全IP化IPTV头端系统的设计与实施

1、全流程 IP 化的 IPTV 头端系统设计与实施江苏省广播电视总台 席鲁江【 摘要 】在三网融合的大背景下,江苏广电总台完成 IPTV 头端系统建设并正式投入商用。 本文从系统设计与建设的角度出发,详细分析了全流程 IP 化 IPTV 头端系统的业务模式及其 实现方式,为类似系统的建设提供一定的借鉴与参考。【 关键词 】 三网融合 IPTV 头端系统 IP 组播一、 前言按照时间顺序, 2009年底江苏电视台获得广电总局关于 IPTV 的批文,允 许在当地开展 IP 电视业务; 2010年 1月 13日,国务院常务会议决定加快推进 电信网、广播电视网、互联网三网融合,正式提出了关于三网融合实施

2、的具 体措施和目标; 2010年是江苏总台创建“百亿集团”的开局之年,而 IPTV 业 务无异于是总台一个重要的经济增长点。一切看似这么巧合,其实一切又是 必然,正是在如此多重因素的促进之下,江苏总台 IPTV 头端系统的建设被提 上日程并加于实施。本系统于 2009年 9月初开始调研、方案设计, 11月底完成系统招标, 1月 初开始正式运行。 目前该系统已经投入与江苏电信的直播频道信源的商业合 作中,点播和轮播业务也将在近期内加入正式的商业运营。二、 全 IP 化 IPTV 头端系统概述我们暂且抛弃各家运营商独有的增值业务不谈,众所周知,目前各省市 比较成熟的 IPTV 核心业务主要由“频道

3、直播” 、 “节目轮播” 、 “内容点播”等 三大部分组成。 “频道直播”业务转发央视及各卫视、地市台播出信号,直 接向传统数字电视发起挑战; “节目轮播”聚合优势内容循环播放,以专业 频道的方式为广大受众提供服务, 展现了 IPTV 在频道资源丰富、 灵活的优势; 而 “内容点播” 业务又表现出目前传统广电网络所不具备 (或者说极不完善 的互联网优势,与受众互动,将看电视变为玩电视,真正意义上改变了广大 观众多年来收看电视的习惯。相对应于上述三大业务,作为 IPTV 集成播控以及内容业务提供方,总台 IPTV 系统设立了三个相对独立的业务模块,即:具备 70个频道接收编码能 力的直播系统、具

4、备 40个频道高效编单播出能力的轮播系统以及具备一万 余小时成品播出节目制作能力的节目制播系统。既为“相对”独立,那么三个系统在业务上必然存在千丝万缕的联系, 例如:1、 直播系统不仅负责央视、各卫视、地市台播出信号的接收与编码,同时 为节目制播系统提供素材收录服务;2、 节目制播系统的主要任务是制作用于 IPTV 点播的内容源, 但同时也服务 于所有轮播频道节目的制作;3、 轮播频道播出之后的信源其实等同于直播频道的信源,他们共享总台于 电信之间的直播出口网络路由;4、 编辑根据实际需求,可直接在节目制播系统中实时向直播系统定制收录 计划,收录需求节目,收录完毕即可实时入库实时编辑;5、 编

5、辑在编辑区制作轮播频道节目播出单并同步到轮播系统,控制成品节 目往轮播服务器的迁移调度,完成轮播频道安全优质播出;如此,种种业务需求促使着我们设计了一个如下图所示的集“信源接收 编码” 、 “素材采集收录” 、 “节目制作播出” 、 “媒资存储管理” 、 “内容交互应 用” (与总台原有的传统制播网络之间、与电信业务平台之间 、 “ EPG 制作 发布” 等主要业务于一体的全流程 IP 化的头端系统。 在近期的应用实践中证 明, 全流程 IP 化不仅大大简化的系统的复杂程度、 降低了系统建设难度, 同 时也有效地提高了我们节目制播、系统运维的效率。 图 1 全系统网络架构示意图从图 1中我们可

6、以发现,总台头端系统所有业务都是在千兆以太网架构 下实现的。要实现这一点,两大要素缺一不可:一是硬件层面上所有设备都 支持 IP 方式接入网络; 二是业务层面上千兆网络具备支持所有的业务同时开 展的能力。三、 全系统 IP 化的实现既然两大要素缺一不可,那么我们设计过程中就朝着这个方向前进。随 着 IT 技术发展, IT 在广电行业的应用、创新也越来越广泛,纯 IP 化的广电 设备层出不穷, 尤其是在 IPTV 领域, 本次方案中所选用的卫星接收机、 编码 器、服务器、播出设备无不是如此。更为重要的是业务层面上的需求, 为了能够满足所有的采、 编、 播、 管、 存、传等业务能够在一张千兆网内实

7、现,就不得不考虑带宽的问题,因此在 同等质量要求的前提下必须减小视音频文件的码率。我们都知道, H.264文 件相对于 MPEG2, 以其更高的数据压缩比以及较强的容错能力, 更有利于视 频文件在网络中的传输,能够有效地节省带宽资源。而且, H.264的基本系 统无需使用版权,具有开放的性质,能很好地适应互联网的使用,这对 IPTV 应用具有重要的意义。 再一个层面, 江苏电信整体采用了 H.264的文件格式,于是 H.264成为我们解决方案的首选。于是,在头端系统中如何进行 H.264编码、在何处进行 H.264编码才能 最为有效地提高制播效率, 更为有效地实现视频传输是我们亟待在系统中加

8、以解决的问题, 也是我们全流程 IP 化的关键所在。 下面就简单阐述一下我们 如何解决 H.264的编码问题,如何实现全流程 IP 化的业务模式。1、 频道直播 IP 化卫星接收系统是本次全 IP 化设计的关键点,也是最大的创新点。在本方案中,我们摒弃了大量使用的卫星接收机 SDI 输出,编码器 SDI 输入然后编码为 H.264输出的模式,因为 SDI 方式下不仅平均单频道成本较 高,而且也不利于系统的冗余备份。我们直接选用了 TendBerg 1220接收机 配合 Envivio 4Caster 4C编码器,走全 IP 网络的方式: 交换机 2交换机 2图 2 直播系统示意图如图 2所示,

9、 每台 TendBerg1220接收机都具有主备两路 RJ45输出接口, 分别连接主备交换机,接收机通过该两路接口输出 UDP 封装后的 MPEG2 TS流(MPEG-2 TS OVER IP方式 ,采取组播的方式传输。每台 Envivio 编码器具 备 4路编码能力, 信号源取自于两路 IP 输入接口, 分别连接主备交换机, 从 接收机的组播输出地址获取 UDP 封装后的 MPEG2 TS流解包解复用后进行编 码,转为 H.264,继而可以做后续节目收录或者直播频道源信号使用。决定 使用此方式的原因主要由两点:1 单频道建设成本较低:相对于 SDI 卫星接收机,一台 IP 卫星接收机可 以同

10、时承担多个复用频道的接收工作。例如中星 6B 上央视包中包含有 1、 2、 4、 7、 9、 10、 12等多套节目,如果采用 SDI 方式,则必须准备 7台接收机,而在 IP 输出的模式下只需一台 1220即可,复用包越大,优势越突出。 另外, IP 输入的编码器相对于配备 SDI 输入模块的编码器 也具有较为明显的价格优势。2、 直播流监控 IP 化与传统电视制播业务有所区别的是, 70路直播频道流的传送业务类似于 传统数字电视前端机房的工作, 在此业务中我们只对各频道信号接收后再转 发,除了编码工作之外对节目内容不做任何的变更。因此,流传送的安全抵 达是日常工作中的第一要务, 对 IP

11、视频流的监控是日常直播业务运维强有力 的辅助手段。为此我们针对直播流在系统中设置了四层监播,以确保安全, 如图 3所示: 图 3 直播流监控第一层,在卫星接收机输出端选用支持 MPEG-2 TS码流监控的博汇 TrinityAres 多画面监控设备。该设备通过 IP 方式接入交换机,即可实时从卫 星接收机输出组播地址获取需要监控 MPEG-2 TS流数据,显示在大屏上,并可实时预警。此层次监看的目的是为了判断卫星接收机输出是否正常，属于 对源的监控； 第二层，在编码器后端选用支持 H.264 编码的博汇 TrinityAres 多画面监 控设备。 方法与第一层监控类似， 该设备通过 IP 方式

12、接入交换机即可实时从 编码器输出组播地址获取需要监控的 H.264 流数据。此层次监看的目的是为 了判断编码器是否正常输出； 第三层，在头端系统输出端，入电信业务平台之前对组播流进行监控， 此层面采用软件的方式，并不对流进行解包，不监看视频，只是判断具体组 播地址有没有流，确保输出安全； 第四层，用户级信号回看，由电信安装 100 个机顶盒，输出后经奥视 MVW160 设备画面分割后入四块大屏，同时奥视 MVW160 设备可针对视音 频状态准确预警。 这是一个含电信分发网络在内的全链路监控， 所见即所得。 在上述四层监控体系协助下，值班人员能够在很短的时间内发现问题、 并迅速地判断出问题所出环

13、节。 3、 节目采集 IP 化 、 总台 IPTV 素材来源主要来自于卫星收录、节目外购以及总台媒资系统。 如“频道直播 IP 化”章节中所描述，总台卫星收录的源直接取自于编码 器输出的组播流，因此节目收录平台直接采用 HP 380G6 服务器配合方正收 录软件，通过 IP 的方式接入编码器输出端交换机（可参考图 2） ，每个收录 服务器可同时完成 10 个频道的收录任务，收录下来的文件直接就是 H.264 格式并实时入库，进而用于后期的制作环节。 媒资系统是 IPTV 另外一个重要的节目来源，总台的策略是将 H.264 转码 任务设置在媒资系统内完成，然后再通过 IPTV 内容管理软件实现自

14、动入库。 由于 IPTV 系统与媒资网络不属于同一个安全级别， 因此其中有一个头端系统 与媒资网络的安全隔离问题，我们采用 USB 网桥+私有摆渡协议的方式加以 解决。 具体实现方法如图 4 所示：总台媒资转码后 H.264 视音频文件以及相关 元数据 XML 文件共同存放于 USB 网桥左端服务器中， 摆渡程序自动发现 USB 该文件后通过 USB 网桥将节目文件通过 USB 网桥送至 USB 网桥右端服务器 中， 该服务器部署的自动入库程序实现最终的节目入库， 同时也将 XML 文件 中带有的编目信息自动写入数据库。目前我们 USB 网桥做到了 23MB/s 的摆 渡速率，完全满足 H.2

15、64 文件传输的需求。 图 4 媒资素材入库的实现 总台媒资转码文件经上述流程入库后即可在 IPTV 制播平台中进行再加 工。 与此类似， 其他外购节目也可在 IPTV 制播平台中通过上载或者转码软件 实现 H.264 转码并入库，还有大量的外购素材直接购买 H.264 版本入库，由 于篇幅关系，本文不一一介绍。 4、 节目制作 IP 化 、 分析 IPTV 的业务特点，由于节目素材绝大多数来自于外购（例如电影、 电视剧） 、总台媒资库（例如总台自制新闻节目）以及卫星收录（例如体育 赛事等） ，该具备的特效、字幕等元素都已经融合在源素材中了，节目制作 环节相对传统媒体的制作更为简单，更加侧重于

16、素材的快编快剪以及二次编 目。目前总台 IPTV 头端系统中节目制作流程粗犷地描述即如图 5 所示： 图5 IPTV 节目制作流程简单框图 不考虑后台自动技审服务器等设备，仅制作系统我们即配备上载工作站 10 台、收录服务器 10 台、快编工作站 20 台，编目工作站 20 台，审片工作 站 15 台， 发布工作站 5 台， 相信随着业务的增长， 系统规模仍将继续扩大。 如此多的工作站， 需要同时在一张纯以太千兆网络中进行视音频剪辑、 浏览、 入库等操作， H.264 高压缩率的优点得以充分体现。正是基于 H.264 的编码 方式，才使得我们千兆单网架构下的全流程 IP 化制播即成为现实。 5

17、、 节目播出 IP 化 、 头端系统的播出一般特指节目轮播（很多电信称之为聚场） ，我们用轮 播服务器实现该功能，播出文件格式选用 H.264（江苏电信采用 H.264 的文 件格式） 。 在 H.264 文件格式下 IPTV 头端系统中， 轮播服务器与传统播出系统中的 Omenon、K2 等服务器实现理念完全不同。传统播出服务器，正常播出流程 都是编码-存储-解码的过程；而轮播服务器播出过程中所做的操作是：读取 H.264 节目文件数据，实时进行 UDP 的封装，最后以组播的方式发送出去， 无任何编解码的需求。此播出方式对服务器性能要求不高，因此我们采用了 普通的 HP 380G6 服务器，运行方正轮播软件实现节目轮播，每台服务器可 满足 6 个频道的播出需求。轮播服务器接入系统的方式是主备两路 IP 输出， 如图 6 所示： 图 6 轮播系统网络示意图 头端系统网络实施 四、 头端系统网络实施 顾名思义，全流程 IP 化，网络实施自然是整个系统的灵魂。首先，在网 络架构上，我们采用较为经典的核心加接入交换机的方式，根据业务模块划 分独立的 VLAN。如图 1 所示，所有的业务模块（直播、轮播、点播等）都 通过主备二层交