07.02.2020 | Ausgabe 1-2/2020

Ist Ihr AV-over-IP Netzwerk wirklich interoperabel?

Wachsender Bedarf an AV over IP

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Im AV-Bereich besteht eine anhaltende Nachfrage nach besserer Qualität und Konnektivität. Mit den verbesserten Technologien für Kameras und Displays nähern sich die von ihnen erfassten und präsentierten Bilder immer mehr dem Eindruck des „realen Lebens“. Das Segment Pro AV ist einer der Vorreiter für diese Nachfrage, denn dessen aktuelle Anwendungsfälle diktieren die Interaktion mit Displays aus kurzer Distanz, wie Bildschirme zur Management-Kollaboration in Konferenzräumen oder bei der Präsentation von Videobildern auf großformatigen Displays für Digital Signage und LED-Wände. Bei wachsenden Video-Bildauflösungen (HD auf 4K und 8K) und Frameraten (60 auf 120 Frames/s) muss auch die Konnektivität zwischen Videoquellen und Displays Schritt halten und breitbandiger werden. So verwendet ein unkomprimiertes 4Kp60 Video über HDMI 2.0 eine aggregierte Bitrate von bis zu 18 Gb/s, was die Kabel-Reichweiten stark begrenzt.

There is an ever-present demand for better quality and connectivity in AV. As camera and display technologies improve, the images they capture and present get ever closer to “real-life” viewing. Pro AV is spearheading much of this demand, as use cases dictate interaction with displays from short distances, such as collaboration screens in meeting rooms, or the magnification of video images provided by large format displays in digital signage and LED walls. As video frame sizes and frame rates increase from HD to 4K and 8K and from 60 fps to 120 fps, connectivity bandwidth between video sources and displays needs to keep up. For example, uncompressed 4Kp60 video over HDMI 2.0 uses an aggregate bitrate of up to 18 Gbps, severely limiting cable distances.

Beispiele für AV-over-IP Technologien für Pro AV Anwendungen
Tabelle 1: Beispiele für AV-over-IP Technologien für Pro AV Anwendungen

In der Vergangenheit erforderte die Unterstützung höherer Auflösungen und Frameraten je nach dem verwendeten Protokoll den Einsatz von Kompression, mehrere parallele Video-Links oder sogar neue Standards und Kabel-Spezifikationen. Derzeit allerdings entwickelt sich AV-over-IP als die bevorzugte Art zur Unterstützung höherer Bandbreiten, zur Verlängerung von Punkt-zu-Punkt Verbindungen, zur Reduzierung der Infrastrukturkosten und zur flexibleren und agileren Nutzung des Netzwerk-Equipments.

AV-over-IP Technologien
Wie bei jeder neu entstehenden Technologie versuchen die Early Adopter unter den Anbietern oft die Standardisierung von Techniken, die im Kern proprietär sind. Das heißt, die Industrie ist mit Einengungen und Kompromissen konfrontiert. Das kann sehr erfolgreich sein, wenn die Technologie gut funktioniert, und wenn die Interoperabilität weniger wichtig ist. Doch professionelle AV-Systeme benötigen wirklich skalierbare Lösungen, die unabhängig von der gegebenen Auflösung und Übertragungsgeschwindigkeit im Netz arbeiten und nicht an die Produkte nur eines Anbieters gebunden sind. Als Beispiele vergleiche man die Angebote in der Tabelle 1. Daraus wird sofort klar, dass nur SMPTE ST 2110 wirklich skalierbar und vom Lieferanten unabhängig ist.

SMPTE ST 2110 Standard-Serie
Tabelle 2: SMPTE ST 2110 Standard-Serie

SMPTE ST 2110
Die SMPTE ST 2110 Standard-Suite wurde von den besten Industrie-Experten entwickelt. Sie stellt sicher, dass es ein über viele Jahre hinweg flexibles und skalierbares System ist. Als Ergebnis existieren viele Substandards als Teil von ST 2110, wie in der Tabelle 2 aufgeführt.
Diese Substandards lassen sich frei kombinieren, wenn eine gegebene Applikation oder Anwendungsfall erfüllt werden soll. Beispielsweise sind die TV-Broadcaster mit unkomprimiertem Video zufrieden, während viele Pro-AV User komprimierte Videosignale (ST 2110-22) bevorzugen, was den Einsatz kosteneffektiver Schnittstellen wie CAT5-Kabel mit 1 Gb/s ermöglicht. Außerdem können mehrere Links unter Nutzung von RP 2110-23 aggregiert werden.
Weitere wichtige Gesichtspunkte sind Timing und Latenz. Die Synchronisierung der Netzwerk-Knoten ist notwendig, um geringe Latenzen zu realisieren. ST 2110-10 spezifiziert, dass die Knoten entsprechend dem ST 2059 Standard synchronisiert werden müssen. Er besteht, wie Tabelle 3 zeigt, aus zwei Substandards.

Die SMPTE 2059 Standards
Tabelle 3: Die SMPTE 2059 Standards

Die in Tabelle 3 genannten Standards spezifizieren die Verwendung des PTP-Standards (IEEE 1588v2) und die Generierung von Abgleichimpulsen aus der PTP-Zeitlinie für das Alignment der Medien (z.B, Video-Frames). Die Synchronisierung über Ethernet ist grundlegend verschieden von der Synchronisierung via Genlock, obwohl das Endresultat ähnlich ist. Das liegt daran, dass Ethernet paketbasiert ist, wobei die Zeit, die ein Paket benötigt, um sein Ziel zu erreichen, nicht festgelegt ist. Das PTP-Protokoll löst dieses Problem. Für beste Timing-Ergebnisse sollte man PTP-fähige Switches (transparenter Takt, Boundary Clocks) bevorzugt einsetzen. Kleinere Systeme benötigen diese allerdings nicht unbedingt. Die PTP-Synchronisierung garantiert nicht nur eine perfekte Lippensynchronität, sie ermöglicht auch eine ultra-niedrige Latenz mit perfekt synchronisierten Video-Displays und -Wänden für Live Events, Digital Signage, etc.

Der JT-NM Test hat als Ziel der einfachen Verbindung und Konfigurierung mit minimaler User-Interaktion
Abbildung 1: JT-NM Test / Quelle: Xilinx

AV-over-IP – Steuerung und Management

Die NMOS-Spezifikationen (Networked Media Open Specifications) wurden von der Advanced Media Workflow Association (AMWA) zum Einsatz in IP-basierten Infrastrukturen entwickelt, um einen Steuer- und Management-Layer zusätzlich zum Transport-Layer zu schaffen, wie er von SMPTE ST2110 vorgegeben ist.
Die Zielsetzung besteht darin, eine Möglichkeit für die unkomplizierte Interoperabilität zwischen den Produkten einer Vielzahl von Herstellern zu schaffen, und damit den End-Usern und Service-Providern den Aufbau von Systemen mit den besten verfügbaren Komponenten mehrerer Hersteller zu ermöglichen. Darüber hinaus sind die NMOS-Spezifikationen von der EBU (European Broadcasters Union) im Rahmen ihrer Mindestanforderungen an IP-basierte Medien (“Minimum User Requirements to build and manage an IP-based Media Facility”) vorgeschrieben. Diverse NMOS-Spezifikationen sind von AMWA verfügbar. Die drei Schlüsselelemente sind IS-04, IS-05 und IS-08.

IS-04 – Erkennung und Registrierung

IS-04 ermöglicht die Erkennung und Registrierung von ST 2110-gemäßen Komponenten im Netzwerk und die Publikation ihrer Fähigkeiten. Der RDS (Registration and Discovery Server) wird automatisch per „MDNS or DNS-SD for true, Plug & Play” ermittelt - einer Funktion, die von der Pro-AV Community intensiv nachgefragt ist.

IS-05 – Verbindungs-Management

IS-05 ermöglicht das Konfigurieren und Schalten von ST 2110-basierten Systemen in einer standardisierten Weise durch jeden verfügbaren Broadcast Controller. Ein Beispiel für einen Broadcast Controller ist ein HDMI Router-ähnliches Schaltflächenfeld oder ein Touch-Control Panel mit einfachem HTTP-API. Mit NMOS sind die Tage der komplexen anbieterspezifischen Steuerprogrammierung endgültig vorbei.

IS-08, Audio Channel Mapping

Mit IS-08 kommt auch das Audio Channel Mapping zum Tragen, eine Schlüsselfunktion zum Re-Mapping von Audiokanälen am Transmitter oder Receiver. Das IS-08-API erlaubt das Routing mehrerer unterschiedlicher Audio Streams an jeden Receiver.

Zukünftige Entwicklungen

Ein wichtiges Ziel für die nächsten Stufen der Standardisierung ist die weitere Vereinfachung der Interoperabilität und der Nutzerfreundlichkeit. IS-09 ist derzeit in Entwicklung, um ein API auf der Systemebene zu definieren, das Medienknoten auf dem Netzwerk mit Zugriff auf die globalen System-Parameter ermöglicht. Damit können sie nach dem ersten Booten auch bei der erneuten Verbindung sofort arbeiten. JT-NM TR1001.1 hat als Ziel der einfachen Verbindung und Konfigurierung mit minimaler User-Interaktion. Weitere Entwicklungen in NMOS fokussieren auf die Sicherheit und umfassen auch die Verwendung von HTTPS (verschlüsselte Steuerung), sowie Zugangskontrollen, um sicherzustellen, dass das AV-System nicht von unautorisierten Nutzern gefährdet wird.

KVM over IP mit NMOS-Steuerung
Abbildung 2: KVM over IP mit NMOS-Steuerung / Quelle: PESA Switching Systems

Interoperabilität

ST 2110 wurde von G rund auf für nahtlose Interoperabilität über die Systeme mehrerer Lieferanten hinweg entwickelt. Das ist eine Schlüsselbedingung für eine schnellere Adoptionsrate. Die End-User wollen nicht an einen Anbieter gebunden sein. Sie begrüßen diese Interoperabilität.
Um das Testen der Interoperabilität zu erleichtern, haben die EBU (European Broadcasters Union) und das IRT (Institut für Rundfunktechnik) in Zusammenarbeit mit JT-NM (Joint Taskforce on Networked Media) ein Testprogramm mit dem Namen “JT-NM Tested” initiiert (Abbildung 1). Die weltweiten Anbieter von ST 2110-fähigen Produkten werden regelmäßig zu einem großen Plug-Fest eingeladen. JT-NM verwaltet den Kompatibilitätstest für die elektrische Übertragung der Pakete, sowie für das NMOS-Steuersystem. Detaillierte Reports werden auf JT-NM.org publiziert. Diese Reports bieten die Gewähr, dass die vom Anwender erworbenen Systeme wirklich interoperabel sind.

Fallstudie – KVM-over-IP für den Pro-AV-Markt

Obwohl die USB-over-IP Extension für Keyboard und Maus in der ST 2110 Suite nicht explizit definiert ist, entwickelt PESA Switching Systems zusammen mit Nextera Video ein KVM-System, das auf den Prinzipien von ST 2110 und NMOS Control aufbaut. Das daraus resultierende System ermöglicht es, Computer an mehreren Standorten an ein IP-Netzwerk anzuschließen und von Nutzern irgendwo auf diesem Netzwerk gesteuert zu werden (Abbildung 2).
Das System unterstützt Video bis zu 4Kp60 über gebräuchliche Kupfer-basierte 1G Ethernet-Links, um eine kosteneffektive Skalierung zu ermöglichen. Visuell verlustlose Kompression und ultra-niedrige Latenz vermitteln den Nutzern den Eindruck, direkt vor einem entfernten PC zu sitzen.

Adaptierbare Plattformen für AV-over-IP

Für neu entstehende Technologien wie AV-over-IP und ST 2110 ist es wichtig, dass sie an allfällige Änderungen adaptierbar sind. Während es spezifisch für IP-basierte Implementierungen entwickelte Bausteine gibt, bevorzugen viele Equipment-Designer programmmierbare Plattformen wie Stand-alone FPGAs oder, noch häufiger, SoCs, die FPGA Strukturen mit eingebetteten ARM-Prozessoren kombinieren. Das schafft eine ideale Verbindung zwischen den Software- und AV-Domains und dem Ethernet/IP Traffic, und zwar durch die Kombination der Schnittstellen zur Video-, Audio- und Software-Verarbeitung in nur einem Baustein. Die Programmierfähigkeit dieser Bausteine bedeutet, dass sie an neue und geänderte Videoformate und Codecs anpassbar sind. Das ermöglicht Skalierbarkeit und vollständige Flexibilität zur Unterstützung mehrkanaliger AV-Systeme und von Software-Stacks für die zuverlässige Netzwerk-Übertragung. Außerdem bieten die wichtigen FPGA-Anbieter, wie Nextera Video und Adeas, den System-Herstellern vollständige Lösungen für die schnelle Marktfähigkeit ihrer Produkte.

Schlussfolgerung

Obwohl ST 2110 ursprünglich für den TV-Broadcast-Sektor entwickelt wurde, ist er sehr gut für zahlreiche Pro AV Anwendungen geeignet, vom unkomprimierten 10/25G für High-End Märkte bis hin zu komprimiertem 1G für weniger anspruchsvolle Abnehmer. Seine Auflösung und Unabhängigkeit von der Netzwerk-Geschwindigkeit, sowie eine gemeinsame Standard (NMOS)-Steuerschnittstelle ermöglichen den Bau kosteneffektiver Controller. Und letztlich ermöglicht die ST 2110/NMOS Interoperabilität dem Endkunden den nahtlosen Einsatz von Lösungen mehrerer Hersteller.

Links
www.smpte.org

www.amwa.tv

www.jt-nm.org

www.ebu.ch

www.irt.de

www.pesa.com

www.nexteravideo.com

www.adeas.nl

www.xilinx.com


 

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