11.10.2019 | Ausgabe 10/2019

AV-over-IP Netzwerke im Broadcast: Potential von FPGAs und SoCs

Unterstützung von AV-over-IP mit Brückenfunktion in einem programmierbaren SoC. / Quelle: Xilinx

Mit AVoIP bietet sich ein praktikables Verfahren für eine Revolution in der Verteilung audiovisueller Daten und Inhalte – durch die konsequente Nutzung der Performance und Flexibilität der neuesten FPGAs und programmierbaren SoC-Plattformen.

Neue Möglichkeiten durch AVoIP
Als gut geeignete Technologie für Audio/Video-Netze kann AV-over-IP (kurz: AVoIP) den Workflow in professionellen Medien und Broadcast-Applikationen stark verbessern und zugleich deren Begrenzungen bei Kabellängen und Datenraten, sowie die Konnektivitätsprobleme beseitigen, die oft bei den traditionellen Punkt-zu-Punkt Verfahren der Video-Übertragung wie SDI, HDBase-T, DisplayPort oder HDMI auftreten. 

Durch Packetizing (Paketieren) der AV-Signale und Hinzufügen von Header-Information, wie Zieladresse und Sequenz, zu jedem einzelnen Datenpaket lassen sich AV-Inhalte wie beim regulären IP-Datenverkehr übertragen und verteilen. Das erlaubt den flexiblen Einsatz bestehender Netzwerk-Infrastrukturen und ermöglicht deren einfache Skalierbarkeit. Damit werden die IP-Netzwerke „agnostisch“ in Bezug auf die eingesetzten Video- und Audioformate - was bedeutet, dass die Skalierung von 4K auf 8K im Wesentlichen durch das Senden von mehr Datenpaketen erreicht wird, und weniger durch grundlegende Änderungen in der Signalisierung und Verkabelung, etwa beim Übergang von HDMI 2.0 (TMDS) auf HDMI 2.1 (FRL). Dieses Vorgehen ermöglicht außerdem ein IT-gemäßes Datenmanagement mit zentraler Fernüberwachung, Fehlersuche und Steuerung. Je nach der vorliegenden Applikation kann das Netzwerk auf einer beliebigen IP-Infrastruktur basieren, etwa einem privaten LAN, dedizierter Ethernet-Verkabelung, WAN oder auch 5G. 

Professionelle Medienapplikationen umfassen typischerweise den Transport von AV-Inhalten in privaten Netzwerken, etwa in Studios oder Produktionseinrichtungen, oder innerhalb von Gebäuden in Firmenbüros und Fertigungsstätten, oder an Präsentationsorten wie Sports Bars und Einkaufszentren. Diese Art der Content-Vermarktung operiert meist sehr kostenbewusst. Hier kann AVoIP durch Aggregation wesentliche Einsparungen erzielen, indem dasselbe Kabel mehrere Live-Ströme von Medieninhalten parallel zu anderen Datentypen überträgt – wenn wichtige Kriterien wie Latenz, Timing, Sicherheit und Service-Qualität (Quality of Service, QoS) angemessen berücksichtigt werden. Andererseits kann hier natürlich ein gewisser Investitionsaufwand für neue Infrastrukturen wie IP Switches erforderlich sein, um diese Strukturen richtig zu managen. Speziell gilt das für die Timing-Synchroniserung. Im klassischen Broadcast-Sektor ermöglicht AVoIP verteilte und virtualisierte Architekturen, in denen sich Software- Apps und IP-adressierbare Hardwarekomponenten überall auf dem Netzwerk oder auch in der Cloud platzieren lassen. Damit bewegt sich die Industrie vom traditionell inflexiblen und rigiden Capex-Modell in Richtung einer mehr agilen und offenen Vorgehensweise, was hochwertige und professionelle Tools für Services auf Pay-per-Use Basis zu Verfügung stellt, und zwar nur dann, wenn diese aktuell notwendig sind.

Barrieren der AVoIP-Adoption
Neben der dabei gewonnenen neuen Flexibilität und Skalierbarkeit bringt AVoIP natürlich auch zusätzliche Komplexität. Mit den zusätzlich involvierten Software-Ebenen setzt die Einrichtung und Verwaltung eine gewisse Kenntnis von IT-Systemen voraus, sowie einen Grad an Erfahrung, der bei traditionellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Plug-and- Play Prinzip nicht so dringlich war.

Außerdem müssen auch die AVoIP-Standards noch weiter ausreifen. So kam die Entwicklung im Broadcast-Sektor mehr oder weniger zu einem Stillstand, während der Markt abwartete, welche Standards sich letztlich durchsetzen würden. Die Broadcast-Industrie tendiert derzeit zur Konvergenz in Richtung SMPTE ST 2110 als offenes und interoperables Transport- und Timing-Protokoll.

Trotzdem bietet AVoIP immer noch keine leicht realisierbare Plug-and-Go Lösung, mit der man schnell ein paar Kabel verbindet und aktuelle AV-Inhalte sendet, wo sie gerade gebraucht werden. Ein Beispiel ist ein Reporterteam bei einer Außen-Reportage, das live über eine laufende News-Entwicklung berichten soll. Hier ist ein konventionelles Punkt-zu-Punkt Protokoll mit Verbindungsaufbau per SDI immer noch die schnellste, einfachste und verlässlichste Lösung. Diese Situation wird sich natürlich mit wachsenden Erfahrungen der Anwender und häufigeren Einsatzfällen stark verbessern.

Die Welt der professionellen Medien war nicht so abhängig von der Standardisierung. Netzwerk-Planer denken in Begriffen von geschlossenen Systemen. Deshalb haben dort unterschiedliche Standards und proprietäre Formate ohne großen Druck seitens der Märkte nebeneinander existiert, um Interoperabilität zu gewährleisten. Allerdings können die Anwender ohne einen einheitlichen, zumindest dominanten Standard, der auch Aspekte wie eine QoS-Metrik und Bandbreiten-Management spezifiziert, keine professionellen Video-Services auf einem Ethernet IP-Netzwerk bereit stellen, einen beliebigen Receiver anschließen und erwarten, dass dieses Equipment den vorliegenden AVoIP-Verkehr erkennt und dessen Inhalte korrekt vermittelt.

Silizium-Integration
Die Infrastruktur-Produkte, die zur Realisierung von AVoIP-Netzwerken für AV- oder Broadcast-Applikationen benötigt werden, hängen stark vom Stand der Integration der Siliziumchips ab, um die industriell gängigen AV-Formate in die Ethernet/IP-Domain zu konvertieren. Ein Großteil der gegenwärtigen AVoIP-Entwicklung im Bereich der professionellen Medien basiert auf Datenformaten wie AVB/TSN, SDVoE und Dante AV. Dazu sind derzeit keine geeigneten Interface-Bausteine lagermäßig lieferbar, die alle unterschiedlichen proprietären Protokolle beherrschen und mit den existierenden Standards wie SDI, HDMI und DisplayPort verbinden können.

Es besteht wenig Aussicht, dass sich dies kurzfristig ändert. Denn die Situation entwickelt sich kontinuierlich weiter, und zwar mit schnelleren Schritten als ein typischer Silizium-Designzyklus verläuft. Ein einziger, dominanter und offener Standard müsste sich erst noch herausbilden. Die Anpassung der Siliziumchips an diverse Standards im Sinne der Interoperabilität erfordert grundlegende Änderungen der Video-Pipeline, einschließlich der erneuten Paketierung (re-packetisation). Dies lässt sich in einem ASSP (application-specific standard product) nicht kosten- effektiv implementieren. Auch verlangen die Märkte eine Reihe unterschiedlicher Kompressionsalgorithmen und Skalierungsfaktoren, sowie Flexibilität bei der zu unterstützenden Kanalzahl. Das sind zusätzliche Barrieren für den Einsatz von AVoIP-ASSPs in professionellen Medien-Applikationen. Im Broadcast-Markt ist trotz der breiten Adoption von ST 2110 als De-facto-Standardprotokoll die relativ geringe Nachfrage eine Herausforderung für den sinnvollen Einsatz von ASSPs. In der AV-Industrie haben sich FPGAs (field programmable gate array) und programmmierbare SoC- (system-on-chip) Plattformen zu Schlüsselkomponenten zur Anpassung an neue Anforderungen entwickelt.

Die grundlegende IP (intellectual property) zur Konvertierung von Baseband Video in Packetized Video ist generell breit akzeptiert. Wie aus Bild 1 hervorgeht, kann ein FPGA oder ein programmierbares SoC durch die Nutzung von etablierten Ethernet MAC-Kernen und High-Speed Transceivern mit Unterstützung nicht komprimierter UHD-Video-Datenraten ohne weiteres als Host für einen mehrkanaligen AVoIP Physical Layer mit Echtzeit AV-Prozessor-Pipelines und Codecs fungieren. Und durch die Integration von ARM Prozessoren in demselben Baustein lässt sich auch die notwendige Hardware- und Software-Flexibilität realisieren, um Aspekte wie unterschiedliche Videoformate, Netzwerk- Management und Kabeltreiber, falls notwendig, zu berücksichtigen. 

Schlussfolgerung
Fazit: AVoIP verspricht grundlegende Änderungen bei der Verarbeitung von AV-Content und der Unterstützung diverser Service-Typen – in der gleichen Weise, wie der Übergang auf den IP-basierten Transport den Einsatz der IP in der Telecom- und Netzwerkindustrie revolutioniert hat.

Rivalisierende Protokolle im professionellen Medienmarkt und die geringe Nachfrage im Broadcast-Sektor könnten die AVoIP-Adoption allerdings verlangsamen, indem sie das Entstehen von bezahlbaren Standard-Interface- ICs verhindern. Die Ausnutzung der Flexibilität von FPGAs und programmierbaren SoC-Plattformen zum Hosting der oberen Protokoll-Layer in rekonfigurierbarer Hardware schafft hier einen, auch kommerziell gangbaren Weg zur Realisierung von AVoIP in der Mediendistribution und in Broadcast-Applikationen. 


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