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SDI Over IP相关标准及技术简介
格非科技   崔斌斌  崔荣艳
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，将势在必行。
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：
    在IBC2014展会上，IP框架下两个技术标准呈现以SMPTE与AVB为代表的两个阵营，并已经进入产品化阶段。
以SMPTE为代表的广电设备制造商包括Sony、Grass Valley、Evertz、Imagine、Harmonic、Snell、Panasonic、ROSS、NEC、EVS等。
以AVB为代表的广电设备制造商包括Axon、Avid、BARCO、Dolby、YAMAHA、SENNHEISER、SHURE、RIEDEL等。

各设备厂商在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则更具优势，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化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,从源到目的地接收者之间自动切换的方法（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，并建立起完善的网络传输、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 ST2022-6和SMPTE ST2022-5分别形成数据块文件和基于SDI信号编码数据块的FEC纠错编码数据块，再将两类数据块封装成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，允许接收端再建数据。在SMPTE ST2022-5中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后，根据SMPTE ST2022-6标准形成数据块文件：P1、P2、P3、......，同时根据SMPTE ST2022-5标准形成相应编码数据块的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FR1、FC1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
     

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。从以太网发展来看，10G以太网商用普及已为期不远，但最终还要取决于用户的接口带宽、价格、网络可靠性等综合因素，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
    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。
    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等瓶颈问题，更加适合用于SDI over IP中解决信号同步问题。

IEEE1588协议：
    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（如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。

6、SDI 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 ST2022-5（IP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IP向3G / 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HARRIS的SEL-4J2KE1-EOS、SEL-4J2KD1-EOS，Multichannel 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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