Проектирование сети провайдера IP-услуг

Основные  характеристики рассмотренных кодеков  приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 –  Характеристики кодеков

Кодек	Метод компрессии	Скорость кодирования	Сложность реализации	Качество	Задержка
G.726	ADPCM	32/ 24/ 16 кбит/с	Низкая (8 MIPS)	Хорошее(32 К), плохое(16 К)	Очень низкая (0,125 мс)
G.729	CS-ACELP	8 кбит/с	Высокая (30 MIPS)	Хорошее	Низкая (Юме)
G.729A	CA-ACELP	8 кбит/с	Умеренная (20 MIPS)	Среднее	Низкая (10 мс)
G.723.1	MP-MLQ	6,4/5,3 кбит/с	Умеренная (16 MIPS)	Хорошее (6,4), среднее (5,3)	Высокая (37 мс)
G.728	LD-CELP	16 кбит/с	Очень высокая (40 MIPS)	Хорошее	Очень низкая (3-5 мс)

 

1.2 Технология IPTV

 

IP-телевидением  принято называть цифровую технологию  многопрограммного интерактивного  телевизионного вещания в IP-сети  с помощью пакетной передачи  видео-данных по IP-протоколу (Video over IP). На практике это выглядит так: головное IPTV оборудование передает, а абонентское оборудование принимает потоковое видео (streaming video). Этот термин обозначает технологии сжатия, сокращения и буферизации видео-данных, которые позволяют передавать видео в реальном времени через Интернет. Главная особенность потокового видео заключается в том, что при его передаче пользователь не должен ждать полной загрузки файла для того, чтобы его просмотреть. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов и проигрывается по мере того, как передается на абонентское устройство.

Для просмотра потокового видео используется специальная приставка к телевизору или в современной терминологии Set top Box (STB), который с одной стороны подключен к сети оператора (среда вещания), а с другой - имеет соединение с телевизором. Абонентское устройство STB декодирует видео-данные и выводит расшифрованное видео на экран телевизора.

Абонент IPTV получает от оператора пакет услуг, важнейшим отличием которых от услуг, предоставляемых классическим кабельным  телевидением, является интерактивность, то есть возможность для абонента оперативно выбирать и менять состав услуг, на которые он подписан, и  в любой момент заказать дополнительную услугу, например, дополнительный платный просмотр фильма. Конечно, интерактивность может быть реализована и на базе кабельной DVB-C сети с обратным каналом, но такие решения широко не распространены. Рассмотрим подробнее состав возможных услуг, которые может предоставить IP-телевидение.

Базовой услугой, прежде всего, является многопрограммная трансляция телевизионных каналов, или собственно IP-телевидение. Здесь  могут быть реализованы два варианта просмотра телепрограмм: первый - оператором формируется несколько пакетов  телеканалов, из которых зрители  могут выбирать желаемый набор, причём каждый пакет имеет свою абонентскую  плату; второй - зрители формируют  индивидуальные пакеты из каналов, транслируемых  оператором; абонентская плата определяется стоимостью выбранных каналов, входящих в индивидуальный пакет. Интерактивность IP-телевидения позволяет предложить абоненту ряд дополнительных услуг.

На  рисунке 3 приведена схема соединения компонентов головной аппаратной IP- TV системы, в том числе:

• головная станция;
• система условного доступа;
• видео-серверы;
• серверы биллинговой системы;
• серверы системы менеджмента;
• серверы промежуточного программного обеспечения (middleware).

Компоненты  опорной (магистральной) транспортной сети (рисунок 4) включают в себя:

• собственно опорная (backbone) оптическая сеть на базе IP-технологии или технологии ATM;
• высокопроизводительные коммутаторы (маршрутизаторы) с оптическими интерфесами.

Транспортный  уровень доступа, состоящий, например для случая xDSL сети, из устанавливаемого в помещении АТС головного DSL устройства DSLAM (DSL access multiplexor) и медной пары (телефонной линии), непосредственно заведенной в дом к абоненту.

 

 

Рисунок 3 – Головная станция IPTV в составе транспортной сети

 

Рисунок 4 – Магистральная часть IPTV-сети и уровень доступа

 

Для передачи потокового видео используются ряд сетевых протоколов, из которых  важнейшими являются протокол RTSP и  протокол IGMP.

RTSP (Real-Time Streaming Protocol) - это протокол, с возможностью контролируемой передачи видео-потока в интернете. Протокол обеспечивает пересылку информации в виде пакетов между сервером и клиентом. При этом получатель может одновременно воспроизводить первый пакет данных, декодировать второй и получать третий.

Протокол  из этой же группы RTP (Real-time transport protocol) определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивает безопасность передачи контента и распознавание информации. Вместе с RTP работает протокол RTCP (Real-Time Control Protocol). Он отвечает за проверку идентичности отправленных и полученных пакетов, идентифицирует отправителя и контролирует загруженность сети.

Для присоединения к сети или выхода из группы рассылки используется стандартный  протокол IGMP (Internet Group Membership Protocol).

Сформированный IPTV головной станцией поток телевизионных  каналов представляет собой поток IP-пакетов, передаваемых в сети по отдельному групповому IP-адресу, соответствующему данному телеканалу. Таким образом, вещание нескольких каналов представляет собой формирование нескольких потоков  multicast-трафика, когда каждый из каналов однозначно определяется уникальным адресом групповой рассылки.

При использовании MPEG-2 как наиболее распространенного  формата цифрового сжатия видео-данных, каждый телевизионный канал занимает в IP-сети от 3,5 до 6 Мбит/с. Сеть оператора загружается телевизионным каналом только в том случае, если имеется подписчик на этот канал, который выбрал его для просмотра, то есть запросил его просмотр в данный момент. Передача выбранного абонентом IP-сети телевизионного канала реализуется на базе технологии IP-multicast или для случая просмотра видео по заказу на базе IP-unicast.

Для обеспечения минимальных задержек и гарантированной скорости передачи видеоданных в IP-сети используется поддержка Quality of Service (QoS), для чего может использоваться, например, известный протокол RSVP (Resource Reservation Protocol), который обеспечивает резервирование необходимой ширины полосы в канале. Используется предоставление маршрутизаторам сети общих характеристик трафика (например, скорость передачи данных, вариабельность). Маршрутизаторы сводят затем воедино запросы на выделение ресурсов на общих участках маршрутов движения видеотрафика. Протокол активно используется маршрутизаторами фирмы Cisco [3].

В техническом  отношении можно выделить следующие  основные пользовательские функции  сети IPTV:

• предоставление услуг потокового аудио и видео;
• "видео по запросу";
• обеспечение доступа в Интернет;
• функционирование электронной почты;
• аккумулирование информационных ресурсов и обеспечение доступа к ним.

Для организации качественной передачи голоса и видео решения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• поддержка транспортных протоколов реального времени;
• обеспечение должных механизмов качества обслуживания [4].

Для передачи видео существует ряд  форматов с разным разрешением, требующих  определенной пропускной способности. Базовым является общий промежуточный  формат CIF (Common Intermediate Format), остальные -производные от него.

Для сжатия входной видеоинформации и ее последующего восстановления используются различные типы кодеков.

Подходы к сжатию видео принципиально  отличаются от используемых в универсальных  алгоритмах сжатия "без потерь" (таких, как RLE или LZW), широко применяемых  в программах-архиваторах и различном  коммуникационном оборудовании (модемах, маршрутизаторах и т.п.). Максимальный коэффициент сжатия, достижимый с их помощью, составляет 1:4, что абсолютно недостаточно для большинства приложений.

Основные методы компрессии, применяемые  в настоящее время, можно разделить  на две группы. Первую группу составляют методы, использующие внутрикадровое сжатие (каждый кадр обрабатывается отдельно). Это JPEG (Motion JPEG), Wavelet и JPEG-2000. Во вторую группу входят методы, использующие межкадровое или поточное сжатие: MPEG-1, H.261/H.263, MPEG-2, MPEG-4. Существуют разновидности Wavelet, в которых применяется межкадровое сжатие (так называемая дельта-компрессия). Основные характеристики различных методов приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Требования к пропускной способности (видео со сжатием)

Видеоформат	Ориентировочная пропускная способность, Мбит/с	Поддерживаемое разрешение
Motion JPEG	5-16	QCIF, CIF, 4CIF
Н.261	0,03-1,92	QCIF, GIF
Н.263	0,03-4	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF
MPEG-4	0,1-100	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF
MPEG-1	0,4-2	QCIF, CIF
MPEG-2	0,3-100	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF
Wavelet	2-6	QCIF, CIF, 4CIF
JPEG-2000	1,5-5	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF

 

Требования к пропускной способности  во многом определяются необходимым  качеством видеоизображения, которое  в свою очередь зависит от его  динамичности.

В основе ставших уже классическими  стандартов сжатия JPEG и MPEG, так же как  и в сравнительно новых методах  сжатия на основе Wavelet-преобразования, лежит переход от пространственного представления изображения к спектральному.

Чувствительность человеческого  глаза к точности передачи высокочастотных  спектральных составляющих невелика, что позволяет сократить число  бит, используемых для их кодирования. Реализуется такое сокращение делением каждого частотного коэффициента на соответствующий ему элемент  матрицы квантования. Эти матрицы  для цветностных компонентов (Сb и Сг) содержат, как правило, большие коэффициенты для одних и тех же спектральных составляющих, чем для яркостной.

Стандарт MPEG-4 был существенно доработан  по сравнению с MPEG-2 по нескольким направлениям: добавлены новые схемы разбиения  исходной видеокартинки на исходные блоки для ДКП, расширена схема поиска векторов движения и усложнены алгоритмы компенсации движения. Этим было достигнуто существенное улучшение качества видеокартинки при потоковой видеотрансляции. Но практически никакого улучшения не произошло для режима покадровой записи. В MPEG-4 остались все недостатки ДКП и его непригодность для документальной покадровой видеозаписи.

У всех методов компрессии есть свои достоинства и недостатки.

MPEG-подобные, оптимизированные по  скорости алгоритмы компрессии  Н.261 и Н.263 (с модификациями Н.261+, Н.263+) разрабатывались в расчете  на видеоконференции и видеотелефонию по сетям ISDN, то есть на приложения с практическим отсутствием динамических сцен. По мнению большинства экспертов, формируемые ими изображения (при высокой динамике) имеют блочную структуру, являются нечеткими и "дергаными". По степени компрессии они занимают промежуточное положение между Wavelet и MPEG и встречаются в цифровых системах видеозаписи довольно редко.

MPEG-1 обеспечивает качество, приблизительно  эквивалентное VHS, и может использоваться  в случае, если пропускная способность  канала ограничена 2 Мбит/с. В то же время качество передачи динамичных сцен, характерных для системы видеонадзора за движением транспорта, довольно невысокое.

MPEG-2 разрабатывался в расчете  на пропускную способность канала  передачи 0,3-100 Мбит/с с ориентацией на телевидение высокой четкости (HDTV). При коэффициентах сжатия до 30:1 он обеспечивает качество, приблизительно эквивалентное DVD, с хорошим воспроизведением динамичных сцен. В то же время при больших коэффициентах сжатия (до 200:1) начинают проявляться эффекты мозаики, искажения (типа ступеньки и т.д.). Гибкость алгоритма позволяет использовать его в различных сферах: от съемки и монтажа видеопродукции до последующего ее цифрового распространения (DVD) и передачи (DVB -Digital Video Broadcasting). Очевидное различие этих задач приводит к разнообразию возможных схем кодирования. Сильная сторона MPEG-2 - жестко определенная международным стандартом процедура декодирования. Это означает, что, несмотря на возможные различия использованных схем компрессии, любой MPEG-2-поток будет успешно воспроизведен стандартным MPEG-2-декодером. Таким образом, гарантируется совместимость оборудования различных поставщиков.