4K综合移动外场系统采用4K视频格式、SMPTE ST 2110协议标准的视音频信号，包含了10讯道Sony HDC-5500 4K摄像机信号和主/备4K外来信号输入系统，与音频系统以全IP方式进行信号交接，同时将主/备两路4K格式无压缩PGM信号和摄像机信号，经编码后送至主控。此外，通过解码和光传输入，可将4K超高清信号及高清信号用于直播实时调用和现场监看。系统通过SDN（软件定义网络）可以执行将已经配置好的命令进行调用和切换成高清、4K、8K三种模式，在多次转播大型体育赛事和重大活动中，系统运行稳定，在不同制播模式下，均顺利完成了转播任务。
一 4K综合移动外场系统架构
1.视频系统
4K综合移动外场系统为超高清IP化视频系统，基于SMPTE ST 2110协议标准，系统内输入输出信号均为4K超高清信号，符合中央广播电视总台超高清格式标准，即分辨率3840×2160/50p、色域BT.2020、HDR、HLG/1000nit、10bit量化等指标。系统以IP、IGMP为底层架构，PTP同步信号、视频信号、音频信号和辅助信号分离制作，顶层由SDN 进行信号分配与监控。系统配备两台华为CE8850作为主/备脊交换机、四台华为CE6865叶脊交换机进行信号调度，同时符合SMPTE ST 2022-7协议标准，支持无缝冗余切换。其中，CE8850处理带宽100G的SNP网关、切换台、画分信号，CE6865处理CAM 摄像机、NEWT网关、LSM（IP现场制作管理器）、SDN及PTP同步等信号。视频系统包含SNP IP转换网关及LSM管控系统用于信号的分配，辅助配备了国产化SDN监管控系统用于应急切换和Tally。周边设备包括超高清视分板卡、模拟视分（提供BB信号分配）、编/解码器、IP画分板卡等。系统与主控系统、音频系统以全IP方式进行信号交接，采用内/外同步的方式，将主/备两路4K格式无压缩IP流PGM信号经编码后与主控握手，其中主路通过切换台将PGM主信号送至主控，备路则使用国产化SDN 将PGM备信号送至主控。同时，SDN应急面板以净切换方式完成系统的应急切换。
图1 4K综合移动外场系统图
2.控制系统
4K综合移动外场系统配备了一套IP Live（IP现场管控）系统及国产化SDN监管控系统。其中，IP Live系统中的控制系统对视频系统涉及的主要设备进行组网管理、网络设备管理、网络端口管理、IP流/流组管理及网络整体调度和监测。IP Live系统中的管理系统主要通过IP管理软件对连接设备的管控和对数据流进行的全局配置，实现交叉点设置、配备辅助面板设置和LSM调度等功能。国产化的SDN监控系统通过监测拓扑图、报警提示、数据分析等实时反映数据流运行情况。SDN监控系统还可以对IP系统内的网络拓扑、状态监控、端口监控、IP流监控和PTP 监控等直观地展示出其运行状态，以快速提高故障应急响应的速度。
3.同步系统
4K综合移动外场系统支持内/外同步方式，可同时接收主控下发的PTP和BB同步信号，并支持由配备的两台SPG8000A主/备同步机输出的内同步信号。其中，PTP信号输出至交换机，再由交换机分发至下游设备，如摄像机、SNP、切换台、画分、NEWT网关、音频系统等。BB同步信号则可以接入同步自动倒换器，经视分板卡后分配至编/解码器、摄像机基站、切换台、矩阵、字幕机等设备进行同步分配。
4. Tally系统
4K综合移动外场系统中的Tally系统采用国产化的SDN控管监软件完成。对于SDN控管监系统而言，除实现IP信号调度和系统设备管控外，另一重要功能是全系统Tally的配置、管理和推送。在4K综合移动外场系统中，SDN控管监软件中配备了独立的Tally模块，用于Tally的配置和控制。Tally系统一般需定义系统Tally、Tally通道和Tally策略；配置时，需提前将系统Tally绑定到切换台母线和应急母线上，当母线切换后会触发Tally通道对应的多画面PIP窗口或GPO。在切换台（或应急）切换的信号源与多画面显示的信号源一致的情况下，Tally系统向设备发送Tally消息，触发Tally灯显示。
图2 4K综合移动外场系统立柜机房
5.监看系统
4K综合移动外场监看系统中，IP流信号是通过NEWT网关转换成SDI或HDMI进行图像呈现的，其中显示设备包括了10台55英寸4K超高清监视器、13台17英寸高清监视器、3台24英寸4K液晶监视器和一台30英寸技术监视器。这些设备共同担负起视频导控监看、音频导控监看和领导监看的任务。
6.时钟系统
4K综合移动外场系统采用国产化的TVZ3101B 时钟，包括GPS/北斗双模母钟、正计、倒计时子时钟。系统独立使用时，由双模母钟输出接收到的时钟信号：一路经EBU时码分配器、时码发生器、串口分配器分配给立柜飞行箱的设备；另一路经倒计时控制器分配给演播室的正计时、倒计时子时钟。
7.延时系统
4K综合移动外场延时系统配备了两台国产化4K DELAY-X-UHD180S固态延时器互为主备，支持无压缩4K超高清IP信号和基带信号，根据直播需求可设置延时时间最长180秒，并内置了六画面显示监看处理模块以及8通道模拟音频或16通道AES音频加/解嵌模块。配置延时时，主/备两路信号输入至延时器，延时输出后的主/备PGM信号送至主控进行分发。直播前，主/备延时器分别收录应急垫片，直播中若出现紧急情况时，可通过SPACE键一键播放，保障直播画面的安全。
8.通话系统
4K综合移动外场通话系统对内通过设备、通话面板和通话交换机相互连接，实现摄像机、立柜机房等与主叫面板之间的通话，另外也可以单独配备通话面板，利用通话核心矩阵实现多点间的通话交互。
二 4K综合移动外场系统配置
1.摄像机机位
4K综合移动外场系统配置了10讯道Sony HDC-5500 4K摄像机，共有5个24倍标准镜头，4个14倍广角镜头及46倍长焦镜头，其中，HDC-5500基站可直接输出IP信号，符合SMPTE ST 2022-7模式下的主/备双向25G IP接口，支持SMPTE ST 2110通用IP传输标准和PTP锁相，同时满足两路4K/HD返送信号的输入输出和IP Tally、IP通话等功能。
2.切换台
4K综合移动外场系统配备一台Sony 3M/E XVS-8000切换台，最大支持SMPTE ST 2110 IP 40路4K 输入和16路4K输出。切换台主机可适配PTP、BB 同步信号，具备三级M/E的4K信号处理能力，系统应急切换采用国产化SDN应急面板完成。
图3 XVS-8000切换台主面板
3. IP流调度
在4K综合移动外场制作中采用的是IP Live系统，核心为LSM结合国产化的SDN控制器。LSM提供设备自动发现、路由调度及全系统监控等功能，并具备冗余备份能力；国产化SDN控制器可完成IP流统一调度及可视化监测。具体是首先将控制层LSM作为SDN控制核心，通过NMOS IS-04/05协议实现设备注册与发现，管理IP流路由策略等功能。国产化SDN则通过与LSM接口交互，将交叉点转换为LSM可执行的命令进行下发，交换机得到指令后执行组播订阅、动态构建转发等工作，从而实现IP信号流微秒级的切换调度工作。
4. SNP网络处理器
4K综合移动外场系统配备了7台SNP网络处理器，支持无压缩高清和超高清的视频信号处理和转换。基于SMPTE ST 2022-6和SMPTE ST 2110标准，SNP网络处理器对SDI或者IP流的高清和超高清信号进行视频信号转换、音频管理、信号分发等功能。特别是当前端或终端输入输出为基带信号时，通过SNP信号转换功能可以满足信号IP化处理。另外，通过进入到SNP的SDI嵌入音频或者SMPTE ST 2110-30音频流，可以对输入的音频信号进行延时数值的调整，从而达到声画同步的目的。
5.画分及监看配置
4K综合移动外场监看系统配备18块画分IP 处理板卡，支持基带和IP流SMPTE ST 2022-6、SMPTE ST 2110接口、SMPTE ST 2022-7无缝保护切换等功能，最大支持64路4K视频信号输入，每块画分板卡支持一路4K或两路高清源画面，且满足多轨音频音柱显示。画分系统通过100G宽带 IP接口与交换机连接，接收系统内的IP视频、音频和辅助数据流信号，经画分板卡处理后，通过NEWT网关转换成HDMI信号进入55英寸4K大屏监看，或转换成SDI信号进入17英寸监视器进行RCP监看。导监墙采用55英寸4K液晶监视器用于监看摄像机信号和通过画分对外来信号、主/预监信号和音频信号进行画面呈现。另外还配备一台30英寸4K技术监视器配合示波器对视/音频信号进行技术监看。
6.精彩编辑
4K综合移动外场系统配备了一台精彩编辑服务器，具有多机位录制、慢动作和超级慢动作回放、非线性编辑、片段存储、节目播出、节目巡回播出、视频延时等功能。可将现场镜头、后期和存档内容转化为超慢速回放，且播放始终保持最佳效果。
7.在线包装
4K综合移动外场系统配备了三台国产化4K包装机参与字幕和角标制作，分别可以对场景模板窗口、播出表窗口、数据编辑窗口、快捷播出窗口、播出监视器窗口和预览监视器窗口等多窗口操作。此外还支持多个播放列表，播出列表中的每个条目与场景模板中的状态相对应，可对模板字幕包装内容进行修改和替换。
8.动力电源
4K综合移动外场系统配备两个配电箱，采用主/备两路电源供电，可以支持双路UPS供电或主路UPS 及备路市电供电。系统核心设备均支持主/备双路供电，其他主要设备供电双向分配在主/备电源上，如导控室RCP、NEWT网关、大屏、切换台、应急面板、时钟等同时连接备路用电。若主路供电故障，立柜机房系统核心设备使用备路单向供电，不会导致大屏监看、切换台输出、画分等功能受到影响，保障了直播信号不中断。
三 4K综合移动外场系统应急处理
4K综合移动外场系统应急处置的核心要素是优先保证视频播出画面和音频声音信号的正常采集、传输和播出。一般遵循先保证播出信号正常，再定位故障原因，随后快速处置恢复和最终问题复盘的原则。涉及覆盖了主通道设备、信号处理单元、信号源、音频系统、控制系统等全链路故障的应急处理。
1.主通道设备故障应急
在直播过程中，系统输出的主/备两路PGM播出信号送至主控，当主路LSM设备出现故障时，通过使用SDN应急面板以净切换方式完成系统的应急切换，并将主/备信号同时切换成备路信号进行播出。同时，系统配置了两台编/解码服务器互为主/备与主控进行交互，当编/解码设备故障导致主PGM信号异常时，选择备路信号播出，并通过插拔替换编码模块或启用备用编/解码服务器恢复。
2.信号处理单元故障应急
在直播过程中，当切换面板出现死机的状况，但信号未中断情况下，则通过使用SDN（软件定义网络）应急面板以净切换方式完成系统的应急切换，并将主/备信号同时切换成备路信号进行播出，并尝试重启主切换面板的方式恢复。系统采用主/备同步机配置，当主同步机故障时，同步信号通过同步倒换器自动切换至备同步机，随后重启故障设备恢复。
3.信号源故障应急
在直播过程中，当前端摄像机出现故障时，播出信号则避免切到故障机位画面，并通过重启故障机器重新插接光缆或备用光缆替代等方式进行处理。当外来信号中的画面、声音、幅度、相位、色彩、声画同步关系等出现异常时，播出信号应避免切换至故障信号源。若因系统内编/解码设备故障导致信号异常，可通过插拔替换编码模块或启用备用编解码服务器恢复。
4.音频故障应急
在直播过程中，当出现音频系统与视频系统连接故障时，采取冷备的处理方式插拔光模块或使用备用光纤替代。若内部通话系统故障，则对设备重新加电复位，恢复其功能。
5.控制系统故障应急
4K综合移动外场系统以二叉树的方式交叉配置了SNP网关，并且在交叉配置中避免存在相互关联性。当其中一台SNP网关故障时，不会影响信号控制。在直播过程中，当Tally系统出现异常时，则将Tally 倒换器手动切换至应急状态，随后Tally系统将跟随应急矩阵进行Tally显示。当画分设备出现故障时，采用将大屏输入信号切换成以基带方式监看切换台输出的画分信号源，并采取冷备方式插拔画分板卡恢复或采用备用板卡进行替代。
图4 4K综合移动外场导控室
四 结语
本文所介绍的4K综合移动外场系统是一套具备高度集成化的超高清视音频IP系统，它主要包括超高清视频拍摄、信号采集和收录、信号传输制作及监看保障功能，主要应对大型体育赛事转播、重大活动转播和新闻时政类的直播任务。在广电行业向更深层次数字化、智能化、网络化转型过程中，IP化系统正逐步取代传统基带系统架构，满足更加多元化的制播需求、实现更灵活的信号调度、更安全稳定的运行和更经济的运营成本。
随着广电技术的高速发展，超高清、IP化、国产化已经成为当下的主流媒体技术趋势。4K综合移动外场系统正是基于这些优势，近年来在奥运会、亚运会及重大活动保障中，圆满完成了各项EFP转播任务。
