Für Broadcast-Netzwerke, egal ob sie Videoinhalte (Fernsehen oder Streaming) oder Audioinhalte (Radio) ausstrahlen, ist die Zeitsynchronisation ausschlaggebend.
Wenn die Systeme nicht perfekt synchronisiert sind, können verschiedene Störungen auftreten, wie zum Beispiel Audio- und Video-Desynchronisationen oder Schnittfehler durch invertierte Frames.
Diese Probleme können durch eine schlechte Netzwerkqualität oder einen sehr hohen Datenverkehr noch verstärkt werden. Daher ist es wichtig, eine optimale Zeitsynchronisation zu gewährleisten, um ein optimales Nutzererlebnis zu ermöglichen.
PTP: Präzision im Dienste von Broadcast-Netzwerken
Um diesen Bedarf zu decken, ist ein Synchronisationsprotokoll erforderlich, das eine hohe Genauigkeit bietet und zugleich über große Entfernungen hinweg funktioniert. Broadcast-Netzwerke müssen nämlich eine große Anzahl von Kunden ansprechen, die geografisch über ein Land oder darüber hinaus verstreut sind.
Das Zeitsynchronisationsprotokoll PTP (Precision Time Protocol) erbringt ausgezeichnete Leistungen und funktioniert zudem über große Entfernungen hinweg. Im Jahr 2002 wurde es erstmals unter dem Namen IEEE-1588 standardisiert. In der Folge wurde es mehrfach überarbeitet.
PTP ist eingeführt worden, um eine höhere Genauigkeit im Vergleich zu NTP (Network Time Protocol) zu bieten, das lediglich eine theoretische Genauigkeit im Bereich von Mikrosekunden hat. Da PTP Hardware-Zeitstempel verwendet, kann es theoretisch eine Genauigkeit im Bereich von Nanosekunden erzielen. In der Praxis liegt die Genauigkeit unter einer Mikrosekunde, was für Broadcast-Netzwerke ausreichend ist.
Wie funktioniert PTP?
PTP funktioniert nach dem Master-Slave-Prinzip mit einer Master-Uhr, die ihre Uhrzeit an das gesamte Netzwerk verteilt.
Um die Master-Uhr eines Netzwerks nicht zu überlasten, kann diese von sogenannten „Boundary Clocks“ unterstützt werden, die im Verhältnis zur Master-Uhr als Slaves fungieren, für die Uhren, die sich im Netzwerk hinter ihnen befinden, jedoch als Master.
Es gibt zwei Arten von Nachrichten, die zirkulieren. Zunächst sendet die Master-Uhr ihren Zeitstempel und gleichzeitig wird die Übertragungszeit von den Slave-Uhren im Netzwerk geschätzt. Sobald ein Slave dann den netzwerkinduzierten Zeitversatz zwischen ihm und der Uhr kennt, kann er seine Uhr synchronisieren, sobald er die Zeitstempel der Master-Uhr empfängt.
Die Besonderheit von IP-Netzwerken
In der Vergangenheit nutzten die Betreiber analoge Netzwerke, um Audio- oder Videoinhalte zu übertragen. Da jeder Kanal nur einen einzigen Datenstrom übertragen konnte, war der Synchronisationsbedarf geringer und wurde durch Algorithmen wie Black and Burst oder Tri-Level-Sync sichergestellt, die speziell für diese Art von Medien entwickelt wurden. In jüngster Zeit rücken die Betreiber aus Kostengründen und wegen der einfacheren Wartung von SDI (Serial Digital Interface) ab und setzen stattdessen auf IP (Internet Protocol).
Da SDI-Netzwerke jedoch zuverlässiger sind als IP-Netzwerke, erfordert dieser Wechsel eine intensivere Überwachung der Paketverwaltung im Netzwerk sowie eine größere Sorgfalt bei der Synchronisation, um Fehler zu vermeiden. Die zeitliche Genauigkeit rückt in diesem Zusammenhang in den Vordergrund.
Mit PTP können diese Herausforderungen bewältigt werden. Dank seiner hohen Präzision ermöglicht das Protokoll die effiziente Synchronisation einer großen Anzahl von Rechnern. Audio- und/oder Video-Frames verlassen zwar in der richtigen Reihenfolge die Quelle, es ist jedoch nicht sicher, dass die Pakete nicht auf Verzögerungen stoßen oder auf dem Weg verloren gehen. Mit einem genauen Zeitstempel ist der Empfänger in der Lage, die Pakete wieder in die richtige Reihenfolge zu bringen, um die Sequenz in der gewünschten Abfolge an den Nutzer auszustrahlen.
Die technischen Aspekte von PTP
In der PTP-Konfiguration existiert ein Mechanismus mit Profilen, die es ermöglichen, verschiedene Protokollparameter festzulegen. Diese verschiedenen Profile stellen sicher, dass PTP für die jeweilige Anwendung optimal funktioniert. So gibt es auch ein Profil für Broadcast-Netzwerke. Es ermöglicht die optimale Nutzung von PTP und trägt dazu bei, Fehler weitestgehend zu vermeiden. Dieses Profil wurde von der Society of Motion Picture and Television Engineers definiert und nennt sich SMPTE 2059-2. Folgende Parameter werden durch das Profil definiert:
| Parameter | Default | Minimum | Maximum |
|---|---|---|---|
| Domain number | 127 | 0 | 127 |
| Announce interval | 250 ms | 125 ms | 1 s |
| Sync interval | 125 ms | 1/128 s | 500 ms |
| Delay request interval | Sync interval | Sync interval | 32 x Sync interval |
Dank der dafür vorgesehenen Profile gewährleistet PTP auch eine geeignete Synchronisation für 4G- und 5G-Mobilfunknetze. Diese Netze werden mit der Veränderung des Verbraucherverhaltens immer mehr zu einer Herausforderung für Broadcast-Netzwerke. Generell wird PTP nun im Standard des Open Radio Access Network (Open RAN oder O-RAN) verwendet.