Geum.ru

Лекция 6 Квалиметрия услуг iptv «Важнейшим искусством для нас является кино »

Вид материалаЛекция

Содержание


Структура IPTV
Подобный материал:
Лекция 6


Квалиметрия услуг IPTV


«Важнейшим искусством для нас является кино...»


Эта фраза, помещенная когда-то над входами всех советских кинотеат­ров, как нельзя лучше показывает современную приоритетность в области услуг Triple Play. Два года назад международные комиссии установили новые стандарты приоритетности в обслуживании трафика. До этого времени са­мым приоритетным считался трафик VoIP.

Сейчас приоритетность смести­лась в область видеоинформации. Тем самым установлено, что самой важ­ной услугой в «триаде» является телевидение.

Причин изменения приоритетов много. Выделим лишь некоторые.

Услуга IPTV требует большой полосы передачи, что должно увеличить загрузку сетей и принести операторам дополнительные дивиденты.

Загружая трафиком IPTV транспортные магистрали, которые до вне­дрения услуг IPTV были явно недогружены, операторы NGN могут оп­равдать вложения в транспортную сеть, а заодно и констатировать окончательную победу NGN над традиционной технологией по уровню передаваемого трафика.

Для пользователей услуги передачи и приема видео тоже интересны, хотя бы постольку, поскольку среднестатистический человек с помощью зре­ния получает 70-90% всей информации об окружающем мире.

Следова­тельно, в философском смысле видеоинформация для нас важнее аудио­информации. Кстати, это подтверждается еще и соотношением времени перед телевизором и компьютером к времени у телефона.

Синтез популярного изобретения человечества - телевизора с тради­ционным телефоном дает все основания операторам связи ожидать большого притока новых пользователей, которые пока далеки и от те­лефона, и от компьютера. А это еще большие прибыли.

Это лишь некоторые аргументы в пользу будущей популярности IPTV. Как следует из приведенных выше аргументов, концепция приоритетности услуг IPTV выгодна и пользователям, и операторам.

А это значит, что те и другие пойдут навстречу друг другу и обязательно вознесут IPTV на вершину «триа­ды», что и было узаконено совсем недавно.

Для нашего исследования важно еще и то, что услуга IPTV оказывается ключевой с точки зрения эксплуатации как наиболее требовательная услуга. Можно не сомневаться, что там, где пройдет IPTV, передача данных и VoIP тоже пройдут.

Поэтому качество IPTV как лакмусовая бумажка, показывает все проблемы сети. Особенно это характерно для сетей ADSL, так как здесь имеет место объективный дефицит полосы пропускания.

Напомним, что имен­но услуга IPTV стала основным стимулом для модернизации стандартов ADSL и разработки ADSL2+ (см. [1] глава 2.2).

Таким образом, IPTV среди прочих услуг «триады» можно считать ключе­вой. По этой причине ниже мы рассмотрим принципы квалиметрии этой услу­ги несколько детальнее первых двух.


Структура IPTV


Исследование начнем с анализа самой структуры сети IPTV и места тех­нологии ADSL в ней.

Прежде всего, отметим, что IPTV по самой своей филосо­фии должна отличаться от услуг Интернет и VoIP.

Как было показано выше, услуга Интернет базируется на философии «клиент-сервер», т.е. на асиммет­ричном доступе в режиме «точка-точка».

Аналогично, услуга VoIP опирается на симметричный канал обмена в режиме «точка-точка».

В таком случае пер­вое и главное отличие услуги IPTV - она базируется на режиме «точка-много-точка». Без такого режима невозможно вещание, следовательно, нет и теле­видения. Ниже будет показано, как существенно этот факт усложняет струк­туру сети IPTV.

Теперь, по аналогии с VoIP, рассмотрим процесс преобразования сигна­лов в сети IPTV (рис.6.1).

Заметим, что в современных условиях сложилось понимание того, что считать стандартным видеопотоком.

Стандартом явля­ется семейство форматов MPEG (от названия специальной комиссии при ISO - Moving Picture Experts Group).

В настоящее время существуют три стан­дарта передачи цифрового видеосигнала (MPEG, MPEG2 и MPEG4):
  1. MPEG-1. Скорость передачи 1,856 Мбит/с. Разрешение по парамет­рам видео 352 х 240/288.
  2. MPEG-2. Скорость передачи 9 Мбит/с, либо 4 Мбит/с для сетей ADSL2+, либо 19,2 Мбит/с в сетях HDTV. Разрешение по параметрам видео 720 х 480, 720 х 576, 544 х 576.
  3. MPEG-4. Переменная скорость - от 5 кбит/с до 10 Мбит/с.

В современных сетях используются два последних формата, причем пер­спективным считается MPEG-4, тогда как большая часть работающих в на­стоящее время сетей пока использует MPEG-2. Преобразование аналогового видеосигнала в сети IPTV с MPEG-2 представлено на рис.6.1.





Рис.6.1. Последовательное преобразование сигналов в сети IPTV


Для технологии IPTV первым базовым понятием является элементар­ный поток (ES), которым может быть видеопоток, аудиосигнал или поток данных.

Следовательно, программа телевидения представляет собой ком­бинацию нескольких ES (обычно, видео + аудио + управляющая информа­ция + субтитры и т.д.).

Следует отметить, что каждый ES представляет со­бой свой тип цифрового сигнала с правилами кодирования и форматом MPEG.

Несколько ES попадают на оборудования компрессора, который формирует пакетизированный элементарный поток (Packetized Elementary Stream, PES).

PES в свою очередь преобразуется в транспортный канал (Transport Packets, TP), передаваемый со стандартной и фиксированной скоростью по сети.

TP объединяются в единый транспортный поток (Transport Stream, TS).

TS уже готов для передачи по сети в удаленные точ­ки, где выполняется обратное преобразование и восстанавливается теле­визионный сигнал.

Соответствующие форматы данных представлены на рис.6.2.




Рис.6.2. Структура транспортного потока IPTV


Особое значение при передаче сигналов IPTV имеет заголовок пакетов ТР. Например, поле PID заголовка TP содержит информацию о передаваемых программах и позволяет разделять сигналы, связанные с отдельными про­граммами.

Теперь рассмотрим принципы распространения сигналов IPTV по сети.

Здесь проявляется специфика IPTV как услуги передачи данных: для эффек­тивной организации вещания в сети необходимо предусмотреть механизмы вещательной рассылки пакетов IPTV по сети передачи данных. На рис.6.3 представлены несколько подходов в части организации доставки видеоин­формации до конечного потребителя.





Рис.6.3. Варианты построения сетей IPTV


Всего существуют три варианта такой доставки.
  1. Можно избежать необ­ходимости организации вещания в сети и использовать режим передачи «точ­ка-точка» или режим Unicast. В таком случае видеоконтент размещается на Web-сервере. Пользователь Интернет обращается на сайт, скачивает соот­ветствующий файл и воспроизводит видеоинформацию на своем компьютере или специальном терминале. Такой метод доставки видеоконтента ничем не отличается от организации услуги Интернет. Проблема только в том, что организовать таким способом телевизионную трансляцию в режиме реаль­ного времени не представляется возможным.
  2. Альтернативным методом является использование групповой рассылки (Multicast) на уровне приложений, представленной на рис.6.3 в правом верх­нем углу. Принцип организации доставки видеоинформации в таком случае ничем не отличается от организации электронных рассылок, которые так час­то мучают отечественных пользователей Интернет (по сути, это и есть пе­чально известный спам). Использование режима Multicast в качестве одного из режимов работы электронной почты теоретически позволяет организовать телевизионное вещание, но признать этот метод эффективным нельзя.
  3. В процессе поиска оптимального решения выбор пал на использование в IPTV метода групповой рассылки на уровне транспортной сети IP. Этот метод получил название Multicast и стал основой для реализации услуги IPTV.

Прин­цип реализации Multicast представлен на рис.6.3 снизу.

В том случае, когда определенная группа пользователей желает смотреть тот или иной канал те­левидения, в сети формируется группа Multicast, для которой передается оп­ределенная информация от сервера IPTV.

Чтобы не формировать отдельный канал передачи данных до каждого пользователя, поток данных передается до ближайшего узла, где данные уже дублируются для всех членов группы.

Это позволяет существенно разгрузить ресурсы сети. Но чтобы добиться это­го, узлы сети должны обмениваться специальной информацией о составе групп и указаниям, кому какой контент доставлять. Эту роль выполняет прото­кол IGMP





Рис.6.4. Варианты организации вещания в сети IPTV/Multicast


(Internet Group Membership Protocol), работа которого представлена на рис.6.4.

В составе протокола IGMP существует несколько процедур управления процессом Multicast.

Например, метод селективной рассылки (IGMP snooping), представленный на рис.6.4 справа, исключает ситуацию, когда информация дублируется для всех пользователей узла. Режим селективной рассылки по­зволяет создавать специальный реестр (лист распределения информации) клиентских устройств, для которых необходимо осуществить передачу ин­формации.

Кроме того, в протоколе IGMP имеются процедуры, согласно которым пользователь может подключиться к группе вещания (Join) или отключиться от нее (Leave).

С этими двумя процедурами связана очень интересная осо­бенность сетей IPTV. Переключение каналов с дистанционного пульта-«ленивчика», столь привычное и простое для пользователей традиционного те­левидения, представляет сложность для сети IPTV.

Всякий раз, когда пользо­ватель IPTV переключает канал, в сети начинает кипеть работа.
  • Во-первых, пользователя следует отключить от группы Multicast.
  • Во-вторых, командой Join подключить его к новой группе Multicast.
  • В-третьих, если канал вещания вообще отсутствует в данный момент, так как его никто не смотрит, значит, нужно инициировать вещание и создать новую группу Multicast.
  • В-четвер­тых, в случае использования процедуры IGMP snooping все перечисленные изменения должны быть переданы по сети, чтобы обновить соответствую­щие реестры групп вещания.

Добавим к этому, что каждый из перечислен­ных шагов предусматривает не просто пересылку одного-двух сообщений, но выполнение целой протокольной процедуры, и тогда станет понятно, что простое нажатие клавиши на пульте IPTV запускает довольно сложный ме­ханизм.

Иногда из-за настроек сети, задержек, перегрузках на направлени­ях и пр. переключение каналов (называемое еще Zapping) может существенно запаздывать. Это очень раздражает пользователей, привыкших к мгновен­ному переключению каналов на традиционном телевизоре.

Явление Zapping в сети IPTV может стать существенным источником проблем. По мнению некоторых специалистов, IPTV Zapping как явление представляет собой не столько техническую процедуру, сколько социальную болезнь.

Многие пользователи любят довольно интенсивно «пощелкать» каналами. Но в ус­ловиях IPTV такой пользователь становится источником очень серьезной сиг­нальной нагрузки на сеть. Это тоже следует учитывать при рассмотрении специфики сетей IPTV.

Подытоживая все перечисленное, составим типовую модель TVoDSL, ко­торая будет нам полезна для исследования принципов измерения качества IPTV рис.6.5.

Примем, что технология IPTV строится на основе принципа «клиент-сер­вер».

Видеоконтент размещается на видеосерверах, к которым имеют доступ пользователи сети.

На стороне пользователей между традиционным телеви­зором и модемом ADSL размещается STB (Set-Top Box), которые управляют режимом работы IPTV.

Данные от видеосерверов передаются к группам STB с использованием протокола IGMP и режима Multicast.





Рис.6.5. Еще раз о структуре сети IPTV


Виды искажений сигнала в сети IPTV


Рассмотрев вкратце принципы функционирования сети IPTV, исследуем, какие искажения телевизионного сигнала могут вызывать возмущение пользо­вателя. В этом смысле мы должны поступать в соответствии со стандартной медицинской процедурой и задать вопрос: «На что жалуемся?»

Поскольку через зрение человек получает большую часть информации об окружающем мире, то и восприятие видеоинформации оказывается намного сложнее, чем восприятие звука.

Соответственно, и искажения видеосигнала будут многообразными. Этому способствуют также и сложные преобразова­ния сигналов, представленные на рис.6.1, 6.2, многие из которых предус­матривают нелинейные и адаптивные преобразования сигналов.

Рассмотрим последовательно, какие искажения могут встретиться инже­нерам в сетях IPTV.

Начнем с самой основы - IPTV представляет собой систе­му цифрового телевидения, т.е. видеосигнал передается в цифровой форме, более того, в виде пакетного трафика.

В таком случае, из-за неисправностей в сети могут возникать потери пакетов. Как показывает опыт, услуга IPTV ока­зывается удивительно капризной в части любых нарушений в сети NGN.

Уже при потере пакетов около 0,5% высокодинамичный боевик смотреть трудно, а при 5% потерь - просто невозможно (рис.6.6).




Рис.6.6. Влияние параметра потерь пакетов на качество видеосигнала


Другие процессы в сети NGN также приводят к нарушениям «картинки»: то она замирает, то лицо ведущего передергивается, то появляются точки-квад­ратики, отчего видеопередача начинает напоминать полотна П. Мондриана, то вообще чудесным образом картинка распадается на отдельные геометри­ческие объекты - словом, сплошные капризы.

Вообще, все возможные искажения видеосигнала можно разделить на две категории: линейные и нелинейные. Линейные искажения охватывают всю видеокартинку, нелинейные - только часть ее.

[Мондриан (Mondrian) Пит (1872 - 1944), нидерландский живописец. Создатель неопластицизма - абст­рактных композиций из прямоугольных фигур, окрашенных в основные цвета спектра.]

На рис.6.7 представлены некоторые линейные искажения картинки: бло­кирование, размытие и влияние ошибок в процессе передачи. Как видно из рисунка, в случае линейных искажений повреждается вся картинка. Некото­рое исключение составляет влияние ошибок, так как в этом случае дефекты распределяются по картинке довольно неравномерно, но все равно во всех областях картинки имеют место нарушения качества.

Еще одна группа линейных искажений сигнала связана с эффектом слипа­ния пикселов. В случае существенного уменьшения полосы пропускания ряд систем передачи видеосигнала уменьшают разрешение картинки. В таком слу­чае качество существенно ухудшается (рис.6.8). На рисунке представлен один и тот же образ, но с разным разрешением видеокартинки. В случае большого разрешения (128x128) качество образа может быть оценено как среднее, тог­да как меньшее разрешение делает картинку неразборчивой.

Помимо линейных искажений в технологии IPTV существует большой спектр нелинейных искажений качества видеосигнала. Использование адап­тивных принципов компрессии и кодирования видеосигнала объективно вно­сит неравномерность в сами




Рис.6.7. Линейные дефекты качества видеокартинки





Рис. 6.8. Эффект слипания пикселов


искажения картинки.

На рис.6.9 приведены не­которые примеры таких нелинейных искажений.

Статичная часть картинки имеет довольно высокое качество, тогда как динамично меняющаяся часть искажается.

Поэтому мы почти не видим рук кричащего человека, с трудом можем различить детали движущейся карусели и пр.

Другой пример нелиней­ных эффектов связан с нарушениями геометрии и форм предметов в случае появления цветовых или тоновых контрастов на картинке.

Поэтому на рис.6.9 снизу мы с трудом различаем ветви берез на фоне синего неба, а квадратные ячейки на мозаичном полотне из-за нелинейных эффектов теряют правиль­ность своих границ.




Рис.6.9. Нелинейные дефекты видеокартинки


Особенность нелинейных эффектов состоит в том, что часто пользова­тель с трудом может сформулировать, на что же он жалуется при просмотре видеоматериала с нелинейными искажениями.

Не каждый человек способен подобрать слова, чтобы описать суть нелинейного дефекта, чаще инженеру приходится слышать «однобитовое» суждение, что качество - плохое, и тогда предварительная диагностика дефекта ложится целиком на него.

Итак, выше мы рассмотрели дефекты передачи видеосигнала, с которы­ми может столкнуться служба эксплуатации сети IPTV в процессе своей ра­боты.

Не следует также забывать, что телевидение - это еще и звук, так что все перечисленное в предыдущем разделе (дефекты «подхрюкивания», прин­ципы диагностики по PSQx, оценка по MOS и т.д.), автоматически переносит­ся на услуги IPTV.


Библиография


1. Бакланов И.Г. Технологии ADSL/ADSL2+: теория и практика применения.-М.: Метротек,2007.


Контрольные вопросы

  1. Поясните, почему качество IPTV показывает все проблемы сети.
  2. Поясните в чем разница двух терминов «точка-много-точка» «точка-точка».
  3. Перечислите стандарты передачи цифрового видеосигнала.
  4. Расшифруйте термин «формат MPEG».
  5. Изобразите схему преобразования аналогового видеосигнала в сети IPTV с MPEG-2.
  6. Поясните термины ES,PES,TP,TS.
  7. Изобразите схему построения сети IPTV в режиме «точка-точка».
  8. Изобразите схему построения сети IPTV в режиме групповой рассылки на уровне приложений.
  9. Изобразите схему построения сети IPTV в режиме групповой рассылки на уровне транспортной сети.
  10. Какую роль играет в сети IPTV протокол IGMP.
  11. Изобразите схему метода селективной рассылки в сети IPTV.
  12. Изобразите схему метода without IGMP snooping сети IPTV.
  13. Опишите процессы, происходящие в сети IPTV при переключении канала пользователем сети.
  14. Опишите явление Zapping в сети IPTV.
  15. Изобразите схему типовой модели TVoDSL.
  16. Как влияют потери пакетов на качество видеосигнала.
  17. Что такое линейные искажения видеосигнала.
  18. Что такое нелинейные искажения видеосигнала.
  19. Опишите эффект слипания пикселов в видеосигнале.
  20. Каким образом проявляются на «картинке» нелинейные искажения.