Аналіз сучасного стану і перспективи розвитку систем IP-телебачення

АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ І ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ СИСТЕМ IP-ТЕЛЕБАЧЕННЯ

Історія розвитку і перспективи застосування IP-телебачення

IP-телебаченням (IP-TV) прийнято називати цифрову технологію багатопрограмного інтерактивного віщання телевізійного сигналу в мережах з комутацією пакетів.

Технологія IP-TV в світі існує вже давно, але використовувалася переважно у вузькому крузі, будь то академічному (університетському) або урядовому. Прикладом одного з різновидів технології IP-TV є відеоконференцзв'язок. Як комерційний продукт для масового ринку IP-телебачення має не таку тривалу історію. Спочатку IP-TV впроваджували оператори, які прагнули швидко розвернути інноваційні послуги. Це були, як правило, крупні телефонні оператори і їх молоді конкуренти. Зниження вартості магістрального трафіку і скорочення доходів від традиційної телефонії змусило їх звернутися до інтерактивних мультимедійних функцій IP-TV, щоб мати переваги серед традиційних конкурентів – операторів кабельного і супутникового телебачення.

Сьогодні зростання проникнення широкосмугового доступу (ШCД) і пошук провайдерами додаткових джерел доходу є ключовими факторами розвитку технологій IP-телебачення. Провайдери ШCД починають розглядати IP-TV як додатковий спосіб підвищити рентабельність існуючих ліній абонентського доступу і отримати додаткову перевагу в конкурентній боротьбі, що загострюється. Технологія IP-TV, як один з видів цифрового телебачення, на даний момент поки що розглядається швидше як широкосмуговий додаток, додатковий сервіс, прив'язаний до надання доступу в Інтернет. Сьогодні на долю IP-TV доводиться біля одного відсотка світового телевізійного ринку. Все останнє, як і раніше, належить кабельним і супутниковим операторам, а також традиційним аналоговим телевізійним системам. IP-телебачення зараз знаходиться у стадії переходу від експериментальних запусків до масового комерційного надання.

У всьому світі діє понад 50 операторів IP-TV. Найбільші з них: Verizon Communications (США), France Telecom (Франція), Deutsche Telekom (Німеччина), British Telecom (Великобританія), FastWeb (Італія), China Telecom (Китай). Але говорити про те, що сьогодні технологія IP-TV в якійсь зі світових країн вже успішно реалізована, передчасно. В основному існують фрагменти цих мереж, дослідні зони. Іншими словами, поки ця технологія ще не покрила повністю територію якої-небудь держави.

В Україні, на території міст Києва і Одеси, в тестовому режимі послугу інтерактивного цифрового телебачення запустили оператори “Укртелеком”, “Комстар-Україна” і “Голден телеком Україна”. У комерційну експлуатацію IP-телебачення увійде тільки к 2010 року.

Очікується, що послуги IP-TV складуть достатньо сильну конкуренцію послугам традиційного телевіщання за рахунок низьких цін, унікального змісту і технічних нововведень. По прогнозах аналітиків, за чотири роки світова абонентська база IP-TV збільшиться уп'ятеро, з 10,8 млн. в 2007 році до 60 млн. в 2011 році. У перспективі ринок IP-TV стане одним з лідируючих разом з іншими видами цифрового телебачення. Одним з головних факторів, який істотно сприятиме успіху IP-TV, стане збільшення попиту користувачів на інтерактивні послуги, які забезпечать вибухове зростання всієї галузі IP-TV. Також прогнозується, що виробники устаткування і компанії, розробляючі рішення IP-TV, остаточно вирішать проблеми стандартизації устаткування, що допоможе розвитку послуг.

Оскільки IP-TV говорить на мові "всесвітньої павутини", ця мережева система має можливість звести воєдино світ Інтернету і світ телебачення за рахунок конвергенції всіх форм комунікацій і розваг в єдиній гнучкій, повністю інтегрованій мультимедійній інфраструктурі.

Особливості IP-телебачення

Для реалізації технології IP-телебачення необхідна сучасна мультисервісна інфраструктура, що складається з мереж доступу, транспортної мережі, головної станції, а також кінцевих пристроїв і спеціалізованого програмного забезпечення.

На практиці доставка контента до користувача виглядає таким чином. Головне устаткування IP-TV передає, а абонентське устаткування приймає потокове відео (Streaming video). Цей термін позначає технології стиснення, скорочення і буферизації відеоданих, які дозволяють передавати відео в реальному часі через Інтернет. Головна особливість потокового відео полягає в тому, що при його передачі користувач не повинен чекати повного завантаження файлу для того, щоб його проглянути. Відеодані пересилаються безперервним потоком у вигляді послідовності IP-пакетів і програються у міру того, як передаються на абонентський пристрій. Для передачі потокового відео використовується транспортний протокол RTP. Протокол RTP переносить в своєму заголовку дані, необхідні для відновлення голосу або відеозображення в приймальному вузлі, а також дані про тип кодування інформації. RTP визначає і компенсує втрачені пакети, забезпечує безпеку передачі контента і розпізнавання інформації. Разом з RTP працює протокол RTCP. Він відповідає за перевірку ідентичності відправлених і отриманих пакетів, ідентифікує відправника і контролює завантаженість мережі. Для забезпечення мінімальних затримок і гарантованої швидкості передачі відеоданих в IP-мережі використовується підтримка QoS, для чого може використовуватися, наприклад, відомий протокол RSVP, який забезпечує резервування необхідної ширини смуги в каналі.

Сформований потік телевізійних каналів – це потік IP-пакетів, що передаються в мережі за окремою груповою адресою, відповідною даному телеканалу. Таким чином, віщанням декількох каналів є формування декількох потоків multicast трафіка, коли кожен з каналів однозначно визначається унікальною адресою групової розсилки. Для підключення до мережі або виходу з групи розсилки використовується стандартний протокол IGMP.

IP-TV дозволяє передавати як зображення із звичайною якістю, що реалізовується аналоговим телевізором (близько 1,5 Мбіт/с), так і зображення з DVD-якістю (близько 6 Мбіт/с) і в новітньому HDTV-форматі (20 Мбіт/с). При цьому по одному інтернет-каналу може передаватися одночасно декілька програм, на мережу оператора він завантажується тільки в тому випадку, якщо абонент підписаний на цей канал.

Для проглядання потокового відео використовується спеціальна приставка до телевізора або в сучасній термінології Set top Box (STB), яка з одного боку підключена до мережі оператора (середовище віщання), а з іншої – має з'єднання з телевізором. Абонентський пристрій STB декодує відеодані і виводить розшифроване відео на екран телевізора. Організацію призначеного для користувача меню забезпечує протокол прикладного рівня HTTP.

Стек протоколів TCP/IP

IP-телебачення здійснює віщання телевізійного сигналу в пакетній формі по мережах передачі даних, побудованих на базі стека комунікаційних протоколів TCP/IP.

Протоколи TCP/IP були розроблені майже три десятиліття тому за замовленням Управління перспективних досліджень і розробок Міністерства оборони США і упроваджені в державній мережі DDN (defence data network), що включає мережі ARPANET і MILNET. Первинна мета була пов'язана з побудовою відмовостійкої комунікаційної мережі, яка змогла б функціонувати навіть при виході з ладу її більшої частини, наприклад, із-за ядерних бомбардувань. У 1982 році великий внесок в розвиток стека TCP/IP вніс університет Берклі, реалізувавши протоколи стека в своїй версії ОС UNIX. Широке розповсюдження ОС UNIX привело і до широкого розповсюдження протоколу IP і інших протоколів стека. У тому ж році відбулася ще одна важлива подія в історії TCP/IP – в згаданий комплект був включений протокол перетворення адрес ARP, який ставить Ethernet-адреси у відповідності міжмережевим TCP/IP-адресам. Потім протоколи TCP/IP були реалізовані на робочих станціях сімейства Sun в мережевих файлових системах NFS (network file system) для забезпечення міжмережевих комутацій. Зараз практично неможливо знайти апаратуру або операційну систему, де не застосовувалися б в тій або іншій формі протоколи TCP/IP. На цьому ж стеку працює всесвітня інформаційна мережа Internet, чий підрозділ IETF (internet engineering task force) вносить основний внесок у вдосконалення стандартів стека, опублікованих у формі специфікацій RFC (request for comment).

Лідируюча роль стека TCP/IP пояснюється наступними його властивостями:

TCP/IP є найбільш завершеним, стандартним і в той же час популярним стеком мережевих протоколів, що має багаторічну історію;

майже всі великі мережі передають основну частину свого трафіку за допомогою протоколу TCP/IP;

TCP/IP – це метод одержання доступу до мережі Internet;

даний стек служить основою для створення intranet – корпоративної мережі, що використовує транспортні послуги Internet і гіпертекстову технологію WWW, розроблену в Internet;

всі сучасні операційні системи підтримують стек TCP/IP;

TCP/IP є гнучкою технологією для з'єднання різнорідних систем як на рівні транспортних підсистем, так і на рівні прикладних сервісів;

TCP/IP – це стійке масштабоване міжплатформене середовище для програмних додатків клієнт-сервер.

Стек TCP/IP містить більше 100 протоколів, кожен з яких націлений на конкретне застосування в рамках об'єднаної мережі. Даний фактор робить TCP/IP надзвичайно гнучким, оскільки кожен протокол можна використовувати незалежно від інших з різною технологією транспортування.

Надійне транспортування даних між прикладними процесами шляхом встановлення логічного з'єднання в стеку протоколів TCP/IP забезпечує протокол управління передачею TCP. Протокол TCP приблизно відповідає транспортному рівню моделі OSI, але містить і деякі функції сеансового рівня. З його допомогою реалізується організація сеансу зв'язку між двома користувачами в мережі. Крім того, в його функції входить виправлення помилок і, що дуже важливе, перетворення інформації до виду дейтаграм, а також передача дейтаграм і відстежування їх проходження по мережі. TCP служить також для організації повторної передачі втрачених дейтаграм і забезпечення їх достовірності. Нарешті, в комп'ютері-адресаті TCP витягує повідомлення з дейтаграми і направляє його прикладній програмі-адресатові. Протокол TCP спирається на послуги IP.

В якості основного протоколу мережевого рівня (в термінах моделі OSI) в стеку використовується протокол міжмережевої взаємодії IP. Протокол IP спочатку проектувався як протокол передачі пакетів в складених мережах, що складаються з великої кількості локальних мереж, об'єднаних як локальними, так і глобальними зв'язками. Тому протокол IP добре працює в мережах зі складною топологією, раціонально використовуючи наявність в них підсистем і економно витрачаючи пропускну спроможність низькошвидкісних ліній зв'язку. Протокол IP включає набір правил, які втілюють в життя ідею ненадійної доставки пакетів. До основних функцій протоколу IP відносяться: перенесення між мережами різних типів адресної інформації в уніфікованій формі, маршрутизація по мережі, а також збірка і розбирання пакетів при передачі їх між мережами з різним максимальним значенням довжини пакету.

Методи передачі трафіку

Існує три основні методи передачі трафіку в IP-мережах: unicast, broadcast, multicast. Розуміння різниці між цими методами є дуже важливим для розуміння переваг IP-телечення і для практичної організації трансляції відео в IP-мережі. Кожен з цих трьох методів передачі використовує різні типи призначення IP-адресів відповідно до їх завдань і є велика різниця в ступені їх впливу на об'єм споживаного трафіку.

Unicast трафік (одноцільова передача пакетів) використовується перш за все для сервісів персонального характеру. Кожен абонент може запитати персональний відео контент в довільний, зручний йому час. Unicast трафік прямує з одного джерела до однієї IP-адреси призначення. Ця адреса належить в мережі тільки одному єдиному комп'ютеру або абонентському STB (рис. 1).

Рис. 1 Unicast трафік

Число абонентів, які можуть отримувати unicast трафік одночасно, обмежене доступною в магістральній частині мережі шириною потоку (швидкістю потоку). Для випадку Gigabit Ethernet мережі, теоретична максимальна ширина потоку даних може наближатися до 1 Гб/сек, за вирахуванням смуги, необхідної для передачі службової інформації і технологічних запасів устаткування. Припустивши, що в магістральній частині мережі, для прикладу, виділяється не більше половини смуги для сервісів, яким потрібний unicast трафік. Отже, для випадку 5Мб/сек на телевізійний канал MPEG2, число одночасно одержуючих unicast трафік абонентів не може перевищувати 100.

Broadcast трафік (широкомовна передача пакетів) використовує спеціальний IP-адрес, щоб посилати один і той же потік даних до всіх абонентів даної IP-мережі (рис.2). Наприклад, така IP-адреса може закінчуватися на 255 (192.0.2.255), або мати 255 у всіх чотирьох полях (255.255.255.255). Broadcast трафік приймається всіма включеними комп'ютерами (або STB) в мережі незалежно від бажання користувача. З цієї причини цей вид передачі використовується в основному для службової інформації мережевого рівня або для передачі іншої виключно вузькосмугової інформації. Для передачі відеоданих broadcast трафік не використовується.

Рис. 2. Broadcast трафік

Multicast трафік (групова передача пакетів) використовується для передачі потокового відео, коли необхідно доставити відеоконтент необмеженій кількості абонентів, не перенавантажуючи мережу (рис.3). Це найбільш часто використовуваний тип передачі даних в IP-TV мережах, коли одну і ту ж програму дивляться велике число абонентів.

Multicast трафік використовує спеціальний клас IP-адрес призначення, наприклад адреси в діапазоні від 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Це можуть бути IP-адреси класу D.

На відміну від unicast трафіку, multicast адреси не можуть бути призначені індивідуальним комп'ютерам (або STB). Коли дані посилаються по одному з multicast IP-адрес, потенційний приймач даних може ухвалити рішення приймати або не приймати їх, тобто буде абонент дивитися цей канал чи ні. Такий спосіб передачі означає, що головне устаткування IP-TV оператора передаватиме один єдиний потік даних по багатьом адресам призначення. На відміну від випадку broadcast передачі, за абонентом залишається вибір – приймати дані чи ні.

Важливо знати, що для реалізації multicast передачі в IP-сети повинні бути маршрутизатори підтримуючі multicast. Маршрутизатори використовують протокол IGMP для відстежування поточного стану груп розсилки (а саме, членство в тій або іншій групі того або іншого кінцевого вузла мережі).

Основні правила роботи протоколу IGMP наступні:

кінцевий вузол мережі посилає пакет IGMP типу report для забезпечення запуску процесу підключення до групи розсилки;

вузол не посилає ніяких додаткових пакетів при відключенні від групи розсилки;

маршрутизатор multicast через певні тимчасові інтервали посилає в мережу запити IGMP. Ці запити дозволяють визначити поточний стан груп розсилки;

вузол посилає у відповідь пакет IGMP для кожної групи розсилки до тих пір, поки є хоч би один клієнт даної групи.

Завантаження магістральної частини мережі multicast трафіком залежить тільки від кількості трансльованих в мережі каналів.

Рис. 3. Multicast трафік

У ситуації з Gigabit Ethernet мережею, припустивши, що половину магістрального трафіку виділяється під multicast передачу, виходить близько 100 телевізійних каналів MPEG-2, кожен з яких має швидкість потоку даних 5 Мб/сек.

Зрозуміло, в IP-TV мережі присутні одночасно всі три види трафіку – broadcast, multicast і unicast. Операторові, плануючому оптимальну величину пропускної спроможності мережі, необхідно враховувати різний механізм впливу різних технологій IP-адресації на об'єм трафіку. Наприклад, оператор повинен ясно уявляти собі, що надання послуги “відео по замовленню” великому числу абонентів вимагає дуже високої пропускної спроможності магістральної мережі. Одним з вирішень цієї проблеми є децентралізація в мережі відеосерверів. В цьому випадку центральний відеосервер замінюється на декілька локальних серверів, рознесених між собою і наближених до периферійних сегментів багаторівневої ієрархічної архітектури IP-мережі.

Можливості IP-телебачення

Можливості протоколу IP дозволяють надавати широкий пакет інтерактивних і інтегрованих послуг, таких, наприклад, як:

live TV (“власне IP-телебачення”). Віщання в реальному часі з використанням режиму IP-multicast. Базовою послугою, перш за все, є багатопрограмна трансляція телевізійних каналів, або власне IP-телебачення. Тут можуть бути реалізовані два варіанти проглядання телепрограм: перший – оператором формується декілька пакетів телеканалів, з яких глядачі можуть вибирати бажаний набір, причому кожен пакет має свою абонентську плату; другий – глядачі формують індивідуальні пакети з каналів, що транслюються оператором; абонентська плата визначається вартістю вибраних каналів, що входять в індивідуальний пакет;

near video on demand (“віртуальний кінотеатр”). Трансляція фільмів з відеосервера оператора з жорстко визначеним розкладом сеансів, коли абонент купує зручний йому за часом сеанс для проглядання фільму. Тобто декілька екземплярів кожного з фільмів запускається на відтворення “по кругу” із зсувом початку відтворення в часі, і підписчик дістає доступ до каналу, на якому відтворюється конкретний фільм. Незручність для абонента полягає в тому, що він не може почати проглядання фільму в будь-який довільний момент часу. Перевагою для оператора є використання звичайної технології IP-адресації multicast, яка дуже сильно економить об'єм трафіку в магістральній мережі оператора. Так само, для зниження об'ємів трафіку, оператора надає можливість перегляду не дуже великої кількості фільмів, що зазвичай не перевищує двох-трьох десятків, як правило, це нові фільми, що недавно вийшли в прокат;

video on demand (“відео по замовленню”). Фільм з відеосервера оператора персонально транслюється абонентові в будь-який довільно вибраний абонентом момент часу. В основі цього завдання достатньо складна технологія. В даному випадку кожному абонентові посилається його власний контент, який він запитав, і мережі передачі даних, у свою чергу, повинні мати велику пропускну спроможность. Об'єм трафіку тут залежить не від кількості фільмів, а від кількості користувачів цієї послуги, оскільки використовується персональна трансляції відеоданих абонентові за технологією IP-адресації unicast. На відміну від послуги “віртуальний кінотеатр” кількість фільмів тут набагато більше і може досягати іноді декількох тисяч. З'являється ряд дуже зручних призначених для користувача функцій віртуального відеоплеєра – перемотування назад, вперед, пауза;

pay per view (“платний перегляд”). Покупка і перегляд абонентом окремо вибраних програм (наприклад, фінал чемпіонату світу по футболу). Трансляція ведеться в режимі реального часу і використовується технологія IP-адресації multicast;

personal video recorder (“персональний відеомагнітофон”). Збереження контента в мережі або STB з метою подальшого індивідуального перегляду. На відеосервері оператора абонентові виділяється певний об'єм пам'яті і надається інтерфейс з аналогічними відеомагнітофону функціями для цифрового запису і відтворення телепередач. Абонент може по своєму бажанню записувати, стирати, відтворювати, перемотувати свої особисті записи. Тут також використовується технологія IP-адресації unicast;

time shifted TV (“телебачення із зрушенням за часом”). Можливість повтору вподобаних фрагментів передачі за допомогою каналу, що передає контент із затримкою (зазвичай кратною 1 годині). Абонент купує послугу проглядання заздалегідь записаних на відеосервері програм. Послуга і сервісні функції, що реалізовуються в ній, близькі до “відео по замовленню”. Також використовується технологія IP-адресації unicast;

services on demand (“сервіси по замовленю”). Замовлення товарів і послуг додому, різна довідкова інформація, розклад транспорту, готельний сервіс і тому подібне. Дані послуги близькі до аналогічних сервісів в Інтернеті;

remote recording capabilities (“дистанційне керування відеомагнітофоном”). Засоби для управління сервісами з мобільного телефону, ПК і інших пристроїв;

interactive services (“інтерактивні сервіси”). Забезпечення двостороннього каналу, зворотнім зв'язком між користувачем і виробником контента, а також іншими користувачами в цілях інтерактивної взаємодії;

multiple camera (“підтримка декількох камер”). Можливість абонента перемикати ТВ-камери, що використовуються під час трансляції;

net-surf on TV (“доступ в Інтернет”). За допомогою все того ж IP-підключення користувачеві надається доступ в інтернет з телевізора;

videoconference (“відеоконференція”). Послуга надає можливість встановлювати відеоконференцзв'язок.

Послуги IP-TV повинні змінити характер використання телевізора, перевівши його на новий рівень. Багаті інтерактивні функції, що перетворюють телевізори на мультимедійні центри, роблять IP-TV революційною технологією в цифровому телебаченні.

Переваги IP-телебачення

Завдяки передачі відеосигналу за допомогою протоколу IP з'являється ряд очевидних переваг:

висока якість відеосигналу і велика різноманітність програм. По суті, технологія IP-TV не має обмежень по кількості каналів і якості трансльованого контента. Все залежить лише від пропускної спроможності мережі і території її обхвату. IP-мережі дозволяють вже зараз доставляти відеосигнал довільної якості, наприклад зображення HDTV із звуком Dolby Surround ;

інтерактивність. Можливість оператора взаємодіяти з абонентами в реальному часі, реагуючи на їх поведінку (перемикання ТВ-каналів, вибір пунктів меню на екрані телевізора, часу проглядання фільмів або прослуховування музики, голосування і так далі);

інтеграція послуг. Технологія Video-over-IP дозволяє надати не тільки традиційну послугу проглядання ТВ-каналів на якісно вищому рівні, але і впровадити абсолютно нові інформаційні, комунікаційні, освітні і розважальні послуги;

економія засобів на кабельній системі. Можливість використання існуючої інфраструктури широкосмугової мережі, таким чином, немає необхідності будувати і обслуговувати додаткову кабельну інфраструктуру;

ефективне використання IP-мережі. Надання повного набору послуг Triple Play (Data, VоIP, TVoIP) по одиному широкосмуговому каналу.

Проблеми розвитку IP-телебачення в Україні

Серед чинників, що обмежують розвиток IP-телебачення, можна відзначити високу конкуренцію традиційних операторів, відносно низький рівень проникнення широкосмугового доступу, серйозні техніко-організаційні труднощі, високий рівень необхідних інвестицій і нерозвиненість сервісної сфери української економіки. В сукупності ці чинники знижують темпи зростання клієнтської бази, збільшують термін окупності інвестицій, а значить, знижують привабливість технології для операторів.

Впровадження IP-телебачення також стримується необхідністю модернізації мережевої інфраструктури. Для реалізації повноцінного ТВ-сервісу оператор повинен не тільки забезпечити користувачеві достатньо широку смугу в “останній милі”, але і значно розширити пропускну спроможність своєї транспортної мережі. Доставка відеосигналу обумовлює набагато вищі вимоги до мережі з погляду параметрів швидкості доставки, затримки даних і втрат пакетів, чим просто високошвидкісний доступ до Інтернету.

Перешкодою на шляху розвитку IP-телебачення стає і відсутність портфеля успішних впроваджень на широкій клієнтській базі. Більшість операторів розвернули лише дослідні зони, які працюють з декількома тисячами клієнтів.

Не дивлячись на великі можливості IP-TV, розповсюдження цієї технології гальмується бажанням операторів окупити інвестиції, вкладені в існуючі мережі. Сьогодні вартість переходу на IP-TV робить цю технологію недоступною більшості малих телекомунікаційних компаній. Поточний рівень необхідних інвестицій на одного абонента (від $1000 до $2000) робить проблематичною окупність сервісу. Для істотного зниження операційних витрат, включаючи витрати на контент, необхідне масштабування бізнесу і розширення клієнтської бази. Масштабування бізнесу вимагає значної модернізації транспортної мережі, мережі доступу, програмного забезпечення і операційних процесів. А надання користувачам реальних переваг у вигляді вигідних тарифів і унікальних послуг сформують звичку до масового їх споживання.

Висновки

Аналіз сучасного стану систем IP-телебачення показав, що сьогодні IP-технології мають достатню зрілість для вирішення завдань передачі відеоінформації. В IP-мережах база єдиної транспортної інфраструктури може інтегрувати всі види додатків в єдину сервис-орієнтовану технологічну платформу, яка дозволить забезпечити не тільки традиційний перегляд телевізійних каналів і голосовий зв'язок з високим рівнем якості, але і впроваджувати абсолютно нові послуги, які роблять IP-TV революційною технологією в цифровому телебаченні.

Головним перевагами системи IP-TV є якість цифрових технологій, інтерактивність і наявність широкого набору додаткових сервісів, які роблять її привабливою для перспективного використання у військових телекомунікаційних системах і системах АУВ.