ВИМОГИ ДО СИСТЕМИ IP-ТЕЛЕБАЧЕННЯ
Архітектура системи IP-телебачення
Архітектура рішення IP-TV залежить від архітектури магістральної мережі і мережі доступу оператора зв'язку і, як правило, має розподілену структуру. Основні елементи рішення IP-TV включають:
компоненти головної апаратної системи IP-TV, зокрема:
головну станцію;
систему умовного доступу;
відеосервери;
систему розподілу контента;
сервери білінгової системи;
сервери системи менеджменту;
сервери проміжного програмного забезпечення (middleware);
компоненти опорної (магістральної) транспортної мережі, зокрема:
власне опорну (оптичну) мережу на базі IP-технологій;
високопродуктивні комутатори (маршрутизатори) з оптичними інтерфейсами;
транспортний рівень доступу:
канали доступу абонентів;
клієнтське устаткування.
Всі ці компоненти, за винятком систем прийому первинного телесигналу, функціонують в IP-середовищі і встановлюються поверх існуючої мережі передачі даних.
На рис.1 приведена загальна схема архітектури IP-TV без прив'язки до конкретного виробника устаткування і способів організації каналів.
Рис.1 Загальна схема архітектури IP-телебачення
Головна станція (head-end)
Головна станція – це базовий компонент рішення IP-TV при побудові послуг цифрового телебачення (рис.2). Основна функція головної станції IP-TV – формування відеоконтента і подальша трансляція вихідного потоку відеоданих у форматі Video-over-IP.
Головна станція IP-TV виконує наступні функції:
IP-encapsulation (“IP-інкапсуляція”) – базова функція станції, забезпечує включення транспортних MPEG-пакетів як корисне інформаційне навантаження до складу кадрів протоколу PDU (protocol data unit), і подальшу передачу даних в телекомунікаційних мережах Gigabit Ethernet і АТМ;
transrating (“трансрейтинг”) – зміна (пониження) швидкості потоку даних, використовується також аналогічний по сенсу термін rateshaping;
Рис.2 Головна станція
transcoding (“транскодинг”) – транскодування, зміна формату стиснення медіаданих, наприклад потік MPEG2 транскодируется в MPEG4;
encoding (“енкодинг”) – компресія нестислого відео з метою отримання на виході “энкодера” транспортного потоку у форматі MPEG2 (4) або VC-1/Windows Media VC-9 (на вході энкодера відеосигнал може бути в аналоговому, наприклад, композитне відео, S-video або в цифровому, наприклад SDI форматі);
decoding (“декодинг”) – декодування, відновлення початкової нестислої інформації;
re-encoding (“ре-енкодинг”) – в цифровому телебаченні відновлення нестислої інформації і повторне енкодування з метою значної зміни швидкості потоку (іноді цим терміном називають також зміну формату стиснення, тобто фактично може матися на увазі транскодинг);
scrambling (“скремблінг”) – шифрування, мається на увазі використання системи умовного доступу (CAS);
de-scrambling (“де-скремблинг”) – дешифрування, мається на увазі розкриття скрембльованих ТВ-каналів;
multiplexing або remultiplexing – мультиплексування, в цифровому телебаченні цим терміном зазвичай позначається мультиплексування вхідних однопрограммных транспортних потоків (SPTS) і/або мультипрограмних транспортних потоків (MPTS) в необхідний операторові вихідний мультипрограмний транспортний потік (MPTS), при цьому також проводиться фільтрація незначущих і зайвих даних шляхом редакції PSI даних. Строго кажучи, навіть однопрограмний транспортний потік є результатом мультиплексування трьох потоків – відео, аудіо і даних;
de-multiplexing – демультиплексування, операція зворотна мультиплексуванню;
statistical multiplexing – статистичне мультиплексування, використовується головним чином для MPTS потоків, що направляються від земної станції на супутник (up-link), при цьому вигляді обробці загальна швидкість багатопрограмного потоку є майже постійною, але швидкість кожного з однопрограммных потоків, що складають загальний потік MPTS, є змінною (VBR). Статистичне мультиплексування дозволяє ефективно використовувати смугу супутникового транспондера, але вимушує операторів IP-TV, (особливо для DSL-мереж) використовувати трансрейтинг або навіть ре-енкодинг;
PSI redaction – редагування таблиць сервісної інформації PSI (program specific information – спеціальна інформація про програми).
Основні вимоги до головної станції IP-TV:
сучасна станція IP-TV повинна працювати з широким діапазоном вхідних джерел відеоконтента, зокрема:
супутникові ТВ-канали у форматі DVB-S, що отримуються через DVB-ASI інтерфейс приймачів або потокових дескремблерів в режимі однопрограмного транспортного потоку (SPTS) або багатопрограмного транспортного потоку (MPTS);
аналогове і цифрове некомпресироване відео, що отримується від студійного ТВ устаткування у форматах SDI, S-video, “композитний відеосигнал”, а також можна припустити використання в майбутньому цифрових інтерфейсів DVI (digital video interface) і HDMI (high-definition multimedia interface);
ефірні цифрові програми через DVB-ASI інтерфейс DVB-T-приймачив і з меншою вірогідністю аналогові ефірні канали у форматі “композитне відео”, отримане з виходу аналогових ефірних демодуляторів;
відеоконтент, що передається через транспортні мережі у форматах IP-TV (MPEG over IP), Video over АТМ, IP-video over АТМ;
повна гнучкість в обробці відеопотоку (трансрейтинг, транскодинг, енкодинг, мультиплексування, підтримка адресації трафіку multicast і unicast);
можливість надання сервісів через різні фізичні типи транспортних мереж (xDSL, опто-волокно (Ethernet), АТМ, коаксіальний кабель, супутникові мережі);
MPEG-2 і MPEG4-кодування;
MPEG-2 в MPEG4-транскодування;
підтримка систем умовного доступу DVB CAS і/або IP CAS.
Також до головної станції IPTV можуть пред'являтися і звичайні для будь-якого головного устаткування вимоги:
гнучке нарощування функцій і сервісів, масштабування;
легка і інтуїтивна конфігурація і управління.
Таким чином, головна станція є програмно-апаратним комплексом, який забезпечує прийом сигналу від радіо і телевізійних станцій і супутників, забезпечує декодування і демультиплексування цифрових сигналів і MPEG-кодування аналогових сигналів з подальшим мультиплексуванням підготовлених матеріалів в IP-потоки.
Система захисту контенту від несанкціонованого доступу
Даний компонент рішення IP-TV забезпечує безпеку послуг і захист відеоматеріалів від несанкціонованого перегляду і цифрового копіювання (дотримання авторських прав) (рис. 3).
Рис.3 Система захисту контенту від несанкціонованого доступу
Система закриття контенту (CAS) здійснює шифрацию аудіо і відеоматеріалів, при цьому доступ до матеріалів абонента дозволяється по авторизації абонентів власними засобами CAS або засобами інших систем – middleware, білінг. Як засоби авторизації використовуються смарт-картки, програмні ключі і найсучасніші і надійніші алгоритми.
Для шифрування вказаних у вхідному потоці сервісів використовується необоротний алгоритм, захищений оригінальним динамічно оновлюваним ключем, що на практиці робить неможливим несанкціонований перегляд телепередач і інших інформаційних сервісів, що передаються в потоці.
Ключ і дані про абонентів захищені унікальними високоефективними алгоритмами шифрування. Дешифрування аудіо і відеоматеріалів здійснюється безпосередньо на стороні абонента за допомогою STB.
Система умовного доступу складається з двох частин – серверної і клієнтської. Серверна частина запускається на сервері і здійснює шифрування мультимедійних потоків. Клієнтська частина завантажується в STB і здійснює дешифрування потоків. Паралельно ведеться процес обміну оновленими ключами з серверною частиною. Варіант алгоритму дії системи умовного доступу представлений на рис. 4.
Компоненти системи:
модуль сервера системи умовного доступу;
клієнтський модуль системи умовного доступу;
клієнт-серверна прикладна програма для обміну ключами.
Модуль сервера системи умовного доступу перехоплює IP-пакети з мультимедійним контентом, проводить їх шифрування і перенаправляє далі в мережу. Для кожного IP-потока передбачена генерація унікальних ключів.
Абонентський пристрій встановлює захищене з'єднання з сервером системи умовного доступу і періодично отримує оновлені ключі шифрування. Отримані ключі передаються в модуль системи умовного доступу на абонентському пристрої. Даний модуль перехоплює IP-пакети, що отримуються з мережі, і проводить їх дешифрування, якщо потік зашифрований і є в наявності актуальні ключі для даного IP-потока. Далі дешифровані пакети перенаправляються в прикладні програми, для яких вони призначаються.
Рис.4 Варіант алгоритму дії системи умовного доступу
Основні вимоги до системи умовного доступу:
високий рівень безпеки;
висока стійкість до методів криптоаналізу;
робота з цифровими і аналоговими джерелами програм;
управління пристроями по TCP/IP;
відсутність політики прив'язки до конкретного виробника абонентських приставок;
мінімальний час активації нових абонентів;
адресний простір на максимальну кількість абонентів.
Проміжне програмне забезпечення (middleware)
Middleware – програмно-апаратний комплекс, який забезпечує управління всіма компонентами рішення IP-TV, обробляє запити від абонентських пристроїв, забезпечує взаємодію з системами оператора зв'язку (рис. 5).
До основних функцій middleware відносяться:
інтеграція (забезпечення взаємодії) всіх компонентів рішення архітектури IP-TV;
формування інтерфейсів абонента – SUI (subcriber user interface);
формування адміністративного інтерфейсу і інструментів для управління послугами IP-TV;
аутентифікація користувачів з використанням СУБД;
авторизація (реєстрація і ведення обліку) користувача з використанням СУБД;
управління послугами і контентом, що надається, надання доступу;
збір статистики про надані послуги (запис файлів статистики);
формування програми передач EPG.
Рис.5 Middleware
Основні вимоги до проміжного програмного забезпечення:
легкість управління контентом і послугами;
контроль параметрів надання послуг;
конфіденційність клієнтської бази;
надання і модифікація інтерфейсу користувача при роботі з абонентськими пристроями різних виробників;
інтерфейс повинен бути інтуїтивно зрозумілим і приємним на око;
забезпечення послуг Video-over-IP в мережі на базі будь-якого мережевого устаткування і будь-якого устаткування head-end;
надійність і продуктивність. Підтримка резервного middleware, зміна конфігурації системи без перерви в обслуговуванні і миттєва активізація всіх змін;
розширення функціонала. Спектр підтримуваних послуг постійно оновлюється;
високий рівень відмовостійкої і можливість внесення змін, як в графічний дизайн інтерфейсу, так і в апаратну частину (при використанні додаткових нових модулів або інтеграції з існуючими застосуваннями);
відкритість платформи і можливість легкої інтеграції із сторонніми системами;
впровадження власних пркладних програм (інформаційні і комерційні послуги).
Само поняття middleware прийшло в IP-TV з мереж кабельного або супутникового телебачення, де middleware, по суті, є частинка коду, що виконується на абонентському пристрої і реалізовує призначений для користувача інтерфейс на екрані телевізора і доступ абонента до послуг. У сфері IP-TV middleware перетворилося на платформу надання широкого спектру інтерактивних послуг, які стають доступними абонентові саме завдяки можливостям, закладеним в телебачення по IP-протоколу.
Відеосервери
Відеосервери використовуються для реалізації послуг “відео по замовленню” (VoD), “віртуальний кінотеатр” (NvoD), “персональний відеомагнітофон” (PVR). Відеосервер – це дисковий масив великої ємності зі встановленим програмним забезпеченням (рис.6). Програмне забезпечення реалізує multicast трансляцію відеоматеріалів для послуги NVoD і unicast трансляцию при наданні послуги VоD. Відеосервер дозволяє здійснювати перехоплення і запис multicast потоків, тобто підтримувати послугу PRV. Велика ємкість є визначальною вимогою до видеосетверів.
Система розподілу контента
При побудові послуг IP-телебачення зосереджувати аудіо і відеоматеріали в єдиній точці обміну – недоцільно. Даний крок приводить до підвищеного завантаження мережі, нераціонального використання компонентів рішення, відсутності можливості надавати якісні послуги великій кількості абонентів. Як наслідок, необхідно якісно розподілити в мережі замовника відеосервери, що б були забезпечені умови:
мінімальне завантаження мережевої інфраструктури замовника;
рівномірний розподіл навантаження на відеосервери.
Для вирішення даного завдання використовується система розподілу контента (рис.7).
Рис.7 Система розподілу контента
Система розподілу отримує від middleware RTSP-запит абонентів на доступ до контенту, визначає, на якому сервері з мінімальним завантаженням і в максимальній близькості до абонента знаходяться необхідні дані, і дозволяє абонентові отримати їх з вибраного сервера. Якщо на мінімально завантаженому, але максимально наближеному до абонента, сервері необхідного контента не виявлено, то запит буде переадресований на іншій, схожий за умовами, сервер.
Таким чином, система розподілу медіаконтента є інтелектуальним інструментом, що забезпечує гнучкість і відмовостійку роботи сервісу VоD, яка дозволяє операторові оптимізувати роботу мережі і мінімізувати кількість використовуваного устаткування.
Основні вимоги до системи розподілу контента:
інтеграція – здатність легко інтегруватися з компонентами системи, зокрема з будь-яким middleware;
інтелектуальний розподіл контента. Система повинна управляти переміщенням контента з центрального відеосервера на регіональні сервери відповідно до популярності, а також постійно проводити моніторинг вмісту відеосерверів;
масштабованість – здатність працювати з будь-якою кількістю відеосерверів;
високий ступінь відмовостійкої системи. Система завжди повинна мати актуальну інформацію про працездатність відеосерверів. Якщо у момент проглядання відео відбудеться відмова в обслуговуванні поточним сервером, потік негайно буде відновлений іншим сервером, а для абонента це буде лише секундне зависання картинки на телевізорі;
перевірка доступності контента;
підтримка різних виробників відеосерверів;
збір і зберігання інформації про популярність відеоматеріалу;
підтримка відеоматеріалу на серверах в актуальному стані відповідно до їх затребуваності, видалення контента, що втратив інтерес користувачів.
Біллінг (Billing)
Система billing є апаратно-програмним комплексом, орієнтованим на збір статистичної інформації від пристроїв, за допомогою яких сервіс-провайдери забезпечують надання послуг користувачам, а також подальшу тарифікацію наданих послуг. Основними функціями білінгової системи є:
ведення абонентської бази (найменування, реквізити, статус);
ведення довідника тарифних планів;
обробка і тарифікація даних по спожитих послугах;
підготовка бухгалтерських документів;
підготовка фінансової звітності.
Основні вимоги до системи billing:
модульна архітектура. Забезпечує підвищення продуктивності і надійності системи шляхом розподілу навантаження між різними компонентами;
розподілена установка. З метою підвищення відмовостійкої і продуктивності система billing повинна мати розподілену установку. При цьому компоненти можуть бути встановлені в будь-якій конфігурації;
мультиплатформеність. Можливість функціонування під управлінням різних операційних систем;
масштабованість. Здатність вести облік і тарифікацію практично будь-яких типів послуг;
гнучкі настройки тарифікації. Реалізація абстрактного механізму тарифікації послуг, що дозволяє виконувати тарифікацію практично по будь-яких параметрах, отриманих від устаткування;
зручна робота з контрагентами і їх рахунками. Контрагенти можуть бути як фізичними, так і юридичними особами, мати реквізити, банківські реквізити, а також містити додаткові інформаційні атрибути;
зручна робота з платіжними документами;
гнучка система звітності.
Система менеджменту (OMS)
Order management system (OMS) – це система управління замовленнями, призначена для відстежування всіх етапів виконання замовлення на надання послуги оператором зв'язку, а також формування детальних звітів по кожному етапу і по процесу обробки замовлення в цілому. Приклад руху заявки через OMS представлений на рис. 8.
Рис.8 Приклад руху заявки через OMS
Абонент самостійно вибирає і замовляє послугу через зовнішню систему, яка передає замовлення в OMS;
OMS перевіряє і обробляє замовлення відповідно до каталога послуг, ділить його, при необхідності, на складові частини і направляє запит в систему управління ресурсами. Система управління ресурсами виділяє у відповідь необхідні ресурси (наприклад, IP-адрес, телефонний номер, місце на кросі і так далі);
OMS відправляє заявку на підключення послуги в систему активації послуг;
Система активації послуг активує послугу і інформує про це OMS;
OMS повідомляє систему биллинга про те, що новий продукт був придбаний користувачем і послуга активована, а також повідомляє зовнішню систему (призначений для користувача портал) і CRM-систему про нову підписку на послугу.
Основні вимоги до OMS:
автоматизоване введення, перевірка, узгодження і реєстрація замовлень;
створення типових сценаріїв обробки замовлень;
автоматичне призначення і оптимізація завдань на виконання замовлень;
повний контроль за виконання замовлення;
збір даних, зберігання технічної інформації про послуги, що надаються, наданні звітності;
інтеграція із сторонніми CRM-системами, білінговими і OSS/BSS системами;
взаємодія із зовнішніми системами;
ролеве адміністрування.
Транспортна мережа
Мережа оператора повинна бути готова до впровадження послуги IP-TV. Устаткування, що є у оператора, повинне підтримувати функціональність мовної розсилки контента (broadcast/multicast) на кожному сегменті мережі – від ядра (магістральних комутаторів і маршрутизаторів) до вузлів широкосмугового доступу (DSLAM). Ширина смуги пропускання на кожному сегменті мережі повинна бути достатньою для пропуску мультимедійного трафіку реального часу, включаючи трафік ТВ-каналів і послуг VoD. В порівнянні із звичайними інтернет-послугами для реалізації послуг IP-TV необхідна вища пропускна спроможність магістралі. Кожен широкомовний канал передаваний в режимі multicast, вимагає смуги пропускання 2 – 4 Мбіт/с для відеосигналів із стандартним дозволом і більше 10 Мбіт/с для відеосигналів з високим дозволом. Кожен канал VoD вимагає такої ж смуги пропускання. Отже, пропускна спроможність залежить від кількості каналів multicast і чисельності активних користувачів послуги VoD. Наприклад, передача 200 MPEG2-каналов multicast із стандартним дозволом вимагатиме смуги пропускання близько 800 Мбіт/с. Для одночасного використання послуги VoD тысячью абонентів знадобиться мережа пропускної спроможності 4 Гбіт/с. Таким чином, оператори при проектуванні своєї магістральної мережі повинні забезпечити її високу пропускну спроможність відповідно до вимог широкого круга споживачів.
В даний час для введення метрики якості послуг IP-TV використовується метод під назвою індекс передачі MDI, який надає на сьогоднішній день найпростіший в реалізації засіб по контролю якості послуг передачі відеоінформації, в першу чергу даних у форматі MPEG. Принцип оцінки якості послуг на основі MDI має на увазі формування інтегральної оцінки якості по сукупності декількох
Трохи складніше йде справа з вимірюванням параметра затримки DF, який визначає не абсолютну, а відносну затримку між очікуваним часом прийому пакету і реальним часом. Для роботи мережі параметр DF дуже важливий, оскільки він визначає критичний розмір буфера на стороні приймача, а також граничні значення установок таймерів різних протоколів. На відміну від вимірювань параметрів втрати пакетів і джитера, вимірювання параметра затримки DF не може бути реалізоване відомими методами. Але наявність різних алгоритмів “підмішування” трафіку для вимірювання абсолютних затримок в мережі вселяє оптимізм тим розробникам, які упевнені, що вимірювання DF можливі вбудованими методами діагностики. Отже, і весь алгоритм MDI може бути успішно реалізований у вбудованих засобах діагностики IP-TV.
Але найголовніше алгоритмічне достоїнство MDI – його глибокий зв'язок з параметрами якості транспортної мережі. Дійсно, основна методика паспортизації пакетних мереж дається в рекомендації RFC-2544, яка визначає наступні параметри якості:
пропускна спроможність (throughput);
затримка (latency);
девіація затримки, вона ж пакетний джитер (latency distribution);
кількість втрачених пакетів (frame loss);
кількість пакетів з помилками (frame error).
Але виявилось, що методика MDI далеко не так бездоганна. Втрутився новий чинник – кодування відеосигналу. Той самий high-tech, який зумовив виникнення послуги IP-TV, надзвичайно заплутав ситуацію в організації транспорту даних. Методи компресії відеоданих і кодування, що з'явилися, привели до того, що лінійно встановити зв'язок між якістю послуг і якістю транспортної мережі у разі IP-TV в даний час неможливо. Найпростіший приклад – нелінійні спотворення відеосигналу в результаті адаптивного кодування і компресії. Пояснити нерівномірність виникаючих унаслідок компресії і кодування порушень якості в простих термінах MDI опинилося неможливо, оскільки сама логіка кодування і компресії принципово нелінійна.
Технології широкосмугового доступу
Транспорт телевізійного зображення по Інтернет-мережах стала можливою тільки з появою технологій передачі даних, які забезпечують необхідну смугу пропускання каналів зв'язку. З кожним роком з'являються нові технології, направлені на підвищення ефективності і продуктивності розподілених телекомунікаційних систем. Серед тих, що динамічно розвиваються, але в той же час вже міцно устояних і випробуваних часом є технології Ethernet, xDSL, АТМ.
Приведений короткий огляд технічних рішень має на меті встановлення пріоритетів при ухваленні рішення про організацію підключення широкосмугового каналу.
хDSL (digital subscriber line – цифрова абонентська лінія) – сімейство технологій, що дозволяють значно розширити пропускну спроможність абонентської лінії місцевої телефонної мережі шляхом використання ефективних лінійних кодів і адаптивних методів корекції спотворень лінії на основі сучасних досягнень мікроелектроніки і методів цифрової обробки сигналу. Основна перевага даної технології в тому, що немає необхідності прокладати кабель до абонента. Використовуються вже прокладені телефонні кабелі, на які встановлюються сплітеры. До основних типів xDSL відносяться: ADSL, SDSL і VDSL. Всі ці технології забезпечують високошвидкісний цифровий доступ по абонентській телефонній лінії.
ADSL (asymmetric digital subscriber line – асиметрична цифрова абонентська лінія) – варіант DSL, що дозволяє передавати дані користувачеві з швидкістю до 8 Мбіт/с, а від користувача з швидкістю до 1 Мбіт/с. Для прийому і передачі даних використовуються різні канали: приймальний володіє істотно більшою пропускною спроможністю.
ADSL2 і ADSL2+ є модифікаціями класичної технології ADSL. Вони розроблялися з урахуванням збільшених вимог провайдерів і кінцевих користувачів. У ADSL2 і ADSL 2+ при практично тій же дальності передачі, що і в ADSL, швидкості збільшені до 12 і 25 Мбіт/с відповідно. Крім того, реалізована функція адаптивної зміни швидкості.
SDSL (simple digital subscriber line – симетрична високошвидкісна цифрова абонентська лінія, що працює по одній парі). Відомо дві модифікації цього устаткування: MSDSL (багатошвидкісна технологія SDSL) і HDSL2, що мають вбудований механізм адаптації швидкості передачі до параметрів фізичної лінії.
VDSL (very-high data rate digital subscriber line - надвисокошвидкісна цифрова абонентська лінія) – аналог технології ADSL, відрізняється тим, що може працювати як в асиметричному, так і в симетричному режимі. В порівнянні з ADSL, VDSL має значно вищу швидкість передачі даних: від 13 до 52 Мбіт/с в напрямі від мережі до користувача і від 1,5 Мбіт/с від користувача до мережі при роботі в асиметричному режимі. Максимальна пропускна спроможність лінії VDSL при роботі в симетричному режимі складає приблизно 26 Мбіт/с в кожному напрямі передачі
АТМ (asynchronous transfer mode – асинхронний режим передачі) – технологія побудови мереж з комутацією кадрів, що забезпечує високошвидкісну передачу даних шляхом посилки комірок даних (кадрів фіксованого розміру) по широкосмугових локальних і глобальних обчислювальних мережах. АТМ дозволяє передавати з високою швидкістю відео, аудіо і комп'ютерні дані разом з телефонними сигналами. Ця технологія поєднує в собі переваги пакетної передачі і мережевої комутації з розподілом смуги частот на вимогу. При асинхронній передачі дані перетворюються в пакети (комірки) фіксованої довжини, кожен з яких включає п'ять байт заголовка, що містить інформацію про ідентифікацію і маршрутизацію, і наступні за ним 48 байт абонентської (корисною) інформації. Кожен пакет тривалістю 53 байти слідує по певному мережевому шляху від посилаючої сторони до приймача в місці призначення (віртуальний канал). Тут відновлюється початкова інформація. Завдяки своїй структурі ця технологія забезпечує передачу різноманітної інформації (телефонії, даних і відео) по єдиній магістралі. Швидкість передачі даних, з якою працюють комутатори АТМ – 155Мбіт/с, хоча теоретично швидкість може скласти 1,2 Гбіт/с.
Ethernet – мережева технологія, визначена специфікацією IEEE 802.3. Мережі Ethernet використовують метод CSMA/CD, що забезпечує передачу даних по мережі з урахуванням випадкового суперечливого приходу пакетів даних. Швидкість передачі даних складає 10МБіт/с по кабелю типу “вита пара”, коаксіальному кабелю або волоконно-оптичному кабелю.
Fast Ethernet – мережева технологія, яка є розширенням технології Ethernet. Мережі Fast Ethernet використовують метод CSMA/CD і передають дані із швидкістю 100МБит/с.
Optical Ethernet – мережева технологія, яка є розширенням технології Ethernet. Швидкість передачі даних складає 1Гбіт/с і 10ГБіт/с по волоконно-оптичному кабелю.
Основними перевагами технології Ethernet є поширеність, ефективність використання канальних ресурсів, продуктивність, відносно низька вартість устаткування і експлуатації, простота підключення робочих місць. Fast Ethernet практично витіснив технологію АТМ в області підключення робочих місць. По тих же самих причинах (простота і низька вартість) гігабитний Ethernet і 10-гігабитний Ethernet в даний час стають привабливішими для побудови опорних мереж, чим АТМ. Технологія Ethernet дозволяє будувати міжвузлові з'єднання протяжністю до 100 км. без проміжного підсилення і регенерації при потенційно необмеженій пропускній спроможності.
Абонентський пристрій (STB)
Декодування телеканалів здійснюється безпосередньо на абонентському пристрої IP Set Top Box (рис.9), для проглядання потокового відео на телевізорі або персональному комп'ютері. Абонентський пристрій STB з одного боку підключений до мережі, а з іншою має з'єднання з телевізором. Приставка декодує відеодані і виводить розшифроване відео на екран телевізора. По суті, це невеликий комп'ютер зі своєю операційною системою, MPEG-декодером і веб-браузером. Саме наявність веб-браузера і IP-канала дозволяє реалізувати інтерактивні сервіси. Обмін командами управління і медіаматеріалами здійснюється через мережевий інтерфейс.
Основні вимоги до клієнтського устаткування:
STB повинне бути підтримуваним провідними постачальниками проміжного програмного забезпечення і систем умовного доступу;
можливість безпечного оновлення і обслуговування програмного забезпечення;
захист контента (сумісність з безліччю карткових і безкарткових програмних продуктів, що забезпечують захист контента);
підтримка різних інтерфейсів;
підтримка безлічі HTML браузерів;
низьке енергоспоживання. Припускає стабільну роботу пристрою і його високу надійність;
простий і високоефективний дизайн призначений для користувача інтерфейсу.
Технології стиснення даних в каналах IP-TV
Вибір стандарту відеокомпресії є виключно важливим аспектом планування оператором IP-TV мережі. Крім класичних методів стиснення відео і аудіоданих, сьогодні знаходять застосування такі прогресивні технології як MPEG-4 AVC і SMPTE VC-1 (Windows Media VC-9).
MPEG-2. Це назва групи стандартів цифрового кодування відео і аудіосигналів, схвалених ISO – Міжнародною Організацією по стандартизации/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). Стандарт MPEG-2 в основному використовується для кодування відео і аудіо при віщанні, включаючи супутникове віщання і кабельне телебачення. MPEG-2 з деякими модифікаціями також активно використовується як стандарт для стиснення DVD. MPEG-2 використовується для загального стиснення рухомих зображень і звуку і визначає формат відеопотоку, який може бути представлений як три типи кадру, – незалежно стислі кадри (I-кадри), кадри стиснуті з використанням прогнозу руху в одному напрямі (P-кадри) і кадри, стиснуті з використанням прогнозу руху в двох напрямах (B-кадри). Відповідні групи кадрів від одного I-кадра до іншого утворюють групу кадрів GOP (Group оf Pictures). Зазвичай використовуються потоки в 25 або 29,97 кадрів в секунду. MPEG-2 підтримує відео і в прогресивній, і в черезстроковій розгортці.
Сьогодні актуальними є два передові формати стиснення – відкритий стандарт MPEG4 AVC (H.264) і стандарт VC-1 створений на базі відеокодека Windows Media Video 9 від Microsoft.
Стандарт MPEG-4 AVC. Розроблений об'єднаною командою відеоекспертів міжнародної організації по стандартизації (ISO) і міжнародного союзу телекомунікацій (ITU), MPEG-4 AVC був в липні 2003 формально затверджений як стандарт, відомий також як Part 10, H.264.
Особливості MPEG4 AVC:
складніший алгоритм надає вищу ефективність стиснення і вищу якість;
вимагає швидкості потоку більш ніж в 2 рази меншою в порівнянні з MPEG-2 при рівній якості картинки;
підтримує ефективні інструменти додаткової ентропії такі як CABAC (context adaptive binary and arithmetic coding);
розмір блоку компенсації руху від 4×4 до 16×16;
множинність опорних кадрів;
мовний рівень – головний профайл ( main profile);
включений як формат стиснення для Blu-ray диска і HD DVD.
SMPTE VC-1. Цей формат стиснення відео є “апаратною” реалізацією відеокодека пакету Windows Media 9 Series, розробленого спочатку корпорацією Microsoft. В даний час VC-1 стандартизований організацією SMPTE (суспільство інженерів кіно і телебачення). VC-1 підтримує кодування як прогресивного так і черезстрокового відео. Для кодування використовуються компонентні складові відеоданих (яскравістний і кольорорізностні сигнали). Схема оцифрування (дискретизація) яскравістних і хроматичних даних 4:2:0, кожен компонент оцифровується 8 бітами на відлік. VC-1 забезпечує дуже високу ефективність компресії відео і аудіо та високу візуальну якість. Крім того VC-1 / WMV9 також стандартизований як можливий формат компресії для новітніх форматів відеодисків таких як HD DVD і Blu-ray.
Особливості Windows Media VC-1:
менш складний алгоритм, чим у MPEG4, вимагає менше циклів обробки і простіше реалізується;
вимагає меншої, ніж MPEG-2, швидкості потоку (більш ніж в 2 рази) при рівній якості картинки;
використовується кодування VLC (variable length coding);
розмір блоку компенсації руху 16×16;
використовується схема опорного кадру, подібна MPEG-2;
мовний рівень – передовий профайл (advance profile);
включений як формат стиснення для Blu-ray диска і HD DVD.
Передові відеокодеки (AVC) засновані на принципах, використовуваних в стандарті MPEG-2 і мають багато загальних з ним елементів, зокрема:
звичайна схема оцифрування яскравістних і хроматичних даних 4:2:0;
скорочення надмірних відеоданих, використовуючи IPB кадри;
розбиття зображення на блоки пікселів;
визначення наявності динаміки (рухи) на основі аналізу блоків;
скалярне оцифрування даних.
Проте в AVC було додано багато важливих алгоритмічних новацій:
змінний розмір рухомих блоків (16×16, складається з 4×4);
пошук руху четвірок пікселів;
множинність опорних кадрів;
можливість використання B-кадра як опорного;
зважений прогноз;
ціле перетворення 4×4 (на відміну від 8×8 DCT для MPEG2);
більш “дрібнозернисте” квантування при оцифруванні відео;
використання високоефективних алгоритмів кодування CA-VLC і CABAC (context adaptive binary arithmetic coding);
вбудований фільтр de-blocking filter для підвищення візуальної якості.
Порівняння найважливіших принципів кодування MPEG2 і MPEG4 AVC приведені в таблиці 1.
Таблиця 1
Порівняння принципів кодування стандартів MPEG2 і MPEG4 AVC
| MPEG-2 | MPEG-4 AVC |
| Для передбачених P-кадрів тільки один опорний кадр і два опорні кадри для B | Множинні опорні кадри. Двонаправлений режим для P і B кадрів |
| Макроблоки великої площі, 16×16 | Змінна геометрія блоку, зниження розміру до 4×4 |
| Точність вектора руху 1/2 піксела | Точність вектора руху 1/4 піксела |
| Дискретне косинусное перетворення (DCT) 8×8 | Ціле перетворення 4×4 |
| Один просторовий спосіб прогнозу | Безліч способів прогнозу |
| Немає вбудованого de-blocking фільтру | Вбудований de-blocking фільтр |
| Фіксований коефіцієнт квантування | Розширене і якісне управління квантуванням. |
| Алгоритм кодування VLC (variable length coding, Huffman) | Передові алгоритми кодування: VLC і CABAC |
Не вдаючись до принципів алгоритму кодування, відзначимо тільки істотні для операторів найважливіші особливості двох передових форматів MPEG-4 AVC (H.264) і VC-1:
H.264 має складніший в порівнянні з MPEG-2 алгоритм, надає вищу ефективність стиснення і вищу якість;
VC-1 має менш складний алгоритм, чим у MPEG4, вимагає менше циклів обробки і простіше реалізується;
H.264 і VC-1 вимагають швидкості транспортного потоку більш ніж в 2 рази меншу в порівнянні з MPEG-2 при збереженні якості картинки;
для H.264 мовний рівень – головний профайл (main profile);
для VC-1 мовний рівень – передовий профайл (advance profile);
обидва формати мають вбудований фільтр придушення блокової структури зображення (de-blocking filter) для підвищення візуальної якості.
обидва формати стиснення включено як що рекомендуються для Blu-ray диска і HD DVD.
устаткування MPEG4 сьогодні доступніше, ніж для VC-1.
Об'єм трафіку при використанні передових методів відеокомпресії падає більш ніж в 2 рази. Проте ситуація на ринку в частині устаткування для цих нових стандартів поки набагато гірша. Вибір устаткування менший, ціни набагато вищі. Проте, на ринку вже є якийсь мінімальний вибір устаткування для H.264 і більшості виробників оголосили про свої плани на підтримку H.264 в самий найближчий час. Із стандартом VC-1, який тільки півроку тому отримав офіційний статус, ситуація поки дещо гірша.
Ухваливши рішення використовувати передовий формат стиснення і роблячи вибір між H.264 і VC-1, оператор повинен враховувати не тільки ефективність стиснення, яка приблизно рівна, але також повинен враховувати порядок і вартість ліцензійних відрахувань.
Також стоїть питання, а чи слідує взагалі операторові орієнтуватися на передові формати. З одного боку, IP-TV устаткування для MPEG-2, як головне, так і абонентське є достатньо широко поширеним, доступним і, крім того, має приємну для оператора динаміку зниження цін за короткий час. Оператор може вибирати устаткування серед великої кількості вендерів і добиватися якнайкращих цін і умов постачання. І з цієї точки зору, використання MPEG-2 як базового стандарту стиснення представляється і абсолютно розумним, і повністю виправданим. Недоліком даного рішення є підвищені вимоги до транспортної мережі для надання сервісів, що припускають unicast трафік, перш за все такі популярні як “відео за замовленням”. Дані сервіси дуже швидко “з'їдають” резерви смуги пропускання магістральної частини мережі у міру зростання числа абонентів. Неможливим стає використання формату HDTV, який вимагає подвоєння смуги пропускання магістральної частини мережі.
Передові стандарти стиснення, будучи дорогим рішенням сьогодні, завтра поза сумнівом вимагатимуть набагато менших витрат. Готового універсального рішення немає. Оператор повинен сам його знайти.
Висновки
В результаті проведення аналізу компонентів рішення системи IP-телебачення визначені основні функції і сформульовані вимоги до елементів архітектури досліджуваної технології. Встановлено, що основними частинами архітектури IP-TV є: комплекс сигналоутворення і управління послугами, компоненти мережі передачі даних і клієнтське устаткування. Всі ці компоненти, за винятком систем прийому первинного телесигналу, функціонують в IP-середовищі і будуються поверх існуючої мережі передачі даних.
Комплекс сигналоутворення і управління послугами виконує функції прийому відеопотоків в різних форматах, формування контента (переформатування і інкапсуляція) з подальшою трансляцією вихідного потоку відеоданих в мережі передачі даних, забезпечення безпеки (захист від несанкціонованого доступу до відеоконтента) і управління всіма видами послуг. До основних вимог, що пред'являється до комплексу, відносяться гнучкість в обробці відеопотоку, високий рівень безпеки і якість управління контентом і послугами.
Компоненти мережі передачі даних виконують функції розподілу, виділення необхідної пропускної спроможності і забезпечення QоS. У разі розгортання послуги IP-TV на існуючій мережі – це опорна мережа провайдера. Канали доступу абонентів повинні будуватися на високошвидкісних широкосмугових технологіях. Оператори можуть використовувати комбінацію технологій “останньої милі”. Основною вимогою повинно бути забезпечення параметрів пропускної спроможності і затримки, необхідних для передачі відеотрафіку спільно з іншими даними.
Клієнтське устаткування забезпечує функціональну обробку, яка припускає установку з'єднання і рівня QоS з вузлом обслуговування, декодування відеопотоків, зміну каналів, управління користувальницьким дисплеєм і під'єднання до пристроїв користувача, таким як телевізори із стандартною (SDTV) або високою чіткістю (HDTV). Основною вимогою є функціональна гнучкість.
В результаті проведення порівняльного аналізу класичного і передових методів стиснення даних, вказані особливості кожного із стандартів відеокомпресії, які можуть послужити опорою операторові при плануванні організації IP-TV мережі.