Mpeg over ip что это
 |  |
 | |
| Дата публикации: 14 сентября 2009г. |
| Статья была опубликована в журнале «Кабельщик» №9 2009г. |
Статистическое мультиплексирование – не слишком ли дорого?
Операторы часто задают вопрос – не слишком ли высока цена статистического мультиплексирования?
 | ||||||||||
 |  | |||||||
 | |||||||
 | ||||||
 | |||||
 | ||||
 | |
| |
IP-телевидение начинается с головной станции.
| Дата публикации: 17 ноября 2006г. |
| Статья была опубликована в журнале «Кабельщик» №10 2006г. |
Не надо откладывать проекты IPTV на послезавтрашний день.
Сегодня уже нет никакой необходимости убеждать операторов в том, что IP-телевидение является важнейшей и перспективнейшей составляющей пакета услуг Triple Play (телефония, Интернет и телевидение) на базе высокоскоростного доступа к транспортной сети MetroEthernet или xDSL.
Ещё 2-3 года назад IP-телевидение воспринималось в нашей стране как экзотическая и дорогая цифровая технология, перспективы которой весьма неопределенны. Однако в последнее время технические и экономические проблемы, препятствующие массовому внедрению IPTV, хотя и не исчезли полностью, но во многом потеряли свою остроту. В частности, оборудование MPEG-4 становится более распространенным и более доступным. Замечательные успехи в практической реализации сетей на основе новых высокоскоростных xDSL технологий, таких как ADSL2+ и VDSL дают основания для оптимистической оценки перспектив IP-телевидения в нашей стране. Очень важным является также огромный прогресс в доступности высокоскоростного «домашнего» Интернета и изменения отношения к нему населения. Сегодня в крупных российских городах сложилась ситуация, когда высокоскоростной Интернет на базе DSL или Ethernet сети имеется практически в каждой четвертой семье, относящейся к «социально-успешной» группе населения. Для этого социального слоя быстрый Интернет дома становится хорошим тоном и попадает в число обязательных компонентов потребления. В ближайшие 2-3 года можно ожидать удвоения числа абонентов с высокоскоростным доступом. Такое развитие ситуации позволяет предположить, что телекоммуникационные операторы обязательно должны ею воспользоваться и добавить IP-телевидение в пакет своих предложений в дополнение к быстрому Интернету. Хорошим примером тому является известный проект «Стрим-ТВ», реализованный на базе повсеместно развернутых в Москве сетей ADSL2+ для доступа в Интернет. Можно также предположить внедрение в ближайшем будущем кабельными телевизионными операторами услуги IPTV, технологически реализованной как IPTV over Docsis (IP-телевидение поверх протокола Docsis). Такой интересный гибрид технологий можно ожидать с появлением стандарта передачи данных Docsis 3.0, скоростные возможности которого должны быть существенно выше сегодняшнего стандарта Docsis 2.0.
В течение ближайших двух лет можно ожидать как дальнейшего существенного снижения уровня технологических препятствий для реализации IPTV сетей, так и роста привлекательности их для населения, что с учетом снижения стоимости оборудования создаст экономически выгодную ситуацию для инвестирования и широкого строительства IPTV сетей. Уже через 3-4 года можно предположить переход IPTV технологий в разряд широко распространенных и высокодоходных.
Итак, к мысли о необходимости создавать реальные коммерческие проекты IP-телевидения приходят операторы разного профиля. Сегодня это могут быть как «классические» телекоммуникационные операторы, так и операторы кабельного телевидения. Первые хорошо знают всё, что связано с классическими сетевыми технологиями и пакетной передачей данных на базе IP-протокола, хорошо понимают детали технологии Ethernet, однако, как правило, слабо представляют себе элементарные, с точки зрения оператора кабельного ТВ, принципы конфигурации цифровых головных телевизионных станций, состав таблиц сервисной информации транспортных MPEG-потоков, особенности работы цифровых спутниковых приемных систем и т.п. В свою очередь, операторы кабельного ТВ прекрасно ориентируясь в «классических» цифровых головных станциях, часто ощущают некоторую растерянность, когда речь идет о принципах подбора и конфигурирования головной станции IPTV, во всяком случае, в той её части, которая использует уже сетевые IP-технологии. Головная станция IPTV использует смежные пограничные технологии, как цифрового кабельного телевидения, так и пакетной передачи данных, поэтому сегодня не так много специалистов, владеющих всем сразу и не так много доступной литературы на эту тему.
В этой статье, авторы пытаются дать ответы на часть важных вопросов о том, как и по каким критериям, выбирать и конфигурировать станцию IP-телевидения. Авторы не рассматривают сколько-нибудь подробно ту часть головной станции, которая обеспечивает цифровой спутниковый прием, поскольку сегодня это не составляет никакой проблемы, и нет никакого дефицита, как в части информации, так и в части специалистов, владеющей ей.
На рисунках 1 и 2 мы видим компоненты IPTV сети. Рассмотрим важнейшие компоненты сети IP-телевидения.
Рис. 1. Головная станция IPTV в составе транспортной сети
Рис. 2. Магистральная часть IPTV и уровень доступа
Основная функция головной станции IPTV это формирование видео-контента и последующая трансляция выходного потока видео-данных в формате Video over IP (видео по IP протоколу). Также для магистральной (опорной части сети) может использоваться формат IP-Video over ATM (IP видео поверх ATM). Это связано с широким распространением магистральных ATM сетей. Для трансляции видео-контента через ATM / SDH сети многие операторы используют, например, хорошо известную станцию цифрового телевидения Teleste ATMux.
Рассмотрим подробнее требования к головной станции IPTV.
Современная станция IPTV должна работать с широким диапазоном входных источников видео-контента, в том числе:
Формирование видео-контента в форматах DVB-ASI (SPTS/MPTS) производится «обычной» цифровой головной станцией DVB, которая часто уже существует у оператора и уже некоторое время обслуживает его кабельную DVB-C сеть. В самом простейшем случае это комплект спутниковых цифровых приемников с ASI-выходом.
Более сложной и меньше знакомой операторам является вторая составная часть станции, формирующая выходные IP-потоки или собственно IPTV станция. Используют также термины IP-инкапсулятор и IP-стриммер.
Приведем термины, обозначающие основные процессы, производимые IPTV головной станцией:
Это самый главный процесс, выполняемый IPTV станцией. Для передачи транспортных MPEG-потоков через традиционные сети с пакетной передачей данных, головная станция IPTV объединяет множество 188-ми байтовых MPEG транспортных пакетов и формирует из них полезную нагрузку кадра PDU (protocol data unit).
Рис. 3.
Рисунок 3 иллюстрирует процесс инкапсуляции.
Заголовок (Header) и замыкающая часть кадра (Trailer) определяются используемым сетевым протоколом.
Рисунки 4 и 5 иллюстрируют инкапсуляцию MPEG-пакетов в Gigabit Ethernet сетях.
Рис. 4.
На рисунке 4 показан кадр в формате MPEG over UDP/IP over Gigabit Ethernet. Замыкающая часть кадра это как обычно CRC (cyclic redundancy code) – контрольный циклический избыточный код.
Рисунок 5 показывает инкапсуляцию MPEG over Gigabit Ethernet в реальном времени с использованием протокола RTP.
Рис. 5.
Протокол RTP (Real-time transport protocol) определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивая безопасность передачи контента и распознавание информации. Протокол RTP функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Разница между двумя рисунками только в добавлении RTP-заголовка в секцию заголовка протокола (Protocol Header).
Рис. 6.
Рисунок 6 иллюстрирует формат MPEG over UDP/IP over ATM с классической IP-инкапсуляцией (RFC 2684 LLC инкапсуляция маршрутизируемых протоколов). В состав полезной нагрузки AAL-5 входит IP-пакет, с нагрузкой из множества транспортных пакетов MPEG, плюс RFC 2684 заголовок и замыкающая часть кадра. В этом случае полный кадр AAL-5 PDU предоставлен уровню ATM для дальнейшей сегментации в ATM ячейки.
(Padding в секции Trailer это заполнение секции незначащей информацией).
Для других RFC 2684 ATM подобных инкапсуляций производятся соответствующие изменения. Так, например, для инкапсуляции в реальном времени после заголовка UDP был бы заголовок RTP. А для мостовой (bridged) инкапсуляции Ethernet был бы заголовок Ethernet MAC перед IP заголовком.
Рис. 7.
Рисунок 7 показывает инкапсуляцию MPEG over Native ATM. Он очень похож на предыдущие рисунки, различие заключается в удалении UDP/IP и RFC 2684 уровней (собственно по этому такой метод и называется “Native” (наследственный) ATM, так как он не имеет каких-либо дополнительных протоколов). Для этого метода заголовок протокола является пустым и этот метод более эффективно использует ширину полосы, чем другие ATM методы. Однако присутствие UDP/IP заголовков в других методах позволяет поддерживать множество однопрограммных транспортных потоков (SPTS) через одну виртуальную ATM цепь, что невозможно в методе ATM Native.
Конфигурируя IPTV станцию, оператор должен ясно представлять, какие именно виды обработки видео-данных будут необходимы. Для этого оператору надо знать как характеристики используемой транспортной сети, так и характеристики полученных из разных источников ТВ-каналов.
Для примера приведем начальный перечень вопросов, ответы на которые оператор должен хорошо знать, приступая к формированию ТЗ на IPTV головную станцию:
Дадим пояснения по этим вопросам.
Для примера предположим, что уровнем доступа у оператора является DSL-сеть, физически обеспечивающая скорость абоненту 7 Мб/с. Абонент при наиболее дорогом тарифе получает доступ в Интернет со скоростью до 2 Мб/с. Таким образом, ясно, что для передачи видео предельная доступная скорость потока будет около 5 Мб/с. Из этого следует, что оператор может использовать формат сжатия MPEG2 и обеспечить высокое качество трансляции. Однако, для MPEG2 будет исключена возможность трансляция HDTV программ, требующих в несколько раз большую скорость.
В нашем случае, оператор, использующий как источник контента спутниковые каналы с переменной скоростью 4-6 Мб/с, должен будет сделать для них упомянутый выше трансрейтинг, чтобы ограничить скорость потока заданной величиной, например 5 Мб/с. Важно знать, что возможности трансрейтинга по снижению скорости потока обычно ограничены величиной 15-20%. В случае же использования цифровых источников с высокой скоростью, например 8-12 Мб/с на ТВ канал, требуется уже ре-энкодирование, которое в простом варианте реализации представляет собой декодирование цифрового MPEG потока и повторное MPEG энкодирование с заданной скоростью. Очевидно, что в нашем случае для организации трансляции в формате HDTV оператору необходимо будет использовать новейшие эффективные алгоритмы сжатия видео, такие как MPEG4 AVC или VC-1. Для интеграции системы условного доступа головная станция должна иметь возможность внутренней маршрутизации видео-данных и интерфейсы для подключения скремблера, использующего сейчас уже стандартный протокол DVB Simulcrypt.
Учитывая сказанное раньше, основные требования к головной станции IPTV будут следующими:
Также к головной IPTV станции могут предъявляться и обычные для любого головного оборудования требования:
На российском рынке наиболее известны четыре производителя IPTV головных станций, это Scopus Video Networks, Terayon Communication Systems, Optibase и Tandberg Television.
MediaPlex 20 предлагается операторам как станция высшего класса, обеспечивающая телевидение профессионального вещательного качества по IP-сетям практически любого, сколь угодно большого размера. Станция реализует коммутируемые цифровые видеосервисы, видео по заказу и многое другое. Оператор может использовать станцию для технологического продвижения к IP-телевидению высокой четкости на базе передовых форматов компрессии цифровых видео-потоков. В ближайшее время производитель обещает для MediaPlex 20 поддержку обоих актуальных передовых технологий сжатия видео – MPEG4 AVC и VC-1 / Windows Media VC-9.
Для предоставления оператору возможности получать и передавать контент, взаимодействуя с различными типами транспортных сетей без специальных транспортных конвертеров, станция iPlex имеет большой набор входов и выходов, включая:
Для кодирования входного видео в MPEG транспортный поток станция имеет входы композитного видео, S-video и цифровой вход SDI.
Большим преимуществом по сравнению с другими головными станциями IPTV является поддержка MediaPlex 20 функции Stream Replications (дублирование потока), позволяющей предоставлять одинаковый по содержанию программ транспортный поток одновременно в форматах ATM, ASI и GigabitEthernet на соответствующих выходах, причем скорость потока на разных выходах может быть различной. Это важное достоинство для операторов, желающих предоставлять сервисы, имеющие высокую скорость потока через волокно или VDSL и одновременно поставлять тот же сервис с более низкой скоростью через ADSL. Функция Stream Replications может быть использована в гибридной сети, содержащей, например IP- DSLAM’ы и ATM DSLAM’ы.
MediaPlex 20 отличается высокой плотностью интерфейсов и функциональных модулей. Будучи размещенной в стандартной 19” стойке, эта компактная станция высотой всего 19 hu (86 см) в максимальной комплектации может предоставить оператору:
Станция отличается исключительной надежностью. Имеется возможность полного резервирования всего оборудования. Все модули, включая блоки питания и вентиляторы, допускают горячую замену.
Выбор оператором стандарта видео-компрессии.
Остановимся немного подробнее на передовых стандартах сжатия видео.
Существует распространенное заблуждение, что существует всего один формат сжатия, более эффективный, чем MPEG-2, имеется ввиду MPEG-4.
В действительности сегодня актуальными являются как минимум три передовых формата сжатия – открытый стандарт MPEG4 AVC (H.264), стандарт VC-1 созданный на базе видео кодек a Windows Media Video 9 от Microsoft, и стандарт AVS, разработанный в КНР по заданию Министерства информационной промышленности Китая.
Состоит из двух частей – AVS 1.0 для приложений требующих высокого разрешения, таких как DVB и DVD и AVS- M для мобильных видео приложений. По эффективности кодирования и визуальному качеству AVS1.0 близок к MPEG-4, однако сегодня вряд ли есть практический смысл рассматривать его для применения в российских IPTV сетях, во всяком случае, до тех пор, пока AVS1.0 не будут использовать в своей продукции ведущие мировые производители. И всё же, учитывая успешную экспансию недорогой китайской продукции, в том числе и вполне высококачественной, можно предположить, что завтра стандарт AVS 1.0 или какая-либо его новая модификация будет успешно использоваться также и в российских сетях.
SMPTE VC-1 (известен также как Windows Media VC-9)
Этот формат сжатия видео представляет собой «аппаратную» реализацию программно-реализуемого видео-кодека пакета Windows Media 9 Series, разработанного изначально корпорацией Microsoft. Известно, что в создании VC-1 кроме софтверного гиганта принимали участие ещё более 70 компаний. В настоящее время VC-1 стандартизирован организацией SMPTE (общество инженеров кино и телевидения). Производители, использующие VC-1 в своей продукции, должны выплачивать лицензионные отчисления SMPTE, часть из которых пойдет корпорации Microsoft.
VC-1 поддерживает кодирование как прогрессивного так и чересстрочного видео. Для кодирования используются компонентные составляющие видеоданных (яркостный и цветоразностные сигналы). Схема оцифровки (дискретизации) яркостных и хроматических данных 4:2:0, каждый компонент оцифровывается 8 битами на отсчет.
Стандарт MPEG-4 AVC
Не вдаваясь в принципы алгоритма кодирования, отметим только существенные для операторов важнейшие особенности двух передовых форматов MPEG-4 AVC (H.264) и VC-1:
Выбор стандарта видео-компрессии является исключительно важным аспектом планирования оператором IPTV сети. Вопрос этот не столь очевиден, как кажется на первый взгляд.
Приняв решение использовать передовой формат сжатия и делая выбор между H.264 и VC-1, оператор должен учитывать не только эффективность сжатия, которая приблизительно равна, но также должен учитывать порядок и стоимость лицензионных отчислений. Известно, что стандарты сжатия не определяют все детали процедуры кодирования видеоконтента, что позволяет различным производителям энкодеров иметь различный уровень качества в рамках одного и того же формата. Производители с течением времени постоянно улучшают качество своих энкодеров. Известно, что стандарт MPEG-2, утвержденный ещё в 1994 году, сегодня при использовании лучших энкодеров позволяет при скорости потока 4 Mб/сек получить практически такое же визуальное качество которое обеспечивали энкодеры в 90-х годах при скорости потока 8 Mб/сек.
Также стоит вопрос, а следует ли вообще оператору ориентироваться на передовые форматы. С одной стороны, IPTV оборудование для MPEG-2, как головное, так и абонентское является достаточно широко распространенным, доступным и, кроме того, имеет приятную для оператора динамику снижения цен за короткое время. Оператор может выбирать оборудование среди большого количества вендоров и добиваться наилучших цен и условий поставки. И с этой точки зрения, использование MPEG-2 в качестве базового стандарта сжатия представляется и совершенно разумным, и полностью оправданным. И всё было бы прекрасно, если оператор не планирует двух вещей:
1) не планирует использования сервисов, предполагающих unicast трафик, прежде всего такие популярные как «видео по заказу»;
2) не планирует использования High Definition TV (телевидения высокой четкости).
Первый из сервисов очень быстро съедает резервы полосы пропускания магистральной части сети по мере роста числа абонентов. Второй сервис просто требует более чем удвоения полосы в случае полного перехода на формат HDTV.
Ситуация выглядит ещё более драматично для оператора с сетью доступа на базе xDSL-сетей. Узкие места начинают проявляться уже не только в опорной сети, но и для последней мили. Что делать оператору в такой ситуации? Отказаться от введения новых услуг? Решение нежелательное, потому, что целевой аудиторией IP-телевидения является та группа населения, которая наиболее интересуется как раз передовыми, ранее недоступными сервисами. Это обладатели домашних кинотеатров и разной передовой аудио-видео техники. Оставить их без новых услуг, которые скоро будут у всех на слуху – плохое решение. Абоненты уйдут, т.к. спутниковое телевидение, кабельное телевидение и просто видеодиски в новых форматах будут доступны в большинстве городов.
Оператор в такой ситуации будет скорее всего вкладывать деньги в доработку своей транспортной сети с целью расширить её полосу пропускания. Однако оператор может предвидеть такое развитие событий и сразу на этапе проектирования выбрать современный стандарт компрессии, H.264 или VC-1. Объём трафика при этом решении падает более чем в 2 раза. Однако ситуация на рынке в части оборудования для этих новых стандартов пока намного хуже. Выбор оборудования меньше, цены намного выше. Тем не менее, на рынке уже есть некий минимальный выбор оборудования для H.264 и большинство производителей объявили о своих планах поддержки H.264 в самое ближайшее время. Со стандартом VC-1, который только полгода назад получил официальный статус, ситуация пока несколько хуже, однако оборудование для VC-1 уже можно найти на рынке, например, у того же Tandberg Television.
Передовые стандарты сжатия, будучи дорогим решением сегодня, завтра несомненно будут требовать гораздо меньших затрат. Но сколько будет стоить «железо» под MPEG2 в 2010 году? Может быть настолько дешево, что экономия с лихвой компенсирует недостатки устаревшего к тому времени стандарта. Готового универсального решения нет. Оператор должен сам его найти. Авторы не могут в точности предвидеть ситуацию завтрашнего дня, они лишь могут предположить, какие тенденции эту ситуацию сформируют.
Авторы с удовольствием ответят на все вопросы по затронутой теме по тел.: +7 (495) 221-81-88 или E-mail: 
