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Jun 13, 2024

Das Wesentliche von AV über IP

Für AVoIP gibt es mehrere Ansätze, deren Utopie im Trio aus geringer Netzwerklast (Bandbreite), geringer – oder besser keiner – Latenz und hoher AV-Qualität besteht. Allerdings von diesen dreien, Justin

Für AVoIP gibt es mehrere Ansätze, deren Utopie im Trio aus geringer Netzwerklast (Bandbreite), geringer – oder besser keiner – Latenz und hoher AV-Qualität besteht. Justin Kennington, Präsident der SDVoE Alliance, sagt jedoch: „Wählen Sie zwei aus.“

Beispielsweise führt eine niedrige Komprimierung zu der geringsten Latenz und der höchsten AV-Qualität, erfordert jedoch eine hohe Netzwerkgeschwindigkeit. Eine zunehmende Komprimierung verringert die Netzwerklast, kann jedoch die Latenz erhöhen und die Bildqualität verringern. Es ist alles eine Balance, und das Verständnis der Variablen ist der Schlüssel zur Auswahl und erfolgreichen Implementierung eines AVoIP-Systems für Ihre Kunden. Ein guter Ausgangspunkt ist die Infrastruktur, das Netzwerk.

Bandbreite und Netzwerkgeschwindigkeit

1000Base-T-Ethernet (1GbE) ist allgegenwärtig und unterstützt optimal bis zu 1 Gbit/s gemeinsamen Datenverkehr zu/von jedem beliebigen Knoten. Im Vergleich dazu beträgt die Datenrate eines 1080p60-Videostreams unkomprimiert etwa 3,6 Gbit/s (~4,5 Gbit/s über HDMI), und 4K30 erhöht diese auf über 7 Gbit/s – viel zu hoch für ein durchschnittliches Netzwerk!

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu umgehen: 1) Erhöhen Sie die Netzwerkgeschwindigkeit auf 10GBase-T (10GbE/10Gbit/s) oder komprimieren Sie das Signal, um es unter die 1Gbit/s-Kapazität von 1GbE zu bringen. „Wenn Sie weniger Zeit haben, haben Sie mehr Optionen und weniger Ärger“, sagt Miravue-Gründer Robert Bishop. Durch die Aufrüstung des Netzwerks auf 10 GbE erhalten Sie jedoch noch mehr Möglichkeiten, die jedoch möglicherweise durch die Verkabelungsinfrastruktur in einem bestehenden Netzwerk eingeschränkt sind.

CAT5e unterstützt 10GbE nicht und CAT6 UTP unterstützt es nur bis zu 55 m; Das ist die Gesamtentfernung zwischen Endpunkten, einschließlich Switch und Patchpanel usw. Bei Neuinstallationen würden Sie Ihren Kunden einen Dienst erweisen, indem Sie CAT6a und/oder Glasfaser betreiben und direkt auf 10GbE umsteigen, wobei der einzige Nachteil derzeit die Kosten sind.

Was ist mit WLAN, fragen Sie sich vielleicht? Einige der besten drahtlosen Zugangspunkte auf dem heutigen Markt verwenden 802.11ac, das bis zu 1,3 Gbit/s unterstützen kann, abhängig von Lärm, Bauarbeiten usw. Der neue 802.11ad-Standard wird dies erheblich steigern (~7 Gbit/s), reicht aber für unkomprimierte Daten immer noch nicht aus 4K. Es herrscht allgemeiner Konsens darüber, dass WLAN für AVoIP-Anwendungen keine gute Idee ist. Fragen Sie jedoch Ihren Anbieter.

Kompression

Komprimierung ist ein Mechanismus zur Reduzierung der Dateigröße oder Bitrate. Greg Schlechter, Technologiemarketingstratege bei Intel Corporation, sagt: „AV in einem IP-Netzwerk erfordert keine einzige Komprimierungsmethode, sondern ermöglicht durch die IP-Basis, dass die Komprimierung (und die Bandbreite) an die Anwendung/Anforderung angepasst werden.“ Es ist eine einfache Logik: Ein einzelner 7-Gbit/s-4K-Stream über ein 10-GbE-Netzwerk erfordert möglicherweise keine Komprimierung, über 1 GbE jedoch eine Komprimierung.

Das Komprimierungsverhältnis ist die Differenz zwischen der unkomprimierten Datei/dem unkomprimierten Stream und der komprimierten Ausgabe. Z.B; Ein Komprimierungsverhältnis von 10:1 erzeugt einen Stream, der 1/10 der Größe seines unkomprimierten Originals hat. Es gibt sehr leichte Komprimierungsschemata, beispielsweise bis zu einem Verhältnis von 2:1, die angeblich „mathematisch verlustfrei“ sind. Dann gibt es mehrere „visuell verlustfreie“ Lösungen, was bedeutet, dass eine Verschlechterung der Bildqualität für den Benutzer nicht allzu offensichtlich wäre, und dann gibt es verlustbehaftete Lösungen, bei denen der Kompromiss offensichtlich ist. Die jeweiligen Auswirkungen hängen von mehreren Faktoren ab, nicht zuletzt von den eigenen Erwartungen und Standards des Benutzers. Alles ist relativ.

Der Algorithmus zum Komprimieren und Dekomprimieren eines Signals, sei es Audio, Video oder beides, wird „Codec“ genannt. Dies ist die Abkürzung fürCovon-Dez Ode. Wie in der Einleitung erwähnt, gibt es mehrere Ansätze – keiner ist richtig oder falsch, nur unterschiedlich. Für Videos unterteilen wir diese in zwei Hauptmethoden. Intra-Frame und Inter-Frame.

Intra-Frame Die Komprimierung wird individuell für jedes Videobild oder einen Teil davon ausgeführt. JPEG2000 ist bei weitem das häufigste Beispiel, kann jedoch an sich deutlich variieren. Am rudimentärsten ist ein einfaches JPEG jedes vollständigen Bildes (bekannt als Motion JPEG oder M-JPEG), das möglicherweise die niedrigste Qualität erzeugt, bis hin zum Flaggschiff intoPIX advanced JPEG2000, das seine Wurzeln im Rundfunk hat. Solche Schemata funktionieren typischerweise mit Komprimierungsverhältnissen von etwa 5:1 bis 20:1.

Fortschritte bei Codec-Algorithmen und Chipsatzgeschwindigkeit haben dazu geführt, dass Intra-Frame-Komprimierungslösungen wirklich gut funktionieren und „visuell verlustfreies“ Video mit beeindruckend geringer Latenz ermöglichen. Joel Mulpeter, Fusionsarchitekt bei Crestron, erklärt, dass dieser Ansatz „ein 1-GB-Netzwerk nutzt, um sicherzustellen, dass ein System jeder Größe … auf einer Standardinfrastruktur skalierbar bleibt.“

Oben: Visuelles Beispiel für unkomprimiert (links) vs. komprimiert (rechts) ohne Änderung der Auflösung. Ein weiterer völlig anderer Intra-Frame-Ansatz ist die Zeilencodekomprimierung, bei der Zeile für Zeile oder Zeilengruppen komprimiert werden. Die Zeilencodekomprimierung ist bei weitem die schnellste, normalerweise nur Mikrosekunden Latenz, aber auch die geringste Komprimierung. Ein führendes Beispiel für AVoIP-Anwendungen ist BlueRiver NT+ der SDVoE Alliance, das entweder keine Komprimierung oder nur 1,3:1 verwendet. Dies ist wirklich verlustfrei und bietet die beste Qualität, erfordert jedoch ein 10-GbE-Netzwerk. Ein weiteres Beispiel für Leitungscode ist die Display Stream Compression (DSC) von VESA, aber das gilt nicht für AVoIP; Es wird in DisplayPort 1.4, der visuell verlustfreien Komprimierung von HDBaseT und der kommenden HDMI 2.1-Spezifikation eingesetzt.

Zwischenrahmen Methoden berücksichtigen bei der Berechnung der Komprimierung Daten in den Frames vor und nach dem aktuellen Frame. Dies führt zu einer wesentlich effizienteren Datei- oder Streamgröße, erfordert jedoch ein vorheriges Lesen und dauert daher länger für die Verarbeitung.

Das häufigste Inter-Frame-Beispiel ist Advanced Video Codec (AVC), auch bekannt als H.264. Dies ist das auf Blu-ray-Discs verwendete Schema, mit dem Bitraten von weniger als 25 Mbit/s auf der Disc erreicht werden. Denken Sie daran, dass wir gesagt haben, dass 1080p60 unkomprimiert etwa 3,6 Gbit/s erreicht, sodass das mit H.264 erreichte Verhältnis etwa 150:1 beträgt, kombiniert mit einer wohl höheren Bildqualität als bei anderen Methoden. H.265, wie es von Ultra HD Blu-ray verwendet wird, ist wiederum bis zu 60 % effizienter als H.264, erfordert jedoch einiges an Zahlenverarbeitung.

Der herausragende Vorteil jeder H.26x-basierten Lösung ist ihre SEHR niedrige Bitrate; So niedrig wie 15 Mbit/s für 1080p60, sodass selbst über ein altes 100Base-T-Modem oder über WLAN ein Kinderspiel ist. Beachten Sie jedoch die höhere Latenz jeder Inter-Frame-Methode. Robert Bishop von Miravue fügt hinzu: „H.26x bietet ein besseres Bild mit einem Zehntel der Bandbreite im Vergleich zu anderen … Überlegen Sie, welche Technologie Sie installieren und warten möchten – die, die auf allem und überall läuft, sogar drahtlos?“

Ein weiterer Kandidat, der kürzlich bekannt gegeben wurde, istHDBaseT-IP ™, ein Hybridsystem aus HDBaseT und AVoIP über eine bidirektionale Brücke. Diese Lösung fügt den bewährten 5Play-Funktionssatz von HDBaseT einer flexiblen AVoIP-Plattform hinzu, die in der Lage ist, die Komprimierungsverhältnisse je nach Eingangssignal anzupassen, um Netzwerkgeschwindigkeiten von 1 GbE bis 2,5, 5 oder 10 GbE zu optimieren.

Oben: Das überbrückte HDBaseT- und HBaseT-IP-System unterstützt 1-10-GbE-Netzwerke. Quelle: HDBaseT Alliance

Latenz

Das ganze Zahlenrechnen braucht Zeit, genau wie lange wir in Bruchteilen von Sekunden zählen. Latenz verursacht Unbehagen beim Benutzer. Genauer gesagt: Es ist nervig! Denken Sie darüber nach, eine Fernbedienung mit 100 ms Latenz zu verwenden, um durch den TV-Kanal oder das Netflix-Menü zu navigieren …

Der Begriff „geringe Latenz“ bedeutet typischerweise etwa 100 ms oder weniger. „Ultra-Low“ liegt unter 30 ms. Wirklich leichte Komprimierung, wie z. B. Line-Code-Methoden, kann sich mit weniger als 20 Mikrosekunden (µs) rühmen, was niedrig genug ist, um für uns Normalsterbliche nicht wahrnehmbar zu sein.

Einige Hersteller beziehen sich möglicherweise eher auf Latenzrahmen als auf Millisekunden. Dies ist etwas unklarer, da es von der Bildrate der Quelle abhängt. Die Latenz eines Frames bei 30 Bildern pro Sekunde ist doppelt so lang wie bei 60 Bildern pro Sekunde. Informieren Sie sich einfach, womit Sie es zu tun haben, indem Sie den Anbieter fragen.

Was ist also die ideale Zahl? Nun, das hängt von der Anwendung und der Benutzertoleranz ab. Gamer wollen NULL Latenz, aber einer Sportbar, die Inhalte an alle ihre Fernseher verteilt, ist das vielleicht egal. Oben: Leitfaden zum Leistungsvergleich zwischen Komprimierungsansätzen. Quelle: CEDIA

Funktionen und Bereitstellung

AVoIP kann als Punkt-zu-Punkt-Verbindung eingerichtet werden. In diesem Fall ist nicht einmal ein Netzwerk-Switch erforderlich, oder es kann mit standardisiertem IP-Multicast arbeiten. Letzteres erfordert die Verwendung eines Switches, der das Internet Group Management Protocol (IGMP) unterstützt, und eine ausreichende Backplane-Geschwindigkeit zur Unterstützung des Datenverkehrs. Ob Sie sich für die Implementierung von Video-LANs (VLANs) entscheiden, ist optional – von einigen nicht empfohlen, von anderen durch Konfigurationstools vorgeschrieben. Wenn Sie sich nicht sicher sind, was das alles bedeutet, empfehle ich Ihnen, einen Blick auf die Networking-Ausbildungswege von CEDIA zu werfen, von der Einführungsstufe bis zur Fortgeschrittenenstufe.

Ein fantastischer Aspekt von AVoIP ist die softwaredefinierte Natur der Technologie. Ein beliebtes Beispiel ist Multiview, bei dem mehrere Videobilder gleichzeitig in verschiedenen Konfigurationen angezeigt werden können. Dabei ist die additive Bandbreite mehrerer gleichzeitiger Bilder zu beachten. Beispielsweise kann ein 500-Mbit/s-Stream (mit Headroom) durch ein 1-GbE-Netzwerk passen, aber versuchen Sie, fünf davon gleichzeitig auf ein Display zu übertragen! Die Mathematik funktioniert einfach nicht.

Cisco berichtet, dass bis 2020 82 % des weltweiten Internet-Verkehrs von Verbrauchern aus Videos bestehen werden. Der Aufstieg von AV-over-IP zur Verbreitung von In-Home-Inhalten ist eine Ergänzung dazu. Der Anstieg der Internetverbindungsgeschwindigkeiten und der Download-Anforderungen sowie die Zunahme des inländischen IP-Verkehrs machen den Übergang zu schnelleren Netzwerken unumgänglich. Darüber hinaus entwickeln sich Videoformate ständig weiter. HDMI liefert uns bereits 4K60 4:4:4 mit 18 Gbit/s und erreicht einen neuen Spitzenwert von 48 Gbit/s! Selbst bei der Umstellung auf 10-GbE-Netzwerke ist eine Form der Komprimierung immer noch unvermeidlich, aber das ist keine schlechte Sache.

David ist seit 23 Jahren in der Branche tätig und verfügt als Gründer der Kordz-Gruppe über Erfahrung in den Bereichen Fotografie und Bildbearbeitung, Heimkino-Einzelhandel und kundenspezifische Installation sowie Produktdesign, Herstellung und Vertrieb. Er hat ein Jahrzehnt lang als CEDIA-Freiwilliger gearbeitet und sich einen Ruf als einer der produktivsten Fachexperten, Autoren und Pädagogen zu den Themen HDMI, HDBaseT und UHD erworben. Er hat zahlreiche Kurse verfasst und moderiert, die er auf drei Kontinenten präsentiert, zusammen mit Whitepapers und technischen Webinaren, und ist nun ein Vollzeitmitglied des professionellen Personals von CEDIA.