Сетевая технология IPTV

Сетевая технология IPTV – это технология многопрограммного интерактивного телевизионного вещания в IP-сетях с помощью пакетной передачи данных. Услуга, обеспечивающая доставку телевизионной картинки в форме IP пакетов вместе с VoIP и широкомасштабным доступом получила название Triple Play. Главными особенностями Triple Play по сравнению с широкомасштабным доступом стали более высокие ( на один-два порядка) требования к пропускной способности, работа в реальном времени и постоянный контроль телезрителей, замечающих малейшие недостатки в телевизионном изображении. Головное IPTV оборудование передает, а абонентское оборудование принимает потоковое видео. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов. Технология IPTV включает сжатие, сокращение и буферизацию видеоданных, которые можно передавать через Интернет в режиме реального времени.

В отличие от услуг кабельного телевидения, абонент IPTV получает возможность оперативно выбирать и менять состав услуг, на которые он подписан, заказывать дополнительную услугу. Базовой услугой является многопрограммная трансляция телевизионных каналов. Сформированный головной станцией поток телевизионных каналов представляет собой поток IP-пакетов, передаваемых по сети по отдельному групповому IP-адресу, соответствующему данному телеканалу. Таким образом, особенность IPTV – применение групповой адресации (multicasting) с помощью протокола IGMP (Internet Group Management Protocol) для доставки телевизионных программ и протокола управления потоками данных RTSP (Real Time Streaming Protocol) для доставки видео по требованию VoD (Video on Demand). Вещания нескольких каналов представляет собой формирование нескольких потоков multicast-трафика. Каждый канал занимает от 3,5 до 6 Мбит/сек полосы, если используем наиболее распространенный формат цифрового сжатия MPEG-2. Для обеспечения минимальных задержек и гарантированной скорости передачи видеоданных используется технология QoS с помощью известного протокола резервирования ресурсов RSVP (Resource Reservation Protocol).

Видеосигнал, передаваемый по сети IP, весьма чувствителен к потерям пакетов данных, так как чаще всего передается в сильно сжатом виде с использованием механизмов кодирования MPEG-2 и MPEG-4. По причине того, что эти видеокодеки не восстанавливаются при пакетных потерях на сетевом уровне, потеря даже единственного пакета IP-инкапсулированного видео может привести к заметному ухудшению качества видеоизображения. Видеокодеки обычно получают поток в стандарте MPEG-2 или MPEG-4, который состоит из трех типов кадров: I, P и B.

• Кадры типа I являются внутренними кадрами (intra frames) и содержат информацию для описания целого кадра в пределах видеопотока. Это дубликаты отдельных кадров, которые могут использоваться для воссоздания всей информации об изображении в пределах потока.

• Тип Р – это предсказуемые кадры (predictive frames); они используют информацию предыдущих кадров типа I или P для воссоздания самих себя в качестве полного изображения.

• Кадры типа В являются двунаправленными (bidirectional), для полной прорисовки они нуждаются в информации как из предыдущих, так и из последующих кадров последовательности.

Группа изображений – это некоторое количество кадров в промежутке между следующими друг за другом кадрами типа I, как показано на рисунке 7.4.

Для создания группы изображений (GOP) кодировщик или декодер стандарта MPEG использует в потоке последовательность кадров типа I и следующих за ними кадров типа P или B. В телевизионном вещании стандартной четкости (SDTV) группа изображений варьируется от 12 кадров в сигнале стандарта PAL с частотой 25 кадров в секунду до 15 кадров в сигнале стандарта NTSC с частотой 30 кадров в секунду, и это означает, что кадр типа I отсылается примерно каждые полсекунды.

Рисунок 7.4.

Кодирование последовательности группы изображений в потоке MPEG позволяет значительно снизить требования к пропускной способности, достигая более управляемых диапазонов скорости передачи. Тем не менее, взаимозависимость кадров типа P и B от кадра типа I выдвигает требование обеспечения высокой надежности при передаче по сети. Утеря кадра типа I может привести к внедрению в передачу явно видимых ложных изображений (называемых артефактами), таких как пикселизация, укрупнение составных частей видеоизображения или даже потеря кадра, что ухудшает впечатление пользователя от видеопросмотра.

В настоящее время сети многих операторов поддерживают некоторые типы механизмов постоянной сетевой доступности, с тем чтобы обеспечивать защиту в случае неисправности узла или канала. Потеря единственного пакета IP, содержащего кадр типа I в составе группы изображений одиночного программного транспортного потока (SPTS), может привести к значительному ухудшению впечатления от просмотра.

Потеря единственного пакета может иметь следствием ухудшение просмотра в течение одной секунды, а при последовательной непрерывной потере до 1000 пакетов ухудшение просмотра может доходить до 4 секунд. Согласно принятым нормам, качество восприятия видеоизображения считается приемлемым, если в течение двух часов передачи случается не более одного видимого ухудшения изображения. Соответствующим качеством обслуживания (QoS) сети для измерения данного параметра допускается следующий уровень потерь пакетов: один пакет на миллион (10^-6). Для операторов, предоставляющих услуги IPTV, максимальный уровень потерь пакетов 10^-6 является базисным требованием на рынке.

Для просмотра потокового видео используется специальная приставка к телевизору STB (Set Top Box), которая с одной стороны подключена к телевизору, с другой к сети оператора доступа (среды вещания). Приставка STB декодирует видеоданные и выводит расшифрованную информацию на экран телевизора.

В сетях IPTV предусматриваются два варианта отправки пакетов от источника – отправку в адрес одного получателя (одноадресная передача – unicast) или в адрес всех получателей (широковещательная передача – broadcast). Многоадресная IP-рассылка (multicast) обеспечивает также другой вариант рассылки, предусматривая отправку источником пакетов информации в адрес групп многоадресной рассылки. Механизм, известный под названием «передача по любому адресу» (anicast), применяемый для обеспечения дополнительной надежности, дает возможность повторного использования IP-адресов многочисленными устройствами. Данный механизм может использоваться совместно с многоадресной рассылкой. Для этого используют два источника пакетов многоадресной рассылки, сконфигурированных с одинаковыми IP-адресами источника и адресами назначения, но расположенных в разных местах сети, позволяя сети определять один из них в качестве оптимального к использованию на данный момент времени. В целях эффективного предоставления видеоуслуг многоадресная IP-рассылка, использованная в сочетании с механизмами Anicast, обеспечивает резервирование источника многоадресных потоков. Многоадресная IP-рассылка является проверенной технологией, специально разработанной для уменьшения сетевого трафика посредством предоставления одиночного видеопотока одновременно миллионам получателей. Заменяя выделенные потоки для каждого получателя на унифицированный поток для всех, многоадресная IP-рассылка снимает тяжелую нагрузку с промежуточных маршрутизаторов и уменьшает общий сетевой трафик. В сети именно маршрутизаторы отвечают за тиражирование и распространение многоадресного контента в адрес получателей, имеющих соответствующие права.

Как отмечалось выше, для передачи потокового видео используется ряд сетевых протоколов, из которых важнейшими являются протокол RTSP и протокол IGMP.

Протокол прикладного уровня RTSP (Real-Time Streaming Protocol) во многом подобен протоколу RTP (Real-Time transport Protocol) и протоколу HTTP. Протокол RTP – определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивает безопасность передачи данных и распознавания передаваемой информации. В отличие от HTTP, протокол RTSP допускает генерирование запросов сервером и клиентом. В протоколе RTSP данные могут передаваться вне основной полосы другими протоколами, например RTP, что невозможно с НТТР. Его уникальность в том, что разрешает пользователю управлять медиа в протоколе. Протокол RTSP работает с протоколами более низких уровней – RTP, RSVP, IP и TCP / UDP. Для присоединения к сети или выхода из группы рассылки используется стандартный протокол IGMP (Internet Group Management Protocol). Этот протокол используется для прямой телевизионной передачи, управляет IP-многоадресными группами. Протокол IGMP используется IP-хостами и маршрутизаторами. Маршрутизаторы отслеживают текущего состояния групп рассылки, а именно членство в той или иной группе того или иного конечного узла.

При оценке архитектуры IPTV следует учитывать общие требования, предъявляемые видеоуслугами к сети.

• Широкая полоса пропускания. Трафик на IPTV-услуги требует гораздо более широкой полосы пропускания, чем трафик, обеспечивающий лишь услуги широкополосного доступа в Интернет. Трафик более интенсивен потому, что видео доставляется на ТВ-приставку (STB) абонента непрерывными, устойчивыми потоками. Качество изображения контролируется сервис-провайдером, который определяет режим кодирования. Например, стандарт сжатия MPEG2 требует около 3,75 Мбит/с. Более новый стандарт сжатия MPEG4 требует лишь 2 Мбит/с при аналогичном качестве изображения. ТВ высокой четкости (HDTV) требует от 6 Мбит/с до 15 Мбит/с, в зависимости от степени сжатия при кодировании. Другим важным вопросом при оценке архитектуры IPTV являются требования широковещательного ТВ в сравнении с «видео по запросу». Каналы широковещательного ТВ доставляются с помощью многоадресной IP-рассылки (IP Multicast), при которой используемая полоса пропускания зависит только от количества предлагаемых каналов и степени сжатия при кодировании. Например, 200 каналов программ в формате MPEG2 со стандартным разрешением используют полосу пропускания около 750 Мбит/с. Услуга «видео по запросу», однако, предоставляется индивидуальным транспортным потоком для каждого пользователя. Одна тысяча абонентов «видео по запросу» со стандартным разрешением потребует полосу около 3,75 Гбит/с.

• Качество обслуживания (QoS) исключительно важно при оценки архитектуры IPTV, так как передача видео по IP очень чувствительна к потере пакетов. И хотя потеря одного или нескольких последовательных пакетов незначительно скажется на восприятии зрителем ТВ, однако, если потеря длится более секунды, это заметно снизит качество изображения. ТВ-приставки имеют ограниченную функциональность для борьбы с потерями видеокадров. Многие из ТВ-приставок (STB), например, позволяют избежать видимых артефактов из-за перерыва в сети с помощью схем прямого исправления ошибок, которые скрывают отсутствующую информацию, или путем повторной передачи недостающей информации. Оба этих метода технически достаточно сложны.

Задержка также является важным параметром, который следует учитывать, поскольку у ТВ-приставок STB ограничена емкость для компенсации задержки (обычно порядка 150 мс). И хотя абсолютная задержка не столь важна при передаче видео (если она постоянна во времени), помощь в обеспечении контроля задержек от начала до конца является основным атрибутом для проекта передачи видео через IP-сеть. Наконец, также важно учесть совместное существование видео с передачей речи через IP (VoIP) и другого трафика реального времени. При передаче по одной и той же сети нескольких услуг появляются различные требования к организации очередности. Надежное планирование и использование механизмов исключения перегрузок, а также настраиваемые размеры очереди должны стать частью сетевого решения.

• Авторизация вызова (Admission Control). Качественные видеоуслуги ведут к быстрому увеличению числа абонентов, которые хотят получить доступ к видеоресурсам в сети. Нельзя проектировать сеть таким образом, чтобы превысить возможности подписки на видеотрафик, так как превышение подписки приведет к произвольному выпадению пакетов, что скажется на качество обслужывания абонентов. Для того чтобы избежать превышения возможностей подписки, сеть должна иметь механизмы, которые бы взаимодействовали с источниками видео и давали разрешение новым видеопотокам, только если они не вызовут перегрузку сети.

• Время переключения широковещательного канала. Хоты абоненты и не станут принимать решение о покупке услуги ТВ лишь по времени переключения каналов, оно все же влияет на удовлетворенность абонента услугой. Поэтому важно, чтобы сетевое решение было оптимизировано для минимизации задержки переключения каналов.

• Доступность полной услуги. «Видео по запросу» и широковещательное ТВ имеют радикально различные требования по доступности. Широковещательное ТВ состоит из многоадресных видеопотоков. Если в сети потеряется один источник многоадресной рассылки, это может сказаться на сотнях тысяч пользователей. Сеть должна быть оптимизирована для многоадресной IP-рассылки и предоставлять способы для «прозрачного» восстановления потери источника многоадресной рассылки. Внедрение географически распределенных избыточных источников многоадресной IP-рассылки является хорошим способом увеличения доступности, поскольку позволяет сети выбрать наиболее эффективный источник и предоставляет быстрое переключение при отказах от одного источника к другому. Напротив, «видео по запросу» является индивидуальной услугой для пользователя, так что потеря одного потока не столь катастрофична. Однако ненадлежащее управление потоками «видео по запросу» или недостаток должного определения очередности могут вызвать серьезные проблемы с превышением предела подписки. Например, если в сети произойдет отказ и при этом резервный путь приведет к сокращению полосы пропускания, произвольные выпадения пакетов от всех видеоисточников приведут к деградации качества для всех потребителей сервиса. Поэтому важно при рассмотрении доступности услуги использовать различные схемы QoS для «видео по запросу» и для широковещательного ТВ.

• Жизненный цикл услуги: При внедрении такой новой услуги, как видео, интенсивность услуг развертывания видео будет меняться в зависимости от плотности заселения обслуживаемой территории, количества времени, в течение которого услуга уже предоставляется. База пользователей не является постоянным компонентом услуги. Сеть должна иметь возможность легко приспособиться к этим изменениям жизненного цикла услуги без значительных доработок. Она также должна легко масштабироваться, чтобы охватить нетронутых абонентов. И из-за того, что услуга сама может изменяться со временем, сеть должна быть достаточно гибкой для того, чтобы следовать изменениям с минимальным влиянием на подготовку. Так, например, при изменении интересов и привычек зрителей с течением времени можно легко удалять и вводить новые каналы. И когда услуги становятся более популярны по причине сезонного спроса, можно легко предоставить дополнительную полосу пропускания на несколько месяцев.

Таким образом к качеству IPTV предъявляются следующие требования: время смены канала – это интервал между нажатием кнопки пульта управления и появлением изображения выбираемого канала (нижняя допустимая граница качества видео требует значение времени переключения - 0,43 сек).

Требования к пропускной способности: для стандартного видео SDTV (Standard Definition TV) необходимая скорость передачи 3-5 Мбит/сек коэффициент потери IP-пакетов не более 10^-5, для телевидения высокой четкости HDTV (High Definition TV) требуется 15-18 Мбит/сек и коэффициент потерь пакетов 10^-6.

Защита видео от ошибок, т.е. от потерь пакетов. Требования к потери пакетов задаются двумя параметрами: временем потери пакетов (Lost Period), временем между двумя событиями потери пакетов. Второй параметр для SDTV – один случай на 30 с, для HDTV – не более четырех часов при величине первого параметра не более 16 мс.