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基于ST 2110协议的IP化电视制播系统测评分析.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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 I
7、P 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
8、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 1
9、460 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
10、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
11、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
12、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 RFC3
13、551 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
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