新闻演播室视音频制作系统是媒体制播系统中的一个重要方面。面向全媒体信号接入与调度、直播切换、多语种声道处理、电视新闻直播和新媒体发布等业务需求，构建面向融合生产的全媒体新闻演播室平台是新一代新闻演播室系统建设和发展的关键一步。充分调研演播室IP化技术发展趋势，进行IP关键技术测试验证，对探索全媒体新闻演播室系统构建非常必要。
一 新闻演播室相关技术发展趋势
近年来，IP化、软件定义、云技术、网络安全和人工智能等技术迅速发展，为实现媒体融合、资源共享和灵活编排等提供了新的底座能力，这些技术正在深入影响着当前媒体制播的系统建设和应用发展。
1.趋势调研与分析
（1）IP化技术及软件定义P化是利用现有的IT成熟技术与相关标准化组织的协议，实现将传统的视音频传输从SDI架构向IP架构转变的技术。IP化架构的系统需要用软件对各项功能进行定义，相关厂商都在研发并持续更新其SDA（Software Defined Anything）能力。软件定义呈现出的特点，一是设备可定义，其不再是某一硬件支持某一特定功能，而是在同一硬件上通过软件授权支持不同功能；二是产品软件化，专业媒体处理产品正在由依赖FPGA硬件向部署在通用服务器上转变，通过在通用算力平台上部署软件支持不同功能；三是系统平台化，通过通用底座构建的系统不再像过去是固定流程、固定环节和固定功能，而是可纳入各类软件模块，开放调用接口，更易于实现IP流、设备资源和运维的智能管控等，且可持续不断融入新模块，进一步自定义工作流程。
（2）云及流媒体的应用在IP化发展的同时，媒体工作流正向虚拟化、云化和容器化的方向发展，从而达到资源利用率的最大化。在海外，越来越多的流媒体公司将整个媒体工作流程迁移到云上。一是内容采集和制作，在一些需要严格安全、严格同步、高质量制作的场景，仍需要本地系统，但是随着浅压缩低延时的技术出现和集成应用，会有更多的高要求场景转移到云上，制作信号上云的网关、由API实现本地和云端对接的产品不断涌现；二是内容存储和归档，云上存储性价比更高，更安全，容量无限；三是内容分发，通过云进行播出分发已成为海外广播媒体产业的一项重要趋势，它极大地改善了内容制作和分发的效率，可以提供灵活性和扩展性[1]。
（3）网络安全理念植入IP化系统的应用IP化的发展使得软件化和云化的趋势明显，与此相伴而生的就是网络安全、数据安全、设施安全等问题。目前，一些厂商已明确将安全防护作为其设备或业务的优势之一，他们通过在传统IP设备上植入安全防护模块，提供协议、链路和应用级保护，具有防火墙的基础功能、网络加密协议传输、网络IP地址限定、用户身份认证等功能。这类产品在功能与性能两个维度之上增加了第三维度安全性，使其本身具备网络安全防护能力，改变了以往的严重依赖外部环境的通用安全设备来进行防护的情况，还能针对媒体的应用场景进行监测和预警[1]。
2.趋势小结
透过近年来的业界设备展以及全球媒体机构的应用案例来看，媒体制播的IP化、软件定义、云化的发展方向显著，流媒体呈现飞速增长的特点，人工智能已经被引入到新闻制作流程，并嵌入到数字媒体制作场景。
视音频IP化的技术、标准和设备产品已趋于成熟，网络安全更加被重视，流媒体技术已在很多媒体机构得到应用。在全媒体新闻演播室的建设和改造工作中，开展IP化、软件定义、流媒体等应用是必然的趋势。
二 全球范围的IP化新闻演播室系统应用案例
IP化新闻演播室系统采用SMPTE ST 2110作为IP化系统主要标准，国内主要有中央广播电视总台、湖南广播影视集团等，国外主要有NBC（National Broadcasting Company）、BBC（British Broadcasting Corporation）、CNN（Cable News Network）和CBC（Canadian Broadcasting Corporation）等媒体集团的IP演播室系统（含新闻演播室）应用。国内规模化建设和运行IP化架构的高清新闻演播室系统不多见，以下主要分析国外媒体的演播室案例，从规模、系统架构、信号格式和运维经验等方面了解技术应用发展情况。
1.案例调研与分析
（1）NBC新闻演播室NBC环球是美国的一家大型媒体集团。2016年NBC环球建设了位于迈阿密的新全球总部，搭建了基于SMPTE ST 2110标准的IP平台[2]。该系统支持广播电视和数字平台两种播出方式，设有新闻、体育、娱乐共13个演播室和7个导控室，13个演播室的制作信号均可送至任意一个直播导控室。
系统方面，截至2018年该IP平台已拥有超过12000个高清源和150000个视音频组播流。视音频网络为双脊网络拓扑的结构，每个网络使用一个超过2000个10G端口的大型交换系统。整个系统采用两个独立SDN（软件定义网络）进行冗余网络运行，信号流可基于SMPTE ST 2022-7进行无缝切换。
（2）BBC新闻演播室BBC WALES是英国广播公司的威尔士分公司，英国三大国家级直播中心之一。BBC WALES卡迪夫中央广场的新大楼建立了一个基于IP的节目制作中心[3]。
系统方面，该系统包含基于SMPTE ST 2110标准建设的IP电视系统，以及基于SMPTE ST 2110-30、AES67、DANTE的音频系统的多个制作子系统。系统业务网的主备域分别由1脊12叶构成。系统有独立的控制网，通过防火墙严格控制外部流量，系统使用软件定义管控，实现对网络设备及信号的调度管理。
同步方面，使用两个独立的系统主时钟，两个主钟分别连接GPS和GLONASS授时天线，每个主钟的PTP v2组播通过同步分配交换机，分别送至两个业务网脊交换机，所有的交换机作为边界时钟使用。
音频方面，不同子系统采用不同的传输协议，其中使用DANTE协议的子系统只能使用PTP v1，同步相对独立。虽然SMPTE ST 2110-30与AES67相互兼容，但由于不同子系统还是存在配置文件的细节差异，所以不同子系统间采用MADI交互。
信号格式方面，支持HD 1080i的SMPTE ST 2110视频IP流、DANTE和AES67的音频IP流，通过转换设备可支持UHD 4K、HD 1080i的SDI信号和AES3 LINE信号等。
互联互通方面，尽管大部分厂家表明设备可以支持NMOS，但不同厂商设备在IS-04和IS-05的定义方面存在一些差异，所以采取了一些特定措施，例如Cisco DCNM不再阻止直连设备的流传输、视频接收端通过网关进行路由等。
（3）CNN新闻演播室CNN美国有线电视新闻网的新总部位于纽约哈德逊广场，于2019年7月开始系统集成，建立了一个完全基于SMPTE ST 2110 IP网络标准的广播基地[4]。
系统方面，采用SMPTE ST 2110的IP化结构，交换核心采用25G交换机，使用约10000根光纤组网。系统信号格式为1080i/60 SDR，可通过设置升级至1080p/60 HDR。在压缩传输方面，远程制作使用的是JPEG-2000浅压缩算法，以减少信号传输的时延。
运行及互联互通方面，CNN技术人员认为，配置这些独立的系统使其可通过智能媒体软件运行是重中之重。全新的架构要考虑应急故障切换的能力。在IP化建设过程中，由于有部分设备不支持NMOS协议，在互联互通的调试方面需要花费更多的时间，希望未来随着标准、协议的不断完善，各厂商设备能够达到更好的互操作性，以便更快速地推进IP化进程。
（4）CBC新闻演播室CBC加拿大广播公司蒙特利尔新总部项目系统集成从2018年8月开始，2020年2月完工，是北美地区最大的IP构架电视制作基地之一，可进行新闻制播、电视访谈、综艺节目录制、后期制作、音乐录制等[5][6]。
系统方面，采用SMPTE ST 2110 IP构架，同时允许多种音频和视频格式，保证系统可以不受格式和分辨率的限制。系统为脊叶架构，设计了四脊架构以防止发生流量阻塞，在网络中使用软件定义的控制，保证所有链路之间流量的平等分配，充分展现全IP 化制作的灵活性。
运行及互联互通方面，CBC相关负责人表示，首先，技术人员面对的最大挑战不仅是对IP设备的操作，而是要拥有IP化的思维；其次，信号的音频、视频为独立组播传输，各自路由不同可能会导致音、视频的声画不同步，必须做好链路的相对延时测量并校准；最后，希望EBU LIST可以不断完善，这将有助于IP系统的发展，随着技术演进，未来IP化将是一切的基础。
2.案例小结
国内外媒体主要以SMPTE ST 2110、SMPTE ST 2022-7、SMPTE ST 2059、NMOS、DANTE等协议作为IP化演播室建设的基础，组网方式主要有双脊、双脊多叶、四脊多叶等架构，实行带外控制。国内IP 新闻演播室主要采用IGMP架构和SDN信号管控软件；国外IP新闻演播室主要采用“网络控制器＋演播室广播控制器”架构，网络控制器是交换设备厂家所提供的产品，如Arista AMCS、Cisco DCNM等。国外媒体建设IP化演播室时NMOS协议尚未成熟，仅可控制部分终端设备的业务流，无法控制该终端设备，并且在互联互通调试时需进行额外配置，耗时耗力，因此推进设备支持NMOS协议是广播电视IP化建设的一个必经之路。为满足新媒体业务的制作发布，国外媒体有从1080/60i SDR向1080/60p HDR发展的趋势。
三 全媒体新闻演播室IP系统关键技术测试分析
为探究IP新闻演播室系统关键技术及其应用的可行性，本次研究设计了多个演播室群的IP新闻演播室视音频PoC（Proof of Concept）系统，搭建了交换机IGMP、交换机SDN和路由器SDN三种测试模型，对IP系统的软件定义管控关键技术进行了测试验证；搭建了无压缩和压缩融合的测试系统，对面向电视与新媒体制作的互联互通关键技术进行了验证测试；并对网络安全进行了一定分析。
1.IP系统软件定义管控
在搭建的PoC系统基础上，测试了基于交换机IGMP、交换机SDN、路由器SDN的三种IP系统管控方式，每种方式分别测试了IP化高清立体声制作的新闻演播室系统功能和工作流程，包括外来信号延时、信号调度、视频切换、音频调音、字幕包装、文件播放和应急操作等。
（1）基于交换机IGMP的IP系统管控基于交换机IGMP的IP系统管控系统，是指控制器通过私有或NMOS协议，以及自建虚拟设备进行设备和信号流的发现、注册并构建网络拓扑，控制器控制终端向网络交换矩阵发起IGMP拉流请求，网络交换矩阵按IGMP请求发流到终端，终端通过双倍带宽实现净切换。
经测试，基于交换机IGMP的IP系统管控满足中小型新闻演播室使用要求。测试发现，如果信号业务网络较为复杂，由于交换机IGMP的IP系统管控不对信号路由进行管控，可能存在流量阻塞，需要采用预定规划路由方式，随着系统规模的增大，预定配置的复杂程度和维护工作量将增大，非常繁琐。
图1 交换机IGMP测试模型原理图
基于交换机SDN的IP系统管控，是指控制器通过私有或NMOS协议，以及自建虚拟设备进行设备和信号流的发现、注册并构建网络拓扑，控制器同时对网络交换矩阵和终端下发调度指令，完成信号路由创建和终端信号切换。
经测试，发现对于不同品牌交换机，对IGMP Proxy的功能、叶脊之间的链路自动负载功能支持程度不同。所以在有外部IGMP系统对接，以及叶脊之间链路均衡的需求时，要考虑交换机选型以及负载方式的设计。
经测试，发现采用SDN交换机系统在信号调度时，存在从面板按键操作到最终信号调度完成的延时时间较长的问题，特别是对于跨叶脊或信号业务网络较为复杂的情况。测试环境采用市场主流产品，进行跨一次叶脊的调度，实测从按下面板按键至信号切出约916毫秒（2023年11 月测试数据）。所以，使用IP应急面板，通过SDN控制器控制信号切换时，要考虑面板信令传送、SDN控制器下发指令至交换机和下发指令到终端，以及终端响应切换动作的先后关系，并优化总体延时，评估延时时间是否符合业务需求。
图2 交换机SDN测试模型原理图
基于路由器SDN的IP系统管控，是指控制器通过私有或NMOS协议，以及自建虚拟设备进行设备和信号流的发现、注册并构建网络拓扑，SDN控制器通过对路由器下发调度指令，路由器内部完成信号流切换、NAT，并推流到终端完成切换，终端不参与切换动作。
经测试，发现采用路由器SDN方式的管控系统在SMPTE ST 2022-7环境下进行信号调度时，非净切模式，调度无问题；净切模式，由于不同品牌的终端产生IP流的包长大小不一致，存在部分设备无法净切的问题，需进一步探究解决方法。
经测试，发现采用路由器SDN 方式的管控系统在叶脊之间的链路均衡方面，通常通过流量或轮询等方式达到负载均衡，但控制器对于业务主备流没有区分策略，所以，控制器需要在负载均衡时考虑增加业务属性。
经测试，发现采用路由器SDN 方式的管控系统通常只控制路由器，但当系统内信号格式较多时，有些终端在接收不同的格式信号时，需要修改其接收通道SDP信息确保格式信息匹配，所以，控制器需要考虑增加对终端的控制。
图3 路由器SDN测试模型原理图
2.电视与新媒体融合制作系统的互通
通过搭建电视与新媒体演播室测试系统，进行了新媒体IP信号用于电视系统生产制作，以及电视系统信号用于新媒体节目生产制作的场景功能测试。
在该系统环境下，测试了IP化高清立体声，电视与新媒体融合制作的信号互通性，包括电视演播室系统接收新媒体流进行调度、切换、调音，以及新媒体系统接收电视演播室信号进行切换、横竖屏转换、上字幕等功能及工作流程。
经测试，通过市场上主流产品的集成，可完成新媒体IP流和SMPTE ST 2110 IP信号的双向转换，新媒体IP流经实时转换后可用于电视制作，也可实现将电视演播室的横屏信号实时转换进入新媒体系统，并通过人工智能自动转换为竖屏信号输出。
图4 电视与新媒体演播室融合制作测试系统图
3.IP系统网络安全简析
基于以上电视与新媒体演播室融合制作的测试系统，网络边界应按照无压缩信号和压缩信号流分别考虑，进行网络安全分析。
一方面，由于市场上鲜有支持SMPTE ST 2110 大流量的网络安全产品，可以将路由器作为安全边界，作为不同IP演播室集群之间的边界，也作为与外部系统、与新媒体系统的边界，路由器在原生安全特性基础上，支持基于媒体业务特性部署的CAR限速、HQoS功能以及访问控制列表等策略，支持网络地址转换NAT隐藏内部地址，支持单播/广播隔离。
另一方面，可以考虑将网络安全理念植入新媒体转换网关，使得新媒体转换网关具备业务功能的同时也有安全防护能力，将具备安全防护能力的新媒体转换网关作为电视系统与新媒体系统的边界。
四 总结
技术趋势调研和PoC 测试工作，为全媒体演播室在IP可行性、基础架构、组网方式等方面的技术路线选型提供了测试数据支撑，为探索新媒体新技术应用和节目新形态呈现提供了技术可行依据。
总而言之，IP化带来了易扩展性、易管理性，在架构设计中充分发挥IP调度物理资源最大化共享优势，可以让视音频系统充分享受IT红利，既确保各演播室安全可靠独立运行，又实现演播室间的信号及资源的灵活共享以及便捷联动。IP化格式无关的特性，也使得在应用全媒体制作新技术和节目新形态的呈现上体现出充分的技术基座赋能优势。
