Contribución y Distribución de video/ audio Broadcast sobre red IP México -Marzo 2012 Agenda Introducción SAPEC Transporte de video y audio Contribución y Distribución Compresión RED IP para tráfico de video Transporte de video sobre red IP 1
Introducción SAPEC Introducción SAPEC S ociedad A nónima de P roductos E lectrónicos y C omunicaciones. Empresa de capital español fundada en 1.976. Diseño, fabricación, e integración de sistemas de video y audio profesionales. Primera y única empresa española que ha diseñado un equipo de compresión MPEG2 y MPEG-4 HD/SD de video profesional. Sapec se ha especializado en soluciones para transmisión de video y audio. Posee una completa gama de soluciones tanto para redes de CONTRIBUCION como DISTRIBUCION. Nuestro objetivo es proporcionar soluciones avanzadas para la transmisiones de señales audiovisuales. 2
Estrategia Desde 2.000 la estrategia de Sapec se basa en una fuerte inversión en I+D para el desarrollo de nuevos productos, utilizando las ultimas tecnologías para la TRANSMISION DEL AUDIO Y EL VÍDEO COMPRIMIDOS. Soluciones para: Contribuciones de video por PDH, IP, y Fibra Óptica. Cabeceras DVB-T, DVB-S, DVB-H. Soporte de Ingeniería, Integración y Puesta en Marcha, Postventa. Presencia en el mercado nacional. Presencia en el mercado internacional (México, Ecuador, Perú, Brasil, Colombia, Chile, Argentina..). Nuestros Productos Familia Codificadores- Decodificadores multiformato MPEG4 HD/SD perfil Hi422Py HP@ L4.1 y/o MPEG 2 HD/SD sobre redes IP y ASI Familia Codificadores- Decodificadores H.264 SD y MPEG2 HD/SD sobre redes IP y ASI. Codificadores MPEG2 SD sobre redes IP, ASI y PDH y Multiplexores de TS de 8 entradas ASI y 2 salidas ASI. 3
Transporte de vídeo y audio Contribución y distribución y medios de transporte Transporte de vídeo 4
Contribución Transmisión de contenidos a centro de producción Alta calidad: Requiere edición posterior Múltiples saltos de Codificación-Decodificación sin pérdida apreciable de calidad Compresión baja o nula MPEG-2 4:2:2: SD > 12 Mbps, HD >45 Mbps H264 4:2:2: SD >6 Mbps, HD >22 Mbps JPEG2000 SD > 30 Mbps HD >100 Mbps SDI /HDSDI sin comprimir sobre fibra óptica o coaxial Bajo retardo Recomendación: Retardo extremo-extremo < 800 msg Distribución Contenido ya finalizado. No se requiere nuevos pasos de codificación Calidad estándar Compresión alta MPEG-2 4:2:0: SD > 3 Mbps, HD >15 Mbps H264 4:2:0: SD >1.5 Mbps, HD >6 Mbps Retardo Medio Alto Actualmente retardos entre 0.5 y 6 sg. 5
Transporte de vídeo y audio Compresión Compresión de vídeo Uso eficiente del ancho de banda Sistema de multiplexado MPEG-2 TS Tecnologías de compresión MPEG-2 H264 JPEG2000 6
Compresión MPEG-2 Estándar muy maduro Conceptos principales: Bloques de 8x8 Codificación híbrida: Transformada Discreta del Coseno (DCT) Cuantificación Vectores de movimiento en GOP (Group of Pictures) Imágenes I (intra): referencia Imágenes P (predictive): diferencia respecto a imagen anterior Imágenes B (bidirectional): respecto a imágenes anterior y siguiente Codificación entrópica fija (tabla Huffman) Compresión alta y bajo retardo (estructura de GOP) Compresión H.264 ISO MPEG-4 Parte 10 ITU H.264 Inicialmente orientado a bajos bitrates Alta compresión y retardo medio (GOP típico de 48) Filtro de deblocking Codificación entrópica adaptativa (CABAC y CAVLC) Recomendación BT.1737 para contribución HD: ITU-R BT.709 Level Profile Application Bit rate 4 High 4:2:2 Contribution 20-30 Mbit/s* 1 920 1 080 60/50i 1 920 1 080 24/25/30p 1 920 1 080 60/50p * Bit rate indicated is tentative. 4 High 4:2:2 Distribution 16-20 Mbit/s 4 High 10 SNG 10-15 Mbit/s* 4 High Emission 6-12 Mbit/s 4.2 High 4:2:2 Contribution 30-40 Mbit/s* 4.2 High 4:2:2 Distribution 25-30 Mbit/s* 4.2 High 10 SNG TBD 4.2 High Emission TBD 7
Compresión JPEG2000 Basado en wavelet, en lugar de DCT Comprime cuadro a cuadro Bajo retardo Baja compresión (HD: 50 600 Mbps) No introduce blocking Eficiencia SD (Mbps) HD (Mbps) 3G (Mbps) Sin comprimir 270 1.485 2.970 MPEG-2 4:2:2 1,5 50(12) 25 80 (45) MPEG-2 4:2:0 1 15(3) 15 80 (15) H.264 4:2:2 (6) (22) H.264 4:2:0 0,1 4 (1.5) 4 25(6) IP 8
Red IP para tráfico de video Redes IP Más robustas a fallos de segmento que las redes síncronas (SDH- ATM, ASI, fibra) Re-encaminamientos Medio compartido Convergencia de datos, multimedia y gestión Contenido en tiempo real: Recuperación de sincronización más compleja Paquetización introduce jitter Recursos no reservados (congestión) Es necesario definir Calidad de Servicio 9
Tráfico multimedia Ancho de banda mucho mayor que el trafico tradicional de datos reserva de recursos Tiempo real asignación de prioridades no permite volver a transmitir, FEC Requiere control de flujo (el tráfico de datos se produce a ráfagas) marcas de tiempo y secuencia QoS: Métrica de las Redes IP 10
QoS: Métrica de las Redes QoS. Métrica de las Redes Network performance especificado por ITU Y.1540 & Y.1541 Para envío de Video, la Clase utilizada (QoS) puede ser 0, 1, 6, or 7 Class 0: delay < 100mS, packet loss < 1 per 10,000 Class 1: delay < 400mS, packet loss < 1 per 10,000 Class 6: delay < 100mS, packet loss < 1 per 1,000,000 Class 7: delay < 400mS, packet loss < 1 per 1,000,000 Packet delay variation < 50mS 11
Transporte de video sobre red IP Transporte de Video Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 Para el envío de video sobre redes IP, La EBU recomienda el transporte de MPEG-TS según el estándar SMPTE 2022-2- 2007. Transporte de flujo unidireccional Transport Strem MPEG-2 (M2TS) M2TS: ISO 13818 / ITU H222. Utilizado por DVB, ATSC, IPTV, DVD Los paquetes M2TS pueden ser de 188 o 204 bytes Cada paquete IP puede contener entre 1 y 7 paquetes TS. 7 TS por paqueteip.- overhead del 5% 1 TS por paqueteip.- overhead del 26% Por regla general se utiliza 7 paquetes TS (188 o 204) 12
Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 Razones para el envío de M2TS: Extendido en todas las áreas de Transporte de Video. Estándar bien definido y estable. Formato Flexible: Integridad de la señal Optimización del Ancho de banda. Multiplexación de servicios. Encriptación El encapsulado se realiza siguiendo estándares bien definidos. Video : MPEG-2, H.264, JPEG 2000 Audio : MPEG-1/2, AAC, Dolby, AES Ancillary Data : Closed caption, aspect ratio, time code Límite ASI: 213 Mbps, pero el TS sobre IP suede ser superior. 13
Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 Otros requisitos del estándar: Multicast: IGMP V2 Calidad de Servicio: TOS/DSCP Timing recover Las marcas de tiempo del RTP NO son válidas para recuperar la frecuencia. No se debe modificar los valores del PCR. No se deben eliminar los paquetes TS nulos. RTP/UDP no garantiza la entrega. Se define como método de protección frente a errores: Forward Error Correction (FEC). SMPTE 2022-1-2007 Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 Recomendaciones Network Performance : ITU-T Rec. Y.1541 Jitter Tolerance : ±60ms 14
Paquete IP Payload 1, 4 o 7 TS por paquete IP Overhead: 36 Bytes Ethernet 20 Bytes IP 8 Bytes UDP 12 Bytes RTP MTU Máximo: 1518 Bytes (el mas ampliamente utilizado e tramas Ethernet) Overhead introducido en empaquetamiento IP: 1 TS por Paquete IP: 28% 7 TS por Paquete IP: 5% Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 Ethernet Frame (36 bytes) IP Headers (20 bytes) UDP Headers (8 bytes) RTP Headers (12 bytes) Video Payload 1, 188 byte TS Packet = 188 Bytes 4, 188 byte TS Packet = 752 Bytes 7, 188 byte TS Packet = 1316 Bytes 1, 204 byte TS Packet = 204 Bytes 4, 204 byte TS Packet = 816 Bytes 7, 204 byte TS Packet = 1428 Bytes Problemática Transporte IP Principales problemas: Pérdida de paquetes Desordenación de paquetes Jitter en los paquetes recibidos Jitter originado por los switches Mayor retardo Parámetros en el diseño de red: Priorización de tráfico Sobredimensionamiento de la red Uso eficaz de bufferes en receptores 15
Problemática Transporte IP Jitter Tolerancia al Jitter de la red IP: ±60ms Tolerancia al jitter para el transporte M2TS: 500 nseg (5 órdenes inferior) Necesidad de algoritmos de corrección específicos para recuperar el reloj. Algoritmos basados en búfer (Retardo). Algoritmos basados recuperación del tiempo: Necesidad de un tiempo de convergencia a la frecuencia real Retardo Mínimo FastIpSync Problemática Transporte IP Jitter Causas del Jitter (variación en los retardos): Congestión en los nodos Diferentes caminos Fragmentación del TS en paquetes Dificultad añadida en la recuperación de la frecuencia de vídeo en Decodificación: Los sistemas de recuperación de Frecuencia se basan en el PCR, con un jitter máximo de 500 ns (ETR-290). En IP el Jitter es de ms (4-5 órdenes sobre DVB o SDH). 16
Problemática del jitter Problemática Transporte IP Jitter Precisión en recuperación de frecuencia Tiempo de enganche Problemática Transporte IP Ráfagas Las redes son muy sensibles a las ráfagas. Cada punto de la red (routers) soporta un determinado tamaño en función del buffer disponible. Los cambios de velocidad del interfaz (1000-100) produce ráfagas que pueden saturar los elementos de la red. Buffer 100 Bt SWT 1000 Bt SWT 100 Bt 17
Problemática Transporte IP Pérdida de Paquetes Causas: Un bit a nivel físico CRC incorrecto Volumen alto de tráfico congestión Tiempo realretraso paquete descartado paquete descartado paquete descartado Solución: No es posible retransmisión (tiempo real) Información redundante (FEC) Soluciones al Transporte IP Desde el lado de la RED: Clasificar el tráfico sobre IP (QoS) Asignar prioridades a diferentes aplicaciones Reservar recursos de red Transmisión Fiable Desde el lado de los equipos (Cod. y Dec.): Herramientas de corrección de errores (FEC) Algoritmos de gestión del Jitter en recepción: Incremento del retardo. Buffer entrada = de 3 a 5 veces el jitter de red Algoritmos de recuperación de la frecuencia de video en recepción 18
Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 FEC FEC: Creación y envío de paquetes con información redundante. En recepción posibilita la recuperación de paquetes perdidos. Transporte sobre RTP/UDP/IP Los paquetes FEC se crean como la XOR de las Columnas y Filas. Los flujos del FEC se envían al mismo destino IP (unicast o Multicast) en puertos pares consecutivos al envío principal: Puerto X+2 para Columnas FEC Puerto X+4 para Filas FEC El flujo principal M2TS es enviado al puerto X Puerto X par RTP (RTCP puerto impar X+1) Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 FEC Ethernet Frame (36 bytes) IP Headers (20 bytes) UDP Headers (8 bytes) RTP Headers (12 bytes) FEC Headers (16 bytes) FEC Payload 1, 188 byte TS Packet = 188 Bytes 4, 188 byte TS Packet = 752 Bytes 7, 188 byte TS Packet = 1316 Bytes 1, 204 byte TS Packet = 204 Bytes 4, 204 byte TS Packet = 816 Bytes 7, 204 byte TS Packet = 1428 Bytes MTU Máximo: 1518 Bytes La estructura del Paquete IP FEC es similar al de video: Se añade Cabecera FEC (16 Bytes) El Payload es de paquetes FEC en vez de video TS 19
Transporte devideo Sobre IP: SMPTE 2022-2-2007 FEC Filas D Columas L (1,1) (2,1) (L,1) (1,2) (2,2) (1,D) (L,D) Los paquetes IP/RTP se ordenan sobre un array de 2 dimensiones LxD (Columnas x Filas) (Lengh x Deep) Los valores permitidos para L y D son: L D 100 1 L 20 4 D 20 Payload Transporte devideo Sobre IP: FEC 1 Dimensión. Columnas Filas D (1,1) (2,1) (L,1) (1,2) (1,D) (2,2) Columas L (L,D) 1 2 L Payload Paquete FEC (Columnas) Los paquetes FEC de las columnas se calculan como la XOR de la columna asociada. Para una matriz LxD, obtenemos L paquetes FEC asociados a las columnas. El exceso de ancho de banda requerido varía entre el 5% (D=20) y el 25% (D=4) Los valores permitidos para L y D son: L D 100 1 L 20 4 D 20 20
Filas D (1,1) (2,1) (L,1) (1,2) (1,D) (2,2) Transporte devideo Sobre IP: FEC 2 Dimensiones. Columnas x Filas Columas L (L,D) 1 2 L Payload Paquete FEC (Columnas) Paquete FEC (Filas) 1 D Los paquetes FEC de las Filas se calculan como la XOR de la fila asociada. Para una matriz LxD, obtenemos L paquetes FEC asociados a las columnas y D paquetes FEC asociados a las filas. En estructuras FEC de 2 streams, L >=4 El exceso de ancho de banda requerido varía entre el 20% y el 50% (L=D=4) Los valores permitidos para L y D son: L D 100 4 L 20 4 D 20 Transporte devideo Sobre IP: FEC 2 Dimensiones. Errores Recuperables Paquete erroneo 21
Transporte devideo Sobre IP: FEC 2 Dimensiones. Errores NO Recuperables Este sistema no es capaz de recuperar cuando tenemos 2 errores en la misma columna (y fila para 2 D) El sistema propuesto tiene carencias cuando los errores aparecen en ráfagas. Paquete erroneo Transporte devideo Sobre IP: FEC Interleaving Interleaving: El estándar define 2 métodos para cambiar la ordenación de paquetes previo al envío. Se minimiza el efecto de una ráfaga de errores Se aumenta la latencia: Es necesario almacenar mas paquetes para generar el FEC. 22
Transporte devideo Sobre IP: Latencia FEC Al incluir FEC se produce un incremento de la latencia, que dependerá principalmente del flujo de salida. Tres factores: Protección frente a errores Sobrecarga de red por información redundante Retardo por cálculo de recuperación (flujo constante) Parámetros: Transporte devideo Sobre IP: Compromiso del FEC Dimensiones: Unidimensional (columnas): protección a ráfagas Bidimensional (columnas y filas): añade protección a pérdidas equiespaciadas Tamaño de estructura Interleaving: Aumenta protección frente a ráfagas Aumenta retardo 23
Transporte devideo Sobre IP: Compromiso del FEC Sobrecarga Protección FEC unidimensional Sobrecarga (%) = 1 / filas FEC bidimensional Sobrecarga (%) = (cols + filas) / (cols x filas) Tasa de errores soportada: Medidas empíricas Retardo retardo FEC < (2 x filas x cols x bits_por_paquete) / bitrate_video matriz FEC es filas x cols bits_por_paquete is el número de bits de TS por IP paquete IP (depende del número de TS por paquete) bitrate_video es el bitrate que se configure en el codificador Ej: FEC = 4x4, 7 TS/paquete (7 x 188 x 8)/20 Mbps de vídeo, retardo FEC < 17 ms Alguna pregunta? Gracias! Rufino González, 15 28037 Madrid Teléfono: (+34) 917.283.910 Fax: (+34) 917.292.575 E-mail: sapec@sapec.es www.sapec.es 24