Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

(видео, речь). К этим параметрам относятся максимальная и минималь­ ная гарантированная полосы пропускания в прямом и обратном канале, а

также количество тайм-слотов в единицу времени, выделяемых модему

для передачи данных по обратному каналу. Стандарт DOCSIS 1.1 опре­

деляет ряд дополнительных параметров, улучшающих качество сервиса.

В частности, в нем реализованы механизмы фрагментации и сборки

больших пакетов данных, организации виртуальных каналов и задания

приоритетов, уменьшающие задержки при передаче речи и видео. В ос­

новном эти механизмы предназначены для поддержки IР-телефонии и видеоконференции.

В качестве механизма взаимодействия с терминальным оборудовани­ ем абонента стандарт DOCSIS предусматривает использование протокола Ethemet. В соответствии с ним данные упаковываются в кадры. Кроме то­

го, при передаче в прямом канале кадры могут помещаться в транспортные

потоки MPEG-2 дЛЯ совместимости со стандартами цифрового телевиде­ ния. В качестве основного транспортного механизма для связи сети СКТВ с сетью передачи данных стандарт DOCSIS использует протокол IP (Internet Protocol) сети Интернет с нефиксированной длиной пакетов. Каждому

устройству в системе доступа, включая абонентские кабельные модемы, назначается свой IР-адрес. Одному абонентскому устройству, имеющему единственный МАС-адрес, может назначаться несколько различных IP- адресов. Пакет IP имеет заголовок и область данных. В заголовок каждого пакета добавляются IР-адреса отправителя и получателя данных. В соот­ ветствии с этими адресами головное оборудование маршрутизирует паке­ ты данных от абонентов кабельной сети во внешнюю сеть Интернет и об­ ратно. В стандарте DOCSIS реализована прямая поддержка протокола IP,

без преобразований формата пакетов. В дополнение к стандарту DOCSIS был выпущен ряд спецификаций, объединенных названием Packet Cable. Они касаются порядка функционирования системы сетевого менеджмента,

сигнализации и механизмов гарантирования качества QoS.

Стандартами DOCSIS предусмотрены опережающая коррекция оши­ бок и криптозащита.

Стандарт DVB-C

Альтернативой группе стандартов DOCSIS является стандарт DVB-C,

разработанный в Европе некоммерческой организацией Project DVB, функционирующей под эгидой EBU [14].

Стандарт DVB-C разрабатывался на основе использования ячеек АТМ как для передачи основных данных, то есть транспортных пакетов МPEG-2, так и для организации интерактивных услуг. При этом в стан­

дарте предполагается применение стандартных дЛЯ АТМ методов обеспе­ чения качества услуг. В отличие от стандарта DOCSIS, передаваемые IP- пакеты сначала преобразуются в формат ячеек АТМ, которые и переда­ ются по кабелю, что снижает требования к кабельному модему и сетево-

ток МPEG-2 с пакетами размером в 188 байт. В скремблере пакеты органи­ зуются в группы по восемь, синхробайт каждого первого пакета из группы

инвертируется и служит в дальнейшем для цикловой синхронизации.

Скремблирование, как и в стандарте DVВ-S, осуществляется сложением по

модулю 2 с псевдослучайной последовательностью (ПСП), порождаемой

многочленом g( х)= x 15 + x 14 +1. На период следования каждого синхро­

байта скремблирование прерывается.

Учитывая относительно высокое отношение сигнал/шум внутреннее, то есть FЕС-кодирование не используется. Дополнительное повышение

помехоустойчивости достигается относительным кодированием двух

старших битов каждого байта с выхода перемежителя.

Стандарт DVB-C2

Рост числа реализуемых в кабельных сетях телекоммуникационных сервисов требует значительно более высокой пропускной способности ка­ бельных каналов. Разработанный стандарт передачи данных по СКТВ вто­

рого поколения DVB-C2 позволяет увеличить пропускную способность се­ ти на величину 65% по сравнению с системой при требуемом от­

ношения сигнал/шум в 35 дБ, что в большинстве современных кабельных

сетей вполне реализуемо.

Основным отличием DVB-C2 от DVB-C является применение способа

модуляции OFDM в режиме 4k (4096 несущих) с продолжительностью по­

лезного ОFDМ-символа 448 мкс вместо одной QАМ-модулированной не­ сущей. Существенное улучшение помехоустойчивого кодирования за счет одновременного использования кодов БЧХ и LDPC позволило в системе DVB-C2 применять более высокие размерности QАМ-модуляции, напри­ мер: QAМ-256, QAМ-1024, QAМ-4096 [70]. Для более наглядной оценки

информационных возможностей системы DVB-C2 в табл. 7.3 представле­

ны рассчитанные скорости передачи данных для канала связи с полосой

частот 8 МГц.

Таблица 7.3

Допустимые скорости передачи данных в системе DVB-C2

воедино все слои и добавляющий пилот-сигналы, а также преамбулу с сиг­ нализацией первого уровня. На последнем этапе сформированный кадр по­ ступает в ОFDМ-модулятор.

Другое преимущество применения PLP заключается в том, что разные

потоки можно передавать с разным уровнем помехоустойчивости: размер­

ность QAM-моДУляции и режим помехоустойчивого кодирования для каж­ дого PLP могут выбираться индивидуально. Следовательно, каждой теле­ коммуникационной услуге может назначаться свое качество обслуживания

QoS (Quality of Service).

В отличие от эфирного стандарта, DVB-C2 не должен подчиняться жесткой частотной сетке. Так как кабельная сеть представляет собой за­ крытую экранированную среду, то нет необходимости координировать ис­ пользование ее спектра с эфирными присвоениями. Напротив, можно гиб­ ко адаптировать полосу канала под свои конкретные потребности. Приме­ нение OFDM вместо одной модулированной несущей как раз и является ключевым фактором, обеспечивающим эту возможность. Ширина канала

задается выделением ему определенного количество ОFDМ-несущих. А

характеристики входного фильтра и системные часы остаются практически

неизменными. Такой подход позволяет расширить полосу частот переда­ ваемого сигнала для размещения в нем большего количества телекомму­ никационных услуг. Чтобы не усложнять и не удорожать абонентское обо­ рудование, предполагается сегментированный прием таких каналов. Этот

подход уже используется в японской системе эфирного телевидения ISDB-Т.

Приемник со стандартной полосой пропускания может извлечь из широко­

го пакета только ту часть, которая содержит принимаемую в данных мо­

мент услугу, а полоса частот, занимаемая этой частью, никогда не превы­

шает 8 МГц.

Структура кадра DVВ-C2 показана на рис. 7.13. Каждый кадр начина­ ется с nреамбулы, состоящей из одного или более ОFDМ-символов и вы­

полняющей две основные функции. С одной стороны, она обеспечивает на-

Схема организации сети IP ТV-вещания

Система предоставления услуг Video over IP состоит из следующих

частей:

•узла формирования телевизионного контента;

•транспортной среды, включая сеть доступа, то есть «последнюю милю»;

•абонентского оборудования.

Функциональная схема системы IP ТУ-вещания приведена на рис. 7.15.

При организации передачи видео через IР-сеть такого понятия, как «голов­ ная станция» не существует. Есть лишь совокупность устройств, которые

преобразуют цифровые потоки отдельных видеопрограмм в IР-потоки, при­ чем такие устройства могут находиться в разных точках IР-сети [72].

В общем случае сеть IP ТУ строится на основе распределенных инфор­

мационных ресурсов. При этом в IР-сети допускается размещение несколь­ ких видеосерверов с разным контентом. Как правило, для реализации услуги

«видео по запросу» используется совокупность мультимедийных серверов, иногда называемых граничными, которые в режиме локальной сети подклю­

чены к центральному видосерверу, обладающему наибольшим дисковым массивом и самой высокой производительностью. Центральный сервер слу­

жит для окончательной подготовки и генерирования потоков цифровых дан­

ных, которые подаются на вход DVВ IР-шлюза. Генерируемые мультиме­

дийными серверами в локальную сеть файлы и потоки данных захватывают­ ся центральным сервером, который защищает их РЕС (Рorward Епor Сопес­ tion - опережающая коррекция ошибок) - кодированием. Таким образом,

центральный сервер служит для окончательной подготовки и генерирования

потоков цифровых данных, которые подаются на вход DVВ IP-шлюза. При

первоначальном запуске системы VoD весь контент записывается на цен­

тральный сервер (сервер хранения); на граничных же серверах располагается только список фильмов и других программ с возможностью их предвари­ тельного просмотра. При запросе абонентом какого-либо кинофильма транс­ ляция ведется непосредственно с сервера хранения контента (центрального) с

одновременной записью на граничный сервер. Следовательно, если другой абонент через небольшой промежуток времени захочет посмотреть тот же

самый фильм, то трансляция будет осуществляться непосредственно с гра­

ничного сервера, не загружая центральный.

Когда дисковая емкость граничного сервера будет полностью запол­

нена, а абонент сделает запрос на редко заказываемый фильм, который на­

ходится только на сервере хранения контента, то есть на центральном сер­

вере, система определит наименее запрашиваемый контент на граничном

сервере и вместо него запишет нужный абоненту кинофильм. Таким обра­ зом оптимизируется работа всей информационной системы: происходит перераспределение контента для наиболее эффективного использования ресурсов сети. Подобная структура информационной системы поддержи­ вает весь спектр интерактивных функций.

Для трансляции телевизионных сигналов, передаваемых по спутнико­

вым системам в стандарте МPEG-2 DVB-S или DVB-S2, в IР-сеть сначала необходимо их принять спутниковым приемником, снять кодировку ус­ ловного доступа. Последнюю операцию выполняет дескремблер, имеющий

интерфейс DVB-ASI (Asynchronous Serial Interface - асинхронный последо­

вательный интерфейс), который является одним из стандартизованных интерфейсов для передачи потоков данных в стандарте МPEG-2.

Телевизионные сигналы от местных станций, от специально установ­

ленных телеили видеокамер поступают на кодеры информационного сжа­ тия, в которых в основном используется алгоритм кодирования МPEG-2. Это позволяет уменьшить скорость цифрового потока для каждой телеви­ зионной программы до 4 ... 5 Мбит/с с обеспечением качества цифрового изображения, сопоставимого с аналоговыми телевизионными системами

стандартной четкости. Кодеры должны иметь следующие входные интер­

фейсы - аналоговые компонентный и композитный и SDI, которые позво­ ляют работать с любыми источниками видеосигнала в режиме реального вре­ мени. В качестве выходного интерфейса используются 1О или 100 Base-Т

Ethemet.

После мультиплексирования различных цифровых видеопотоков от разных источников программ объединенный цифровой поток поступает на вход шлюза являющегося аппаратно-программным

комплексом. Шлюз, называемый также инкаnсулятором, используется для

того, чтобы принять уже готовые цифровые потоки программ и инкапсу­

лировать их в пакеты IР-сети, являющейся основной транспортной средой [73]. При использовании преобразования структуры DVВ-пакетов в пакеты

IР-типа видеоконтент остается в оригинальном цифровом формате и его не

надо перекодировать, приспосабливая к IР-сети. Это является преимуще­

ством такой схемы формирования IР-пакетов, которые содержат 20-

байтовый заголовок и поле данных переменной длины. Максимальная длина пакета IР-типа составляет 65535 байт.

Как правило, шлюзы имеют несколько выходных интерфейсов (Gigabit Ethernet инезависимые АSI-выходы), что дает возможность использо­ вать шлюзы как в сети Ethemet, так и НFС-сети, тем самым объединяя ста­ рые и новые сети в единую инфраструктуру вещания.

Современные инкапсуляторы способны формировать индивидуальные

пакеты данных для отдельных групп пользователей число которых может

достигать нескольких тысяч. Причем допускается, что каждая группа поль­ зователей состоит из сотен абонентов. С помощью шлюза организуются

как многоадресная рассылка (multicast), так и однонаправленная передача (unicast). И multicast и uпiсаst-каналы могут работать одновременно, неза­ висимо друг от друга. В процессе работы шлюз формирует динамическую и статическую таблицы пользователей. В таблицах отображаются IP и МАС-адреса пользователей, присвоенные им максимальные и минималь­

ные скорости, а также скорости передачи в данный момент времени. При-

чем каждая группа пользователей имеет свой идентификационный номер (Packet Identifier - PID), то есть идентификатор nакета в общем цифро­

вом потоке данных.

Непосредственно к выходу шлюза подключается кодирующее устрой­

ство системы условного доступа (Conditional Access System - CAS), обес­ печивающее защиту контента, шифрование канала для того, чтобы смот­

реть их могли только авторизованные пользователи. В качестве средств ав­

торизации могут использоваться как смарт-карты, так и программные

ключи, когда пользователю достаточно воспользоваться паролем. Декоди­

рование осуществляется непосредственно на абонентском устройстве SТВ

илиПК.

Подключение обычных телевизоров, дополненных приставками STB, к транспортной сети IР-типа осуществляется через сеть доступа. SТВ­ приставка фактически является специализированным компьютером со сво­ ей операционной системой, веб-браузером и МРЕG-декодером. Именно использование веб-браузера и IР-канала позволяет реализовать интерак­

тивные каналы в сети.

При включении SТВ-приставки происходит процесс инициализации,

во время которого с системы управления поступает конфигурационная ин­ формация, включающая данные электронного гида и стандартного прото­

кола IР-вещания (Intemet Group Management Protocol - IGМP), показы­

вающие, к какой multiсаst-группе принадлежит выбранный канал. Когда

абонент меняет канал, STB «уведомляет сеть», что он больше не нуждается

в выбранном потоке multicast, а должен присоединиться к новой multicast-

группе. Затем осуществляется прием нового потока МPEG-2, его декоди­ рование и подача аналогового видеосигнала на телевизор. При необходи­

мости оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и флэш-память при­ ставки могут быть расширены из-за реализации дополнительных функций (например, интерфейса Java, позволяющего устанавливать новые интерак­ тивные платформы). Также приставка STB может быть оборудована моду­

лем системы условного доступа.

Система управления услугами в IР-сети

Централизованная система управления мультисервисной системой IP- типа представляет собой специализированный программный комплекс

(часто его называют middleware), позволяющий формировать пакеты теле­

визионных программ дЛЯ IP ТУ, устанавливать стоимость этих пакетов, определять набор и стоимость видеоматериалов, доступных для просмотра по запросу, работать с электронным гидом телепрограмм, управлять пре­ доставлением других интерактивных сервисов. Причем программный ком­

плекс может в автоматическом режиме самостоятельно производить все

расчеты за услуги, либо интегрироваться с используемой биллинговой сис­ темой. Наконец, программный комплекс обеспечивает защиту всех переда­ ваемых цифровых видеосигналов от несанкционированного доступа, непо-