基于ST 2110协议的IP化电视制播系统测评分析.pdf

广东广播电视台作为全国最早一批开展 4K 频道试验播出的广播电视机构，对 4K 全流程 IP 化节目制作进行了全链路的部署规划。至今，广东广播电视台已建成符合 SMPTE ST 2110 标准的 4K 超高清演播室集群、转播车、虚拟演播室和播总控系统。随着基于SMPTE ST 2110 标准应用越来越广泛，技术也来越成熟，但相关测试标准却相对滞后，这对于技术保障和技术管理带来了相当大的挑战。为此，笔者结合国内外行业标准，通过对台内外基于 ST 2110 协议的制播系统开展了深入的测试，对相关测试经验进行总结，为行业 IP 化制播系统技术保障提供参考。一 ST 2110 协议介绍 电影电视工程师学会（SMPTE）于 2017 年 12月首批颁布了 ST 2110-10、ST 2110-20、ST 2110-21、ST 2110-30 四个标准，该系列标准对现场制作流程中关于系统定时和定义、无压缩视音频、流量整关键词制播系统 ST 2110 IP 化 测评基于ST 2110协议的IP化电视制播系统测评分析 作者 广东广播电视台王龙威杨勇强本文简单介绍了 ST 2110 协议情况，总结了 IP 化系统与 SDI 系统的区别，结合测试经验进一步分析了 ST 2110 系统中我们所关注的指标对 IP 信号质量的影响，旨在为行业 IP 化制播系统的技术保障带来一定的借鉴和参考。摘要形和传输定时等 IP 实体流的承载、同步和描述作出了规范。2018 年又陆续发布了 ST 2110-40 辅助数据、ST 2110-31 AES3 透传等标准，使音视频和辅助数据流可以独立传输并在终端重新汇聚。这使得现场制作中不再需要对基带信号进行加解嵌，可直接对视音频和辅助数据流进行独立处理，其中每个组成部分音频、视频和辅助数据流可实现同步，因此实体流在保持独立的同时又能实现同步。二 SDI 基带系统和 IP 系统测试的区别 在传统基带系统中，通常采用 3G 基带视频线缆单向传输 1080p50/1080i50 信号，系统所有信号都是单向性传输，因此在系统测试时能快速地找到故障点进行排除。而在 IP 系统中，通常采用光纤传输高清/超高清信号，以交换机为核心替代原有的切换台和矩阵，通过软件定义网络SDN对信号进行指向性传输，防止网络拥堵而影响信号的传输，以及导致画面的卡顿、丢失等现象，但是在系统发生故障时，由于 IP系统的网络特点，对故障的排查就需要投入更多的精力和时间，这也是研究 IP 化系统如何测试评价的原因所在。在系统测量方面，传统的SDI系统通常测量眼图、抖动、Payload 等指标，可通过这些指标判断信号传输的质量，如果眼图幅度过小、抖动过大等达到一定程度，可能导致接收端无法正确还原信号；而在系统IP 化以后，不仅要确保 IP 数据包的正确传输，还要关注以太网物理层的特性。关于同步系统，传统的基带系统由主备同步机通过倒换设备和视频分配器把同步信号分配给系统的每一台设备，检测时只要保证模拟视分输出的同步信号特性符合技术要求即可。而 IP 系统的数据包存在突发性、不规律的特点，接收设备只能通过解析 RTP包的时间戳来获取时间信息，为解决在电视制作中 IP标准与测量STANDARD&TEST112信号的同步问题，通过采用精确时间协议 PTP，主从时钟通过交换 PTP 报文中携带的时间戳测量传输时延从而获得从时钟与主时钟的偏差，并逐步进行频率和相位调整，实现主从时钟的同步，同时同步信息被嵌入网络数据并送往所有连接在 IP 网络上的设备，实现了系统的同步与数据传输的整合，不再需要单独的同步系统来锁定系统设备。三 可能影响 IP 信号质量的技术指标 IP 流的测试与以往的基带信号测试完全不同，通常 IP 系统所开展的测试链路图如图 1 所示，目前 IP化测试中大部分参数指标都没有相关技术要求，那么在 IP 测量中主要该关注哪些指标呢？基于广东广播电视台 4K 全流程 IP 化制播系统实现了落地应用，笔者结合国内外行业标准在台内外开展了大量的测试，对可能影响IP信号质量的技术指标进行了分析研究，主要包括 IP 数据包的传输特性、合规性、稳定性以及 PTP 同步等。1.IP 数据包传输特性IT 网络的 IP 数据包传输特性测试是数据实现正常通信的基本前提和必要条件，常用的 IP 数据包分发性能测试指标，包括带宽利用率、吞吐量、传输时延、丢包率和误码率等，主要是表现基本网络性能。根 据 GB/T 216712008基于以太网技术的局域网系统验收测评规范要求，局域网系统在1518Byte 帧 长 情 况 下，从两个方向测得的最大传输时延应不超过 1ms，通常仪器所测得的时延为两台测试设备间的双向往返时延，单向时延可通过除以 2 计算获得1；根据 GY/T 2222023数字电视转播车技术要求和测量方法要求，丢包率和误码率应为 0，端口带宽利用率应 95%2。在 IP 化制播系统测试中，如果网络带宽不够的情况下，视频服务器收录节目会出现卡顿或者丢帧的情况，因此在 IP 化系统设计和搭建中，必须要确保网络带宽足够且稳定。以下所讨论的测试都是基于网络性能稳定的情况下开展的。2.数据包的合规性IP 系统和基带系统最大的区别是信号的传输不再是基带信号的单向传输，而是变成了数据包的双向传输，在基带信号变成数据包的过程，需要遵循一系列的网络协议，才能确保数据包顺利地传输到目的地。因此在确认网络性能符合传输标准后，应该关注数据包封装的合规性。（1）数据包长度根据 ST 2110-10 标准规定：IP 数据报的大小（包括 IP、UDP 和 RTP 报头及数据）限制为总共1500 个 8 位字节，其中标准 IPv6 报头长 40 个 8 位字节，标准 UDP 大小限制应为 1460 个 8 位字节。因此在测试数据包的总字节长度时，总字节长度必须在1500byte 以内，图 2 所测试的 IP 流包长为 1308byte。此外，数据包在交换机中不允许被分片，如果该数据帧携带的数据长度超过了 1500 个 8 位字节的报文长度，那么就需要分片传输。因此，在测试中分片偏移Flagment offset 的值应为 0。如图 2 所示。2数据包长度图示1 IP 系统测试链路图Advanced Television Engineering113（2）打包模式 Packing mode 为促进互操作性，ST 2110-20 标准限制活动视频样本的映射通过一般打包模式 GPM 和块打包模式BPM 两种打包模式规范记录到 RTP 中，其中 GPM遵循开放的打包模式，应避免使用少于 1000 个 8 位字节的 IP 数据报（字段或帧末尾除外），发送器应使 RTP 数据包接近 ST 2110-10 中定义的普遍 UDP大小限制（标准或扩展）。字段或帧的最后一个数据包可以填充一个或多个值为 0 的 8 位字节。而 BPM是基于 180 字节，应使用与现行最大 UDP 大小限制一致的180的最大倍数，考虑到12个8位字节（最小）RTP报头，最大可用有效载荷空间为1428个8位字节。因此，应使用每个数据包 7180=1260 个 8 位字节的有效载荷，图 3 所示在 BPM 模式下的数据包长度为1260byte。无论采用 BPM 还是 GPM 打包模式，都能使 RTP 包长保持一致。（3）RTP Header实时传输协议 RTP（Real-time Transport Protocol）的包头携带了很多重要的媒体流信息，可以直接反映RTP 包的关键信息，可作为 RTP 数据包正确与否的重要依据。因此在 OSI 五层模型中，应重点关注应用层 RTP 的相关信息。在 ST 2110-20 标准中可知，RTP 包头结构如图4 所示3。结合示波器 L5 RTP 测试数据分析，可以看到如图 5 所示的数据信息。对应的信息如下：Version：定义 RTP 的版本号，2bit，默认版本为 2，0 和 1 已被使用；Padding：表示是否存在填充字节，1bit，false（0）表示数据包末尾没有额外的填充字节，true（1）表示数据包中添加了不属于有效载荷的填充字节；Extension：表示是否存在扩展位，1bit，显示false（0）即不存在扩展。显示 true（1）说明数据包固定头部后面会有一个扩展头部；CSRC：CSRC 计数位，4bit，表示合并的数据流中各个源数据流的 ID，系统中此项值应为 0；Marker：标示位，1bit，用于标记数据流中的重要事件，如帧边界；Payload type：RTP 的负载类型，7bit，用于描述媒体流传输的类型，在 RFC3551 协议未规定组播流的负载类型，只划分 96127 可用。ST 2110 数据流负载类型范围也应在96127内，具体数值可自定义。发送和接收端对同一类型的 IP 流负载类型须保持一致，确保接收端可正常解析 IP 流；Sequence Number：表示 RTP 序列计数器，16bit，有效值为 065535（0 xFFFF），该序列初始值随机产生，每发一个包该数值会加 1；Time Stamp：表示 RTP 的时间戳，32bit，记录数据包第一个字节的采样时刻。不管有没有数据包信号发送，时间戳的数值都会随时间而变化，时间戳是去除数据包抖动和实现媒体流同步必不可少的。如果同时产生属于视频同一帧的多个连续 RTP 包则会4RTP 包头结构示意图3不同采样率和位深度的BPM 包大小5示波器所示的RTP 包头数据标准与测量STANDARD&TEST114来观察 PIT 波形是否相符，以此来判断数据流的稳定性。目前未有相关标准对 PIT 的技术要求进行限定，但在测试中如没有发生 IP 流的切换操作，该指标应保持稳定，不应频繁发生跳变。（2）数据流偏移量 Stream RTP/PTP Offset ST 2110 系统使用 RTP 协议传输 IP 数据包，而RTP 协议头部均携带时间戳，因此可测量接收到的VIDEO/AUDIO/DATA 相对于 RTP 时间戳的时延，来了解在网络中传输的 IP 流到达接收端时数据抖动的大小。在示波器可以测出数据流 VIDEO/AUDIO/DATA 相对于 RTP 或 PTP 的偏移量，如图 6 所示。由数据流偏移量可以知道当前时刻的视音频和辅助数据间的相对时延，同时也可反映出网络的时延情况，偏移量的大小由网络负载决定。目前暂无相关标准对数据流偏移量的技术要求进行限定，但在测试中如没有发生 IP 流的切换操作，该指标应保持稳定，不产生大幅度的变动即可。（3）帧校验序列 FCS（Frame Check Sequence）在判断信号传输是否出现问题时，基带系统可通过循环冗余校验 CRC（Cyclic Redundancy Check）来判断信号在传输中是否发生错误，而在 IP 系统中通过把基带信号转换成 IP 数据包进行传输，CRC 校验码无法识别出，因此在 IP 系统中可通过帧校验序列 FCS 错误来判断传输是否发生问题。FCS 即计算机网络数据链路层的协议数据单元（帧）的尾部字段，是一段 4 个字节的循环冗余校验码。FCS 通过在源节点和目的节点收发数据帧时对帧头和数据部分计算得出的FCS进行对比，当收到的FCS与发送的FCS不同，则认为数据帧传输出现错误，从而丢弃该数据帧，并要求发端重新发送该数据帧。通过 FCS 错误检测机有相同的时间戳；Synchronization Source（SSRC）Identifier：同步源标示符，32bit，用于识别 RTP 数据包的来源，SSRC 是随机生成的，以保证系统中的 RTP 通信里任意的两个同步源的 SSRC 是不同的，避免相同的SSRC 被当成环路；Contributing Source（CSRC）Identifiers：贡献源列表，0 到 15 项，每项 32bit，表示此包中负载的所有贡献源，用于接收端正确识别出会话者的身份。若贡献源多于 15 个，仅识别 15 个。3.数据流的稳定性在系统测试中，不仅要关注数据包的合规性，还要关注数据流的稳定性。当数据流出现不稳定的情况，可能会造成数据包延时过大、数据包丢失等情况，甚至可能造成画面的卡顿或马赛克等影响画面质量的情况。为分析数据流的稳定性，在 IP 系统测试中，应关注包到达间隔时间、数据流偏移量、帧校验序列等指标。（1）包到达间隔时间 PIT在 IP 化网络中，数据信号以数据包的形式进行传输，由于网络延时、抖动等原因，数据包到达接收端的顺序可能会不一致，因此可以通过测量包到达间隔时间 PIT（PacketArrival Interval Time）来判断经网络传输后的数据包能否稳定、均匀到达接收端。在 ST 2110-21 标准中定义了 N（Narrow），NL（Narrow Linear）和 W（Wide）三种类型的发送器4。N 型发送器产生的流在对应于 SDI 基带信号的行场消隐辅助数据区域对应的数据包没有发送，有效行对应的数据包平均间隔发送，因此在数据包接收时，会有两个不同的时间间隔，在数据包计数波形图中会有两个有一定间隔的波柱。NL 型发送器产生的数据包以均匀的时间间隔发出，所以 PIT 中一般会有一个单一的主波柱，偶尔会有一些微小的网络波动，导致在主波柱旁边有一些小波柱。W型发送器产生的数据包间隔时间会很不规律，突发性高，这就导致了波柱多且分布不均匀。因此，在测试包到达间隔时间 PIT 时，要先了解设备系统的数据包发送类型，根据系统的发送器类型6示波器测量数据流偏移量Advanced Television Engineering115制可以验证数据帧传输的正确性，当FCS错误过多时，可能会导致接收端缓冲器中的数据断流，解出来的信号可能会出现画面卡死或丢失等情况，严重的甚至可能会影响到整个网络的吞吐量。4.PTP 同步关于 PTP 同步测试，首先必须关注 PTP 同步是否处于锁定状态，可通过示波器来判断设备是否被 PTP 锁定。如果 PTP 处于锁定状态，可以从 Lock Status 上看到同步显示 Locked 状态，如图 7 所示。首先要关注最优主时钟算法（Grandmaster BMCA Values）里的时钟优先级 1（Priority 1）、时钟优先级 2（Priority 2）和时钟精度（Clock Accuracy）3 个参数，时钟优先级的范围为 0255，其值越小说明优先级越高。如图 7 中 Priority 1 的值为10，Priority 2 的值为 127，可直接判断出当前设备锁定在时钟 1 上。此外，也可通过 Grandmaster ID 的地址来判断。时钟精度通常分三个等级：100ns、250ns、1s，取值越小说明时钟精度越高。通过以上参数可直观反映系统当前锁定在哪台时钟以及锁定的时钟精度。（1）PTP 绝对偏差通常可通过 PTP 的绝对偏差（PTP Offset）来判断 PTP 同步是否锁定，同时系统根据 PTP 绝对偏差来修正主、从时钟的时间差。根据 ST 2059-2 标准规8BB/PTP 相位差7PTP 状态信息定：同一时刻任意两个从设备的时间绝对偏差在 1s内，则认为系统实现同步。通常时钟精度分 3 个等级，而波形监视器把 1s 作为 PTP Offset 的最大可测范围，PTP Offset 的值小于 1s 作为波形监视器被 PTP同步锁定的依据。而根据 GY/T 3672023IP 交换矩阵技术要求和测量方法规定，经一级交换设备分发的 PTP绝对偏差：甲级应小于等于 30ns，乙级应小于等于70ns，丙级应小于等于 100ns；经一级交换设备分发的 PTP 抖动：甲级应小于等于 10ns，乙级应小于等于 10ns，丙级应小于等于 50ns5。（2）PTP 与 BB 的相位差当前系统多为IP/SDI 混合系统，通常情况下同步机输出的 PTP 同步和模拟黑场同步信号相位能保持一致，但模拟黑场同步信号经线缆长距离传输后相位可能会产生偏移，因此在 IP/SDI 混合系统中，应关注BB 和 PTP 的相位差，使系统中 BB和 PTP 的相位尽量保持一致。图 8为示波器所测得 BB 相对 PTP 的相位差。当 BB 的圆圈与 PTP 的十字重合时，说明基带信号和 IP 信号的相位保持一致，应急切换时不会出现问题。当 IP/SDI 混合系统同步需要调整时，由于PTP 相位无法调整，可通过校准模拟视分板卡来调整BB 相位。此外，若系统涉及IP信号与SDI信号的相互转换，标准与测量STANDARD&TEST116也应关注 SDI 信号的技术质量和信号转换过程中的图像质量，本文暂不展开讨论。四 结语 本文基于广东广播电视台 ST 2110 4K 全流程 IP化制播系统的落地应用，对可能影响 IP 信号质量的技术指标进行了分析研究，旨在为行业 IP 化制播系统的技术保障带来一定的借鉴和参考。鉴于时间和水平所限，同时部分技术指标仍未有相关标准作出规定，日后将继续结合新标准和测试经验进行研究参考文献：1GB/T 216712008 基于以太网技术的局域网系统验收测评规范 S.2GY/T 2222023 数字电视转播车技术要求和测量方法 S.3SMPTE ST 2110-20:2017,Professional Media Over Managed IP Networks:Uncompressed Active VideoS,2017.4SMPTE ST 2110-21:2017,Professional Media Over Managed IP Networks:Traffic Shaping and Delivery Timing for Video S,2017.5GY/T 3672023 IP 交换矩阵技术要求和测量方法 S.完善。Advanced Television Engineering1178K 超高清电视高峰论坛成功举办8 月 22日，第三十届北京国际广播电影电视展览会期间，中央广播电视总台技术局联合中国广播电视国际经济技术合作总公司主办，世界超高清视频产业联盟、超高清视音频制播呈现国家重点实验室协办的 BIRTV2023-8K超高清电视高峰论坛在北京国际饭店国际会议中心举行。总台编务会议成员姜文波，国家广播电视总局科技司副司长常健出席并在论坛上致辞。姜文波表示，4K/8K 超高清作为全球新一轮科技成果，对传媒信息产业智能化升级发挥了推动作用，是电视发展的一个新阶段。总台坚持“科技强台，逐步构建 5G+4K/8K+AI”的战略布局，以超高清视音频实验室为依托，联合企事业及科研机构，构建产学研用平台，推进超高清及媒体融合科技创新。超高清已经成为电视行业发展的必然趋势，也是广播电视结构性改革的重大机遇。常健指出，8K 超高清是对电视更高画质、更佳音效、更高服务质量的追求，加快超高清制播能力的建设、推动超高清电视技术研发和装备制造，已经列入国民经济发展十四五规划和 2035 年远景规划目标。总局先后组织研究和发布了具有我国自主知识产 权 的 AVS3 编解码、高动态范围 HDR Vivid、三 维 声 Audio Vivid 等超高清电视关键技术和核心标准，已经从实验室走向应用，取得了重大突破。论坛旨在交流分享 8K 超高清电视制播技术最新发展、我国 8K 超高清视频和三维声技术标准和 8K 超高清电视产业生态建设。现场 200 余名嘉宾共聚一堂，来自总台技术局、BBC、华为、UWA 联盟、中国移动咪咕公司、广电规划院、国创中心、北京中联超清、海信聚好看、深圳雷曼光电等业界著名专家、学者，从超高清技术、标准、制作和应用等方面进行精彩分享，为进一步推动我国 8K 超高清电视技术产业生态发展提供了宝贵经验。117