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SDI Over IP 相关标准及技术简介

  • 详细介绍

    1、电视中心基础架构IP化背景

    伴随业务的发展、新媒体的不断拓展、高清化网络制播的发展,广播电视中心从节目制作播出到节目传输中的以SDI基带视频接口和专用SDI数字视频矩阵为基础的技术架构,已难以满足未来技术和业务扩展的发展需求,实现基础架构IP化,将IP与SDI技术架构相互融合,势在必行。

    电视中心IP化主要分为三个阶段:

    第一个阶段:传输级IP化,即业务控制流和压缩编码音视频的IP化;

    第二个阶段:无压缩音视频IP化,即总控交换级的IP化,SDI矩阵将被替代;

    第三个阶段:全流程无压缩音视频IP化,即采集、制作、播出、存储、传输、分发全流程的无压缩音视频IP化,节目质量、制播流程将出现重大变化。

    目前第一个阶段已经在现有系统中得到广泛应用,第二个阶段的标准化工作也有长足进展,但还面临着链路带宽不足、系统交换能力瓶颈、可用设备少等问题,在第三个阶段则需要更强大的IT基础设施的支持。

    IP化框架技术标准两大阵营:

        IBC2014展会IP框架下两个技术标准呈现以SMPTEAVB为代表的两个阵营,并已经进入产品化阶段。

    SMPTE为代表的广电设备制造商包括SonyGrass ValleyEvertzImagineHarmonicSnellPanasonicROSSNECEVS等。

    AVB为代表的广电设备制造商包括AxonAvidBARCODolbyYAMAHASENNHEISERSHURERIEDEL等。

    各设备厂商IBC2014展会上都不同程度推出了他们的相关产品。AVB偏重于电视制作领域,而SMPTE在广电播出传输领域更具优势以下我们将介绍关于SMPTE ST2022标准及相应SDI over IP实现方法。

     

    2、IP化封装标准

    过去在IP层的解决方案中,并未对SDI信号封装做处理,仅仅把以太网络作为数据的传输通道来使用,在SMPTE ST2022标准系列中,对IP传输标准进行了相关定义。

    SMPTE ST 2022-1:2007:IP网络实时视频/音频前向纠错

    Forward Error Correction for Real-Time Video/Audio Transport Over IP Networks)

    定义行/列前向纠错包的IP视频流。行/列前向纠错包通过分组IP视频数据包到逻辑行和列,然后在每一行和每一列添加一个前向纠错包。如果在一行或一列中一个包丢失,数据包中的数据,可以使用前向纠错包的内容完全重新创建。这种方法允许冗长的数据包丢失。

     

    SMPTE ST 2022-2:2007:IP网络恒定码率MPEG TS流单向传输

    Unidirectional Transport of Constant Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks)

    定义恒定码率CBR的MPEG TS流视频压缩编码信号的IP封装格式。这个标准涵盖传输层(RTP和UDP)并注释实时缓冲区大小。

     

    SMPTE ST 2022-3:2010:IP网络可变码率MPEG TS流单向传输

    Unidirectional Transport of Variable Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks) 

    定义可变码率VBR的MPEG TS流视频压缩编码信号的IP封装格式,但受限于分段常数变量信息。

     

    SMPTE ST 2022-4:2011:IP网络非分段常数可变码率MPEG TS流单向传输

    Unidirectional Transport of Non-Piecewise Constant Variable Bit Rate MPEG-2 Streams on IP Networks)

    定义可变码率VBR的MPEG TS流视频压缩编码信号的IP封装格式,并不受限于分段常数变量信息。

     

    SMPTE ST 2022-5:2012:IP网络高码率媒体信号传输前向纠错

    Forward Error Correction for High Bit Rate Media Transport Over IP Networks) 

    定义了一种可以在发生网络传输错误时进行前向纠错恢复的方法。这些方法是经过专门选择,用于高码率视频信号(Gb/s或更高码率)。

     

    SMPTE ST 2022-6:2012:IP网络高码率媒体信号传输

    Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT)) 

    定义了一个统一的数据映射格式,依据实时传输协议、精确时钟同步协议、用户数据包协议、网络分组管理协议等协议构成的元数据,定义SDI信号的IP封装格式协议,支持多种HD-SDI和3G-SDI视频信号格式。采用这一标准,不同厂商的产品可以发送或接收通过IP网络分发的高码率视频信号。

     

    SMPTE ST 2022-7:2013:IP数据报信号无缝路由切换保护

    Seamless Protection Switching of SMPTE ST 2022 IP Datagrams(approval pending)

        定义两个流数据包,源到目的地接收者之间自动切换方法(尚待批准)

     

    3、SDI over IP技术实现及需要解决的问题

    以往我们在电视中心播出、制作中的的VIDEO over IP传输,仅仅把网络作为传输通道来使用,对视频没有进行IP化封装,也没有涉及到SDI信号IP化传输。SMPTE ST2022则定义了专业基带视频信号IP封装格式及传输标准。要实现SDI over IP技术需要对SDI信号进行数据化、网络化改造并建立完善的网络传输、数据纠错机制

    首先要将SDI信号数据化,形成媒体数据段,然后根据SMPTE ST2022-6SMPTE ST2022-5分别形成数据块文件基于SDI信号编码数据块FEC纠错编码数据块,再两类数据块封装成IP数据包,通过以太网传输。在接收端进行IP解包FEC解码数据校验及纠错、数据文件序列化等,最终完成SDI信号恢复输出。流程如下图

    3.1 SMPTE ST2022-6中的SDI信号的IP包分层模型

    数据包封装层从内到外依次为:以太网SDI信号载荷、HBRMT、RTP、UDP、IP、MAC。

    3.2 SMPTE ST2022 Row/Column FEC(前向纠错

    FEC前向纠错,也叫前向纠错码,其可增加数据通信的可信度。在单向通讯信道中,一旦错误,接收端将无法再请求传输。通过FEC就可利用数据进行冗长信息的传输,当传输中出现错误,允许接收端建数据。在SMPTE ST2022-5引入了对文件数据块的FEC编码机制,加强对SDI信号编码数据的恢复能力,从而降低了系统数据错误重传概率。

    如下图所示,当SDI信号数据化形成媒体数据段根据SMPTE ST2022-6标准形成数据块文件:P1P2P3、......,同时根据SMPTE ST2022-5标准形成相应编码数据块FEC纠错编码数据块FR1(Row FEC)、FC1(Colunb FEC),FR2(Row FEC)、FC2(Colunb FEC),FR3(Row FEC)、FC3(Colunb FEC)......。以P1数据块文件为例,如果其丢失或错误,接收端便可根据其FEC码FR1FC1进行数据恢复。此种方法,对于长数据包丢失仍然有效。

    3.3 传输带宽及网络

    常见SDI信号速率、速率与以太网承载关系


    网络发展

     综合以上表格,我们可以看出,新技术需要开发符合SDI数据IP化网络传输的交换设备和接口设备。对于标清信号IP化传输,目前网络状况基本可以实现,设备成本也已经不高,但技术和设备还有待发展和提高。对于高清和3G信号需要10G以太网络带宽,而10G以太网由于价格因素并没有大规模开始商用,不过价格已经降到可以和SDI传输设备相当的水平以太网发展来看,10G以太网商用普及已为期不远最终还要取决于用户的接口带宽、价格网络可靠综合因素,而对于100G以太网的应用还有待进一步的发展。

     

    4信号无缝切换

        SDI信号封装成IP包后,能方便的从RTP包头中获取帧头的位置,同时从HBRMT的包头获取SDI的格式,从而可以通过计数器从帧头找到切换位置并且同时做信号切换。因此可以针对现有的各种SDI格式做好查询表并存储在切换设备中,每行的SDI数据封装在多个IP包内,因此需要在每行设置切换点且切换点不应跨IP包操作,这种方法仅仅需要在包头做定义,交换设备无需对整个IP包做数据复制,从而简化系统软硬件设计,减少设备硬件动作。

     

    5、信号同步

        除了SMPTE2022标准外,关于IP视频传输网络另外一个重要内容是全部网元素的时间同步这对于所有的摄像机和视频源的同时混合直播十分重要SMPTE最新发布的SMPTE2059-1,-2标准负责对视频生产时使用的IEEE 1588 PTP(精密时间协议)标准进行匹配这些标准是实现全IP视频广播网络的关键。

    5.1 IEEE1588的应用

    IEEE 1588主要应用于相对本地化、网络化的系统,内部组件相对稳定,其优点是标准非常具有代表性,并且是开放式的。由于它的开放性,特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议SNTP或NTP相比,主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的,所以更为简单,占用的网络和计算资源也更少。

    NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议。GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。PTP定义的网络结构可以使自身达到很高的精度,与SNTP和NTP相反,时间戳更容易在硬件上实现,并且不局限于应用层,这使得PTP可以达到纳秒精度。此外,PTP模块化的设计也使它很容易适应各种高中低端设备。

    IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步,使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信,从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作,使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的不影响控制精度的范围。

    IEEE1588是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准,采用PTP(精密时钟同步)协议,其可精确至纳秒级别,并且解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差瓶颈问题,更加适合用于SDI over IP中解决信号同步问题

        本例提供一个应用,将一个SMPTE档用于(IEEE 1588-2008),提供可接受的锁定时间、抖动和精度,同时提供允许时间码发生器对如闰秒和从夏时制时间转到标准时间这样的时间中断进行调整的元数据。

    如下图所示:传统基带信号同步采用BB锁相方式对视频信号进行同步处理,对于IP网络高码率媒体信号则要考虑更适合IP网络传输的网络同步方式


    5.2 SMPTE2059简介

    2015年最新发布的SMPTE2059-1,-2标准IEEE1588协议为基础,并衍生到广电领域进行应用标准定义如下:

    SMPTE ST 2059-1:2015Generation and Alignment of Interface Signals to the SMPTE Epoch 

    定义了从档行为,为SMPTE定义的各种高标清模拟、数字接口信号生成和校准,允许它们产生任何SMPTE Epoch(1970-01-01T00:00:00TAI)同步的视频、音频或时间码(SMPTE ST 12-1)信号

    SMPTE ST 2059-2:2015SMPTE Profile for Use of IEEE-1588 Precision Time Protocol in Professional Broadcast Applications 

    定义了主档行为,为IEEE-1588时间和频率同步的精确时间协议应用于专业广环境中进行了SMPTE PTP定义

        两个文档以IEEE-1588为基础,下图进行了网络同步操作的示意。一个PTP消息是一个特殊的包含发送时间戳或接收时间戳的网络包,这些定义的PTP消息在PTP主时钟和从时钟之间周期性的进行交换,从时钟得到这些时间戳(t1,t2,t3,t4)之后通过计算后能够实现和主时钟的同步,同步时间精度在1us之内。由于AV信号的相位起始于一个特殊的时间(SMPTE Epoch),与从PTP进行比较可以产生一个确定相位的AV同步信号,由此可以实现IP网络传输中时钟和相位的同步。实际应用中可使用单独网线作为同步线和数据网线一起进行传输。

    6SDI over IP产品

        在这里向大家介绍几款SDI over IP产品。

    ARTEL DLC450:

    HD-SDI Video Over IP Gateway

    依据SMPTE ST2022-5IP网络高码率媒体信号传输前向纠错)和SMPTE ST2022-6 IP网络高码率媒体信号封装传输)标准;具有灵活的前向纠错用户配置方案和灵活的接受缓冲机制,能够承受超过3ms信号中断;支持单播流或多播流;外部SFP光收发接口及RJ45 以太网接口;可通过本地或SNMP协议进行设置及监控。

     

    EVERTZ 3080IPG-HD

    6/12 HD/SD-SDI IP 10GbE Gateway

    基于硬件,非压缩,支持HD / SD / 3G信号IP封装和从IP3G / HD / SD SDI解码。支持以太网接口和10G SFP光接口。640Gb / s组播通道交换结构,允许用户构建大规模分布式IP路由解决方案。

    另外还有HARRISSEL-4J2KE1-EOSSEL-4J2KD1-EOSMultichannel JPEG2000 Compression Over IP(多通道JPEG2000压缩IP封装)。

     

    国内SDI over IP网关设备:

        国内生产厂商格非公司的SDI over IP网关设备已研发成功,投入生产,产品可支持多路SDI信号封装成IP信号,支持信号光纤传输。产品符合SMPTE ST2022相关协议标准。

     

     

    结束语:

    SDI over IP技术及产品,对于电视台在高清化、超高清网络制播发展及与新媒体融合发展的局面中,必将起到至关重要的作用。另外,结合私有云技术,对异构分布式网络的效率提升、系统可靠性传输等方面也必将发挥其强大的作用。SDI over IP必将成为广电系统又一次重大技术性变革。







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