放送映像機器向け『Media Over IP SMPTE ST2110』の基礎 - その3 - 半導体事業

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基礎 FPGA/CPLD/ASIC システム・サブシステムソフトウェアネットワーク

1. はじめに

SMPTE ST 2110 Professional Media Over Managed IP Networks(以下SMPTE 2110もしくはST2110)とは、放送など業務系映像をIPネットワーク上で通信するためのいくつかの規格を発展的にまとめたSMPTE標準規格です。この規格の標準化により業界ではSDIベースからIPベースの伝送へ切り替えが進んでいます。マクニカは「SMPTE ST2110 FPGA IPコア」など、お客様が本規格を容易に実装するためのFPGA・Softwareソリューションを開発、提供しています。

今回はSMPTE ST2110-10規格の概要について説明いたします。

2. 2. SMPTE ST2110-10について

ST2110-10では、ST2110による伝送システム全体を確立するため必要な基本要件となる下記3つの内容を規定しています。

ネットワークインターフェース要件
システムタイミングモデル
SDP (セッションディスクリプションプロトコル)

次項より、それぞれの内容について、どのようなことが規定されているかを見ていきたいと思います。

3. ネットワークインターフェース要件

ST2110は端的には映像、音声および補助データなどの各メディアエッセンスをEthernetで通信する規格を示しますが、一言でEthernetと言ってもどのような規約に従って伝送するのかの明確化が必要です。ST2110-10では、下記の基本ルールに従いST2110機器間のデータ通信をおこないます。

ST2110送受信機器は全てIPv4に対応する。将来的にはIPv6への対応も想定。
UDPベースのReal-Time Transport Protocol（以下、RTP）を用いて、各メディアデータを伝送する。
UDPのサイズ上限は1460byteとする。8960byteを上限としたJumbo Frameのサポートは任意。
IPv4 UnicastとIPv4 Multicastの両方に対応すること。

特にIPv4 Multicastについては、Internet Group Management Protocolなどの関連規格への理解と対応が必要になり、安定したST2110伝送環境の構築する上で最初のハードルになることがありますので、しっかりと抑えておく必要があります。

4. システムタイミングモデル

VideoデータやAudioデータを伝送しリアルタイムで再生する際に重要になるのは、送信側と受信側の同期です。同期していない状態で映像音声を伝送し再生しようとすると、受信側でデータバッファーのオーバーフローやアンダーフローが発生し、安定的な再生が実現できません。

機器間の同期を実現するために、これまでのSDIベースのシステムではBB（Black Burst）信号が用いられておりました。ST2110システムではBB信号の代わりにPTPによる時刻同期の仕組みを利用します。時刻同期とは各機器それぞれが自身で管理する時計＝インターナルクロックを用意し、全機器のインターナルクロックを共通リファレンスクロックに一律同期させる考え方です。ST2110では、この時刻同期をIEEE 1588-2008 Precision Time Protocolおよびその放送用途向け拡張規格であるSMPTE ST2059を使用して確立します。

ST2110-10に準拠した伝送システム内には、通常ST2059対応のPTPグランドマスタークロック装置が配置され、同装置を共通リファレンスクロックとします。システム内の各機器は、PTPグランドマスタークロックと自身のインターナルクロックをPTPパケットのやり取りを通して同期させます。これにより、システム内の全機器間の時刻同期が確立されます。また、ST2110-10では実際に伝送するVideoデータやAudioデータの周波数もインターナルクロック、すなわち共通リファレンスクロックに同期していることが期待されています。つまりST2110-10では、入出力メディアデータを含むシステム全体がすべて同期したシステム構築を想定しているというのが基本コンセプトになっています。

ST2059の仕組みについては、次回以降でもう少し詳しく解説していきます。ここでは、ST2110-10のシステムはST2059で同期されているというポイントだけご理解頂ければ十分です。

ST2110-10のシステムタイミングを理解する上で、もう一つだけ抑えておくべきポイントがあります。ST2110では、Video, Audio, Metadataの各エッセンスはそれぞれ独立したRTPストリームで伝送されます。また、ST2110では異なる機器から送信されたエッセンスを直接組み合わせて取り扱うことも想定しています。このため、受信機器側で各RTPストリーム内のデータ再生タイミングを調整し、リップシンクなどのエッセンス間の同期を取るための仕組みが必要になります。ST2110-10では、RTPヘッダに含まれるRTP Timestampを利用してこれらを実現します。

各エッセンスがST2110 SenderによりRTPにパケット化される際、RTP Clockの現在時刻情報をもとにRTP Timestampが付加されます。RTP ClockとはRTP Timestampの元となる時刻情報で、機器内のインターナルクロックに同期するよう各機器が自身で管理します。またST2110対応機器は、エッセンスごとに異なる周波数のRTP Clockを管理する必要があります。VideoおよびMetadata用には90KHzのRTP Clock, Audio用にはAudioのサンプリングレート（一般的には48KHz）に合わせたRTP Clockが用いられます。

前述の通り、ST2110-10システム内の各機器は、ST2059によりインターナルクロックの同期が確立されているため、インターナルクロックから生成されるRTP Clockも自ずと機器間で同期することになります。これによりReceiver側でRTPを受信した際、RTP Timestampを参照することで、そのRTPに含まれるエッセンスデータが対応する時刻を知ることができ、VideoストリームとAudioストリーム間のタイミングや異なる機器から受信したRTPストリーム間の再生タイミング調整が可能になります。

5. Session Description Protocol (SDP)

ST2110の各RTPストリームには、Videoフォーマットやフレームレート、Audioチャネル数など、エッセンスの素性を示す情報がほとんど含まれておりません。このためST2110 Receiver側で受信したRTPストリームからメディアを正しく再生するためには、ST2110 Sender側から伝送中のエッセンスの素性を教えてもらう必要があります。この伝達手段として、ST2110-10ではIETF RFC4566で規定されているSDPを使用します。

ST2110 Senderは、各RTPストリーム個別に、IPアドレスやエッセンスの素性など、受信側で必要になる伝送情報が記述されたテキストベースのSDPファイルを生成します。ST2110 Receiverは、受信対象のRTPに対応するSDPファイルを事前に読み込み、内容を解析することで、受信対象とすべきRTPストリームの特定とそのエッセンスの素性の把握を行うことができます。

ST2110-10ではSDPの使用と生成は規定してますが、SenderとReceiver間でのSDPファイルをどのようにやり取りするかの方法までは取り決めておりません。ST2110を使用した映像伝送システム全体の制御に関してはAMWA NMOSという規格があり、機器情報の登録やSDPファイルのやり取りについてはNMOS IS-04/IS-05に則っておこなうのが業界標準となっています。

6. 最後に

今回はST2110-10規格概要について解説させて頂きました。ST2110-10規格を読み解くことによってST2110各規格のベースとなる共通コンセプトや、ST2110伝送システムにおいてST2059やIEEE1588のPTPが非常に重要な役割を担っていることがご理解頂けたのではと思います。本コラムでは今後、ST2059やAMWA NMOSなどの関連規格についてもお話させて頂く予定です。