SMPTE ST-2110 影像傳輸延遲分析報告
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- 4月18日
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已更新：4月20日
報告撰寫：堅達公司技術處
報告日期：民國114年4月18日
I. 前言：SMPTE ST-2110 與延遲的重要性
A. 從 SDI 到 IP 的轉變
專業廣播行業正經歷一場從傳統基頻串列數位介面 (SDI) 基礎設施向基於網際網路協定 (IP) 的媒體傳輸的重大轉變 1。這一轉變的主要驅動力包括對更高靈活性、可擴展性的需求，利用商用現成 (COTS) IT 硬體可能帶來的成本效益（儘管初始成本可能較高 5），以及與 IT 和雲端工作流程的整合能力 2。IP 技術使得在設施、場館或園區內長距離移動視訊訊號成為可能，例如將大學校園內的節目製作訊號透過網路傳送到電視台 3。這種轉變不僅僅是用 IP 取代 SDI 線纜，更重要的是它開啟了基於 IT 協定和基礎設施的全新應用和工作流程的可能性，類似於影音行業從實體磁帶轉向虛擬數位檔案進行內容儲存的變革 2。
B. SMPTE ST-2110 的定義
在此背景下，電影電視工程師協會 (SMPTE) 開發了 SMPTE ST-2110 標準套件，目的在規範專業媒體在受管理 IP 網路上的傳輸 1。此標準套件的基礎源自視訊服務論壇 (VSF) 發布的技術建議 TR-03 和 TR-04 1，其設計目標是應用於對品質和靈活性要求高於頻寬效率的廣播製作和分發設施內部 12。ST-2110 的核心原則是將傳統 SDI 中複用在一起的視訊、音訊和輔助數據分離成獨立的「Essence」（本質）串流 2。這種分離允許每個元素資料串流獨立路由、處理和儲存，為媒體工作流程帶來前所未有的靈活性 2。
C. 廣播中延遲的關鍵性
延遲 (Latency) 指的是訊號在媒體工作流程中各處理階段引入的時間延遲 26。在廣播應用中，特別是現場製作、主控室 (MCR) 操作（延遲以毫秒為單位測量 26）、遠端製作 (REMI)、互動式應用以及維持影音同步（唇音同步）等方面，低且可預測的延遲非常重要 18。例如，在體育場館中，為了避免觀眾感到眩暈，從賽場上的動作發生到場內大螢幕（如 Jumbotron）顯示影像之間的端到端延遲必須極小 26。所有音訊和視訊元素必須即時且同步 26。這與 OTT（Over-the-Top）傳輸的延遲形成對比，後者通常長達數秒，主要是由於需要緩衝以適應自適應串流、多設備傳輸和大型網路分發 26。人類對延遲的感知閾值是一個重要的參考點，有研究指出該閾值約為 13 毫秒 20 或 16 毫秒 。
從 SDI 轉向 IP 引入了新的延遲考量。傳統 SDI 是點對點的同步系統 33，其延遲主要來自設備內部的處理 29。而基於 IP 的 ST-2110 是封包化的，若沒有精準時間協定 (PTP) 的支援則可能是非同步的 29。其延遲不僅包含端點處理延遲，還額外增加了網路傳輸延遲（如交換器延遲 ）以及封包化和緩衝延遲 37。因此，管理 IP 環境下的延遲需要理解比傳統 SDI 更複雜的一系列相互作用的因素。
D. 報告目標與範圍
本報告目的在深入分析影響 SMPTE ST-2110 影像傳輸延遲的各種因素，提供量化的延遲數據和典型範圍，將其與傳統 SDI 進行比較，並探討不同系統配置對整體延遲的影響。分析將基於所提供的研究資料，為廣播工程師、系統整合商和技術管理人員提供專業級的技術洞察。
II. ST-2110 框架：架構與時序機制
A. 基於 Essence 的傳輸
SMPTE ST-2110 的核心架構是將媒體內容分解為獨立的 Essence 流，主要包括視訊 (ST 2110-20, -21, -22)、音訊 (ST 2110-30, -31) 和輔助數據 (ST 2110-40, -41, -43) 1。這些獨立的 Essence 流透過即時傳輸協定 (RTP) 封裝，並承載於使用者資料包協定/網際網路協定 (UDP/IP) 之上進行傳輸 。
這種基於 Essence 的方法帶來了顯著的優勢。首先，它允許每個 Essence 流被獨立地路由、處理和儲存 2。接收端可以根據需要選擇訂閱特定的 Essence 流，而無需接收和解嵌整個複用訊號，這不僅提高了處理效率，也減少了不必要的硬體需求 11。其次，相較於將所有元素複用在單一串流中的方法（如 SMPTE ST 2022-6），ST-2110 在頻寬使用上更為高效，因為它只傳輸實際需要的 Essence 數據 24。例如，ST-2110-20 在傳輸 HD (1080p60) 視訊時僅傳輸有效畫面數據，省略了水平和垂直消隱區間的數據，可節省約 30% 的頻寬 10。此外，這種分離簡化了添加和處理中繼資料（如字幕、時間碼）以及多語言音訊的過程 2。串流的描述和信令通常透過會談描述協定 (SDP) 來完成 1。
SMPTE ST 2022-6 和 ST 2110-20 頻寬比較
Scan Format | 2022-6 (Gb/s) | 2110-20 (Gb/s) | Difference |
2160p @ 59.94 | 12282.2 | 10279.6 | -16.3% |
1080p @ 59.94 | 3070.7 | 2570.1 | -16.3% |
1080i @ 29.97 | 1535.4 | 1285.0 | -16.3% |
720p @ 59.94 | 1535.4 | 1142.5 | -25.6% |
2160p @ 50 | 12294.8 | 8754.9 | -30.3% |
1080p @ 50 | 3074.1 | 2143.9 | -30.3% |
1080i @ 25 | 1537.4 | 1071.9 | -30.3% |
720p @ 50 | 1537.4 | 953.0 | -39.9% |
B. 關鍵 ST-2110 標準概述
SMPTE ST-2110 是一個包含多個部分的標準套件，其中核心部分包括 11：
ST 2110-10：系統時序與定義 (System Timing and Definitions)：定義了整個 ST-2110 系統的時序模型和要求，是所有 Essence 流的基礎。它規定了如何使用 PTP 進行同步，以及 RTP 和 SDP 的基本要求 1。
ST 2110-20：未壓縮活動視訊 (Uncompressed Active Video)：基於 IETF RFC 4175，規範了未壓縮活動視訊 Essence 的即時 RTP 傳輸。它定義了如何封包像素數據以及透過 SDP 信令傳輸必要的技術中繼資料（如色彩空間、位元深度等） 1。
ST 2110-21：視訊的流量整形與傳輸時序 (Traffic Shaping and Delivery Timing for Video)：定義了視訊 RTP 流離開傳送端時的時序模型，目的在防止高位元速率的視訊流壅塞網路或溢位接收端緩衝區。它定義了三種傳送端類型（N、NL、W），對封包傳輸的「突發性」進行了限制 。
ST 2110-22：恆定位元速率壓縮視訊 (Constant Bit-Rate Compressed Video)：規範了恆定位元速率壓縮視訊 Essence 的即時 RTP 傳輸。為了滿足現場製作的低延遲需求，該標準通常與 JPEG XS 這類輕量級、低延遲的壓縮編解碼器結合使用 。
ST 2110-30：PCM 數位音訊 (PCM Digital Audio)：基於 AES67 標準，規範了未壓縮 PCM 數位音訊流的即時 RTP 傳輸。它定義了音訊取樣的封包方式和透過 SDP 傳輸的中繼資料 1。ST 2110-31 則規範了 AES3 格式音訊的傳輸 1。
ST 2110-40：輔助數據傳輸 (Ancillary Data Transport)：規範了如何將符合 SMPTE ST 291-1 標準的輔助數據（ANC）封包（如隱藏式字幕、時間碼、中繼資料等）映射到 RTP 封包中進行傳輸 1。ST 2110-41 和 ST 2110-43 分別定義了更靈活的數據項目框架和定時文本標記語言 (TTML) 的傳輸 2。
C. 精準時間協定 (PTP) 的作用
精準時間協定 (Precision Time Protocol, PTP)，基於 IEEE 1588 標準，是 SMPTE ST-2110 系統實現精確時間同步的基礎機制 。其目標是提供跨網路的亞微秒級 (μs) 時間同步精度 18，這對於專業媒體應用非常重要，遠超一般網路時間協定 (NTP) 的毫秒級精度 18。在廣播應用中，通常採用 SMPTE ST 2059 定義的 PTP 設定檔 12。
PTP 的高精度同步對於 ST-2110 非常重要，原因在於 Essence 流的分離。由於視訊、音訊和輔助數據作為獨立的 RTP 流在 IP 網路上傳輸，它們可能經過不同的網路路徑，產生不同的傳輸延遲 1。為了在接收端準確地重新對齊這些分離的 Essence 流，所有設備必須共享一個極其精確和穩定的共同時間參考 17。PTP 提供了這個共同的時間基準 17。每個 RTP 封包都帶有時間戳記，該時間戳記指示了封包內媒體取樣的「取樣瞬間」相對於 PTP 時間的值 12。接收端利用這些時間戳記和自身的 PTP 同步時鐘，就能夠計算出每個封包應有的播放時間點，從而精確地重新組合來自不同流的視訊、音訊和數據，即使它們的網路傳輸延遲不同也能保持同步 1。這種基於 PTP 的精確對齊能力，使得 ST-2110 系統能夠在無需額外畫格同步器的情況下進行低延遲處理，例如在視訊導播機中直接切換不同來源的訊號 29。
PTP 系統包含幾個關鍵概念 ：
主時鐘 (Grandmaster Clock, GM)：整個 PTP 域的時間源頭。
邊界時鐘 (Boundary Clock, BC)：通常位於交換器上，它既是上游時鐘的從時鐘，也是下游設備的主時鐘，可以隔離 PTP 流量，提高系統擴展性。
透明時鐘 (Transparent Clock, TC)：也位於交換器上，它測量 PTP 封包通過交換器的駐留時間，並將此延遲添加到封包的校正欄位中。
從時鐘 (Follower/Slave Clock)：網路中的終端設備，其時鐘與主時鐘同步。
最佳主時鐘演算法 (Best Master Clock Algorithm, BMCA)：用於在網路中自動選擇最佳的時鐘源作為 GM，確保系統的穩定性和容錯性。
PTP 域 (PTP Domains)：允許在同一物理網路上運行多個獨立的 PTP 同步系統。
一步模式 vs. 兩步模式 (One-Step vs. Two-Step)：計算時序參數的兩種方法，兩步模式透過額外的 Follow-Up 訊息來提高對非對稱網路延遲的補償能力。
一個穩定且持續運作的 PTP 系統，至少包含一個 GM，被認為是 ST-2110 成功部署的強制性要求，其重要性相當於傳統 SDI 系統中的黑場同步 (BB同步、Black Burst) 或三階同步 (Tri-Level Sync) 訊號 24。如果 PTP 系統不穩定或失效，將導致同步失效，進而引發視訊畫面跳動、音訊爆音或訊號完全中斷等嚴重問題 17。
然而，PTP 的實施並非易事。它不僅是 ST-2110 低延遲概念的基石，同時也帶來了顯著的技術挑戰 37。與傳統 SDI 系統中簡單的同步鎖定 (Genlock) 相比，設計、部署和維護一個可靠的 PTP 系統需要更深入的網路知識和更精心的規劃 37。挑戰包括處理不同 PTP 版本（PTPv1 和 PTPv2 不相容 46）、設計合理的 PTP 時鐘層次結構（如 BC 與 TC 的選擇 ）、正確配置網路交換器（支援 PTP 功能 ）以及處理網路延遲和非對稱性等問題 。因此，PTP 系統的設計和管理成為 ST-2110 部署中非常重要且潛在的故障點。
簡單來說，ST-2110 透過 Essence 分離提供了前所未有的靈活性 2，但這種靈活性是以必須實施複雜的 PTP 同步系統為代價的。PTP 的精確性直接賦能了 ST-2110 的低延遲潛力，允許對獨立流進行確定性的對齊 15。這是與 SDI 複用訊號的簡單性相比，一個根本性的權衡。
III. 決定 ST-2110 延遲的因素
SMPTE ST-2110 系統的端到端延遲是由多個環節的延遲累積而成。理解這些因素對於設計低延遲系統和排除故障非常重要。主要延遲來源可分為端點處理延遲、網路傳輸延遲、同步精準度影響以及封包化和流量整形策略。
A. 端點處理延遲
端點設備（如攝影機、監視器、切換器、閘道器、編解碼器等）在處理訊號時會引入延遲 29。
閘道器 (SDI<>IP)：在 SDI 和 ST-2110 IP 網路之間轉換訊號的閘道器是常見的延遲來源 29。
封裝延遲 (Encapsulation Delay, eDelay)：將 SDI 訊號轉換為 ST-2110 封包流的過程會引入延遲。這包括訊號串列化、封包化以及可能的畫格同步 29。如果輸入的 SDI 訊號與 PTP 時鐘同步（同步輸入），則視訊封裝延遲可以非常低，例如僅為半行視訊時間 37。對於同步音訊，延遲主要是一個封包的持續時間，取決於封包時間 (pTime)，最大通常為 1 毫秒 37。然而，如果 SDI 輸入訊號與 PTP 不同步（非同步輸入），閘道器通常需要啟用內建的畫格同步器 (Frame Synchronizer) 將訊號鎖定到 PTP 時間，這會引入至少一個畫格的延遲 17。輔助數據 (ANC) 的封裝延遲取決於所選模式，例如在 M-bit 模式下，需要緩衝整整一個畫格的數據 37。
封裝器延遲（eDelay）：
本質(Essence) | 異步（帶畫格同步） | 同步（無畫格同步） |
影像 | 高達 1 畫格 | ½ 行 |
音訊 | 高達 1 畫格 | 1 封包（最大 1ms + 傳輸時間，可忽略） |
輔助數據 (ANC) | 高達 1 畫格 | 模式 1：1 畫格；模式 2：填充 MTU（1500 位元組）；模式 3：10G/25G 的封包時間 |
解封裝延遲 (De-encapsulation Delay, dDelay)：將 ST-2110 封包流轉換回 SDI 訊號的過程也會引入延遲。這包括接收緩衝、封包重組和 SDI 訊號生成 29。視訊的解封裝延遲通常以行為單位，例如對於 HD 訊號為 7 行，3G 訊號為 14 行，UHD 訊號為 56 行 37。音訊通常需要重新對齊到視訊，因此其延遲取決於視訊延遲 37。為了兼容市場上所有的 ST-2110 傳送端，接收閘道器在處理 ANC 數據時，通常會在 M-bit 模式下增加一個畫格的緩衝延遲 37。
解封裝器延遲（dDelay）：
本質(Essence) | 帶 ST 2022-7 的同步 dDelay | 無 ST 2022-7 的同步 dDelay |
影像 | 2022-7 D：150 μs；HD：7 行；3G：14 行；UHD：56 行 | HD：7 行；3G：14 行；4K：56 行 |
音訊 | 與影像重新對齊，2022-7 D：150 μs；HD：7 行；3G：14 行；UHD：56 行 | 與影像重新對齊；HD：7 行；3G：14 行；UHD：56 行 |
輔助數據 (ANC) | 總是 1 畫格（M-bit 模式） | 總是 1 畫格（M-bit 模式） |
編解碼器 (壓縮)：當使用 ST 2110-22 傳輸壓縮視訊時，編碼和解碼過程會增加延遲 。
JPEG XS：這是 ST 2110-22 最常用的壓縮標準，以其超低延遲特性而聞名 。其延遲通常被描述為亞毫秒級或僅幾個視訊行 。具體數值因實現而異，例如有報告稱編解碼總延遲為 4 毫秒 20，11-12 行 ，最大 32 行演算法延遲 ，小於 3 毫秒 57，或 21 行 。Riedel 的數據顯示同步輸入的 JPEG XS 編碼延遲約為 10 行，解碼延遲也是 10 行（不含 2022-7 緩衝） 37。
JPEG 2000 (J2K)：雖然也可用於壓縮，但其延遲通常遠高於 JPEG XS 37。例如，Riedel 的數據顯示 J2K 編碼延遲為 2 個畫格，解碼延遲為 1 個畫格加上網路緩衝 37。另有資料提到 J2K 延遲約 60 毫秒 44。
畫格同步器 (Frame Synchronizers)：如前所述，當訊號源與系統的 PTP 參考時鐘不同步時，通常需要在訊號鏈路的某個點（通常是輸入閘道器或處理設備）使用畫格同步器 17。畫格同步器的工作原理是緩存輸入訊號至少一個畫格，然後按照 PTP 時鐘重新定時輸出，這不可避免地會增加至少一個畫格的延遲 。因此，在對延遲敏感的應用中，確保所有訊號源都鎖定到 PTP（同步）是最小化延遲的關鍵 17。
其他處理：任何對媒體流進行處理的設備，如視訊切換器、多畫面分割器、圖文包裝系統等，都會引入其自身的處理延遲 29。這些延遲因設備設計和功能而異。
B. 網路傳輸延遲
媒體封包在 IP 網路中傳輸時經歷的延遲 。
交換器延遲：每個網路交換器在轉發封包時都會引入微小的延遲，這通常稱為交換延遲或轉發延遲 。這個延遲值通常在微秒 (μs) 範圍內 。例如，一個經驗法則是每個交換器約 5 μs 37，也有數據指出對於 1500 位元組的影格在 10GbE 鏈路上延遲約為 1.2 μs 。雖然單個交換器的延遲很小，但在大型網路中，封包可能經過多個交換器，累積延遲會變得顯著 。選擇專為媒體流量設計、具有低延遲特性的交換器很重要，常見供應商包括 Arista、Cisco 和 Mellanox/Nvidia 。
躍點數 (Hop Count)：封包在網路上從源頭到目的地所經過的交換器數量稱為躍點數。總的網路傳輸延遲與躍點數成正比 。因此，最小化關鍵路徑上的躍點數是降低網路延遲的常用策略 。採用 Spine-Leaf (主幹-分支) 網路架構通常被推薦，因為它能提供較低且可預測的延遲，並且易於擴展 。一般目標是將關鍵路徑上的躍點數限制在 3 到 5 個以內 。
傳播延遲 (Propagation Delay)：這是訊號在物理介質（光纖或銅纜）中傳播所需的時間。光在光纖中的傳播速度約為真空光速的三分之二，大約每公里產生 5 μs 的延遲 。在單一設施內部，傳播延遲通常可以忽略不計，但在廣域網路 (WAN) 或遠距離傳輸應用中，它會成為一個重要因素 41。
佇列延遲與壅塞 (Queuing Delay & Congestion)：當網路流量暫時超過交換器某個輸出埠的處理能力時，封包需要在該埠的輸出佇列中排隊等待，這就產生了佇列延遲 。網路壅塞會導致佇列變長，顯著增加延遲和延遲變化（抖動），甚至可能導致交換器緩衝區溢位而丟棄封包 。雖然具有深度緩衝區的交換器可以在壅塞期間緩存更多封包以避免丟包，但這也可能增加延遲的可變性 。因此，實施服務品質 (Quality of Service, QoS) 策略，優先處理對延遲敏感的媒體流量，對於確保穩定低延遲的傳輸非常重要 。
C. 同步精準度 (PTP)
PTP 的準確性和穩定性直接影響系統的整體延遲表現 。雖然 PTP 協定本身傳輸的訊息量不大，不會顯著增加傳輸延遲，但其提供的時間同步的品質卻非常重要。
端點設備需要使用接收緩衝區來吸收網路傳輸過程中引入的封包到達時間變化（抖動），並根據 PTP 提供的共同時間參考來對齊來自不同來源的 Essence 流，確定封包的正確播放時間點 37。如果 PTP 同步非常精確且穩定，那麼封包到達時間相對於 PTP 時鐘的變化就很小。這使得接收端可以使用較小的緩衝區，從而最大限度地減少由緩衝引入的延遲 29。反之，如果 PTP 不穩定或精度不足（可能由網路非對稱性 、過多的 PTP 時鐘躍點 、時鐘源品質不佳或網路負載影響 ），接收端就需要設置更大的緩衝區來容納這種時間上的不確定性，這必然會增加系統的整體延遲，甚至可能導致可感知的影音同步問題或訊號瑕疵 17。因此，PTP 的性能透過決定接收端所需的最小緩衝區大小，直接影響了系統可實現的最低延遲。
D. 封包化與流量整形 (ST 2110-21)
SMPTE ST 2110-21 標準專門處理視訊封包如何被定時發送到網路上，即流量整形 (Traffic Shaping) 和傳輸時序 (Delivery Timing) 。其目的是規範傳送端的行為，以防止瞬間的封包爆發（burstiness）導致網路交換器或接收端設備的緩衝區不堪重負，因而引發壅塞、丟包和過大的抖動 。
ST 2110-21 定義了三種傳送端類型，對允許的封包延遲變化（即突發性）程度進行了分級 12：
NL (Narrow Linear) 型：傳送端以恆定的位元速率發送封包，封包間隔均勻，流量最平滑。
N (Narrow) 型：允許傳送端在視訊訊號的垂直消隱期間暫停發送封包（產生間隙，gapped），但在活動視訊期間，其突發性仍受到嚴格限制。
W (Wide) 型：允許更大的封包突發性。這種類型主要是為了適應基於軟體或虛擬機實現的傳送端，這些環境可能難以實現像硬體那樣精確的封包定時。
該標準使用一個稱為「虛擬接收端緩衝模型」(Virtual Receiver Buffer Model) 的概念模型來量化和限制每種傳送端類型的突發程度 6。
傳送端類型的選擇直接影響接收端的設計和延遲。由於 W 型傳送端允許更大的突發性，接收端必須配備相應更大的輸入緩衝區才能處理潛在的封包叢集，避免緩衝區下溢或溢位 12。更大的緩衝區意味著潛在的更大延遲 44。ST 2110-21 建議 W 型接收端的緩衝區至少能容納 720 個封包，實際產品可能提供高達 4096 個封包甚至更多的可配置緩衝空間 39。相比之下，N 型和 NL 型傳送端的流量更平滑，對接收端緩衝區的要求較低，因此通常能實現更低的端到端延遲 38。
這就實現了 ST 2110-21 中一個重要的設計權衡：它在傳送端實現的靈活性（特別是對於軟體和虛擬化系統，W 型更容易實現）與接收端的複雜性和延遲之間做出了取捨 12。選擇 W 型傳送端可以降低傳送端的實現難度和成本，但將緩衝的負擔和潛在的延遲成本轉移到了接收端。而選擇 N 型或 NL 型則對傳送端的定時精度要求更高，但能簡化接收端的設計並有助於最小化延遲 38。
E. ST 2022-7 備援的影響
為了提高系統的可靠性，ST-2110 系統經常與 SMPTE ST 2022-7 標準結合使用，實現無縫保護切換 (Hitless Protection Switching) 。該標準要求媒體串流透過兩個（或多個）物理上分離的網路路徑同時傳輸。接收端會監聽所有路徑，並在主路徑出現封包丟失或錯誤時，無縫地切換到備用路徑的數據，從而避免訊號中斷。
然而，實現這種無縫切換需要在接收端引入額外的緩衝。因為來自不同網路路徑的相同封包可能由於不同的傳輸延遲而略有不同的到達時間，接收端必須緩存來自較快路徑的封包，等待較慢路徑的對應封包到達（或超時），以便能夠在需要時進行切換。這個緩衝的大小取決於兩條路徑之間預期的最大延遲差 (Differential Delay)。ST 2022-7 定義了不同的延遲差容忍度等級（Class）。例如，Class D 規定了 150 μs 的緩衝能力 37。其他等級可能需要更大（例如毫秒級）的緩衝 37。因此，啟用 ST 2022-7 備援會不可避免地增加接收端的延遲 37。
SBR（標準緩衝率）與 HDBR（高數據緩衝率）延遲表：
類別 | SBR 延遲 | HDBR 延遲 | 適用環境 |
A | 10 ms | 10 ms | 長距離傳輸，容忍較高延遲 |
B | 50 ms | 50 ms | 廣域網路，需更大緩衝 |
C | 450 ms | 150 ms | 極端網路條件，最大容錯 |
D | 150 μs | 150 μs | 本地網路，低延遲需求 |
IV. 量化 ST-2110 延遲：測量數據與範圍
理解 ST-2110 系統中各個組件引入的延遲量，對於進行延遲預算分析和系統設計非常重要。
A. 組件級延遲數據
以下是基於研究資料整理的 ST-2110 工作流程中典型組件的延遲數據：
閘道器 (SDI<>IP) 29：
封裝 (同步輸入)：視訊約 0.5 行；音訊約 1 個封包時間（例如，1ms pTime 時為 1ms）；ANC 取決於模式（Quick 模式最快，M-bit 模式約 1 畫格） 37。
封裝 (非同步輸入)：視訊、音訊、ANC 通常都需要增加約 1 個畫格的畫格同步延遲 37。
解封裝：視訊約 7 行 (HD) 到 56 行 (UHD)；音訊重新對齊到視訊；ANC 通常緩衝 1 個畫格 37。
實際產品案例：Riedel 的數據 37 提供了詳細的分項延遲。Blackmagic 轉換器的測試顯示，經過兩個轉換器（SDI->IP->SDI）的 1080p60 訊號，端到端延遲約為 4 個 30p 畫格（約 66 毫秒），即單個轉換器貢獻約 2 個 30p 畫格的延遲 58。Muxlab 聲稱其產品為「零延遲」，這可能指相對於基本處理而言，額外延遲可忽略不計 43。AJA 的產品規格書未明確列出延遲 51。
網路交換器 ：每個交換器躍點的延遲通常在微秒級。常見的估算值為 5 μs 37，或根據封包大小和鏈路速率計算，如 10G 鏈路上 1500 位元組封包約 1.2 μs 。總網路延遲是各躍點延遲的累加 。
壓縮編解碼器 (ST 2110-22) ：
JPEG XS：延遲極低，通常為亞毫秒級或數個視訊行 。具體數值包括：編解碼總共 4ms 20、11-12 行 、<3ms 57、21 行 。Riedel 數據為編碼 10 行 + 解碼 10 行（同步） 37。
J2K：延遲顯著較高，可能達到數個畫格 37。
音訊封包化 ：延遲取決於取樣率和每個封包包含的取樣數（由封包時間 pTime 決定）。對於 AES67/ST 2110-30，常用的 pTime 為 1ms 或 125 μs6。在 48kHz 取樣率下，1ms pTime 對應 1ms 的封包化延遲；125 μs pTime 對應 0.125ms 延遲 。
ST 2022-7 備援緩衝 37：為實現無縫切換而增加的緩衝延遲，取決於配置的延遲差容忍度。Class D 為 150 μs 37，其他等級可能更高(請參考SBR（標準緩衝率）與 HDBR（高數據緩衝率）延遲表)。
下表整理了這些典型裝置的延遲數據與原因：
表 IV.A: 典型 ST-2110 裝置延遲數據摘要
裝置類型 | 特定功能/條件 | 典型延遲範圍 (單位) | 關鍵影響因素 | 來源參考 |
SDI->IP 閘道器 (封裝) | 同步視訊 (無畫格同步) | ~0.5 行 | 輸入同步狀態 | 37 |
SDI->IP 閘道器 (封裝) | 非同步視訊 (有畫格同步) | ~1 畫格 + 0.5 行 | 輸入同步狀態 | 37 |
SDI->IP 閘道器 (封裝) | 同步音訊 (1ms pTime) | ~1 ms | pTime, 輸入同步狀態 | 37 |
SDI->IP 閘道器 (封裝) | 非同步音訊 (有畫格同步, 1ms pTime) | ~1 畫格 + 1 ms | pTime, 輸入同步狀態 | 37 |
SDI->IP 閘道器 (封裝) | ANC (M-bit 模式) | ~1 畫格 | ANC 傳輸模式 | 37 |
IP->SDI 閘道器 (解封裝) | 視訊 (HD, 無 2022-7) | ~7 行 | 視訊格式, 2022-7 | 37 |
IP->SDI 閘道器 (解封裝) | 視訊 (UHD, 無 2022-7) | ~56 行 | 視訊格式, 2022-7 | 37 |
IP->SDI 閘道器 (解封裝) | 音訊 | 重新對齊到視訊 | 視訊延遲 | 37 |
IP->SDI 閘道器 (解封裝) | ANC (M-bit 模式) | ~1 畫格 | ANC 傳輸模式, 接收端策略 | 37 |
網路交換器躍點 | 10G/25G/40G/100G | 微秒級 (~1-5 μs) | 交換器型號, 流量負載, 封包大小 | |
PTP 同步精度 | GM 穩定性, 網路條件 | 亞微秒級目標 (μs) | PTP 架構, 網路對稱性, 時鐘品質 | |
JPEG XS 編解碼 (ST2110-22) | 視訊壓縮/解壓縮 | 亞毫秒級 / 數行 (~10-30 行) | 具體實現, 視訊格式 | |
J2K 編解碼 | 視訊壓縮/解壓縮 | 數個畫格 (~60ms+) | 具體實現, 視訊格式 | 37 |
音訊封包化 (ST2110-30) | 48kHz, 1ms pTime | 1 ms | 取樣率, pTime | |
音訊封包化 (ST2110-30) | 48kHz, 125 μs pTime | 0.125 ms | 取樣率, pTime | |
ST 2022-7 緩衝 | Class D | 150 μs | 配置的延遲差容忍度 | 37 |
本表收集多個技術來源數據，提供了一個比較視角，有助於在設計或除錯時快速評估不同設備和配置對延遲預算的影響。它突顯了不同組件之間延遲量級的巨大差異（交換器的微秒級 vs. 某些閘道器功能的畫格級），以及同步狀態、壓縮類型等選擇的重要性。
延遲時間計算方式：
以 HD 1080p60 為例，每畫格有 1125 行，時間為 1/60 秒，每行時間約 (1/60)/1125 ≈ 14.8 μs。對於 HD，解封裝器緩衝為 7 行，約 103.6 μs；封裝器延遲為 ½ 行，約 7.4 μs。加上 15 μs 的交換機延遲，總延遲約 126 μs（0.126 ms），遠低於 1 毫秒。
B. 端到端延遲考量
系統的總端到端延遲是訊號鏈路上所有組件延遲的總和 26。需要強調的是，與傳統 SDI 基頻系統時代一樣不存在一個適用於所有情況的「ST-2110 延遲」的單一數值。實際的端到端延遲高度依賴於具體的工作流程、所選用的設備型號、訊號源的同步狀態、網路的拓撲結構和配置，以及是否使用了壓縮等因素 26。
因此，實現低延遲並非 ST-2110 的固有屬性，而是需要透過在整個訊號鏈中進行仔細設計選擇的結果 61。這包括選擇低延遲的端點設備、確保訊號源同步、優化網路架構以減少躍點和避免壅塞，以及穩定 PTP 系統以允許更小的接收緩衝。
準確測量這種分散式 IP 系統中的端到端延遲也比在傳統 SDI 設備上比較輸入和輸出更為複雜 。由於 Essence 流是分離傳輸的，並且依賴 PTP 作為共同時間參考，測量通常需要專門的工具和方法 2。這些工具需要能夠捕獲網路封包，精確地關聯封包的 RTP 時間戳記與 PTP 時間，並在系統的不同點進行測量和比較 45。例如，Hitomi MatchBox 31 或 TAG Video Solutions 的 VALID 26 等工具被設計用於此類測量。此外，像 EBU LIST 或 Open Broadcast Systems 開源的分析工具 41 也可用於分析 PTP 和 ST-2110 流的時序特性。SMPTE RP 2110-25 提供了關於 ST-2110 系統測量術語和方法的建議實踐 2。這種測量上的複雜性意味著，驗證 ST-2110 系統的延遲性能需要特定的工具和對底層時序原理的理解。
V. 比較延遲分析：ST-2110 與 SDI
將 SMPTE ST-2110 的延遲特性與傳統 SDI 進行比較，有助於理解其在不同應用場景下的定位和權衡。
A. ST-2110 vs. SDI (串列數位介面)
SDI 特性：SDI 是廣播行業長期使用的標準，其主要特點是點對點連接、同步傳輸以及將視訊、音訊和中繼資料複用在單一串流中 。SDI 透過同軸電纜或光纖傳輸時，其傳輸延遲極低，接近物理介質的傳播速度極限 。因此，SDI 系統的總延遲主要來自於鏈路中各個設備（如導播機、矩陣器、轉換器、畫格同步器等）的內部處理延遲 。SDI 以其高可靠性和極低的固有延遲而著稱 5，但缺點是靈活性較差，需要鋪設大量專用線纜，擴展性受限 5。
ST-2110 特性：ST-2110 基於標準 IP 網路，具有高靈活性和可擴展性，採用 Essence 分離架構 11。其延遲來源包括端點處理（封裝/解封裝、編解碼）、網路傳輸（交換器躍點、壅塞）和封包化/緩衝 。它依賴 PTP 實現精確同步 。雖然可以使用商規 COTS 網路硬體 3，但系統設計和部署通常更複雜，可能需要更高的初始投資和專業 IT 技能 5。
延遲比較：直接比較兩者的延遲並非易事 61。SDI 的傳輸延遲幾乎為零 ，但複雜的 SDI 工作流程可能涉及多級處理和轉換，累積的處理延遲可能相當可觀。例如，傳統廣播級視訊切換器的處理延遲可能在 20 行左右 29，而畫格同步器會增加至少一個畫格的延遲 。ST-2110 雖然引入了網路傳輸和封包處理延遲，但其靈活性可能允許簡化某些工作流程，避免部分 SDI 中的處理步驟 16。一個精心設計的、基於同步訊號源的 ST-2110 系統，特別是當結合使用低延遲的 JPEG XS 壓縮 (ST 2110-22) 時，其端到端延遲可能與複雜的 SDI 鏈路相當甚至更低 28。例如，同步的 ST-2110 視訊封裝和解封裝（無 2022-7）總共只增加約 7.5 行 (HD) 的處理延遲 37。然而，如果 ST-2110 系統處理非同步訊號源，或者使用了需要大量緩衝的配置（如 W 型傳送端、ANC M-bit 模式），其延遲幾乎肯定會高於簡單的點對點 SDI 路徑 37。有觀點認為，相較於 SDI，IP 化可能會帶來輕微的延遲增加，但這是為了換取巨大靈活性和可擴展性而付出的很小的代價 33。
歸根究底，驅動行業採用 ST-2110 的主要動力是其無與倫比的靈活性和可擴展性 2。使用者接受了管理 IP 系統中更複雜延遲因素的挑戰，因為 ST-2110 能夠實現 SDI 無法企及的工作流程和資源利用方式 16。這種運營上的優勢往往被認為足以彌補在某些情況下可能存在的、相對於最簡單 SDI 路徑的輕微延遲增加或管理複雜性 24。
B. 表 V.A: 影像傳輸技術比較簡表
特性 | SDI | ST-2110 (未壓縮 -20) | ST-2110 (JPEG XS -22) |
主要使用環境 | 傳統廣播製作、點對點連接 | 高端廣播製作、大型設施內部 | 頻寬受限的高品質製作、遠端製作 |
傳輸介質 | 同軸電纜, 光纖 | IP 網路 (通常 10G/25G 光纖) | IP 網路 (1G/10G+ 光纖/銅纜) |
典型頻寬 (HD/UHD) | 1.5G/3G/6G/12G 64 | ~3G / ~12G 2 | ~300M-1.5G / ~1.2G-6G 6 |
壓縮 | 無 6 | 無 2 | 輕量級視覺無損 (JPEG XS) |
延遲特性 | 極低傳輸延遲，總延遲取決於工作流程 | 潛在最低延遲 (需優化)，增加網路延遲 | 低延遲 (亞毫秒級編解碼)，增加網路延遲 |
同步 | 內建同步 (Genlock) 33 | 依賴外部 PTP (高精度) | 依賴外部 PTP (高精度) |
靈活性/可擴展性 | 低 5 | 高 2 | 高 2 |
複雜性 | 低 24 | 高 (需網路和 PTP 專業知識) 5 | 高 (需網路和 PTP 專業知識) 5 |
成本特性 | 設備成本，佈線成本高 6 | 初始網路設施成本高，COTS 硬體潛力 3 | 初始網路設施成本高，COTS 硬體潛力 3 |
標準化 | SMPTE 標準 | SMPTE 開放標準套件 3 | SMPTE 開放標準套件 3 |
此表提供了一個跨關鍵技術和運營維度的簡明比較，有助於根據具體專案需求（如延遲容忍度、預算、品質要求和基礎設施限制）做出最有利的技術選擇。
VI. 系統配置對延遲的影響
實現低延遲的 ST-2110 系統並非僅僅採用該標準即可達成，而是需要在一系列系統配置選項上做出明智的決策。網路設計、端點選擇、PTP 部署策略和工作流程選擇都會對最終的端到端延遲產生顯著影響。
A. 網路設計的影響
IP 網路基礎設施是 ST-2110 的骨幹，其設計直接關係到延遲性能 。
拓撲結構 (Topology)：如前所述，Spine-Leaf 架構因其固有的低且可預測的延遲特性而被廣泛推薦用於 ST-2110 部署，它通常比傳統的多層級 (Multi-Tier) 網路架構具有更少的躍點數 。最小化訊號路徑上的躍點數是關鍵 。
交換器選擇 (Switch Selection)：並非所有 IP 交換器都適用於要求嚴苛的 ST-2110 環境。應選擇專為媒體流量設計的交換器，這些交換器需要具備以下特性 ：
PTP 支援：必須支援 IEEE 1588 PTP，最好是支援邊界時鐘 (BC) 或透明時鐘 (TC) 模式，以確保精確的時間同步 。BC 模式通常被認為能更好地隔離 PTP 流量並提高擴展性 。
足夠的緩衝 (Buffering)：交換器需要有足夠的緩衝來處理暫時的流量突發，避免因壅塞導致丟包 。但需要注意，過深的緩衝區雖然能減少丟包，但也可能引入更大的延遲變化 。
服務品質 (QoS)：必須支援並正確配置 QoS，以優先處理對延遲敏感的 ST-2110 媒體流，確保其在網路壅塞時不會被其他流量（如控制信令或文件傳輸）影響 。
低轉發延遲：交換器本身的轉發延遲應盡可能低 。
頻寬規劃 (Bandwidth Provisioning)：必須確保網路鏈路（通常為 10G、25G、40G ，建議 100G 或以上）具有足夠的頻寬來承載預計的峰值媒體流量，避免鏈路飽和導致的壅塞和延遲 。
B. 端點選擇與處理的影響
訊號的發送和接收端點是延遲的主要貢獻者之一 29。
硬體 vs. 軟體實現：基於專用硬體（如 FPGA）的 ST-2110 端點通常能提供更低且更可預測的延遲，更容易滿足 ST 2110-21 的 N 型或 NL 型傳送端要求 39。而基於通用 CPU 或 GPU 的軟體實現，或在虛擬機 (VM) 中運行的端點，可能由於操作系統調度、資源競爭等因素，導致延遲更高且更具可變性，因此更傾向於設計為 W 型傳送端 12。
供應商實現差異：儘管 ST-2110 是標準，但不同供應商在實現細節上可能存在細微差異，這可能影響設備間的互操作性和實際性能表現 42。因此，在實際部署前進行實驗性驗證 (Proof of Concept, POC) 測試，驗證所選設備組合的相容性和延遲性能，是非常重要的步驟 42。
閘道器/轉換器選擇：不同品牌和型號的 SDI-IP 閘道器或轉換器具有不同的內部架構和處理延遲 29。如前文數據所示，Riedel 37、AJA、Blackmagic 58 和 Muxlab 43 的產品可能表現出不同的延遲特性。選擇時應關注其是否內建畫格同步器以及該功能是否可以針對同步訊號源被禁用以最小化延遲 37。
壓縮選擇 (ST 2110-22)：如果選擇使用 ST 2110-22 進行壓縮傳輸，編解碼器的選擇對延遲有決定性影響 。JPEG XS 因其亞毫秒級的超低延遲特性而成為首選，遠優於 J2K 等其他選項 。
C. PTP 部署策略
PTP 系統的設計和配置對同步精度有直接影響，進而間接影響系統延遲 。
時鐘源選擇：選擇高穩定性、高精度的 PTP 主時鐘 (Grandmaster) 是基礎 。通常建議使用 GPS 同步的 GM 18。
時鐘層次結構：合理規劃網路中的 BC 和 TC 部署 。BC 可以有效隔離 PTP 流量，提高擴展性，通常是首選 。限制 PTP 時鐘鏈的長度（躍點數）有助於保持精度 。
網路配置：確保承載 PTP 流量的網路路徑對稱性（或使用兩步模式補償），並為 PTP 流量配置適當的 QoS 優先級 。在 MLAG 等架構中，可能需要專用鏈路傳輸 PTP 。
備援設計：部署冗餘的 GM 和備用時鐘路徑，利用 BMCA 確保在主 GM 故障時系統仍能維持同步 。
監控：持續監控 PTP 系統的狀態和性能非常重要 。
D. 工作流程選擇
在設計 ST-2110 工作流程時做出的選擇，會直接影響延遲表現。
同步 vs. 非同步訊號源：這是影響延遲的最關鍵因素之一。如果所有輸入訊號源都已鎖定到系統的 PTP 時鐘（同步），則可以禁用輸入閘道器或處理設備上的畫格同步功能，從而避免至少一個畫格的延遲 17。處理非同步訊號源則不可避免地需要引入畫格同步延遲 17。
未壓縮 (-20) vs. 壓縮 (-22)：選擇 ST 2110-20 進行未壓縮傳輸可以避免任何編解碼延遲，但需要極高的網路頻寬 3。選擇 ST 2110-22 並使用 JPEG XS 壓縮，可以在僅增加亞毫秒級編解碼延遲的情況下，大幅降低頻寬需求（壓縮比可達 10:1 甚至更高） 。這個選擇直接影響到所需的網路基礎設施成本和可行性，尤其是在頻寬受限的環境（如 WAN 或 REMI）中 。
ANC 傳輸模式：如 Riedel 的數據所示 37，選擇不同的 ANC 數據傳輸模式會影響延遲。Mode 3 (Quick) 模式延遲最低，而 Mode 1 (M-bit) 模式則需要在傳送端和接收端都緩衝最多一個畫格。
綜合來看，ST-2110 系統的低延遲並非唾手可得，而是需要透過對上述所有因素進行通盤考慮和精心設計的結果。從網路拓撲到交換器選型，從 PTP 架構到端點硬體/軟體選擇，從訊號源同步策略到壓縮方案的應用，每一個環節的決策都會影響最終的延遲表現。這意味著低延遲是一個需要主動設計和優化的目標，而非僅僅採用 ST-2110 標準就能自動獲得的屬性。
在這種複雜的權衡中，ST 2110-22 結合 JPEG XS 壓縮技術的出現，提供了一個極具吸引力的平衡點。它成功地在大幅降低頻寬需求（相較於 ST 2110-20）和保持極低延遲（遠優於傳統壓縮編解碼器）之間找到了最佳結合 。JPEG XS 的視覺無損品質和亞毫秒級延遲特性，使得高品質的 IP 視訊工作流程在頻寬受限的網路環境（包括廣域網路和遠端製作場景 ）中變得更加可行和經濟，極大地拓展了 ST-2110 標準的應用範圍。
VII. 結論與建議
本報告對 SMPTE ST-2110 影像傳輸延遲進行了深入分析，探討了其定義、影響因素、量化數據、與傳統 SDI 技術的比較以及系統配置的影響。
A. 典型延遲效能總結
分析表明，ST-2110 系統的端到端延遲是多個組件延遲貢獻的總和，不存在單一的固定值。其主要構成部分包括：
網路傳輸延遲：每個交換器躍點引入微秒級延遲，總延遲取決於躍點數和網路壅塞情況 。
端點處理延遲：這是延遲的主要來源，變化範圍很大 29。
同步訊號源的 SDI<>IP 閘道器處理延遲可能低至數行視訊時間 37。
處理非同步訊號源通常需要增加至少一個畫格的畫格同步延遲 17。
JPEG XS (ST 2110-22) 編解碼延遲極低，通常在亞毫秒級或數行範圍內 。
其他壓縮編解碼器（如 J2K）或特定的 ANC 傳輸模式（如 M-bit）可能引入數個畫格的延遲 37。
音訊封包化延遲取決於封包時間，通常在毫秒或亞毫秒級 。
ST 2022-7 備援會增加至少 150 μs 或更多的緩衝延遲 37。
儘管存在這些潛在的延遲來源，但透過精心設計，ST-2110 系統完全有能力實現滿足最苛刻的現場製作應用所需的低延遲性能 14。
B. 關鍵因素回顧
影響 ST-2110 延遲的關鍵因素可以歸納為：
端點處理能力與配置：包括閘道器的畫格同步策略、編解碼器的選擇與效率、ANC 數據處理模式等 29。
訊號源同步狀態：是否所有訊號源都鎖定到 PTP 是決定是否需要引入畫格同步延遲的關鍵 17。
網路基礎設施設計：包括網路拓撲（躍點數）、交換器的性能（PTP 支援、緩衝、QoS）和頻寬容量 。
PTP 系統的穩定性與精度：直接影響接收端的緩衝需求 。
ST 2110-21 流量整形策略：傳送端類型（N/NL/W）的選擇影響接收端的緩衝要求 12。
C. 緩解策略與最佳實踐
為了在 ST-2110 系統中實現並保持低延遲，建議採取以下策略和最佳實踐：
優先使用同步訊號源：盡可能確保所有進入 IP 網路的訊號源都已鎖定到系統的 PTP 時鐘，以避免畫格同步延遲 17。
選擇低延遲組件：選用已知具有低處理延遲的閘道器和處理設備。如果需要壓縮，優先考慮使用 JPEG XS (ST 2110-22) 。
優化網路設計：採用 Spine-Leaf 等低躍點數拓撲結構 。選擇高性能、支援 PTP (BC/TC) 和 QoS 的網路交換器 。
確保充足頻寬：仔細規劃網路頻寬，避免鏈路壅塞 。
構建穩健的 PTP 系統：使用高品質的 GPS 同步 GM，合理規劃時鐘層次結構，配置冗餘，並持續監控 PTP 性能 。
理解 ST 2110-21 的影響：根據應用需求和設備能力選擇合適的傳送端/接收端類型，並合理配置接收緩衝 12。
進行充分測試：在實際部署前，透過 POC 測試驗證所選設備的互操作性和端到端延遲性能 42。
投資於技能教育訓練：ST-2110 的成功部署需要融合廣播工程和 IT 網路技術的跨領域知識，對相關人員進行教育訓練非常重要 5。
D. 結論
SMPTE ST-2110 標準套件為專業媒體行業帶來了前所未有的靈活性、可擴展性和與 IT 技術融合的可能性 2。雖然相較於傳統 SDI，IP 化引入了新的延遲考量因素，使得延遲管理更為複雜，但 ST-2110 標準本身提供了必要的工具（如 PTP 精確同步、ST 2110-21 流量整形、ST 2110-22 低延遲壓縮）來應對這些挑戰 。
實現低延遲並非 ST-2110 的固有保證，而是需要透過深思熟慮的系統設計、仔細的設備選擇、穩健的網路工程和嚴格的測試驗證來達成的目標 61。系統設計者需要在期望的影音製作工作流程中其延遲性能與系統的靈活性、品質、各方面成本和可管理性之間做出明智且最佳的權衡 26。隨著標準的不斷完善和供應商實現的不斷成熟，ST-2110 系統的性能和相容性預計將持續提升 2，進一步鞏固其作為下一代專業媒體基礎設施核心技術的地位。
引用的著作
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ST 2110: An Introduction | AVNetwork, 檢索日期：4月 18, 2025， https://www.avnetwork.com/news/st-2110-an-introduction
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NDI vs SMPTE2110 : r/VIDEOENGINEERING - Reddit, 檢索日期：4月 18, 2025， https://www.reddit.com/r/VIDEOENGINEERING/comments/u10vlp/ndi_vs_smpte2110/
Cloud Grade Networking for Broadcast, Digital Media Creation, Post Production, Content Distribution and Storage - Arista, 檢索日期：4月 18, 2025， https://www.arista.com/assets/data/pdf/Whitepapers/ME_SolutionGuide_1.pdf
https://getop.tv/14j18c
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