Головная станция IPTV сети

Основная функция головной станции IPTV это формирование видео-контента и последующая трансляция выходного потока видеоданных в формате Video over IP (видео по IP протоколу). Также для магистральной (опорной части сети) может использоваться формат IP-Video over ATM (IP видео поверх ATM). Это связано с широким распространением магистральных ATM сетей. Для трансляции видео-контента через ATM / SDH сети многие операторы используют, например, хорошо известную станцию цифрового телевидения Teleste ATMux.

Рисунок 9 – Компоненты IP TV сети

Рассмотрим подробнее требования к головной станции IPTV.

Современная станция IPTV должна работать с широким диапазоном входных источников видео-контента, в том числе:

- 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, композитный видеосигнал, а также можно предположить использование цифровых интерфейсов DVI (Digital video interface) и HDMI (High-Definition Multimedia Interface);

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

- видео-контент, передаваемый через транспортные сети в форматах IPTV (MPEG over IP), Video over ATM; IP-video over ATM.

Формирование видео-контента в форматах DVB-ASI (SPTS/MPTS) производится «обычной» цифровой головной станцией DVB, которая часто уже существует у оператора и уже некоторое время обслуживает его кабельную DVB-C сеть. В самом простейшем случае это комплект спутниковых цифровых приемников с ASI-выходом.

Более сложной и меньше знакомой операторам является вторая составная часть станции, формирующая выходные IP-потоки или собственно IPTV станция. Используют также термины IP-инкапсулятор и IP-стриммер.

Приведем термины, обозначающие основные процессы, производимые IPTV головной станцией:

- 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 и ATM;

- transrating («трансрейтинг») – изменение (понижение) скорости потока данных, используется также аналогичный по смыслу термин rateshaping;

- transcoding («транскодинг») – транскодирование, изменение формата сжатия медиа-данных, например поток MPEG2 транскодируется в MPEG4;

- encoding («энкодинг») – компрессия несжатого видео с целью получения на выходе «энкодера» транспортного потока в формате MPEG2 (4) или VC-1 / Windows Media VC-9 (на входе энкодера видеосигнал может быть в аналоговом, например, композитное видео, S-video или в цифровом, например SDI формате);

- decoding («декодинг») – декодирование, восстановление исходной несжатой 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 (CAS);

- de-scrambling («де-скремблинг») – буквально дешифрование, подразумевается раскрытие 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 обработке 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 IPTV, (особенно для DSL-сетей) использовать трансрейтинг или даже ре-энкодинг;

- PSI redaction - редактирование таблиц сервисной информации (PSI, Program Specific Information - специальная информация о программах).

Функция PSI redactionхорошо известна операторам в «обычном» цифровом телевидении (DVB-S, -C). Предполагается примерно следующий базовый набор возможностей создания и редактирования сервисных таблиц:

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

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

- редактирование оператором частоты повторения выходных таблиц.

IP - инкапсуляция

Это самый главный процесс, выполняемый IPTV станцией. Для передачи транспортных MPEG-потоков через традиционные сети с пакетной передачей данных, головная станция IPTV объединяет множество 188-ми байтовых MPEG транспортных пакетов и формирует из них полезную нагрузку кадра PDU (protocol data unit).

Рисунок 10 – Процесс инкапсуляции

Рисунок 10 иллюстрирует процесс инкапсуляции. Заголовок (Header) и замыкающая часть кадра (Trailer) определяются используемым сетевым протоколом.

Следующие два рисунка 11 и 12 иллюстрируют инкапсуляцию MPEG-пакетов в Gigabit Ethernet сетях.

На рисунке 11 показан кадр в формате MPEG over UDP/IP over Gigabit Ethernet. Замыкающая часть кадра это как обычно CRC (cyclic redundancy code) – контрольный циклический избыточный код.

Рисунок 11а показывает инкапсуляцию MPEG over Gigabit Ethernet в реальном времени с использованием протокола RTP.

Рисунок 11 – Инкапсуляция кадра в формате MPEG over UDP/IP в Gigabit Ethernet

Протокол RTP (Real-time transport protocol) определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивая безопасность передачи контента и распознавание информации. Протокол RTP функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Разница между двумя рисунками только в добавлении RTP-заголовка в секцию заголовка протокола (Protocol Header).

Рисунок 11a - Инкапсуляция кадра в формате MPEG в Gigabit Ethernet с использованием RTP

Рисунок 12 иллюстрирует формат MPEG over UDP/IP over ATM с классической IP-инкапсуляцией (RFC 2684 LLC инкапсуляция маршрутизируемых протоколов). В состав полезной нагрузки AAL-5 входит IP-пакет, с нагрузкой из множества транспортных пакетов MPEG, плюс RFC 2684 заголовок и замыкающая часть кадра. В этом случае полный кадр AAL-5 PDU предоставлен уровню ATM для дальнейшей сегментации в ATM ячейки. (Padding в секции Trailer это заполнение секции незначащей информацией).

Для других RFC 2684 ATM подобных инкапсуляций производятся соответствующие изменения. Так, например, для инкапсуляции в реальном времени после заголовка UDP был бы заголовок RTP. А для мостовой (bridged) инкапсуляции Ethernet был бы заголовок Ethernet MAC перед IP заголовком.

Рисунок 12a показывает инкапсуляцию MPEG over Native ATM. Он очень похож на предыдущие рисунки, различие заключается в удалении UDP/IP и RFC 2684 уровней (собственно, поэтому такой метод и называется “Native” (наследственный) ATM, так как он не имеет каких-либо дополнительных протоколов). Для этого метода заголовок протокола является пустым и этот метод более эффективно использует ширину полосы, чем другие ATM методы. Однако присутствие UDP/IP заголовков в других методах позволяет поддерживать множество однопрограммных транспортных потоков (SPTS) через одну виртуальную ATM цепь, что невозможно в методе ATM Native.