Transição de infraestrutura de estúdios de SDI para IP

NAB 2016 “O OLHAR DOS ESPECIALISTAS DA SET”

Este ano, a NAB marcou um momento em que entidades da indústria de mídia, incluindo fabricantes, grandes redes nacionais, grupos de estações locais e canais a cabo, abraçaram a missão da transição do SDI para o IP. Esta transição não vai acontecer da noite para o dia, mas como deixaram claro executivos de broadcast nos debates durante a NAB, a mudança para o IP vai exercer um impacto profundo na forma como conduzem seus negócios.

por José Antônio S. Garcia

Nos últimos anos, com a chegada massiva de equipamentos 4k/UHD, observamos uma busca pelas soluções de conectividade para estes novos equipamentos (publiquei o artigo: Novas Resoluções e os Desafios em Conectividade – Revista SET-142/2014).
Várias expectativas se tornaram realidade e alavancaram os novos sistemas baseados em IP. No entanto, é necessário um ecossistema onde todos estejam alinhados, com uma abordagem comum para usar a tecnologia IP, ou não haverá vencedores.
Os clientes não vão migrar facilmente para o IP se tiverem de escolher entre sistemas que usem padrões que sejam proprietários.

A força do SDI

A interface serial digital (SDI) tem sido usada largamente e suportou, com sucesso, os padrões SD e HD. Muitos acreditam que o SDI ainda tem espaço no ambiente 4k e UHD. Sendo uma tecnologia mais antiga e madura, tem a vantagem da simplicidade, robustez, facilidade de uso, incluindo teste e depuração de erros. Embora seja limitado a carregar apenas o vídeo serial digital, com áudio embarcado.
Recentemente foram desenvolvidas conexões quad- SDI/3G, single-SDI/6G/12G e 24G (esta última ainda no forno). Em outubro, na conferência anual da SMPTE, já se podia encontrar demonstrações do SDI-12G, com chipsets da Semtech (Gennum) e Macom, para SMPTE ST 2082. O SDI-12G utiliza cabo coaxial regular de 75 ohms (e.g., Belden 1694), para a distância usual de 100 metros. Mais ainda, o ST 2082 é flexível, e suporta qualquer sinal da hierarquia SDI, incluindo 270 Mbps, 1.5, 6 e 12 Gbps. Ou seja, até UHD a 60 fps.
Existe um forte desejo de se agarrar às capacidades do SDI enquanto movemos para o IP. Resultando em requerimentos e expectativas para que o sistema IP se comporte como o SDI em vários cenários. As características determinísticas e de latência fixa são as principais e não são inerentes às redes IP. Estas características permitem a precisão de frame e a sincronia, requerimentos operacionais que ajudaram a tornar o SDI tão popular. Características particularmente importantes em ambientes de produção de estúdio e ‘ao vivo’, onde muitos sinais são mixados e comutados, com um único sinal sendo fornecido ao produto final.

SDI – “Plug and Play”

Estamos confortáveis com a precisão de frame e com a interoperabilidade universal do SDI. Não temos dúvidas quando conectamos equipamentos de vários fornecedores para trabalharem juntos. Intuitivamente sabemos que será uma questão de “Plug and Play”. Replicar este comportamento ao IP, em um nível aceitável, é um desfio a ser superado.
Por isto, ainda estão sendo consideradas as variantes SDI-6G/12G/24G. No entanto, as expectativas para as novas arquiteturas, vão além destas características de um SDI de alto desempenho.

IP Em ambiente de produção

O escopo para o IP é maior que para o SDI. Embora o SDI ofereça desempenho determinístico e baixa latência, a sua usabilidade é limitada. Não somente a conectividade de mídia é limitada, mas também a sua habilidade em abordar a explosão de multiplataformas que sugiram após seu desenvolvimento.
Com o IP há uma promessa de maior flexibilidade e de viabilidade em longo prazo. O mercado de conectividade SDI é apenas uma fração do mercado de TI. Mesmo que o custo inicial do IP não seja menor, compensa pelo futuro ganho de escala e pela flexibilidade para futuros avanços tecnológicos (com formato agnóstico para suportar novos formatos), manutenção e monitoração remota, ou outros serviços adicionados na rede.
Há uma crença que o uso do IP permitirá o uso de equipamentos de rede COTS (Comercial-Off-The -Shelf), assim como computadores COTS. Na realidade isto não é o caso em todas as aplicações. Switches de rede não estão prontos para substituir roteadores SDI, com equipamentos de TI equivalentes. E precisamos de tecnologia de comutação com a mesma precisão temporal necessária para as aplicações de vídeo. Felizmente, é uma questão de tempo antes que o desempenho melhore e o custo por porta atinja e bata ao do router SDI equivalente. Enquanto isso, comutação com custo-efetivo em equipamentos de rede COTS é uma proposição impossível.
O transporte de mídia em tempo real é um desafio para as redes de dados existentes. A Ethernet tem se desenvolvido rapidamente. Agora não precisamos mais de fibra ótica para suportar 10 Gigabit ethernet. Cabos e conectores categoria sete (7) resolvem isto. Porém maiores velocidades de rede são necessárias, por ex., UHD sem compressão, não roda em 10 Gigabit Ethernet. A economia de escala, a flexibilidade e os benefícios de suporte estão conduzindo a indústria a superar todas as limitações para o transporte do vídeo em tempo real. Redes Ethernet de alto desempenho como 40G e 100G, permitirão o transporte de 4k/UHD, sem compressão. Novamente, é uma questão de tempo antes que o IP vença o SDI.
Ainda maior é o desafio dentro do estúdio, especificamente na produção e edição, onde as necessidades de sincronia dos sinais são incompatíveis com as características IP.

Normas e Referências
O SMPTE tem estado na vanguarda da padronização do transporte de vídeo em IP. O padrão SMPTE 2022 atualmente aborda não só transporte do vídeo sem compressão, mas também suporta o vídeo comprimido. Para superar as limitações do IP, o SMPTE 2022 especifica também regimes adequados de FEC e de proteção para a comutação.

IP – “Plug and Play”

O aspecto de maior discussão e debate para a transição para o IP é a interoperabilidade. Claramente é desejada a mesma natureza ‘plug and play’ encontrada no SDI, para tornar a tecnologia fácil de usar. Nesta direção, está um conjunto de padrões SMPTE, VSF, EBU e outras entidades tais como AIMS, ASPEN e NMI. O problema é que não existe uma solução única a ser adotada pelo usuário final, que garanta que sua escolha será universalmente adotada.
A norma SMPTE 2022-6 é a mais referenciada para o transporte de vídeo, sem compressão, sobre IP. A SMPTE-2022-6 pode ser boa para algumas aplicações. Mas assume que o fluxo de trabalho possa ser realizado com todos os fluxos de essência de vídeo, áudio e data, encapsulados. Isto funciona em instalações de playout simples, onde tipicamente temos vídeo servidores e soluções tipo CIAB (channel-in-a -box). Mas sistemas de produção e “vivo’ necessitam mais que isto. Quando precisamos mixar vídeo, áudio e data, entramos em uma área nebulosa, onde a interoperabilidade não está garantida entre os fornecedores.
O SMPTE 2022-6 padroniza um mecanismo para levar a mídia baseada em SDI para um ambiente IP, este formato de pacotes não é ideal para os propósitos de produção. Além disso, um fluxo de sinal originado do SDI, com vídeo, áudio e metadados, desperdiça banda em um ambiente de produção.
Nestes ambientes, é preferível ter os streams de essências individuais, que permite que a banda da rede seja conservada com o roteamento dos pacotes de essência específicos, separadamente, para os processos de produção de áudio ou de vídeo. Consequentemente, a abordagem com pacotes baseado nas essências, como ASPEN, tem se desenvolvido, com vídeo, áudio e metadados sendo roteados e processados individualmente. Isto fornece um melhor casamento com os propósitos de produção, enquanto a abordagem SMPTE 2022 é mais adequada para a distribuição e contribuição de sinais, antes e depois da produção.

As opiniões na indústria estão divididas, sobre se a abordagem baseada em essência é apropriada. Fazer um mapeamento do SDI, que foi desenvolvido especificamente para sinais de vídeo em tempo real, certamente tem vantagens de interoperabilidade, mas não é uma forma otimizada de trafegar vídeo em um ambiente IP. A encapsulação direta do SDI resulta em desperdício de banda de até 30%. Isto se deve à inclusão dos intervalos de apagamento vertical e horizontal, que frequentemente são usados para entrega de dados no SDI.

Há uma demanda para avançar um estágio a mais na padronização de vídeo sobre IP, sem encapsulação. Uma recomendação VSF TR-03 está ganhando força para o transporte sobre IP do fluxo elementar de vídeo sem compressão. A recomendação VSF TR- 04 trata de fluxos elementares da TR-03 dentro do fluxo de mídia da SMPTE 2022-6. Estas duas recomendações oferecem uma abordagem que abrange as necessidades de contribuição, produção e transmissão.
As duas recomendações do Fórum VSF são centrais para a entidade recém-formada na indústria, a Aliança Para Soluções de Mídia IP (A.I.M.S.). O objetivo principal da AIMS é evitar a fragmentação da indústria, durante a transição para IP, através da adoção das recomendações VSF juntamente com os padrões propostos pela SMPTE e EBU.

Alianças: AIMS e ASPEN

As alianças estão surgindo para o transporte de vídeo IP. No final de 2015, havia divulgação de duas organizações promotoras de vídeo sobre IP. Uma é chamada AIMS (Alliance for IP Media Solutions), e a outra é chamada ASPEN (Adaptive Sample Picture Encapsulation).
AIMS é suportada pela Grass Valley (Belden), Imagine Communications, Cisco, Arista Networks, Snell Avançada Media, EVS, Sony, broadcasters, entre outros.
ASPEN é liderada por Evertz com o apoio do For -A, Ross, Abekas, AJA sistemas de vídeo, ChryonHego, Hitachi, Tektronix, Vizrt, entre outros. Embora ambas as organizações apoiem a ideia de que o futuro do transporte de vídeo irá utilizar protocolos IP para a produção e entrega, elas diferem nas normas adotadas e na forma como gerir o importante requisito de sincronia de vídeo.

Sincronia

AIMS baseia-se SMPTE 2022 (VSF) como um método padrão para a distribuição de pacotes IP para vídeo ao vivo. A sincronia de sinais é derivada do IEEE 1588 Precision Time Protocol, para gerar RTP com timestamps RTMP. Enquanto SMPTE 2022-6 especifica o empacotamento de todo o sinal SDI em pacotes, há esforços em curso no SMPTE para padronizar o empacotamento individual de vídeo, áudio e dados associados (VSF padronizou esta abordagem em TR-04).

ASPEN baseia-se em um método proprietário desenvolvido pela Evertz, com base em MPEG-2 Transport Systems sobre IP. Atualmente documentado através do RDD 37, bem como SMPTE ST 302 e 2038. O sistema MPEG-2 (ISO 13818-1) sincroniza os fluxos de vídeo e áudio através de um relógio de sistema (27 MHz), utilizando um contador de 90 kHz como parte de um cabeçalho de adaptação.

Precisão de ”Frame”
É fundamental para a produção de video o processo de comutação com precisão de frame. O chaveamento preciso entre fontes de vídeo requer uma precisão temporal que vai alem da que e possível em equipamento COTS. Há uma grande diferença na capacidade de um roteador SDI, que faz uma comutação com precisão de 10μs, versus uma infraestrutura baseada em COTS, que alcança uma precisão de comutação de 1 ms a 10 ms. A precisão de comutação do SDI e bem definida pela SMPTE 168. Replicar esta precisão em um ambiente IP, e certamente algo desafiador. O desempenho de um switch IP não se aproxima do desempenho de um roteador SDI.
Vários métodos de comutação foram demonstrados como prova de conceito (PoC) na NAB do ano passado. O SMPTE está estudando ativamente os méritos de cada abordagem (Flow Management in Professional Media Group).
Os métodos de comutação utilizam o PTP (Precision Time Protocol), um protocolo IEEE para pacotes IP. SMPTE definiu um padrão Epoch e Profile para ser usado em conjunto com o PTP. Esta combinação, junto ao RTP (Real Time Protocol), fornece os mecanismos necessários à infraestrutura IP, para processar o vídeo sincronizadamente.

Compressão
Os padrões propostos tendem a incluir a compressão mezanino para reduzir a largura de banda interna. AIMS deve usar TICO (ainda não confirmado), um método baseado em compressão wavelet intraquadro, 4:1 (em processo de padronização SMPTE). ASPEN deve usar JPEG 2000 (ainda não confirmado), um padrão ISO (15444-1). JPEG 2000 tem uma gama de taxas de compressão “matematicamente sem perdas” 2: 1, a uma compressão “sem perda visual” mais agressivo de 4: 1 ou maior. A Sony também desenvolveu uma compressão leve para o seu padrão NMI.

Soluções virtualizadas IP
A virtualização tem sido aplicada a vários processos dentro de um fluxo de trabalho de broadcast. Embora ainda com muita dependência do SDI.
Os benefícios da virtualização podem ser aplicados ao longo do fluxo de trabalho. O processamento de vídeo é um processo intensivo que frequentemente opera nos limites dos atuais servidores COTS. Isto resultou numa fase de transição, em um ambiente virtualizado, para as aplicações de maior demanda tais como playout, gráficos e transcodificação. Esta fase intermediária resultou em produtos de broadcast baseados em produtos COTS.

Integração de funções
O CIAB (Channel-in-a-box) tem sido largamente adotado para operações de playout. Tem possibilitado a redução de hardware e de custos de entrega. Tem também alterado alguns aspectos de operação e simplificado fluxos de trabalho complexos. A tecnologia, que antes mirava em baixo custo, tem sido usada em vários aspectos do playout. A integração de funções tem diminuído custos e permitiu substituir senão todos, mas a maioria das cadeias de exibição complexas, que antes exigiam muitas funções individuais e dispositivos especializados de I/O.
Por natureza, o CIAB é um produto orientado à IP, com um computador que tem uma GPU-Card e uma interface SDI adicionada para trabalhar na maioria das aplicações. Já é bem adequado para uma infraestrutura totalmente IP.
Uma gama crescente de ofertas está se tornando disponível com IP I/O. Estamos também começando a ver mais sistemas que não precisam mais de processamento gráfico GPU, o que torna mais prática a solução virtualizada e de nuvem. O que está faltando atualmente são opções que ofereçam arquiteturas específicas de nuvem, juntamente com o elevado nível de funcionalidade que está associado com servidores convencionais e ofertas CIAB.

Infraestrutura de vídeo baseada em serviços
O IaaS (Infrastructure as a Service) está se tornando uma realidade. A prestação de serviços por terceiros, agora é comum. Como exemplo, serviço baseado em nuvem para transcodificação. A interface IP e a virtualização são o pivô desta transição e esta abordagem está estabelecida nos cenários de OTT (Over The Top) para as aplicações de VOD (Video-On-Demand).
Estes serviços necessitam de um cuidado especial do ponto de vista de segurança. Tradicionalmente o radiodifusor tem operado de forma isolada onde o conteúdo é manipulado em seu domínio fechado.
O conteúdo de mídia agora é movido e consumido em um ambiente muito menos regulado, que abre novas possibilidades comerciais, desde que tomados os cuidados com segurança. Deve estar claro que a segurança neste ambiente não se refere apenas a proteção à mídia, mas também está relacionada às ameaças de hackers, que derrubam ou interrompem o serviço.
Outro serviço associado importante é a publicidade segmentada, que pode ser integrada facilmente dada a escalabilidade e flexibilidade da infraestrutura IP.

Impactos na operação
O operador humano ainda é o maior influenciador do que acontece na produção e no playout. Enquanto os canais de playout puros podem ser totalmente automatizados, todas as outras áreas possuem algum nível de interação humana. A necessidade de controle interativo e com rápido feedback responsivo às interações, não acontecem no IP. Estes aspectos legados precisam ser mantidos. AIMS, ASPEN e NMI estão orientados para esta meta de padrões interoperáveis que forneçam a interatividade e capacidade de resposta necessária.
Apertar um botão e imediatamente ver a resposta na tela é a norma em sistemas SDI. Seja isto uma comutação ou roteamento, mixagem de áudio, sobreposição de gráficos ou DVE’s, nós esperamos resposta instantânea em um ambiente de controle manual. Em uma infraestrutura de estúdio, que tem um sistema SMPTE-2022-6 ou um sistema derivado AIMS/ASPEN/NMI, podemos esperar a mesma resposta que conhecemos no SDI. Replicar estas respostas fora da instalação é improvável, onde os tempos de tráfego e latência de sistema de terceiros estão em jogo. Enquanto uma nuvem pública pode trabalhar em algumas soluções de playout, pode ser impraticável para produção ao vivo e sistemas de playout altamente interativo, onde o tempo de resposta é essencial para uma operação efetiva.

A Transição da TV para IP
Ao que tudo indica a transição IP, para todas as operações da câmera até a produção, pós-produção e distribuição, é um salto disruptivo para os modelos de negócios atuais. É difícil de prever quão rápido os sistemas SDI de hoje vão ser transferidos para soluções IP. Contudo, para aqueles que fizerem a transição para IP, alguns aspectos na forma de trabalhar vão mudar. Quando os I/O IP levantarem voo, também levantará voo o uso de SDN e NFV, para melhor gerenciar os fluxos de trabalho. Padronização aqui, com padronização para transporte de vídeo, áudio e data, vão criar ecossistemas flexíveis.
Está claro que haverá maior integração de funções. Todos os avanços em CIAB são uma clara indicação que isto é possível. Todas estas capacidades, somadas às entregas para multiplataformas, codificação com bitrate adaptativo, um acoplamento firme com o tráfego de playout, os avanços na publicidade direcionada para os assinantes e outros esforços inovadores de integração, vão criar sistemas de playout altamente eficazes.
Uma possibilidade interessante que advém de um sistema implementado puramente por software, particularmente com abordagem em nuvem usando SaaS, é uma volta aos dispositivos de uma só função, desta vez como dispositivos de software de uma só função. Isto soa não intuitivo na abordagem de integração de funções, mas há um benefício para as funções específicas em um fluxo de trabalho, quebrar o fluxo normal para realizar alguma operação específica e novamente retornar ao fluxo para completar o processo. Por ex. Incluir alguma necessidade específica de processamento de áudio, ou usar capacidades gráficas de alto nível, que não fazem parte de um sistema CIAB de determinado fornecedor.
A transição para IP está próxima. Uma infraestrutura híbrida SDI-IP provavelmente acontecerá por um longo período. Mas em última análise o IP irá prevalecer.

Considerações finais
Quais são as considerações importantes? Em primeiro lugar, SDI ainda é uma abordagem válida, por que é padronizada, bem compreendida e é rotineiramente utilizada para a produção de vídeo. A segunda consideração é que cada uma das abordagens de vídeo sobre IP usa métodos diferentes para encapsular vídeo, áudio e dados e para fornecer a sincronização adequada. Finalmente, os métodos de vídeo sobre IP têm sido demonstrado como viável e tem sido adotado por diversas instalações de produção de vídeo. Será que essas diferentes abordagens serão interoperáveis? Vamos esperar que sim, e não apenas através do método de força bruta de converter a SDI e, em seguida, re-empacotar. Soluções inteligentes devem evoluir que possam permitir o intercâmbio entre padrões AIMS, ASPEN e NMI.
Há também a incerteza em relação ao uso de switches IP “off-the-shelf” comerciais para o transporte de sinais de vídeo e áudio ao vivo. Que switchs IP vão apoiar qual protocolo? E há outras considerações a respeito de distribuição IP de vídeo e áudio, tais como os algoritmos de otimização de roteamento, serviços de diretório (o que está em qual pacote) e gerenciamento de latência / largura de banda.
Alguns fabricantes fazem parte de mais de uma aliança. Estes têm investido, simultaneamente, em produtos com as diferentes abordagens e padrões. Sensatamente para se manter a par de todas as opções, de modo a estarem em uma boa posição para se mover, quando uma determinada tecnologia ou padrão ganhar impulso crítico e sobressair entre as outras.
Enquanto um padrão universal não aparece, os fornecedores oferecerão suas soluções aos clientes que não podem aguardar, pois necessitam uma instalação IP imediatamente. O risco é de adotar uma abordagem que seja incompatível em futuro próximo.

José Antônio S. Garcia é membro da SET e gerente de Engenharia da EBC em São Paulo.
Contato: [email protected]

 

 

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