IP通话在IP化视频系统中的应用分析

在广播电视制作域全IP化、超高清制作技术越来越普及的时代背景下，越来越多的IP通话被应用在超高清系统中。

系统的数据传输方式由SDI（数字串行接口）向IP构架的转换，符合2110标准的视频、音频、辅助数据流在不同的设备间交互制作。

相比传统的、与SDI视频系统并行的通话网络，在IP视频系统内，IP通话不再是独立的系统，可直接发送AES67信号进入主核心数据交换机网络，并传输至通话面板、摄像机、腰包等各个结点，大大简化了整体系统。

中央广播电视总台所建立的两套IP化移动外场视频系统，分别为GV核心设备+思科交换机的主、备单机构架和SONY核心设备+华为交换机的主、备叶脊构架。

两者均使用了Telos Alliance的Infinity通话系统，可传输AES67音频信号，脱离了传统通话矩阵的方式。

两套系统因使用方式及系统的设置不同呈现出了不同的状态。

文中以这两套系统的网络及协议的构架为例，阐述目前IP化视频系统中主要应用的数据传输方式，以现有移动外场中涉及的ASM和SSM两种模式为基础，重点分析IP通话在不同环境下的应用方式。

1 PIM+IGMP协议构架
现有的IP化视频系统主要采用PIM+IGMP（Protocol Independent Multicast，协议无关组播；Internet Group Management Protocol， Internet组管理协议）拉流的方式。

这里的协议无关指的是与单播路由协议无关，即PIM不需要维护专门的单播路由信息。

作为组播路由解决方案，它直接利用单播路由表的路由信息，对组播报文执行RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）检查，检查通过后创建组播路由表项，从而转发组播报文。

实际网络中，PIM主要有PIM-DM和PIM-SM两种模式。

PIM-DM使用“推（Push）模式”转发组播报文，一般应用于组播组成员规模相对较小、相对密集的网络。

PIM-DM假设网络中的组成员分布非常稠密，每个网段都可能存在组成员。

当有活跃的组播源出现时，PIM-DM会将组播源发来的组播报文扩散到整个网络的PIM路由器上，再裁剪掉不存在组播报文转发的分支。

PIM SM 是另一种组播路由协议，即PIM Sparse-Mode，是稀疏模式的PIM协议。

该协议主要用于组播接收者分布分散、拓扑复杂的网络中。

PIM SM采用“拉”（PULL）的方式，
IP通话在IP化视频系统中的应用分析
孙 培
（中央广播电视总台，北京 100859）
【摘 要】 阐述目前IP化视频系统中主要应用的数据传输方式，以现有移动外场中涉及的ASM和SSM两种模式为基 础，重点分析IP通话在不同环境下的应用方式。

【关键词】 4K；IP化视频系统； IP通话；叶脊结构；ASM；SSM
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2020.07.010
Application Analysis of IP Telephony in IP-based Video System
SUN Pei
(China Media Group, Beijing 100859,China)
【Abstract】This paper describes the main data transmission methods in the current IP video system. Based on the ASM and SSM modes involved in the existing mobile outfield, the application modes of IP call in different environments are
analyzed.
【Key Words】4K; IP video system; IP call; leaf ridge structure; Any-Source Multicast; Source-Specific Multicast
按照接收者的需要，在组播数据接收者和发送者之间建立起组播转发树，从这点来看，与PIM DM存在本质的不同。

在目前的IP化演播室系统内，所有组播数据都是根据需要进行拉流传输的，即通常使用PIM SM稀疏模式。

IGMP互联网组管理协议是TCP/IP协议族中负责IP 组播成员管理的协议，用来在IP主机和与其直接相邻的组播交换机或路由器之间建立、维护组播组成员关系。

在IP化视频系统内，主要表现为终端接收结点（如摄像机、示波器等设备）与交换机之间建立、维护组播流。

到目前为止，IGMP 有3个版本：IGMPv1、IGMPv2和IGMPv3。

IGMPv1和IGMPv2仅支持ASM（Any-Source Multicast，任意信源组播）模式，即支持任意源组播。

IGMPv3相比IGMPv1和IGMPv2增加了针对组播源的过滤模式，使主机在加入某组播组G的同时，能够明确要求接收或拒绝来自某特定组播源S的组播信息，即IGMPv3可以直接应用于SSM(Source-Specific Multicast，指定信源组播)模式。

以视频制作系统为例，如果一台终端设备为ASM模式，可以申请加入任意IP地址发出的符合组播地址要求的组播流。

如果一台终端设备为SSM模式，其仅可申请加入指定IP地址发出的符合组播地址要求的组播流。

现有的IP化视频系统内，虽然大部分终端节点设备均可发出IGMPv3的组播请求，并准许IGMPv3的协议，但仍有部分设备仅能支持IGMPv2的协议。

因此，在系统交换机内一般启动IGMPv3的协议，其可自动适配IGMPv2。

另一方面，IGMPv3既可支持ASM模式，也可支持SSM模式。

目前，IP化视频系统内，音频和通话的IP终端设备大多为ASM模式，其他视频IP设备大多为SSM模式。

在以GV+思科为核心设备的IP化视频系统内，交换机除了配置PIM+IGMP协议构架外，还设置了“ip pim ssm range none”的语句，使通话等ASM设备整体运行在ASM模式下。

而在以SONY+华为为核心设备的IP化视频系统内，系统整体运行在SSM模式下，该系统内接入的ASM终端设备所发出的组播流均在交换机配置mapping命令，使其可以完善组播流对应的IP地址。

2 IP化视频系统通话设备连接方式
中央广播电视总台所建立的IP化移动外场视频系统主要有GV+思科交换机为核心设备和SONY+华为交换机为核心设备两大类，根据系统需求配置不同的网络构架和协议构架。

2.1 GV+思科交换机为核心设备的IP化视频系统
GV+思科交换机为核心设备的IP化视频系统（简称主备单机构架系统）以COTS通用交换机（思科9336）为数据交换核心，形成整张网络构架，系统内所有组播信号均进入主、备核心交换机，形成信号池的模式，再根据使用需求进行调度分发到各制作及输出结点，实现信号的转发和调度，如图1所示。

系统内所配置的摄像机、切换台、画面分割器、包装等结点设备均以4×3G 4K IP 方式直接接入主、备核心交换机。

该系统通话配置5块面板，2个有线腰包和2个转换器直接接入控制交换机进行联通。

由于系统内摄像机的通话也为AES67方式，因此，控制交换机需要与核心数据交换机联通，以便通话数据传输。

为保障系统安全，将通话系统与其他连接在控制交换机上的设备端口进行了VLAN的区分。

2.2 SONY+华为交换机为核心设备的IP化视频系统
SONY+华为交换机为核心设备的IP化视频系统（简称主备叶脊构架系统）因为信号源较多，使用了叶脊结构的交换机构架，如图2所示。

内部配置主叶脊结构和备叶脊结构共6台交换机，为一脊配两叶。

其中，2台脊交换机为华为8850，4台叶交换机为华为6865。

系统中的所有信号均为4K IP单流的模式，其中，索尼的摄像机、NEWT转换盒、IMAGINE SNP、R&S VENISE、EVS等设备均接入主、备叶交换机内，索尼切换台及画面分割器接入主、备脊交换机，以上设备均支持2022-7模式。

与主备单机构架系统有所区别的是，主备叶脊构架图1 GV+思科交换机为核心设备的IP化视频系统通话构架图
系统内配置了2台单独的通话交换机和控制交换机，通话交换机分别与主、备叶交换机相连。

由于通话交换机（华为5720）不支持PTP，因此，将该交换机的与主、备叶交换机的连接端口设置为access模式。

该系统内配置7台通话面板、有线腰包及无线设备及4个转换器。

3 IP通话的使用及设置方式
视频制作系统使用的通话设备主要分为两部分：第一，通话系统内部的语音互通，即面板间、面板与腰包的互通；第二，通话系统与摄像岗位的互通，即各通话面板工位与摄像师之间的沟通。

在以上两套外场系统中，由于使用了同样品牌的通话设备，通话内部互通设置方法基本相同。

但由于两套系统内使用的摄像机不同（GV LDX86N和SONY HDC5500）以及IP构架不同（ASM模式和SSM模式），因此在通话系统与摄像机语音互通设置方面有所区别。

3.1 通话系统内部的语音互通
通话系统设置与IP系统内其他设备的IP化设置情况类似，将控制计算机连接到控制交换机的同网段端口，通过访问网页和设备的初始地址即可登录通话面板、NODE转换盒的设置界面。

为所有设备配置完IP端口地址和PTP信息后，即完成了该设备与系统的物理连接部分的设置。

对于通话来说，每个应用系统需要根据实际使用方式的不同进行设置。

Telos的通话系统需要对控制计算机进行授权才可对通话系统的设置网页进行登录访问。

登录设置网页（Telos一般固定为127.0.0.1）后，系统可自动读出接入的通话面板硬件ID号，可根据使用需求对该面板进行命名，如技术岗位面板“TECH”等。

在设置界面可以看到不同面板的连接状态，没有“叹号”表示该面板成功与系统连通。

点击界面中“TECH”字段，将每个按键所需要的功能拉入左下方面板相应位置即可。

如图3所示，TECH面板分别设置了与立柜机房面板、导演台面板及音频控制室的面板的连接，同时还接入了有线通话（DIR-1/2）等通话系统内部设备。

此外，两套IP视频系统中均配置了将模拟及数字音频信号转换成IP信号的NODE转换器。

节目中主持人使用无线或有线腰包时，通常需监听PGM播出信号。

因此，通话系统内需接入音频PGM以实现与通话语音混音的IFB效果。

目前，音频信号与视频制作系统的对接可直接接入AES67音频信号，也可接入数字音频信号，由NODE转换盒进行IP转换。

同时，模拟转换盒可实现无线通话设备及外接扩展摄像机的接入功能，在视频制作系统与外系统通话连接时，也可进行信号的转换接入。

3.2 通话面板与摄像师岗位的互通
在主备单机构架系统内，GV LDX86N摄像机遵循IGMPv3协议，但其发出的组播申请为ASM模式。

通过交换机命令语句可清楚地看到，CAM1发出的音频组播流为“join group 232.192.126.26 for any source.”如图4所示，其中，10.1.1.2为CAM1的IP地址，232.192.126.26为
通话面板发送给CAM1的通话组播地址。

通过“show ip mroute”命令也可以看到，在系统内CAM1发出的通话流为（*，G）表项，如图5所示，该表项如接口incoming 为环回地址，出接口outgoing为主核心交换机的第28接口，即与控制交换机相连的接口。

表项标记为igmp，表示根据igmp report形成的mroute表项。

同时产生（S，G）表项，该表项如接口incoming为10.1.1.2，即CAM1的IP地址，出表项与（*，G）表项相同。

该表项标记为mrib，表示是复制自（*，G）表项。

图3 “TECH”面板设置界面
图2 SONY+华为交换机为核心设备的IP化视频系统通话构架图
由于系统本身是ASM模式，交换机完全可以接收或发出仅有组播地址的通话流。

以设置通话面板为例，设置初期即可在访问界面右上角“INPUT/OUTPUT”区域即可自动发现通话系统内接入的组播信号以及通话系统发出的组播信号，点击EDIT进行编辑，可根据组播地址确认该组播的内容，并对其进行名称标注。

如组播流未能顺利显示也可点击ADD添加组播地址。

通话面板中，每个CAM按键均需要赋予通话面板发给及接收摄像机通话信息的双向操作，因此在设置面板前，需要对CAM按键进行定义。

如图6所示，在Device界面添加一个虚拟设备，将CAM1的Input通话流及Output通话流分别拖拽到右下方区域即可。

完成该项工作后，在Device界面选择TECH技术面板，将配置好的CAM1虚拟设备拖拽到右下方面板区域，即完成了面板与CAM1之间的通信。

在主备叶脊构架系统内，HDC5500摄像机的通话设置页面内可以设置IP地址，即该设备的IGMP请求会要求指定IP地址发出的某个组播流。

通过交换机可以看到发出的组播流为（S1，G1）表项。

当通话面板需要进行CAM1组播地址的接收时，发出基于G1组播流的申请，申请进行拉流操作。

由于系统内部设置为SSM模式，而通话系统设备为ASM模式，通话面板需要在交换机内部配置mapping命令，使其发出的基于G1组播流的申请完善为基于S1的IP地址的G1组播流申请，从而使得交换机形成（S1，G1）组播表项的出接口，完成IGMP协议。

当CAM需要接受通话面板发出的语音时，由于系统内配置了多个通话面板，每个通话面板在按下CAM1键的时候都会希望与该机位的摄像师进行沟通，而摄像机往往仅可接收一个通话组播流。

因此，不论ASM还是SSM，系统内所有的通话面板均将发送给CAM1的通话信号设置成一个组播地址。

但在SSM的系统内，每个通话面板发出的组播流如果均通过mapping配置一个IP地址的话，显然摄像机也仅能接收一个组播通话流。

因此，在主备叶脊构架系统内，如果SSM系统配置的是ASM的通话设备，那么，进行转换将是必然环节。

例如，使用通话系统中NODE模拟转换盒，将所有面板发出的组播通话流引入到转换盒内，由转换盒统一输出信号，如图7所示。

在交换机内部，再次使用mapping命令，使其在组播地址相同的情况下，加入转换盒的固定IP地址。

产生
所有通话面板均可发出同样（S1，G1）组播流的情况，在HDC5500摄像机端，设置其自动接收该组播流即可完成连通。

由图6可以看出，由于所有通话面板呼叫指定摄像机的组播流为相同组播，因此，该NODE转换盒引入了所有通话面板对CAM1、CAM3、CAM5、CAM7、CAM9的组播流，并从出口一一输出（其他摄像机由系统内的另外一台NODE进行转换）。

图4 主备单机构架系统内CAM1发出的组播流申请
图5 主备单机构架系统内CAM1发出的通话组播流表项图6 CAM按键设置界面
图7 主备叶脊构架系统中NODE转换盒的交叉点配置（下转第58页）
（编辑 杜 青）
3 结语
拍音是一个基本的声学现象，在音乐实践中的运用非常广泛。

在钢琴调律中，拍音被广泛应用于确定平均律音高关系；由于有拍音，钟声变得时远时近，庄严浑厚。

理解拍音的声学原理与产生机制，合理利用或消除拍音都不是容易的事，需要在今后的学习与实践中不断探索解决。

参考文献：
[1] David M.Howard等著. 陈小平译. 音乐声学与心理声学(第三版)［M］. 北京:人民邮电出版社,2010．
[2] 高凯军. 关于永乐大钟若干问题的探讨[J]. 中国国家博物馆馆刊,2004(2):64-71.
[3] 陈通,郑大瑞. 永乐大钟的声学特性[J]. 声学学报,1987(3):161-166.[4] 蔡秀兰,郑敏华,陈通. 古钟形状和特性[J]. 声学学报,1987(2):92-103.[5] 杨阳,丁宏. 北京钟楼声效应初探——以永乐青铜古钟为中心[J]. 自然科学史研究,2018,37(02):156-174.
（编辑 王 芳）
4 结束语
由于目前通话系统和音频系统内的组播流面临着一个终端接收多个源发出的组播请求的情况（例如，摄像机1会同时接收来自不同通话面板的组播流），往往通话和音频的IP设备厂家更愿意以ASM的模式发送组播数据。

根据上文分析可以看出，ASM构架的系统在接收ASM组播流方面配置更为便利。

目前来看，IP化视频系统PIM+IGMP的模式已经基本固定，而ASM和SSM两种构架各有优劣，哪种会成为未来的主要应用方向，将随着IP化系统使用次数的增多而逐渐趋于明朗。

参考文献：
[1] (美)W.Richard Stevens. TCP/IP详解 卷1:协议(中文版)[M]. 范建华译. 北京:机械工业出版社,2000.
[2] 谭阳. 广播电视IP系统交换机及控制系统的发展与应用[J ]. 现代电视技术,2020(5):44-47.
（上接第47页）。