4K IP技术发展趋势和解决方案

王亚明 索尼中国专业系统集团 创新业务开发本部

4K IP技术发展趋势和解决方案

王亚明 索尼中国专业系统集团 创新业务开发本部

本文对4K IP技术的发展作了回顾。分析了ST 2022标准的不足之处及厂商对SMPTE 2022标准的修改建议情况，提出ST 2110标准将成为未来IP化的统一标准。对EBU欧广联对IP架构进程的预测作了介绍。认为12G-SDI将与IP长期共存，现阶段点对点连接、简单的小型系统采用12G-SDI方式，复杂、大型系统采用IP方式。

4K IP技术 ST 2022标准 ST 2110标准 IP进程预测

1．4K IP技术发展回顾

IP技术在高清时代应用的紧迫性不高，因为高清时代SDI构成了一个很成熟的系统，从4 K进入大家的视线之后，IP技术在2014年引起了大家的关注。

我们首先回顾一下，从2007年开始，SMPTE开始了4 K IP技术标准化的进程，2007年 - 2013年，SMPTE陆续发布了ST 2022 1-7系列标准，ST 2022 1-7系列标准的目的就是在演播室实时制作系统中取代SDI，实现IP传输。在2010年左右，当时所采用的物理层和数据层的IP基本架构是10G，采用RJ-45或光纤接口。ST 2022-6标准定义媒体层是无压缩的高清视频。由于SMPTE发布的ST 2022系列标准太早，ST 2022系列标准存在着以下一些问题：

（1）10G以太网无法传输无压缩4K视频，要传输4K必须引入压缩编码。

10G以太网带宽不能传输4K/60P基带信号，必须采用压缩编码降低码率；ST 2022对4K编码没有明确定义，在SMPTE阵营内对4K编解码方案有不同选择，已经发布的4K编解码方案有：Evertz采用SMPTE 2022建议 的 J2K（JPEG2000）；Sony采用Sony开 发 的 LLVC（Low Latency Video Codec），支 持 的 厂 商 包 括 Evertz、Imagine、Tektronix、Harmonic、matrox、TOSHIBA、LEADER、ORAD、vizrt等 ；ICO联盟采用intoPIX开发的TICO，支持的厂商包括 Grass Valley、Imagine、NEVION、ROSS、ARTEL等；包括BBC、Snell/Quantel等厂商组成的联盟采用BBC开发的Dirac，也称为VC2。实际上J2K、LLVC、TICO、VC2都基于小波算法，大同小异，但由于基本参数不同，在SMPTE 2022的框架内不能直接互通。

（2）ST 2022-6只规定了净切换（Clean Sw）的原则，没有具体实施方法。

Sony采用通用IP交换机（COTS）无法实现净切换，净切换在信号接收端接口处完成，其优点是使用通用IP交换机，设备与交换机直接连接，缺点是需要同时传输2个码流，降低了带宽利用率。

Evertz使用专用IP交换机精确控制切换时间实现净切换，与SDI矩阵类似，其优点是设备与交换机直接连接，缺点是必须使用厂商的专用IP交换机。

草谷（Grass Valley）采用通用IP交换机（COTS）无法实现净切换，需要在通用交换机与设备之间增加IP接口GV Node，由GV Node精确控制切换时间实现净切换，其优点是使用通用IP交换机，缺点是必须增加厂商的IP接口（即专用交换机），设备不能与交换机直接连接。

（3）ST 2022-6的视频、音频、元数据混合打包，不利于不同数据的独立处理；

（4）FEC（前向纠错）、主备切换的方案不完善；

（5）以及其它的一些问题。

2．厂商对SMPTE 2022标准的修改建议

因为ST 2022-6是一个千疮百孔的标准，这个标准只是一个框架，所以各个厂家就各自修改，还起了名字。目前的现状是，几乎所有厂商都支持SMPTE 2022-6开放标准，基于相同的SMPTE 2022技术标准框架，但各厂商的解决方案并不相同。各厂商向SMPTE等组织不断提出修改建议，有索尼的RDD 34（LLVC），Evertz的 RDD 37（ASPEN），TICO联盟的RDD xx，VC2联盟的RDD xx等。

Sony方面：对ST 2059-2的修改已经得到SMPTE的 批 准； 对LLVC (Low-Latency Video Codec)编解码的建议已经成为RDD34文件，将于近期得到SMPTE的批准。Sony还对下述内容提出了建议，正在等待SMPTE的投票表决和批准：

（1）实现视频净切换的方式，（2）媒体文件的打包方式，（3）前向纠错（FEC），

（4）冗余切换方式。索尼对 SMPTE 2022 的修改建议集合，称之为 IP Live，接口名：NMI（Networked Media Interface）。

Evertz方面：Evertz 对SMPTE 2022的修改建议集合-ASPEN见图1。

Evertz ASPEN 的特点与应用见图2。

图1 Evertz 对SMPTE 2022的修改建议集合-ASPEN

图2 Evertz ASPEN 的特点与应用

这样就出现了多种“厂商标准”，如索尼的IP Live（NMI）、Evertz的 ASPEN， 与 SMPTE 2022-6不同，NMI/ASPEN都采用了视频、音频、元数据分别打包的传输方式；还出现了多种“联盟标准”，如AIMS、TICO等。

基于SMPTE 2022，每个厂商都会晒出自己的“朋友圈”，同一个厂商会同时出现在不同的“朋友圈”，似乎能够实现“互通互连”，目前实现的方法是A厂商使用了B厂商的IP/SDI接口板，并不是在IP域直接实现互通互连。

3．论坛、工作组、联盟

除了这些朋友圈厂家标准和联盟标准之外，还有各种论坛，各种工作组和各种联盟。这些组织虽然人少，但是他们对IP的标准化其实贡献都不小。除了IEEE、SMPTE和EBU外，与IP基础架构有关的主要组织见图3。

图3 与IP基础架构技术标准有关的组织

4．ST 2110将成为未来IP化的统一标准

上文说到，基于相同的SMPTE 2022技术标准框架，各厂商的解决方案并不相同，造成不能在IP域直接实现互通互连，因此我们需要有一个统一的开放标准，ST 2110由此应运而生，并将成为未来超高清IP化的统一标准。

ST 2110标准由VSF TR-03发展而来，并获得了大多数厂商的支持。ST 2110标准进展顺利，FCD（Final Committee Draft）已经投票通过的文件有：ST 2110-10 - System Timing and Definitions，ST 2110-20 - Uncompressed Active Video，ST 2110-30- PCM Digital Audio，无压缩HD视频的草案已经通过，还没有无压缩4K。ST 2110标准的物理层/数据层规定，HD高清设备接入交换机10G，核心交换机40G；4K超高清设备接入交换机25G或更高，核心交换机100G或更高。

欧广联把IP化的实时系统分成了七层，图4是EDU对IP分成七层的定义。

图4 EDU对IP分成七层的定义

第一层是媒体传输层（Media Transport），有ST 2022-6等标准，目标是统一到ST 2110标准上。第二层是定时层（Timing），包括IEEE 1588 PTP等标准。下面几层分别是身份层Identity、发现和注册层Discoveryamp;Registration、流控制层（Flow control）、流切换层（Flow Swithing）。大家知道IP化之后，一定是把现在演播室系统的视频音频、定时基准，控制这三块放在一个网里实现。前面很多专家谈到的IS-04是什么呢？是控制协议，就是在设备控制上把它统一起来。第七层是压缩编码层（Compression），ST 2110会包括一些现在已有的压缩编码方案，目标是非压缩编码。我认为EBU对IP分成七层的定义很有道理。

5．JT-NM关于IP架构标准的路线图

图5是JT-NM关于IP化的路线图。

JT-NM关于IP化的路线图，前面很多专家都有提及，在此不再详述。重要的是将其分为四步来看，第一步是SDI OVER IP，但是这个不是最终目的，最终目的是第四步的虚拟化。目前网络制作和传输已经实现或正在实施云化、虚拟化，如果连云化和虚拟化都实现不了，那你就不要做IP化了。要是不数字化，就不可能把这么多的视音频信息在网络上传输，在手机上观看，所以数字化不是目的，IP化也不是目的，它只是一个过渡的阶段。

6．EBU对IP架构进程的预测

EBU欧广联对IP架构进程的预测见图6。

图5 JT-NM关于IP化的路线图

图6 EBU欧广联对IP架构进程的预测

从图6中12G-SDI格式的曲线可见，EBU预测很长时间之内取消不了SDI传输，从IP格式的曲线可见，EBU预测IP传输的发展会逐渐上升，我认为这张图应该是比较实事求是的。

7．总结

（1）电视中心基础架构的IP化只是手段，不是目的。现在唯一没有实现云化、虚拟化的就是SDI基带，IP化是未来基础架构云化和虚拟化的基础。

（2）采用IT行业新一代系统架构。要想实现IP化，现在的10G以太网技术是不够的，以前提出10G以太网做基础架构，主要是价格的原因，当时10G以太网的接口芯片和我们广电的3G-SDI的接口芯片成本差不多。随着IT行业技术性能的快速发展和价格的快速下降，10G以太网将来一定是过渡到25G、40G、100G以太网。

（3）以ST 2022-6为基础发展开放的行业标准。ST 2022-6 TR-04 TR-03 ST 2110。

（4）12G-SDI将与IP长期共存。点对点连接、简单的小型系统采用12G-SDI，复杂、大型系统采用IP。