АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ І ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ СИСТЕМ IP-ТЕЛЕБАЧЕННЯ
Історія розвитку і перспективи застосування IP-телебачення
IP-телебаченням (IP-TV) прийнято називати цифрову технологію багатопрограмного інтерактивного віщання телевізійного сигналу в мережах з комутацією пакетів.
Технологія IP-TV в світі існує вже давно, але використовувалася переважно у вузькому крузі, будь то академічному (університетському) або урядовому. Прикладом одного з різновидів технології IP-TV є відеоконференцзв'язок. Як комерційний продукт для масового ринку IP-телебачення має не таку тривалу історію. Спочатку IP-TV впроваджували оператори, які прагнули швидко розвернути інноваційні послуги. Це були, як правило, крупні телефонні оператори і їх молоді конкуренти. Зниження вартості магістрального трафіку і скорочення доходів від традиційної телефонії змусило їх звернутися до інтерактивних мультимедійних функцій IP-TV, щоб мати переваги серед традиційних конкурентів – операторів кабельного і супутникового телебачення.
Сьогодні зростання проникнення широкосмугового доступу (ШCД) і пошук провайдерами додаткових джерел доходу є ключовими факторами розвитку технологій IP-телебачення. Провайдери ШCД починають розглядати IP-TV як додатковий спосіб підвищити рентабельність існуючих ліній абонентського доступу і отримати додаткову перевагу в конкурентній боротьбі, що загострюється. Технологія IP-TV, як один з видів цифрового телебачення, на даний момент поки що розглядається швидше як широкосмуговий додаток, додатковий сервіс, прив'язаний до надання доступу в Інтернет. Сьогодні на долю IP-TV доводиться біля одного відсотка світового телевізійного ринку. Все останнє, як і раніше, належить кабельним і супутниковим операторам, а також традиційним аналоговим телевізійним системам. IP-телебачення зараз знаходиться у стадії переходу від експериментальних запусків до масового комерційного надання.
У всьому світі діє понад 50 операторів IP-TV. Найбільші з них: Verizon Communications (США), France Telecom (Франція), Deutsche Telekom (Німеччина), British Telecom (Великобританія), FastWeb (Італія), China Telecom (Китай). Але говорити про те, що сьогодні технологія IP-TV в якійсь зі світових країн вже успішно реалізована, передчасно. В основному існують фрагменти цих мереж, дослідні зони. Іншими словами, поки ця технологія ще не покрила повністю територію якої-небудь держави.
В Україні, на території міст Києва і Одеси, в тестовому режимі послугу інтерактивного цифрового телебачення запустили оператори “Укртелеком”, “Комстар-Україна” і “Голден телеком Україна”. У комерційну експлуатацію IP-телебачення увійде тільки к 2010 року.
Очікується, що послуги IP-TV складуть достатньо сильну конкуренцію послугам традиційного телевіщання за рахунок низьких цін, унікального змісту і технічних нововведень. По прогнозах аналітиків, за чотири роки світова абонентська база IP-TV збільшиться уп'ятеро, з 10,8 млн. в 2007 році до 60 млн. в 2011 році. У перспективі ринок IP-TV стане одним з лідируючих разом з іншими видами цифрового телебачення. Одним з головних факторів, який істотно сприятиме успіху IP-TV, стане збільшення попиту користувачів на інтерактивні послуги, які забезпечать вибухове зростання всієї галузі IP-TV. Також прогнозується, що виробники устаткування і компанії, розробляючі рішення IP-TV, остаточно вирішать проблеми стандартизації устаткування, що допоможе розвитку послуг.
Оскільки IP-TV говорить на мові "всесвітньої павутини", ця мережева система має можливість звести воєдино світ Інтернету і світ телебачення за рахунок конвергенції всіх форм комунікацій і розваг в єдиній гнучкій, повністю інтегрованій мультимедійній інфраструктурі.
Особливості IP-телебачення
Для реалізації технології IP-телебачення необхідна сучасна мультисервісна інфраструктура, що складається з мереж доступу, транспортної мережі, головної станції, а також кінцевих пристроїв і спеціалізованого програмного забезпечення.
На практиці доставка контента до користувача виглядає таким чином. Головне устаткування IP-TV передає, а абонентське устаткування приймає потокове відео (Streaming video). Цей термін позначає технології стиснення, скорочення і буферизації відеоданих, які дозволяють передавати відео в реальному часі через Інтернет. Головна особливість потокового відео полягає в тому, що при його передачі користувач не повинен чекати повного завантаження файлу для того, щоб його проглянути. Відеодані пересилаються безперервним потоком у вигляді послідовності IP-пакетів і програються у міру того, як передаються на абонентський пристрій. Для передачі потокового відео використовується транспортний протокол RTP. Протокол RTP переносить в своєму заголовку дані, необхідні для відновлення голосу або відеозображення в приймальному вузлі, а також дані про тип кодування інформації. RTP визначає і компенсує втрачені пакети, забезпечує безпеку передачі контента і розпізнавання інформації. Разом з RTP працює протокол RTCP. Він відповідає за перевірку ідентичності відправлених і отриманих пакетів, ідентифікує відправника і контролює завантаженість мережі. Для забезпечення мінімальних затримок і гарантованої швидкості передачі відеоданих в IP-мережі використовується підтримка QoS, для чого може використовуватися, наприклад, відомий протокол RSVP, який забезпечує резервування необхідної ширини смуги в каналі.
Сформований потік телевізійних каналів – це потік IP-пакетів, що передаються в мережі за окремою груповою адресою, відповідною даному телеканалу. Таким чином, віщанням декількох каналів є формування декількох потоків multicast трафіка, коли кожен з каналів однозначно визначається унікальною адресою групової розсилки. Для підключення до мережі або виходу з групи розсилки використовується стандартний протокол IGMP.
IP-TV дозволяє передавати як зображення із звичайною якістю, що реалізовується аналоговим телевізором (близько 1,5 Мбіт/с), так і зображення з DVD-якістю (близько 6 Мбіт/с) і в новітньому HDTV-форматі (20 Мбіт/с). При цьому по одному інтернет-каналу може передаватися одночасно декілька програм, на мережу оператора він завантажується тільки в тому випадку, якщо абонент підписаний на цей канал.
Для проглядання потокового відео використовується спеціальна приставка до телевізора або в сучасній термінології Set top Box (STB), яка з одного боку підключена до мережі оператора (середовище віщання), а з іншої – має з'єднання з телевізором. Абонентський пристрій STB декодує відеодані і виводить розшифроване відео на екран телевізора. Організацію призначеного для користувача меню забезпечує протокол прикладного рівня HTTP.
Стек протоколів TCP/IP
IP-телебачення здійснює віщання телевізійного сигналу в пакетній формі по мережах передачі даних, побудованих на базі стека комунікаційних протоколів TCP/IP.
Протоколи TCP/IP були розроблені майже три десятиліття тому за замовленням Управління перспективних досліджень і розробок Міністерства оборони США і упроваджені в державній мережі DDN (defence data network), що включає мережі ARPANET і MILNET. Первинна мета була пов'язана з побудовою відмовостійкої комунікаційної мережі, яка змогла б функціонувати навіть при виході з ладу її більшої частини, наприклад, із-за ядерних бомбардувань. У 1982 році великий внесок в розвиток стека TCP/IP вніс університет Берклі, реалізувавши протоколи стека в своїй версії ОС UNIX. Широке розповсюдження ОС UNIX привело і до широкого розповсюдження протоколу IP і інших протоколів стека. У тому ж році відбулася ще одна важлива подія в історії TCP/IP – в згаданий комплект був включений протокол перетворення адрес ARP, який ставить Ethernet-адреси у відповідності міжмережевим TCP/IP-адресам. Потім протоколи TCP/IP були реалізовані на робочих станціях сімейства Sun в мережевих файлових системах NFS (network file system) для забезпечення міжмережевих комутацій. Зараз практично неможливо знайти апаратуру або операційну систему, де не застосовувалися б в тій або іншій формі протоколи TCP/IP. На цьому ж стеку працює всесвітня інформаційна мережа Internet, чий підрозділ IETF (internet engineering task force) вносить основний внесок у вдосконалення стандартів стека, опублікованих у формі специфікацій RFC (request for comment).
Лідируюча роль стека TCP/IP пояснюється наступними його властивостями:
TCP/IP є найбільш завершеним, стандартним і в той же час популярним стеком мережевих протоколів, що має багаторічну історію;
майже всі великі мережі передають основну частину свого трафіку за допомогою протоколу TCP/IP;
TCP/IP – це метод одержання доступу до мережі Internet;
даний стек служить основою для створення intranet – корпоративної мережі, що використовує транспортні послуги Internet і гіпертекстову технологію WWW, розроблену в Internet;
всі сучасні операційні системи підтримують стек TCP/IP;
TCP/IP є гнучкою технологією для з'єднання різнорідних систем як на рівні транспортних підсистем, так і на рівні прикладних сервісів;
TCP/IP – це стійке масштабоване міжплатформене середовище для програмних додатків клієнт-сервер.
Стек TCP/IP містить більше 100 протоколів, кожен з яких націлений на конкретне застосування в рамках об'єднаної мережі. Даний фактор робить TCP/IP надзвичайно гнучким, оскільки кожен протокол можна використовувати незалежно від інших з різною технологією транспортування.
Надійне транспортування даних між прикладними процесами шляхом встановлення логічного з'єднання в стеку протоколів TCP/IP забезпечує протокол управління передачею TCP. Протокол TCP приблизно відповідає транспортному рівню моделі OSI, але містить і деякі функції сеансового рівня. З його допомогою реалізується організація сеансу зв'язку між двома користувачами в мережі. Крім того, в його функції входить виправлення помилок і, що дуже важливе, перетворення інформації до виду дейтаграм, а також передача дейтаграм і відстежування їх проходження по мережі. TCP служить також для організації повторної передачі втрачених дейтаграм і забезпечення їх достовірності. Нарешті, в комп'ютері-адресаті TCP витягує повідомлення з дейтаграми і направляє його прикладній програмі-адресатові. Протокол TCP спирається на послуги IP.
В якості основного протоколу мережевого рівня (в термінах моделі OSI) в стеку використовується протокол міжмережевої взаємодії IP. Протокол IP спочатку проектувався як протокол передачі пакетів в складених мережах, що складаються з великої кількості локальних мереж, об'єднаних як локальними, так і глобальними зв'язками. Тому протокол IP добре працює в мережах зі складною топологією, раціонально використовуючи наявність в них підсистем і економно витрачаючи пропускну спроможність низькошвидкісних ліній зв'язку. Протокол IP включає набір правил, які втілюють в життя ідею ненадійної доставки пакетів. До основних функцій протоколу IP відносяться: перенесення між мережами різних типів адресної інформації в уніфікованій формі, маршрутизація по мережі, а також збірка і розбирання пакетів при передачі їх між мережами з різним максимальним значенням довжини пакету.
Методи передачі трафіку
Існує три основні методи передачі трафіку в IP-мережах: unicast, broadcast, multicast. Розуміння різниці між цими методами є дуже важливим для розуміння переваг IP-телечення і для практичної організації трансляції відео в IP-мережі. Кожен з цих трьох методів передачі використовує різні типи призначення IP-адресів відповідно до їх завдань і є велика різниця в ступені їх впливу на об'єм споживаного трафіку.
Unicast трафік (одноцільова передача пакетів) використовується перш за все для сервісів персонального характеру. Кожен абонент може запитати персональний відео контент в довільний, зручний йому час. Unicast трафік прямує з одного джерела до однієї IP-адреси призначення. Ця адреса належить в мережі тільки одному єдиному комп'ютеру або абонентському STB (рис. 1).
Рис. 1 Unicast трафік
Число абонентів, які можуть отримувати unicast трафік одночасно, обмежене доступною в магістральній частині мережі шириною потоку (швидкістю потоку). Для випадку Gigabit Ethernet мережі, теоретична максимальна ширина потоку даних може наближатися до 1 Гб/сек, за вирахуванням смуги, необхідної для передачі службової інформації і технологічних запасів устаткування. Припустивши, що в магістральній частині мережі, для прикладу, виділяється не більше половини смуги для сервісів, яким потрібний unicast трафік. Отже, для випадку 5Мб/сек на телевізійний канал MPEG2, число одночасно одержуючих unicast трафік абонентів не може перевищувати 100.
Broadcast трафік (широкомовна передача пакетів) використовує спеціальний I
Рис. 2. Broadcast трафік
Multicast трафік (групова передача пакетів) використовується для передачі потокового відео, коли необхідно доставити відеоконтент необмеженій кількості абонентів, не перенавантажуючи мережу (рис.3). Це найбільш часто використовуваний тип передачі даних в IP-TV мережах, коли одну і ту ж програму дивляться велике число абонентів.
Multicast трафік використовує спеціальний клас IP-адрес призначення, наприклад адреси в діапазоні від 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Це можуть бути IP-адреси класу D.
На відміну від unicast трафіку, multicast адреси не можуть бути призначені індивідуальним комп'ютерам (або STB). Коли дані посилаються по одному з multicast IP-адрес, потенційний приймач даних може ухвалити рішення приймати або не приймати їх, тобто буде абонент дивитися цей канал чи ні. Такий спосіб передачі означає, що головне устаткування IP-TV оператора передаватиме один єдиний потік даних по багатьом адресам призначення. На відміну від випадку broadcast передачі, за абонентом залишається вибір – приймати дані чи ні.
Важливо знати, що для реалізації multicast передачі в IP-сети повинні бути маршрутизатори підтримуючі multicast. Маршрутизатори використовують протокол IGMP для відстежування поточного стану груп розсилки (а саме, членство в тій або іншій групі того або іншого кінцевого вузла мережі).
Основні правила роботи протоколу IGMP наступні:
кінцевий вузол мережі посилає пакет IGMP типу report для забезпечення запуску процесу підключення до групи розсилки;
вузол не посилає ніяких додаткових пакетів при відключенні від групи розсилки;
маршрутизатор multicast через певні тимчасові інтервали посилає в мережу запити IGMP. Ці запити дозволяють визначити поточний стан груп розсилки;
вузол посилає у відповідь пакет IGMP для кожної групи розсилки до тих пір, поки є хоч би один клієнт даної групи.
Завантаження магістральної частини мережі multicast трафіком залежить тільки від кількості трансльованих в мережі каналів.
Рис. 3. Multicast трафік
У ситуації з Gigabit Ethernet мережею, припустивши, що половину магістрального трафіку виділяється під multicast передачу, виходить близько 100 телевізійних каналів MPEG-2, кожен з яких має швидкість потоку даних 5 Мб/сек.
Зрозуміло, в IP-TV мережі присутні одночасно всі три види трафіку – broadcast, multicast і unicast. Операторові, плануючому оптимальну величину пропускної спроможності мережі, необхідно враховувати різний механізм впливу різних технологій IP-адресації на об'єм трафіку. Наприклад, оператор повинен ясно уявляти собі, що надання послуги “відео по замовленню” великому числу абонентів вимагає дуже високої пропускної спроможності магістральної мережі. Одним з вирішень цієї проблеми є децентралізація в мережі відеосерверів. В цьому випадку центральний відеосервер замінюється на декілька локальних серверів, рознесених між собою і наближених до периферійних сегментів багаторівневої ієрархічної архітектури IP-мережі.
Можливості IP-телебачення
Можливості протоколу IP дозволяють надавати широкий пакет інтерактивних і інтегрованих послуг, таких, наприклад, як:
live TV (“власне IP-телебачення”). Віщання в реальному часі з використанням режиму IP-multicast. Базовою послугою, перш за все, є багатопрограмна трансляція телевізійних каналів, або власне IP-телебачення. Тут можуть бути реалізовані два варіанти проглядання телепрограм: перший – оператором формується декілька пакетів телеканалів, з яких глядачі можуть вибирати бажаний набір, причому кожен пакет має свою абонентську плату; другий – глядачі формують індивідуальні пакети з каналів, що транслюються оператором; абонентська плата визначається вартістю вибраних каналів, що входять в індивідуальний пакет;
near video on demand (“віртуальний кінотеатр”). Трансляція фільмів з відеосервера оператора з жорстко визначеним розкладом сеансів, коли абонент купує зручний йому за часом сеанс для проглядання фільму. Тобто декілька екземплярів кожного з фільмів запускається на відтворення “по кругу” із зсувом початку відтворення в часі, і підписчик дістає доступ до каналу, на якому відтворюється конкретний фільм. Незручність для абонента полягає в тому, що він не може почати проглядання фільму в будь-який довільний момент часу. Перевагою для оператора є використання звичайної технології IP-адресації multicast, яка дуже сильно економить об'єм трафіку в магістральній мережі оператора. Так само, для зниження об'ємів трафіку, оператора надає можливість перегляду не дуже великої кількості фільмів, що зазвичай не перевищує двох-трьох десятків, як правило, це нові фільми, що недавно вийшли в прокат;
video on demand (“відео по замовленню”). Фільм з відеосервера оператора персонально транслюється абонентові в будь-який довільно вибраний абонентом момент часу. В основі цього завдання достатньо складна технологія. В даному випадку кожному абонентові посилається його власний контент, який він запитав, і мережі передачі даних, у свою чергу, повинні мати велику пропускну спроможность. Об'єм трафіку тут залежить не від кількості фільмів, а від кількості користувачів цієї послуги, оскільки використовується персональна трансляції відеоданих абонентові за технологією IP-адресації unicast. На відміну від послуги “віртуальний кінотеатр” кількість фільмів тут набагато більше і може досягати іноді декількох тисяч. З'являється ряд дуже зручних призначених для користувача функцій віртуального відеоплеєра – перемотування назад, вперед, пауза;
pay per view (“платний перегляд”). Покупка і перегляд абонентом окремо вибраних програм (наприклад, фінал чемпіонату світу по футболу). Трансляція ведеться в режимі реального часу і використовується технологія IP-адресації multicast;
personal video recorder (“персональний відеомагнітофон”). Збереження контента в мережі або STB з метою подальшого індивідуального перегляду. На відеосервері оператора абонентові виділяється певний об'єм пам'яті і надається інтерфейс з аналогічними відеомагнітофону функціями для цифрового запису і відтворення телепередач. Абонент може по своєму бажанню записувати, стирати, відтворювати, перемотувати свої особисті записи. Тут також використовується технологія IP-адресації unicast;
time shifted TV (“телебачення із зрушенням за часом”). Можливість повтору вподобаних фрагментів передачі за допомогою каналу, що передає контент із затримкою (зазвичай кратною 1 годині). Абонент купує послугу проглядання заздалегідь записаних на відеосервері програм. Послуга і сервісні функції, що реалізовуються в ній, близькі до “відео по замовленню”. Також використовується технологія IP-адресації unicast;
services on demand (“сервіси по замовленю”). Замовлення товарів і послуг додому, різна довідкова інформація, розклад транспорту, готельний сервіс і тому подібне. Дані послуги близькі до аналогічних сервісів в Інтернеті;
remote recording capabilities (“дистанційне керування відеомагнітофоном”). Засоби для управління сервісами з мобільного телефону, ПК і інших пристроїв;
interactive services (“інтерактивні сервіси”). Забезпечення двостороннього каналу, зворотнім зв'язком між користувачем і виробником контента, а також іншими користувачами в цілях інтерактивної взаємодії;
multiple camera (“підтримка декількох камер”). Можливість абонента перемикати ТВ-камери, що використовуються під час трансляції;
net-surf on TV (“доступ в Інтернет”). За допомогою все того ж IP-підключення користувачеві надається доступ в інтернет з телевізора;
videoconference (“відеоконференція”). Послуга надає можливість встановлювати відеоконференцзв'язок.
Послуги IP-TV повинні змінити характер використання телевізора, перевівши його на новий рівень. Багаті інтерактивні функції, що перетворюють телевізори на мультимедійні центри, роблять IP-TV революційною технологією в цифровому телебаченні.
Переваги IP-телебачення
Завдяки передачі відеосигналу за допомогою протоколу IP з'являється ряд очевидних переваг:
висока якість відеосигналу і велика різноманітність програм. По суті, технологія IP-TV не має обмежень по кількості каналів і якості трансльованого контента. Все залежить лише від пропускної спроможності мережі і території її обхвату. IP-мережі дозволяють вже зараз доставляти відеосигнал довільної якості, наприклад зображення HDTV із звуком Dolby Surround ;
інтерактивність. Можливість оператора взаємодіяти з абонентами в реальному часі, реагуючи на їх поведінку (перемикання ТВ-каналів, вибір пунктів меню на екрані телевізора, часу проглядання фільмів або прослуховування музики, голосування і так далі);
інтеграція послуг. Технологія Video-over-IP дозволяє надати не тільки традиційну послугу проглядання ТВ-каналів на якісно вищому рівні, але і впровадити абсолютно нові інформаційні, комунікаційні, освітні і розважальні послуги;
економія засобів на кабельній системі. Можливість використання існуючої інфраструктури широкосмугової мережі, таким чином, немає необхідності будувати і обслуговувати додаткову кабельну інфраструктуру;
ефективне використання IP-мережі. Надання повного набору послуг Triple Play (Data, VоIP, TVoIP) по одиному широкосмуговому каналу.
Проблеми розвитку IP-телебачення в Україні
Серед чинників, що обмежують розвиток IP-телебачення, можна відзначити високу конкуренцію традиційних операторів, відносно низький рівень проникнення широкосмугового доступу, серйозні техніко-організаційні труднощі, високий рівень необхідних інвестицій і нерозвиненість сервісної сфери української економіки. В сукупності ці чинники знижують темпи зростання клієнтської бази, збільшують термін окупності інвестицій, а значить, знижують привабливість технології для операторів.
Впровадження IP-телебачення також стримується необхідністю модернізації мережевої інфраструктури. Для реалізації повноцінного ТВ-сервісу оператор повинен не тільки забезпечити користувачеві достатньо широку смугу в “останній милі”, але і значно розширити пропускну спроможність своєї транспортної мережі. Доставка відеосигналу обумовлює набагато вищі вимоги до мережі з погляду параметрів швидкості доставки, затримки даних і втрат пакетів, чим просто високошвидкісний доступ до Інтернету.
Перешкодою на шляху розвитку IP-телебачення стає і відсутність портфеля успішних впроваджень на широкій клієнтській базі. Більшість операторів розвернули лише дослідні зони, які працюють з декількома тисячами клієнтів.
Не дивлячись на великі можливості IP-TV, розповсюдження цієї технології гальмується бажанням операторів окупити інвестиції, вкладені в існуючі мережі. Сьогодні вартість переходу на IP-TV робить цю технологію недоступною більшості малих телекомунікаційних компаній. Поточний рівень необхідних інвестицій на одного абонента (від $1000 до $2000) робить проблематичною окупність сервісу. Для істотного зниження операційних витрат, включаючи витрати на контент, необхідне масштабування бізнесу і розширення клієнтської бази. Масштабування бізнесу вимагає значної модернізації транспортної мережі, мережі доступу, програмного забезпечення і операційних процесів. А надання користувачам реальних переваг у вигляді вигідних тарифів і унікальних послуг сформують звичку до масового їх споживання.
Висновки
Аналіз сучасного стану систем IP-телебачення показав, що сьогодні IP-технології мають достатню зрілість для вирішення завдань передачі відеоінформації. В IP-мережах база єдиної транспортної інфраструктури може інтегрувати всі види додатків в єдину сервис-орієнтовану технологічну платформу, яка дозволить забезпечити не тільки традиційний перегляд телевізійних каналів і голосовий зв'язок з високим рівнем якості, але і впроваджувати абсолютно нові послуги, які роблять IP-TV революційною технологією в цифровому телебаченні.
Головним перевагами системи IP-TV є якість цифрових технологій, інтерактивність і наявність широкого набору додаткових сервісів, які роблять її привабливою для перспективного використання у військових телекомунікаційних системах і системах АУВ.