AV over IP

AV over IP ersetzt die feste Kreuzschiene durch ein Netzwerk: Jede Quelle bekommt einen Encoder, jedes Display einen Decoder, und dazwischen liegt ein Switch statt einer Matrix. Wie beim Ton gilt auch hier, dass es keine eigene Kabelgattung gibt — es gibt eine Plattform (Crestron DM NVX, SDVoE, IPMX), einen Transport (1 oder 10 Gigabit Ethernet) und ein Medium (Cat 6A, Glasfaser). Anders als beim Ton entscheidet hier aber eine einzige physikalische Größe über alles Weitere: die Datenrate des Bildes.

Was an die Stelle der Matrix tritt

Eine klassische Matrix ist ein Gerät mit fester Größe. Acht Eingänge, acht Ausgänge, und wer den neunten Bildschirm anschließen will, tauscht das Gerät. Bei der Netzverteilung ist die Größe dagegen offen: Ein weiterer Endpunkt ist ein weiterer Switchport. Das ist der Grund, warum diese Bauweise überhaupt existiert, und der einzige, der bei kleinen Anlagen nicht zieht — vier Quellen auf vier Displays sind mit einer Matrix schlicht billiger und einfacher.

Dafür wandert etwas, das vorher im Gerät steckte, nach außen: die Zuverlässigkeit der Verbindung. In einer Matrix ist der Weg von Eingang drei zu Ausgang fünf eine Eigenschaft des Geräts. Im Netz ist er eine Eigenschaft der Konfiguration — und ein Switch, der falsch eingestellt ist, macht aus einem Bildproblem ein Netzwerkproblem. Wer diese Verschiebung nicht mitplant, hat am Ende die Flexibilität gekauft und die Betriebssicherheit verkauft.

Die Datenrate ist die eigentliche Grenze

Hier lohnt sich eine Rechnung, weil sie die halbe Marketingsprache der Branche entschärft. Ein Bild mit 3840 × 2160 Bildpunkten bei 60 Hz und voller Farbauflösung (4:4:4) mit 8 Bit je Grundfarbe ergibt:

3840 × 2160 × 60 × 24 Bit ≈ 11,9 Gbit/s

Und das ist nur der aktive Bildbereich, ohne die Austastlücken, die auf der HDMI-Leitung zusätzlich mitlaufen. Mit 10 Bit für HDR steigt der Wert auf rund 14,9 Gbit/s. Selbst ein Full-HD-Bild in 1920 × 1080 bei 60 Hz und 4:4:4 kommt noch auf rund 3,0 Gbit/s.

Daraus folgen zwei Sätze, die man sich merken kann. Erstens: In einen Gigabit-Link passt kein unkomprimiertes Video, nicht einmal Full HD. Jede AV-over-IP-Plattform auf 1-Gigabit-Basis komprimiert also — die Frage ist nur, wie stark und mit welchem Verfahren. Zweitens: Auch 10 Gigabit reichen für 4K60 in 4:4:4 nicht ganz. Genau das spiegelt sich in den Angaben der SDVoE Alliance, die für HD und 4K30 von unkomprimierter Übertragung spricht, für 4K60 in 4:4:4 dagegen von artefaktfreier Übertragung — ein Wortwechsel, der genau an dieser Stelle sitzt.

Drei Kompressionsklassen, drei Netze

Die Plattformen sortieren sich entlang dieser Rechnung, und mit der Kompressionsklasse steht auch fest, was das Netz können muss.

Crestrons DM NVX steht beispielhaft für die mittlere Klasse. Die Geräte arbeiten über Standard-Gigabit-Ethernet und übertragen Video, Audio und USB; für 4K60 nennt Crestron eine Mindestbitrate von 350 Mbit/s, im festen Modus reicht die Spanne von 200 bis 950 Mbit/s. Gegen die berechneten 11,9 Gbit/s heißt das ein Kompressionsverhältnis von rund 13:1 bis 34:1. Crestron bezeichnet das Verfahren als Pixel Perfect Processing und gibt eine Ende-zu-Ende-Verzögerung von weniger als einem Vollbild an; das ist eine Herstellerangabe, keine unabhängig geprüfte Messung.

SDVoE steht für die obere Klasse. Die Alliance wurde im Januar 2017 von AptoVision, Aquantia, Christie Digital, NETGEAR, Sony und ZeeVee gegründet, um 10-Gigabit-Ethernet als AV-Transport zu etablieren, und gibt eine Transportverzögerung von unter 100 Mikrosekunden an — weniger als ein Hundertfünfzigstel eines Vollbilds. Neben dem Bild führt die Strecke einen eingebetteten 1-Gbit/s-Ethernet-Kanal sowie RS-232 und Infrarot.

IPMX ist die dritte Richtung und noch keine fertige Antwort. Es setzt auf SMPTE ST 2110 aus dem Rundfunk auf, ergänzt die Gerätesuche und Verbindungsverwaltung über AMWA NMOS und die für Pro AV nötigen Bausteine wie HDMI-Anbindung, Kopierschutz und USB; die Dokumente veröffentlicht das Video Services Forum als TR-10-Reihe. Die AMWA beschreibt IPMX ausdrücklich als vorgeschlagenen Satz von Standards. Für eine Anlage, die heute gebaut wird, ist das eine Beobachtungsposition, keine Produktentscheidung.

Multicast: der Punkt, an dem AV-over-IP-Netze kippen

Ein Encoder sendet, mehrere Decoder hören zu. Technisch ist das ein Multicast-Strom, und daran hängt die Betriebssicherheit der ganzen Anlage. Ohne IGMP-Snooping behandelt ein Switch einen solchen Strom wie einen Rundruf und schickt ihn an alle Ports gleichzeitig. Bei einem Strom von mehreren hundert Megabit pro Sekunde ist das kein Leistungsverlust, sondern ein sofort volles Netz — inklusive der Ports, an denen Rechner und Telefone hängen.

Crestron formuliert die Anforderungen für DM NVX entsprechend verbindlich, und sie gelten sinngemäß für jede Plattform dieser Art:

• IGMPv2-Snooping an den Ports der Endgeräte, damit der Strom nur dorthin geht, wo er gebraucht wird; IGMPv3 ist ebenfalls möglich.
• Ein IGMP-Querier im Netz — mindestens einer, und genau einer, weil mehrere sich gegenseitig stören. Er hält die Zuordnung von Sendern und Empfängern aktuell.
• Fast-Leave, damit ein Decoder beim Umschalten den alten Strom sofort abbestellt und nicht erst nach Ablauf eines Zeitfensters.
• Nichtblockierende Backplane und Layer-3-Fähigkeit, mit 1 Gbit/s je Endgerät im Uplink-Budget. Crestrons eigenes Rechenbeispiel: Ein 48-Port-Switch mit 40 Gbit/s Uplink bedient höchstens 40 DM-NVX-Geräte ohne Engpass.
• Ein eigenes Subnetz und ein eigenes VLAN nach 802.1Q; in gerouteten Netzen zusätzlich PIM Sparse Mode.

Das ist die Stelle, an der AV over IP teurer wird als der Vergleich der Endgerätepreise vermuten lässt. Der Switch ist kein Zubehör, sondern Teil der Bildkette.

Abgrenzung zu HDBaseT

Beide Wege laufen über dieselbe Category-Verkabelung, und genau deshalb werden sie verwechselt. Der Unterschied ist grundsätzlich: HDBaseT ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen genau zwei Geräten und überträgt unkomprimiert; ein Switch im Weg unterbricht sie. AV over IP ist echter Netzwerkverkehr, skaliert auf viele Quellen und Senken und komprimiert dafür. Wo eine einzelne Strecke zu einem Projektor führt, ist HDBaseT der einfachere und bildtreuere Weg; wo viele Ziele bedient werden sollen, führt kein Weg an der Netzverteilung vorbei. Alles Weitere — Generationen, Reichweiten, Strom über dieselbe Leitung — steht im Eintrag HDBaseT und wird hier nicht wiederholt.

Häufige Missverständnisse

„AV over IP läuft über unser bestehendes Netzwerk." Möglich ist das, üblich ist es nicht, und zwar aus einem Grund, der wenig mit Bandbreite zu tun hat: Die Multicast-Anforderungen oben greifen tief in die Konfiguration ein. Ein Firmennetz oder ein gewachsenes Heimnetz verträgt diese Einstellungen selten ohne Nebenwirkungen. Die übliche Antwort ist deshalb ein eigenes Netzsegment — physikalisch getrennt oder als eigenes VLAN mit eigenem Subnetz.

„Unkomprimiert ist immer besser." Der Satz stimmt in der Sache und führt trotzdem in die Irre, weil er die Kosten unterschlägt: Die unkomprimierte Klasse verlangt 10-Gigabit-Ports an jedem Endpunkt und im Kern. Ob der Unterschied zur leicht komprimierten Klasse im konkreten Raum an der konkreten Fläche überhaupt sichtbar wird, ist eine Frage, die vor der Kaufentscheidung steht und nicht danach.

„Ein Decoder ist ein Decoder." Innerhalb einer Plattform vielleicht, darüber hinaus nie. DM NVX, SDVoE und IPMX sind untereinander nicht kompatibel; ein Encoder der einen Welt spricht nicht mit einem Decoder der anderen. Die Bindung an einen Anbieter ist bei AV over IP enger als bei einer Matrix, nicht lockerer — dort tauscht man im Zweifel ein Gerät, hier die ganze Endgeräteflotte.

Grenzen und Sonderfälle

Kopierschutz. Geschützte Inhalte laufen über AV over IP nur, wenn die gesamte Kette die passende HDCP-Version beherrscht und die Zahl der gleichzeitigen Senken innerhalb dessen bleibt, was die Quelle zulässt. Der Eintrag HDCP behandelt die Mechanik; in der Netzverteilung ist sie der häufigste Grund für ein schwarzes Bild an einem einzelnen Display.

Wenn die Bitrate zu niedrig steht. Crestron dokumentiert für DM NVX ausdrücklich, dass unterhalb von 350 Mbit/s bei 4K60 ein schwarzes Bild auftreten kann. Das ist kein Randfall, sondern eine typische Fehlerquelle, wenn ein Encoder aus einer älteren Konfiguration übernommen wurde.

Reichweite und Medium. Für Kupfer gelten die üblichen Grenzen der strukturierten Verkabelung — Crestron nennt 90 Meter Installationsleitung plus 10 Meter Patchkabel, Kupfer ab Cat 5e. Für alles darüber und für die potentialfreie Verbindung zwischen Gebäudeteilen übernimmt Glasfaser über SFP-Transceiver.

Ton getrennt vom Bild. Viele Plattformen erlauben, Audio unabhängig vom Video zu routen; DM NVX etwa führt Audio zusätzlich als AES67-Strom mit 24 Bit und 48 kHz. Ob das der richtige Weg ist oder ob der Ton besser über eine eigene Audioplattform läuft, behandelt die Seite Audio over IP.

In der Planung

Ein Haus bekommt ein Kino im Untergeschoss, einen Fernseher im Wohnzimmer, einen in der Küche und einen im Außenbereich. Die Quellen sollen zentral im Technikraum stehen.

Die Konzeptfrage lautet nicht „Matrix oder Netzwerk", sondern: Welche Quelle soll auf welchem Ziel laufen können, und was davon ist in fünf Jahren noch richtig? Solange die Antwort eine feste, kleine Zuordnung ist, gewinnt die Matrix — sie ist billiger, sie ist einfacher, und sie hat keine Konfiguration, die kaputtgehen kann. Sobald Ziele hinzukommen sollen, ohne dass zentrale Geräte getauscht werden, dreht sich das Verhältnis.

Aus der Antwort folgt die Verfahrensfrage, und sie hat genau eine Achse: Wie viel Kompression ist im Kino zulässig? Von dieser einen Entscheidung hängt alles Weitere ab — sie legt den Transport fest (1 oder 10 Gigabit), damit die Switch-Klasse, damit das Medium zu den entfernten Punkten und damit einen erheblichen Teil des Budgets. Der Kinoraum ist dabei der Maßstab, nicht die Küche.

Erst danach kommen die Geräte, und an dieser Stelle lohnt eine Zwischenfrage: Muss wirklich jedes Ziel im Netz hängen? Eine gemischte Lösung ist häufig die ruhigere — die Netzverteilung für die Ziele, die wechseln sollen, und eine direkte Strecke für den Projektor, der ohnehin immer dieselbe Quelle sieht.

Verknüpfte Inhalte

Die Grundlagen des Hausnetzes — Verfügbarkeit, gleichmäßige Laufzeit, Auffindbarkeit — stehen auf der Seite Heimnetzwerk-Grundlagen; sie ist die Voraussetzung dieser Seite. Die Tonseite derselben Technik behandelt Audio over IP, die Punkt-zu-Punkt-Alternative der Eintrag HDBaseT. Warum ein Display trotz korrekter Verkabelung schwarz bleiben kann, klären EDID und HDCP; welche Kabelklassen für die direkte HDMI-Strecke gelten, die Seite HDMI-Kabelklassen. Für die physikalische Ebene sind Kabelkategorien, SFP-Transceiver und die Faserklassen OM und OS die Anschlusspunkte, für die Unterbringung der Endgeräte Technikraum für AV-Technik.

Quellen

Die Angaben zu DM NVX — Gigabit-Transport, Bitratenbereiche, Mindestbitrate für 4K60, Anschlüsse und AES67-Audio — stammen aus Crestrons Produktdokumentation; die Netzwerkvorgaben einschließlich IGMP-Snooping, Querier, Fast-Leave, Uplink-Budget, VLAN und PIM Sparse Mode aus Crestrons Leitfaden zum AV-over-IP-Netzwerkdesign. Transportklasse, Verzögerungsangabe und Funktionsumfang von SDVoE sind bei der SDVoE Alliance dokumentiert und als Herstellerangabe geführt; Gründungsdatum und Gründungsmitglieder stammen aus der Fachpresse und sind nicht primärquellengeprüft. Der Status von IPMX ist bei der AMWA beschrieben, die Auslegungsziele von JPEG XS im Weißbuch des JPEG-Komitees. Die Datenraten am Anfang sind gerechnet, nicht zitiert: Bildpunkte mal Bildrate mal Bittiefe, ohne Austastlücken.