Технологии цифрового телевещания в сети интернет и сотовых сетях

Бондарев И.Н.¹⁾, Платонов А.П.²⁾, Сухов А.М.³⁾ 

¹⁾ ЗАО "СМАРТС", 

²⁾Российский научно-исследовательский институт развития общественных сетей, 

³⁾ ООО НПЦ "Интернет ТВ" 

АННОТАЦИЯ 

В статье дается обзор технологий цифрового вещания, в том числе и тех, что используют в качестве среды распространения сигнала глобальную сеть интернет (протокол IP/RTP). Приводятся основные сведения о новых стандартах цифрового телевещания с использованием частот и оборудования сетей GSM 900/1800. 

УДК 654 

В настоящее время мультимедийные приложения в глобальной сети, такие как передача музыки, видеоконференции, становятся все более популярными и занимают все большую часть в структуре трафика. С улучшением качества интернет соединений следует ожидать скачкообразного роста к телевизионному вещанию в глобальной сети и организации шлюзов в сети мобильных операторов связи. 

Однако развитие цифрового вещания в сетях сотовых операторов и других мультимедийных услуг сдерживает отсутствие единых стандартов. В настоящее время предпринимаются попытки ввести такие стандарты, в связи с чем, следует упомянуть о работах по созданию единой европейской технологической платформе (European Technology Platform) в данной области. Инициативный проект (Networked and Electronic Media initiative) по созданию единого информационного пространства на базе новых аудиовизуальных и мультимедийных широкополосных сервисов стартовал в Октябре 2005 года. Подробности о нем можно найти на сайте: www.nem-initiative.org. В него вовлечены все крупнейшие телекоммуникационные компании и союзы, такие как Thomson, Alcatel, France Telecom, European Broadcast Union (EBU), Intel, Nokia, Philips и многие другие. Только из бюджета европейского сообщества по программе "Информационное сообщество - FP7" на этот проект выделяется более 3.5 млрд. евро, не считая частных инвестиций. Наша исследовательская группа в составе - ООО научно-производственный центр "ИнтернетТВ", Российский научно-исследовательский институт развития общественных сетей (РосНИИРОС) и ЗАО "СМАРТС", зарегистрирована в качестве наблюдателя в этом проекте. 

Однако общая особенность создаваемых решений ясно обозначена уже сейчас - это исключительное использование Интернет технологий. Это замечание касается и решений для цифрового телевизионного вещания, в том числе и на базе сотовых сетей. В сети Интернет для передачи мультимедийной информации используются потоки (stream) в основе которых лежат RTP (Real Time Protocol) пакеты. Это модернизированные UDP (User Datagram Protocol) пакеты c уникальным идентификатором потока и номером пакета в нем. 

Например, раньше исходные транспортные потоки, создаваемые системами MPEG-1 и MPEG-2 (Video and Audio Packetized Elementary Streams (PES)), были оптимизированы для передачи через ATM сети, а их размер точно соответствовал четырем ATM ячейкам. Разрабатываемые в настоящее время решения предусматривают передачу информации при помощи RTP потоков, а на роль ведущего стандарта, оцифровывающего аудиовизуальную информацию, претендует MPEG-4, в который органично включаются элементы компьютерной графики и другой мультимедийной информации. 

Следует отметить, что для того, чтобы организовать телевещание в глобальной сети Интернет, недостаточно вставить ссылку на поток, несущий аудиовизуальную информацию, на страничку веб-сайта. Это приведет к тому, что каждый пользователь будет получать свою картинку отдельно и будет полностью оплачивать трафик, который далеко не мал, это десятки килобайт в секунду даже для изображения низкого качества. Кроме того, такой режим работы быстро переполняет магистральные каналы, подобно тому, как коммутируемый выход в Интернет перегружал телефонные сети. Выход из этого положения давно найден и даже реализован в научно-образовательных сетях, где уже давно действует Mbone (Multicast backbone). 

Мультикастинговая рассылка предполагает передачу единого RTP потока на тех участках маршрута, которые совпадают для нескольких пользователей. В тех точках, где происходит разветвление маршрута, RTP пакеты дублируются (см. Рис. 1). Внедрение принципа мультикастинговой рассылки позволяет перейти от платы по трафику к абонентской или повременной оплате, что является неотъемлемой частью Интернет телевидения. Следующий вопрос, возникающий при организации Интернет-телевидения, состоит в выборе параметров телевещания. Таких параметров несколько, к ним относятся: скорость аудиовизуального потока в Кбит/с, размер изображения, тип протокола сжатия и частота смены кадров. Разрешение видеоизображения, характеризует возможность различать близко расположенные линии в получаемом изображении, измеряется в количестве точек (pixels) по вертикали и диагонали. Например, протокол H.263 предусматривает передачу видео изображений в следующих форматах: SQCIF (128x96), QCIF (176x144), CIF (352x288), 4CIF (704x576), and 16CIF (1408x1152), CIF это Common Intermediate Format. Перечислим также основные типы протоколов сжатия для аудиовизуального ряда, это H.261, H.263 от ITU-T (International Telecommunication Union) и MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (Moving Pictures Experts Group) от ISO/IEC (International Organization for Standardization / International Engineering Consortium). Имеются также объединенные стандарты H.262/MPEG-2 и H.264/MPEG-4. 

Рисунок 1. Схема мультикастинговой рассылки 

Качество получаемого изображения оценивается в соответствии с рекомендациями ITU-R BT 500 по пятибалльной шкале. Часто эту шкалу называют MOS (Mean Opinion Score). Оценка - удовлетворительно означает прерывистость в движении объектов, а также их нечеткие очертания. Обычно для передачи высококачественного изображения или, по-другому, картинки телевизионного качества с , требуется поток шириной в несколько Мбит/с. Однако далеко не все интернет операторы, эксплуатирующие широкополосные сети, способны предоставить подобную сетевую емкость. Поэтому последние стандарты, такие как H.323 или MPEG-4, позволяют передавать видео ряд на скорости от 20 Кбит/с, что и используется для трансляции на специализированные мобильные терминалы - смартфоны. 

Нами в сотрудничестве с исследователями университета Огайо, США и ирландской научно-образовательной сети HEANet выполнена работа, позволяющая оценить качество связи (оценку по шкале MOS, предельную скорость потока) между двумя точками в сети Интернет, без проведения сеанса видеоконференции. Для этого необходимы только на данные по качеству соединения (процент потери пакетов и вариацию задержки пакетов). Указанная работа докладывалась на конференции европейской ассоциации научно-образовательных сетей - TERENA 2005, которая состоялась в июне 2005 года, в Познани, Польша. 

Для доставки мультимедийной информации в режиме реального времени на мобильные терминалы GSM 900/1800 есть несколько возможностей. Первая из них заключается в трансляции такой информации поверх стандартных технологий передачи данных и, прежде всего, поверх GPRS или EDGE. Основная проблема состоит в настройке мультикастинговой рассылки в ядре сети мобильного оператора. 

Вторая возможность состоит в разработке нового стандарта цифрового телевещания с использованием частот и оборудования сетей GSM 900/1800. Среди таких разработок, прежде всего, стоит упомянуть о следующих стандартах: 

Наиболее вероятно, что Мининформсвязи рекомендует стандарт DVB-H для применения в сетях мобильных оператор Российской Федерации. 

Согласно техническим рекомендациям ETSI TR 102 377 "Digital Video Broadcasting (DVB): DVB-H Implementation Guidelines" можно отметить следующие особенности по доставке потока данных через сеть мобильного оператора. На уровне передачи данных временное разделение (time slicing) и упреждающий механизм коррекции ошибок (Forward error correction for multiprotocol encapsulated data, MPE-FEC) являются обязательными элементами стандарта DVB-H. На физическом уровне специальная DVB-H сигнализация в TPS (Transmission Parameter Signalling) битах служит единственным обязательным элементом, остальные (4К мода, 2К) являются произвольными (см Рис.2) 

Полосы частот для различных цифровых телевизионных систем распределяются следующим образом: 

Рис. 2. Концепция DVB-H систем 
RF - Radio Frequency 
TS - Transport Stream

Следует отметить также, что схема вещания стандарта DVB-H предусматривает кодирование аудиовизуального ряда по стандарту MPEG-2, что представляется устаревшим по сравнению с MPEG-4, так как 

Выводы 

Все вышесказанное говорит о том, что для внедрения телевещание в среде TCP/IP необходимы высокопроизводительные серверы, генерирующие видео потоки и позволяющие легко производить конвертацию стандартов видео сжатия. Поиск таких решений планируется провести в рамках нового исследовательского проекта, планируемого нашим исследовательским консорциумом.  

Об авторах: 

канд. физ.-мат. наук, 
директор научно-производственного центра "Интернет ТВ" 
Телефон: (84862) 71455 
E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. 

канд. физ.-мат. наук, 
директор Российского научно-исследовательского института развития общественных сетей 
Телефон: (495) 196-72-78 
E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. 

инженер - программист Службы новых технологий и услуг, ЗАО "СМАРТС" 
Телефон: (846) 277-99-94 
E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.