務(wù)功能。

所有核心系統(tǒng)均為主備模式，通過轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)同現(xiàn)有的內(nèi)容生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)播出內(nèi)容整備的規(guī)范化與流程化。（如圖5）

（1）播出及存儲系統(tǒng)

此次項目設(shè)計支持了10套H.264高清頻道（8M碼率CBR模式）、1套4K SDR 4K頻道（20M平均碼率VBR模式）同時支持4K HDR素材的播出能力。節(jié)目存儲采用二級存儲模式，一級為在線在播庫（有效容量50TB，滿足60天的存儲需求），二級在播庫容量500TB，作為總節(jié)目庫，實際播出素材均通過一級在播庫輸出，合理分工擴容方便。

播出服務(wù)器根據(jù)節(jié)目單對即將播出的節(jié)目檢查其存在性以及有效性，之后根據(jù)策略或手動讀取播出節(jié)目單信息，進行正常的播出及控制。同時支持緊急情況節(jié)目單編輯、控播功能，緊急情況墊片自動播放機制等。

（2）字幕臺標系統(tǒng)

此部分系統(tǒng)以六臺臺標服務(wù)器為核心，在完成播出的同時可以同步實現(xiàn)對實時流進行臺標字幕的疊加，滿足了業(yè)務(wù)需求。碼流字幕系統(tǒng)可以在單機環(huán)境下，最大支持5路TS碼流的三維字幕圖文的實時疊加，為IPTV靈活的配置相關(guān)角標和字幕。局部解碼技術(shù)的應(yīng)用，在最大限度保證廣播級的視頻質(zhì)量的同時，大大的提供高了系統(tǒng)系能，使得每個頻道單畫面上可獨立在源信號上疊加臺標、角標、時間、左飛字幕等最大8層信息，并將處理延時控制在秒級之內(nèi)。

（3）接口系統(tǒng)流程技術(shù)特點

此部分核心硬件為接口服務(wù)器、遷移服務(wù)器、二級NAS庫組成，接口服務(wù)器完成與上游（播控媒資平臺）和下游（云轉(zhuǎn)碼平臺）信息調(diào)度、任務(wù)接收下發(fā)等任務(wù)，遷移服務(wù)器將相應(yīng)素材通過FTP方式光纖傳輸通道快速傳送至相應(yīng)NAS庫分區(qū)。其基本流程如圖6：

通過如此組成，其特點為：

·與上下游對接均采用標準C2接口，消息調(diào)度均采用XML標準格式，與現(xiàn)有上下游所采用的成熟接口消息標準完全一致，以便今后修改和維護。

·采用接口服務(wù)器與遷移服務(wù)器分離的方式（兩部分均為主備熱切換模式），分工明確，且遷移服務(wù)器采用FTP光纖傳輸通道，提高了實體素材傳輸速度，滿足大量素材傳輸要求。

·將NAS庫分為3個獨立分區(qū)，A區(qū)為針對上游媒資系統(tǒng)下發(fā)的素材暫存區(qū)，B區(qū)為針對下游轉(zhuǎn)碼完成后回推至NAS的素材暫存區(qū)，C區(qū)為在播最終素材存儲區(qū)?；玖鞒虨槊劫Y原始素材寫入A區(qū)，à云轉(zhuǎn)碼后素材寫入B區(qū)，播出上載時遷移至C區(qū)，其中流程中素材遷移均采用剪切方式，這樣以最終保留到C區(qū)的素材為唯一素材。

·根據(jù)業(yè)務(wù)需求主要采用了3個分發(fā)域：高清轉(zhuǎn)碼分發(fā)域、4K轉(zhuǎn)碼分發(fā)域、4KHDR轉(zhuǎn)碼分發(fā)域。并針對某些特定素材（無需轉(zhuǎn)碼直接可以用的素材）單獨設(shè)置了一個直通域，這樣無需轉(zhuǎn)碼直接可以由上游傳輸至NAS庫的C區(qū)，提高了接口系統(tǒng)靈活度。

6.智能化安全運維管理系統(tǒng)

安全運維管理系統(tǒng)包含一套SOP安全運維監(jiān)控系統(tǒng)和一套鏈路展示系統(tǒng)，來完成信號監(jiān)測、設(shè)備網(wǎng)管等運維核心業(yè)務(wù)的協(xié)同化管理。節(jié)目調(diào)度展示、實時監(jiān)測、運維分析、鏈路展示等常用功能的智能化呈現(xiàn)，是本次系統(tǒng)設(shè)計的亮點。通過設(shè)備采集模塊、監(jiān)測模塊、業(yè)務(wù)流程監(jiān)控模塊、軟件監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫監(jiān)測模塊、時鐘系統(tǒng)監(jiān)測模塊來統(tǒng)一分析、展示、運維、管理各類系統(tǒng)信息。

系統(tǒng)的協(xié)同化管理可將信號監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、切換控制、畫面調(diào)度、值班運維等業(yè)務(wù)功能通過統(tǒng)一的后臺實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；同時可根據(jù)不同值班人員的工作需要自定義展示來自各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)指標數(shù)據(jù)、視音頻畫面、圖形圖表、報警日志等完成一鍵直達的業(yè)務(wù)效果。

信號全景功能和鏈路、碼流展現(xiàn)的功能還可以提供了對監(jiān)控碼流的靈活分組。根據(jù)不同等級，全景展示各個信號對應(yīng)的碼流報警和視音頻內(nèi)容告警狀態(tài)。對于已恢復的報警可進行提示，有效輔助建立規(guī)范的值班運維流程。同時，以監(jiān)測全景為入口，可以快速查看對應(yīng)信號的碼流鏈路和節(jié)目鏈路狀態(tài)，逐層分析問題、定位故障環(huán)節(jié)。實時抓取與當前信號傳輸相關(guān)的設(shè)備信息，能更好的快速定位故障點，結(jié)合碼流指標和節(jié)目的視音頻畫面詳情實現(xiàn)全方位的監(jiān)控管理。

四.系統(tǒng)特點與主要貢獻

整個系統(tǒng)根據(jù)實際使用情況來看，有以下幾個特點：

·整個系統(tǒng)符合《廣播電視安全播出管理規(guī)定 IPTV集成播控平臺實施細則》指的總體要求，能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)問題、第一時間定位問題、第一時間解決問題

·監(jiān)測全面無盲點，做到全鏈路傳輸監(jiān)測展示，出現(xiàn)問題能夠直觀清晰的展示出來，無論信源、IP全鏈路還是設(shè)備，全部納入監(jiān)測、管理范圍內(nèi)，并實現(xiàn)智能化監(jiān)控運維水平

·實現(xiàn)IPTV播出自動化應(yīng)急切換機制，建立了主、備、備安播應(yīng)急系統(tǒng)，頭端、輪播交叉?zhèn)浞輭|播系統(tǒng)，解決單點故障風險，使頭端系統(tǒng)、點播流播出系統(tǒng)安全穩(wěn)定性有質(zhì)的提升

·各系統(tǒng)全面支持超高清、HDR、5.1聲道等技術(shù)的節(jié)目處理能力，滿足技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)需要

·采用高集成度頭端編碼系統(tǒng)，高效的滿足業(yè)務(wù)需求，同時給技術(shù)運維帶來方便

五.總結(jié)與展望

北京IPTV流播控系統(tǒng)播出安全的設(shè)計與實現(xiàn)，充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)特點和IPTV的實際業(yè)務(wù)需求，隨著一線技術(shù)人員對系統(tǒng)的不斷使用和運維經(jīng)驗的積累，總結(jié)并設(shè)計出了本此適合于北京IPTV業(yè)務(wù)發(fā)展的技術(shù)系統(tǒng)，不斷優(yōu)化提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和準確率也帶來安全播出水平的提升，為IPTV業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行和持續(xù)發(fā)展服務(wù)。這一新方案所能起到的作用必將隨著今后IPTV應(yīng)用的進一步推廣得到認同，逐漸成為最佳實踐方法論的有機組成部分，并充分發(fā)揮其應(yīng)有的積極作用。B&P

參考文獻

[1]余成偉，IPTV業(yè)務(wù)監(jiān)測技術(shù)方案，現(xiàn)代電信科技，2011（01）

[2]王瑾，浙江IPTV集成播控平臺監(jiān)看監(jiān)控系統(tǒng)，廣播與