Технические средства Интернет-телевидения IPTV

Все телепрограммы, которые оператор СКТ может принять из эфира или со спутников, собираются и формируются с помощью многовибраторных эфирных ТВ антенн и параболических антенн для приёма со спутников связи. Совокупность антенн, мачт, платформ, кабельного хозяйства, малошумящих усилителей, СВЧ - конвертеров и т.п. называется антенным полигоном, антенной системой или антенным постом. Антенный пост и первая головная станция должны находиться как можно ближе друг к другу, чтобы минимизировать длины соединяющих коаксиальных кабелей. В особо ответственных случаях антенный пост территориально удалён от основных помещений оператора (это децентрализованный вариант), но чаще антенный пост стараются выполнить компактно на некотором земельном участке или на крыше (крышах) недалеко от основного здания. Регламенты по техническому исполнению антенных постов хорошо освещены в РТМ 6.030.1-87. Для подбора места антенного поста и его рационального исполнения оператору необходимо провести тщательные измерения уровней телесигналов. Для этого надо выполнить следующие рекомендации:

· контрольные измерения проводят на кровле здания, где предусматривается установка головной станции;

· определение уровня сигнала производят для каждого телевизионного канала в отдельности. На кровле определяют зону с приемлемыми параметрами принимаемого сигнала и определяют положение антенны, при котором отмечается наибольший уровень радиосигнала. В этом положении производят отсчёт уровня и оценку качества изображения;

· после измерений выбирают экономически оправданную антенную систему, обеспечивающую наилучшее качество приёма при достаточном уровне сигнала на входе головной станции (при необходимости с использованием антенных усилителей);

· в целях сокращения числа антенных опор рекомендуется проверять возможность установки на одних и тех же мачтах наибольшего количества антенн;

· если требуемое качество телевизионного изображения не обеспечивается при применении одиночных антенн и простейших способов улучшения качества приёма, проводят изыскания с использованием фазированных антенных решёток.

Итак, при выборе оборудования антенного поста необходимо учитывать: диапазон принимаемых сигналов, коэффициент усиления, защитное отношение, добротность (спутниковых антенн), стоимость, механическая прочность антенн и соответствие ветровым и гололёдным нагрузкам данной климатической зоны, материал и защитное покрытие, удобство при монтаже и эксплуатации, поставщики.

Теперь также коротко рассмотрим вопросы реализации спутникового антенного поста. Перед выбором оборудования спутникового антенного поста и проектированием, как и в случае с эфирным антенным постом, необходимо произвести контрольные измерения. Они проводятся в месте предполагаемой установки спутниковых антенн на предмет выявления помех от радиорелейных линий и других видов связи для определения мест с открытыми направлениями на выбранные спутники и определение необходимых диаметров антенн.

При формировании программ спутникового телевизионного вещания (СТВ) желательно использовать профессиональные, специально разработанные антенны. Такие антенны должны обладать собственной шумовой температурой не более 25…30 К, что обеспечивает добротность приемной системы более 26 дБ при использовании малошумящих конвертеров с коэффициентом шума NF = = 0,5дБ в диапазоне 10,9…12,75 Гц. Учитывая региональную специфику (слабые уровни падающих потоков мощности), диаметр рефлектора приемной антенны нужно рассчитывать исходя из условия формирования максимального ОСШ, которое не может быть меньше 14 дБ.

Практически все ТВ программы со спутников транслируются в цифровом виде, поэтому требования к конвертерам сигнала по фазовой стабильности очень высоки.

Главная функция малошумящего частотно–понижающего конвертера (Low Noise Block - LNB) – перенос спектра входного сигнала в область более низких частот. При этом несущая частота выходного сигнала неизбежно подвергается случайным смещениям (флюктуациям). Уровень фазового шума стандартных конвертеров удовлетворяет потребностям аналогового приема, однако, чтобы при приеме данных (в том числе цифровых ТВ каналов) сигнал с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) был правильно демодулирован спутниковым приемником, требуются LNB с более высокой фазовой стабильностью. Поясним понятие «фазовая стабильность». Например, на входе конвертера присутствует немодулированный синусоидальный сигнал с частотой 4 ГГц. При этом на выходе должен выделяться такой же синусоидальный сигнал с частотой 1,15 ГГц. Так как частота гетеродина конвертера непостоянна и случайно изменяется (флюктуирует) в некоторой области вокруг номинальной частоты, в произвольный момент времени мгновенная частота выходного сигнала будет находиться в полосе, например, 10 МГц с центральной частотой 1,15 ГГц. В результате мгновенная фаза сигнала также приобретает некоторую неопределенность. Если на вход такого конвертера вместо немодулированного сигнала подается сигнал с QPSK, фаза выходного сигнала так же приобретает некоторую неопределённость.

Из-за флуктуации частоты, или, как еще называют это явление, фазового шума, QPSK – демодулятор может не распознать изменение фазы несущей или наоборот ошибочно зафиксирует изменение фазы. И то, и другое приведет к записи в буфер ошибочного значения принятого бита.

Исходной величиной для определения максимально допустимого уровня фазовых шумов является максимально допустимое относительное количество ошибок BER (Bit Error Rate) при данной скорости потока. Ассоциация Eutelsat рекомендует использовать конвертер со следующим распределением фазовых шумов: -50 дБс/Гц на 1 кГц; -75 дБс/Гц на 10 кГц; -95 дБс/Гц на 100 кГц.

Подбор оборудования для спутникового приема начинается с анализа списка ТВ программ, планируемых к трансляции. Определяются спутники, с которых эти программы транслируются, частоты и поляризация пакетов, в которых они располагаются. Перечень телепрограмм, которые можно взять за основу при формировании своего пакета программ, сведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Спутниковые телепрограммы

Номер	Наименование принимаемого канала¹	Спутник, позиция на орбите	Частота, МГц	Поляри – зация
	МТV НТВ ТНВ ТНТ Discovery Channel ART – Europe Hallmark Russia Fashion TV Ajara TV Fox Kids Travel Ch CNN International BBC TRT International APT/MAPT CГУ (учебный) Казахстан ТВ Детский проект Муз ТВ ТВ центр ОРТ Спорт	Eutelsat W4, 36° в.д. Eutelsat W4, 36° в.д. Eutelsat W4, 36° в.д. Eutelsat W4, 36° в.д. Hot Bird 1, 13° в.д. Hot Bird 2 13° в.д. Hot Bird 3 13° в.д. Hot Bird 3 13° в.д. Hot Bird 3 13° в.д. Hot Bird 4 13° в.д. Hot Bird 4 13° в.д. Hot Bird 5 13° в.д. Hot Bird 5 13° в.д. Hot Bird 5 13° в.д. Intelsat-604, 60° в.д. LMI, 75° в.д. NSS 703, 57,0° в.д. Экспресс 6А, 80° в.д. Экспресс 6А, 80° в.д. Экспресс 6А, 80° в.д. Ямал-100, 90° в.д. Ямал-100, 90° в.д.		R L R L H V V H H H H V H H V V H R V R L L

¹ Названия каналов, их частоты и размещение на спутниках могут изменяться в зависимости от политики вещателей

В этой таблице также указаны спутники с их координатами на орбите, частота и тип поляризации. Она показывает, как снять с восьми спутников тридцать телепрограмм. Отметим один важный факт — все модули спутниковых ресиверов выдают выходной МРЕG-2 сигнал в удобном интерфейсе АС1 (Asynchronous Serial Interface).

На рис. 1.1 приведен пример схемы спутникового антенного поста с указанием рекомендуемых диаметров параболических антенн и типов конвертеров. Обратите внимание, что одна антенна вроде бы лишняя, но на самом деле это намек на то, чтосразу надо предусматривать будущее развитие.

Дополнительные телепрограммы может дать эфирное телевидение. Из рис. 1.1 видно, что некоторые каналы (на рисунке это каналы 35 и 46) могут иметь недостаточный уровень сигнала и потребуются малошумящие антенные усилители.

Головные станции

Рассмотрим подробнее головные станции (ГС). Довольно часто используется децентрализованный способ размещения антенного поста. Чтобы обеспечить высококачественный прием спутниковых телепрограмм для перетрансляции в своей системе, можно спутниковый антенный полигон расположить за много километров от здания, где компонуется полный пакет телепрограмм. Естественно, что первая ГС должна находиться рядом (не более 100 м) от антенн. Качество первой головной станции является наиважнейшим, оно и определит качество всех принятых из космоса и подготовленных для перетрансляции телепрограмм.

Итак, ГС определяет качество исходящих от нее телесигналов и системы интернет - телевидения в целом. По техническим характеристикам ГС подразделяются на три категории:

ГС третьей категории (или индивидуальные) устанавливаются в небольших сетях (коттеджный поселок, гостиница, ведомственная сеть с числом абонентов менее 100). ГС третьей категории не рекомендуются для сетей интернет - телевидения;

ГС второй категории обеспечивают достаточно высокие параметры. Они используются на сетях до 10000 абонентов. ГС второй категории уже вполне могут быть использованы в качестве первой ГС в сетях интернет - телевидения;

ГС первой категории соответствуют самым высоким техническим требованиям.

Основные особенности ГС первой категории:

высокое отношение сигнал/шум;

расширенный динамический диапазон;

мультисистемность, многофункциональность;

наличие оборудования DVB/МРЕG;

наличие дистанционного контроля и управления;

малая неравномерность АЧХ;

возможность непосредственного сопряжения с ВОЛС;

горячее резервирование.

Итак, первая ГС устанавливается, например, за 30 км. По ВОЛС сигналы приводятся в помещение, где будут добавлены дополнительные каналы и еще какие-то дополнительные сервисы. Это помещение, где установлена вторая ГС (ее часто называют узловой или тандемной, так как она добавляет телепрограммы в пакет, пришедший от первой ГС), обычно называют центром управления сетью (ЦУС).

Возникает вопрос: «А как транспортировать принятые из космоса 30-40 телеканалов?» Самый очевидный ответ прост, надо их сохранить в первозданном виде. Все они пришли со спутников в формате МРЕG-2, надо с помощью первой ГС выделить их из транспортного потока, перевести модуляцию из QPSК в QАМ-64, конвертировать их на нужные нам частоты и через ВОЛС или коаксиальный кабель передать в ЦУС. Конечно, можно каждую телепрограмму превращать в свой IР-поток и затем, статистически уплотнив, передавать в ЦУС. Однако пока такие решения не популярны, так как количество оборудования рядом с первой ГС увеличивается, сложность его растет и, соответственно, надежность снижается. Желательнее поставить одну ГС первой категории с функциями переконвертирования принятых каналов. С учетом возможности ее дистанционно контролировать и управлять ее режимами и учитывая опции горячего резервирования, эта ГС вполне может работать автономно без обслуживающего персонала.

Итак, если антенный пост и ЦУС расположены недалеко друг от друга, то первую ГС можно разместить в том же здании, где находится ЦУС. Тогда в стойку первой ГС можно поместить и преобразователи DVB/MPEG-программ в телепрограммы интернет - формата. В результате можно обойтись одной ГС.

Более универсален вариант, когда телепрограммы приходят по коаксиальному или волоконно-оптическому кабелю от первой ГС, а в ЦУСе установлена тандемная ГС, которая из DVB/MPEG-программ формирует пакет телепрограмм в IP-формате.

Каждый оператор интернет - телевидения подбирает свои варианты комбинаций телепрограмм: социальный пакет, спорт, сериалы, и т.п. Обычно эти комбинации телепрограмм называются тарифными планами. Для каждого такого плана система условного доступа (CAS) формирует свои пароли, наличие которых в STB абонента позволяет дескремблировать именно данный набор телепрограмм. При этом в STB либо вставляется смарткарта или в STB абонента посылается виртуальный периодически меняющийся код.

Для ГС, производящей multicast IP-трафик, уже сложился (во всяком случае у российских системных интеграторов) ряд устоявшихся мнений по требованиям к скоростям цифровых потоков телепрограмм. Для перетрансляции спутниковых телепрограмм следует ориентироваться на скорости MPEG-2-потока данных в среднем 4 Мбит/с. Оборудование некоторых производителей позволяет так переработать приходящий со спутника поток, что результирующий MPEG-2-поток обеспечивает приемлемое качество изображения и на скорости 3 Мбит/с. Однако такое оборудование пока очень дорого. Ориентация на стандарт MPEG-4-ABC пока преждевременна, так как серийный выпуск такого оборудования только начался. Соответственно, можно предположить, что этот стандарт в ближайшие годы будет применяться в IP-системах интернет - телевидения. Стандарт VC-9 фирмы Microsoft закрытый и скорее всего, будет использоваться лишь операторами, использующими всю линейку ПО фирмы Microsoft.

Для unicast-программ (программы «видео по требованию» и телепрограммы со сдвигом во времени) скорости MPEG-2-потоков обычно ниже. Так, сформировавшийся де-факто стандарт для VoD (3,75 Мбит/с) выдерживает конкуренцию с качеством видеокассет.

Соответственно, при использовании стандарта MPEG-4 можно ориентироваться на следующие скорости: 2 Мбит/с для multicast-программ и 1,7 Мбит/с для unicast-программ.

Следует отдавать себе отчет в том, что указанные скорости являются максимальными и при статическом изображении скорость может оказаться в 5 раз ниже. Во всяком случае, если сформирован суммарный поток IP-пакетов, допустим, для передачи с ЦГС на УГС десяти телепрограмм в формате MPEG-2, то с учетом переменной скорости индивидуальных потоков (VBR-кодирование) результирующий IP-поток будет 15...20 Мбит/с. Это происходит за счет случайной загрузки каждого индивидуального канала, что позволяет за счет статистического мультиплексирования с предсказанием уплотнить транспортный поток.

Суммарный IP-поток накладывается (инкапсулируется), например, на транспортную среду ATM (IP — video over ATM) либо вначале преобразуется в Ethernet, а затем передается через среду синхронной передачи данных SDH-сети. Пока абстрагируемся от транспортной среды и уясним основные функции ГС для интернет - телевидения, которые необходимы для того, чтобы из разных стандартов исходного видеоконтента получить нормализованные индивидуальные IP-потоки каждой ТВ программы.

Классифицируем возможные варианты источников:

• спутниковые ТВ каналы в формате DVB-S, получаемые через DVB-ASI-интерфейс приемников, или «потоковых дескремблеров», в режиме однопрограммного транспортного потока (SPTS) или многопрограммного транспортного потока (MPTS);

• аналоговое и цифровое некомпрессированное видео, получаемое от студийного ТВ оборудования в форматах SDI, S-video, композитного видеосигнала, а также можно предположить использование в будущем цифровых интерфейсов DVI (Digital Video Interface) и HDMI (High-Definition Multimedia Interface);

• эфирные цифровые программы через DVB-ASI-интерфейс DVB-Т-приемников и с меньшей вероятностью аналоговые эфирные каналы в формате композитного видео, полученного с выхода аналоговых эфирных демодуляторов;

• видеоконтент, передаваемый через транспортные сети в форматах IP (MPEG over IP), Video over ATM, IP-video over ATM.

Формирование цифровых потоков индивидуальных ТВ программ в форматах DVB-ASI (SPTS/MPTS) осуществляет первая ГС. Задача второй ГС — формирование выходных IP-потоков. Устройство, которое накладывает IP-поток на транспортный протокол, называют IP-инкапсулятор или IP-стример (иногда в литературе встречается и написание стриммер). Узловую ГС, дополненную IP-стримерами, в дальнейшем изложении будем также называть ГС-IPTV.

Наверное, не надо усложнять ситуацию, многие могут сказать, что обычно достаточно одной ГС. В ней и получим SPTS/MPTS-потоки и стримерами превратим их в IP-потоки, и антенный пост «на крыше дома». Да, попытаться объединить все узлы в одном здании - это хорошо. К этому стремятся операторы, стесненные в средствах и не проводящие дальновидную политику. Лучше для ЦУСа, серверной, собственной телестудии и прочих помещений найти одно здание, а для размещения антенного полигона другое высотное здание в радиусе до 500 м от ЦУСа. В высотном здании в необслуживаемом помещении размещается первая ГС, от которой идет один кабель в здание ЦУСа. Задача первой ГС «оторваться от шумов», породить MPEG-потоки и расставить их на нужные частотные участки. Такая ГС будет очень надежна, наличие горячего резервирования и дистанционного контроля-управления не требуют постоянного присутствия на ней обслуживающего персонала. Следовательно, разместить ее можно и на чердаке, выгородив помещение малой площади. Возможные возражения о том, что на второй ГС вновь придется демодулировать DVB-программы и формировать элементарные MPEG-потоки и, следовательно, проделать двойную работу, опровергнем следующими аргументами:

• приемник DVB-сигнала в настоящее время достаточно дешевы, хотя повторная обработка DVВ - сигналов и вызовет увеличение начальных затрат на оборудование, но в будущем достаточно быстро окупится при эксплуатации;

• если ГС и принимает сигналы от всех антенн и обрабатывает MPEG-потоки, то на нее должны приходить все коаксиальные кабели. Учитывая, что эти кабели должны вносить малые потери, их диаметр будет большим. Поэтому, тандемный вариант включения ГС целесообразнее: первая ГС нормализует сигналы по амплитуде и расставляет по частотам в соответствии с принятым в СКТ оператора частотным планом, вторая (узловая) ГС уже формирует IP-потоки;

• очень часто оператор стремится предоставлять как услуги традиционного кабельного телевидения, так и IP. В этом случае первая ГС по сути дела уже подготовила большую часть контента, надо только «подмешать» телесигналы услуги «виртуальный кинозал» и телесигналы, производимые своей телестудией. В этом случае преимущества тандемного варианта тоже очевидны;

• существенно снижаются цены на элементную базу и оборудование для обработки MPEG-потоков. Известны однокристальные специализированные процессора для одновременной обработки 48 потоков видео для SDTV в формате MPEG-2. Таким образом, соответствующие блоки головных станций и серверов потокового видео существенно подешевеют;

• помимо примитивного перевода входящего в стример MPEG-потока в IP-поток часто бывает нужно вначале с этим потоком что-то сделать (изменить степень компрессии, превратить MPEG-4 в MPEG-2 или наоборот, несжатую информацию сжать, скремблировать и т.п.). Лучше, если все это будет делаться в отдельной стойке, т.е. в сателлитной ГС.

Приведем перечень тех дополнительных функций, которые следует возложить на вторую ГС. К сожалению, названия многих этих функций не русифицированы, поэтому приводим их в том виде, в каком они чаще всего встречаются в технических публикациях:

IP-encapsulation (IP-инкапсуляция) — базовая функция станции, обеспечивает включение транспортных MPEG-пакетов в качестве полезной информационной нагрузки в состав кадров протокола PDU (Protocol Data Unit), и последующую передачу данных в телекоммуникационных сетях Gigabit Ethernet, SDH и ATM;

Transrating (трансрейтинг) — изменение (понижение) скорости потока данных, используется также аналогичный по смыслу термин reteshaping;

Transcoding (транскодинг) — транскодирование, изменение формата сжатых медиаданных, например поток MPEG-2 транскодируется в MPEG-4;

Encoding (энкодинг) — компрессия сжатого видео с целью получения на выходе энкодера транспортного потока в формате MPEG-2 (4) или VC-1/ Windows Media VC-9 (на выходе энкодера видеосигнал может быть аналоговым, например композитное видео, S-видео или цифровым, например SDI);

Decoding (декодинг) — декодирование, восстановление исходной сжатой информации;

Re-encoding (ре-энкодинг) — в цифровом телевидении восстановление несжатой информации и повторное энкодирование с целью значительного изменения скорости потока (иногда этим термином называют также изменение формата сжатия, т.е. фактически могут подразумевать транскодинг);

Scrambling (скремблинг) — буквально шифрование, подразумевается использование системы условного доступа (СAS);

Descrambling (дескремблинг) — расшифровывание, т.е. восстановление ранее скремблированных ТВ каналов;

Multiplexing или remultiplexing (мультиплексирование) — в цифровом телевидении этим термином обычно обозначается мультиплексирование входных однопрограммных транспортных потоков (SPTS) и/или мультипрограммных транспортных потоков (MPTS) в необходимый оператору выходной мультипрограммный транспортный поток (MPTS), при этом также производится фильтрация незначащих и лишних данных путем редакции PSI-данных; строго говоря, даже однопрограммный транспортный поток является результатом мультиплексирования трех потоков — видео, аудио и данных;

De-multiplexing (демультиплексирование) — операция, обратная мультиплексированию;

Statistical multiplexing (статистическое мультиплексирование) — используется главным образом для MPTS-потоков, направляемых от земной станции на спутник (up-link); при этом виде обработки общая скорость многопрограммного потока является почти постоянной, но скорость каждого из однопрограммных потоков, составляющих общий MPTS-поток, является переменной (VBR). Статистическое мультиплексирование позволяет эффективно использовать полосу спутникового транспондера, но вынуждает операторов интернет - телевидения (особенно для DSL — сетей) использовать трансрейтинг или даже реэнкодинг;

PSI redaction — редактирование таблиц сервисной информации (PSI, Program Specific Information — специальной информации о программах);

создание оператором NIT таблицы (Network Information Table), определяющей сетевые параметры;

добавление и удаление оператором собственных идентификаторов в таблицы РМТ (Program Map Table), SDT (Service Descriptor Table), NIT (Network Information Table) или CAT (Conditional Access Table);

редактирование оператором частоты повторения выходных таблиц.

Только из перечисления выполняемых функций (часто не все они задействованы) становится ясно, что IP-капсуляция — это главный процесс, выполняемый IP-станцией. Для передачи транспортных MPEG-потоков через традиционные сети с пакетной передачей данных головная станция IP объединяет множество 188-байтовых MPEG-транспортных пакетов и формирует из них полезную нагрузку кадра PDU (Protocol Data Unit). При инкапсуляции заголовок (Header) и замыкающая часть кадра (Trailer) определяются используемым сетевым протоколом.

Подробности упаковки MPEG-пакетов в Ethernet и в АТМ - ячейки с соответствующими временными диаграммами, номерами байтов, вариантами заголовков и замыкающих частей (в том числе кодами для исправления ошибок) описаны в следующей главе.

Таким образом, чтобы подготовить ТЗ на IPTV головную станцию, необходимо ответить на следующие вопросы:

• для каких из обрабатываемых каналов можно не менять скорость потока?

• для какого числа, и для каких именно каналов требуется трансрейтинг?

• для каких каналов требуется энкодирование?

• какие из каналов должны быть реэнкодированы?

• какие из каналов необходимо транскодировать из MPEG-2 в MPEG-4 или возможно из MPEG-4 в MPEG-2?

• планируется ли предоставлять каналы в формате телевидения высокой четкости?

• какая система условного доступа будет использована?

• планируется ли давать услуги видео по «требованию» и «виртуальный кинотеатр», с какого видеосервера и в каком объеме?

Завершим этот раздел основными требованиями к центральной головной станции IPTV:

• возможность получать входной видеоконтент из многих источников в различных цифровых форматах (ASI, IP, ATM, SDH);

• полная гибкость в обработке видеопотока (трансрейтинг, транскодинг, энкодинг, мультиплексирование, поддержка адресации графика multicast и unicast);

• возможность предоставления сервисов через разные физические типы транспортных сетей (DSL, оптоволокно Ethernet, ATM, SDH, коаксиальный кабель, спутниковые сети);

• MPEG-2 и MPEG-4-кодирование;

• MPEG-2 в MPEG-4-транскодирование;

• поддержка систем условного доступа DVB СAS и/или IP CAS.

В IP-станции могут появляться также и рекомендуемые для первой ГС требования:

•автоматическое резервирование (п+1, 1+1), «горячая» замена модулей;

•гибкое наращивание функций и сервисов, масштабирование;

•легкое и интуитивное конфигурирование и управление.

В зарубежной литературе часто IP-головную станцию называют IPTV Head End. В российских сетях для трансляции интернет - телевидения применяют ГС следующих фирм: Tandberg Television, Scientific Atlanta, Scopus Video Networks, Terrayon Communication Systems, Optibase.