湖北广播电视台融媒体新闻制作系统IP化探索

一  现状分析与升级目标

1.现有系统架构

湖北广播电视台融媒体新闻演播集群包含时政新闻演播区、开放式多景区演播区、虚拟演播区、创新空间等四个演播区。为保证架构稳定、使用安全，整个集群视频系统采用12G-SDI 4K UHD架构。

图1 新闻集群四个演播区

其中，时政新闻区系统采用Sony XVS-7000双切换台和PESA 64×64矩阵构成主—备—备12G架构。配置4台Sony HDC-3500超高清讯道摄像机。主备切换台联动制作，互为备份，矩阵作为信号调度和第三备份通道，主要信号源和信源通道均为时政新闻子系统独立使用，具备高独立性和高安全性。开放区系统采用Sony XVS-8000切换台和PESA 160×160 矩阵构成主—备架构。配置6台Sony HDC-3500超高清讯道摄像机。

开放区矩阵作为集群的调度中心，可按需调度三个区域信源，实现各区域信号互通、收录调度。虚拟区系统采用Sony XVS G1切换台和开放区矩阵部分通道构成主—备架构。配备3台Sony HDC-3500超高清讯道摄像机，含特种设备虚拟跟踪云台2台、机器人摇臂1个。与开放区演播室系统耦合，共享开放式矩阵、画面分割等视频系统资源。创新空间是采用融媒体切换台组成的轻量化系统。音频系统为全基带集群化设计，各演播区均采用了主、备系统结构，信号的采集、分配、制作均采用主备独立双链路，最终通过加嵌、延时处理后送至播出、传输等业务流程。系统框图如图2所示。

图2 新闻集群视频系统框图

此集群系统包含13机位超高清讯道摄像机，四个子系统既相互独立，又互联互通。能同时进行两档节目直播或四档节目录制；能实现4K、高清、HDR、SDR 等不同格式信号的输入输出；能提供高标清、4K（4×3G 接口）、4K（12G-SDI 接口）等不同信号输入及输出接口。还具备虚拟制作、新媒体制作发布、广播等功能，是湖北广播电视台融媒生产的重要组成部分。目前承担《湖北新闻》《湖北10分》《长江新闻号》等栏目的直播。

2. IP化升级目标

新闻集群系统采用12G-SDI架构，因SDI信号阻抗匹配的严格要求和点对点传输本质，长距离传输需光纤转换，新增信号均需独立布线，线缆复杂。且未来8K制作码率更高，SDI架构需4×12G-SDI捆绑，扩展性受限，IP方案只需要单根100G IP链路即可。

考虑到未来湖北广播电视台专业系统的升级和拓展，传统的12G-SDI架构会有很多局限，而基于IP网络的SMPTE ST 2110采用标准的以太网架构，支持灵活的信号路由和组播分发。通过交换机和IP网络可以轻松拓展系统规模，动态调整信号流，无须大规模重新布线。本文探索的新闻系统IP化，在SMPTE ST 2110的系统之外，部署一个轻量化的IP系统，采用NDI网络将主系统和新媒体系统打通。使集群系统支持SMPTE ST 2110（无压缩IP流）与NDI（压缩IP流）双协议，兼容4K SDI超高清制作，以“广电+互联网”模式推动媒体深度融合。

二  新闻集群IP化方案

1. IP网络架构

对于现有12G-SDI系统，可通过对关键设备升级、引入混合网关设备，先边缘IP化，再核心升级，形成SDI ＋IP混合架构。混合架构如图3。

图3 12G-SDI 与IP 混合架构

SMPTE ST 2110不对信号进行压缩，可以保证专业广电制作对于质量的要求。同时，SMPTE ST 2110 将视频、音频和元数据分离，在一个网络架构中传输，在专业制作中可以更好地整合视音频资源，形成全台一张网的统一架构。因此，在广播级制作系统架构升级中，SMPTE ST 2110是目前最好的方式。根据现有的SDI系统规模、信号需求和未来扩展目标，我们采用主备核心交换机的单级结构。网络架构如图4。

图4 SMPTE 2110 IP 网络架构

其中核心交换机可以高效转发SMPTE ST 2110标准的音视频流数据，提供微秒级PTP时间同步，确保音画精准对齐；通过QoS策略保障关键业务流量优先级，实现多播/单播混合传输；支持SDN灵活组网和VLAN安全隔离，满足多机位、多终端制作需求。

目前国内的广播级IP网络产品很多都是使用华为的产品，新闻集群IP化，可采用华为CloudEngine 系列主备核心交换机（CE8850-64CQ-EI）搭建单级架构，100G端口可支持10路4K无压缩流或80 路JPEG XS压缩流。CE8850全面支持SMPTE ST 2110，实现视频（SMPTE ST 2110-20）、音频（SMPTE ST 2110-30/31）、元数据（SMPTE ST 2110-40）的独立传输，兼容AES67音频流。4K摄像机、IP网关、切换台等支持SMPTE ST 2110的IP设备均可接入。

新媒体的升级方案，需要在SMPTE ST 2110 IP+SDI制作流程基础上，无缝接入摄像机NDI流、轻量化手机平板等终端。NDI IP网络架构是以NDI 编码器、NDI矩阵服务器为关键设备的网络架构，其框图如图5。

图5 NDI IP网络架构

其中NDI编码器作用为将基带信号（SDI/HDMI）转换为NDI流。NDI矩阵服务器实现多路信号切换与分发。

NDI有无压缩（Full NDI）和浅压缩（H.265压缩）两种协议类型。其中无压缩能满足广电级实时制作需求，浅压缩适合移动设备。支持16:9与9:16格式同步处理，适配融媒体多终端分发，横竖屏兼容；可输出NDI、RTSP、SRT等流，多协议互通。支持4K HDR 10bit+色彩深度，视觉无损，媲美基带信号质量。

2.关键设备升级与协议适配

因为设备不同，需要采用两种方式来保证系统内信号源和处理设备的IP化升级。对于原生支持IP 流的设备，可以通过IP选件（板卡、模块或软件授权）来提供对SMPTE ST 2110的支持（如4K摄像机、视频切换台等）。而对于原生不支持IP流的设备，可以采用IP网关转换的方式，将SDI信号转换成SMPTE ST 2110 IP流。

在SDI架构向IP化升级过程中，同步系统的改造是确保信号质量的核心环节。现有SDI集群系统选用了三台Tek SPG 9000发生器和两台ECO 8000倒换器，同步发生器的基带同步进入倒换器后，再输出并分配送给各个设备。IP系统采用的精密时间协议PTP 同步是基于网络协议的时间同步机制，通过时间戳交换和延迟补偿实现纳秒级同步，满足广电级制作需求。

现有系统配置的SPG 9000时钟发生器支持PTPv2、传统GENLOCK双模同步，提供双1G/10G IP端口，支持SMPTE ST 2110标准，全网同步精度≤100ns；可配置为Grandmaster（主）、Boundary Clock（边界）或Slave（从）模式；支持黑场/三电平输入输出，兼容现有SDI设备。

可将现有同步系统通过“双模共存、分级控制”的方式进行升级，架构如图6。

图6 同步系统架构

主备同步机的PTP端口都连接到交换机上，各个设备通过PTP协议获取同步信号发生器的通信信息来实现同步。

对于基带设备，主备同步信号发生器输出的BB 和三电平信号进入同步倒换器。一旦主同步发生器的基带同步丢失，同步倒换器会自动倒换，将备同步发生器输出的信号送到模拟同步视分。当PTP失效时，SDI设备通过SPG 9000的黑场信号保持同步，保证系统的安全性。通过这种模式，实现GENLOCK和PTP独立运行。

湖北台融媒体新闻集群选用的13讯道摄像机均为Sony HDC-3500，只需加装HKCU-SFP50 IP选件，就可实现SMPTE ST 2110信号直接输出，无须额外网关，且可与Sony XVS系列切换台原生IP对接，支持HDR／SDR并行输出，参与云端制作。

NDI升级方案为部署第三方NDI编码器（如千视的N60或NewTek Pro Convert 12G SDI 4K Plus），将SDI信号转换为NDI流，支持低延迟传输与多平台分发。

图7 摄像机IP化升级

湖北台融媒体新闻集群选用了２台Sony XVS- 7000切换台和１台Sony XVS-8000切换台。其中，Sony XVS-7000切换台通过添加XVS-IP 100G双光口接口板，连接内部数据总线和时钟同步线，设置相关网络参数，即可实现从采集到分发的全IP化制作流程，同时还可与HDC-3500摄像机无缝对接，为未来8K升级预留路径。Sony XVS-8000切换台也可通过添加100G IP接口板，实现性能更优的IP化制作。

NDI升级方案为采用独立NDI网关设备（如千视的N60或Pro Convert 12G SDI 4K Plu），实现NDI 信号与12G的双向转换，通过保留切换台部分12G 板卡，确保多协议输入/输出需求。可设置为SDI优先原则，如摄像机等关键信号源直连XVS-7000 SDI 输入，图文包装等信号通过NDI接入。

图8 切换台IP化升级

3. SDI、IP信号调度管理

IP系统中需要使用SDN （软件定义网络）工具配置动态路由和资源管理。IP流采用的是数据包传输，并不像传统SDI信号一样，有着独立的信号路由走向。IP网络中逻辑意义上的流并不能如普通IP网络一样自主的规划路由，这样会造成可控性的降低而引发带宽占用和延时的不稳定。因此，在IP网络架构中需要有SDN（软件定义网络）控制器，对IP网络进行管理和状态监控。

融媒体新闻集群IP化后，系统中IP设备、基带设备同在，IP流信号和12G基带信号共存，不同设备和信号流间存在技术壁垒，所以本系统需要增加一个顶层管理系统，对IP系统和基带系统统一管理，弥合12G基带信号和IP流以及各种不同设备之间的控制鸿沟。让使用人员通过模拟传统操作界面和图形化界面进行无感操作（无须分辨IP流和基带信号）。

4. IP化后的制作模式

融媒体新闻演播集群作为制作域的一个部分，随着制作域、总控域逐步IP化，并且与数据中心紧密连接，制作模式将发生巨大变化。

图9 IP化后制作模式变革

新闻集群IP 化后能实现集群融合，多空间一体化协同制作，兼备电视+音频+新媒体制作、多媒体发布+互动、大数据采集，实现信号无阻塞汇聚分发，协同完成大的制作任务，或者多任务多平台的同时制作分发；同时群内系统设备之间也起到了相互应急备份的作用，保障了整个系统的安全性和稳定性。

新闻集群IP 化能与IDC数据中心、媒资中心、制作网、长江云新媒体平台互通，新闻素材、图文模板存储于云端，编辑可异地调用资源，通过轻量化终端（如iPad+5G）完成剪辑、配音。共享台内乃至新媒体网络素材，实现内容互通、资源共享。

系统具备IP、基带输出，同时配备4K格式转换器及IP网关设备，可实现电视+新媒体节目在大屏、小屏、横屏、竖屏等不同平台的灵活分发。

虚拟演播室引擎也可部署在云端，实时渲染场景并推流至本地演播室，降低本地算力需求。运用AR、VR等技术，实现虚拟制作、远程互动，构建元宇宙。

三  实施风险与应对措施

1.兼容性风险

传统SDI设备基于BNC 电缆等硬件接口， IP化系统依赖网络协议，可能导致旧设备无法直接接入IP网络，需额外转换设备。此外，不同厂商的IP设备可能存在协议差异，影响系统互操作性。可通过部署IP/SDI网关，实现新旧设备混合组网，平滑过渡。同时在过渡期保留SDI链路作为应急备份，确保制作连续性。

2.成本优化

IP化升级需投资新交换机和IP画面分割器、增加同步发生器、摄像机、切换台等设备的IP选件，成本较高。可通过分阶段升级，复用现有设备，摄像机和切换台不更换核心，部分画面分割器也可以保留，避免重复采购。