Методи за IP пренос на ТВ данни. Видове поточно предаване. IPTV системна платформа. Базов модел. IPTV архитектура.

Методи за IP пренос на ТВ данни.

Преносът на данни  за осъществяване на различни IP телевизионни услуги в най-общия случай се основава на самостоятелно или на комбинирано на двете базови комуникационни технологии - асинхронен файлов трансфер и поточно предаване. Понастоящем практическо приложение намират следните производни IP телевизионни комуникационни методи:

• файлов трансфер - При този метод процесът на кодиране на данните не се изпълнява в реално време, а предварително, т.е. неговата изчислителна сложност не е от критично важно значение.
• псевдопоточно предаване - този метод, известен още като прогресивно разтоварване, по същество представлява модификация на предходния метод.
• поточно предаване - този е основният комуникационен метод за реализиране на IP телевизионни услуги. характеризира се с това, че данните на цифровия телевизионен продукт се предават последователно със същата скорост и ритъм, с които приемащото устройство се налага да ги обработва, за да осигури качествено възпроизвеждане на телевизионната информация.

Видове поточно предаване

Методът на поточното предаване има множество технологични разновидности, които са съответно подходящи за различни приложения. Те се класифицират както следва:

• според типа на комуникационната архитектура -  според топологията (точка-точка, точка-много точки или комбинация от двата вида) поточното предаване може да бъде:

• unicasting - метод за комуникация, при който от източника към получателя (конкретно дефиниран IP адрес и порт) се предава индивидуален поток от данни. Поради това този начин е подходящ за индивидуални услуги от типа: доставяне на видеопродукти по заявка (VoD), мрежово базиран персонален видеорекордер (nPVR), взаимодействие на клиента със съставни обекти на телевизионния продукт, видеоигри по заявка, pay per view и др., които са с изявено интерактивен характер. За целта се използват възможностите на транспортния протокол TCP, който осигурява двупосочна връзка и гарантира надеждно предаване на пакетите от данни. Този метод не е подходящ, когато един цифров поток е предназначен за ползване от много получатели едновременно.
• multicasting - този метод използва възможностите на транспортния протокол UDP за предаване на данни в реално време. При него източникът предава едно и също копие на потока от данни за едновременно ползване от множество получатели. За целта първо се формира multicast група (на основата на IP адрес от клас D), към коят да се присъединяват потребителите, желаещи да ползват въпросния поток данни. Както е показано на фиг.1.3б, потокът от данни, постъпил от източника в мрежовия маршрутизатор, се разклонява и препредава към множество маршрутизатори, които от своя страна аналогично го разклоняват и препредават докато той достигне до всички участници на така обособената multicast група. Този подход носи две много големи предимства пред unicasting - значително по-ефективно използване на мрежовите комуникационни ресурси и разпространение на програмния поток в геометрична прогресия, което позволява практически неограничено разширяване на аудиторията до мащаби, които достигат класическото масово телвизионни разпръскване.
• unicasting & multicasting - е комбиниран метод за комуникация, при който в типичния случай потокът от данни се доставя до периферните мрежови възли от определен клас по технология unicasting, след което той се предава до крайните му потребители по технология multicasting (фиг.1.3в) По този начин се гарантира надеждно доставяне на потока от данни в по-голяма близост до потребителите му, без да се усложняват изискванията към елементите в мрежата за достъп и без да се променя възприятието за едновременното му приемане от определена група потребители.

• Според мястото на събиране на елементарните съставни потоци на телевизионния продукт (в предаващата или приемащата страна) предаването на данните е:
• еднопоточно - елементарните PES потоци от данни на телевизионния продукт синхронизирано се мултиплексират в предаващата страна в съответствие  с описаната DVB технология в еднопрограмен транспортен MPEG-2 SP TS поток, който се транспортира след предварително капсуловане на данните му като пакети за въвеждане в полезния товар на UDP/IP или на RTP/UDP/IP транспортните единици (фиг.1.4б);
• многопоточно - данните на всеки елементарен PES поток на телевизионния продукт предварително се капсуловат като пакети за въвеждане в полезния товар на RTP/UDP/IP транспортните единици, след което се предават като самостоятелни мултимедийни пакетни потоци, а синхронизирането има се осъществява в приемащата страна на база информацията на RTP пакетните времеви маркери (фиг.1.4б).

IPTV системна платформа.

Базов общосистемен модел

Общите функционално-организационни принципи на система за IP телевизионни услуги са показани на блоковата схема от фиг.5.1. Както е показано на схемата, IP телевизионната платформа се състои от четири функционални блока:

1. Придобиване на телевизионни  програмно-информационни продукти;
2. Мениджмънт и процедури за изпълнение на IP телевизионни улуги;
3. Разпределение на мрежови ресурси и на потоци от IP телевизионни данни;
4. Потребление на IP услуги,

свързани посредством транспортна подсистема, която е в състояние да обслужва също така и и пети блок - Онаследени услуги и системи в обхвата на обединена платформа от вида IP Triple Play.

Функционалната характеристика на отделните блокове е следната:

блок 1 - функционалността му се състои в добиване на програмно-информационни породукти от два типа външни източници:

• от доставчици, излъчващи телевизионна програмно-канална информация;
• от доставчици на самостоятелни телевизионни продукти (телевизионни филми и клипове, документални записи и др.)

Получените телевизионни продукти се предоставят на вътрешносистемните IP телевизионни доставчици, за да ги препредават на клиентите си в реално време или в желано от тях време.

блок 2 - притежава два вида функционалност:

• на ниво обработка на данни, към което се отнасят процедури като мултиплексиране/демултиплексиране, кодиране/декодиране, комплектуване в необходимите формати за запис и за поточно предаване, адаптиране на данните за пренос в мрежова среда в желаното и възможно качество на услугите (QoS) и т.н.;
• на ниво управление и изпълнение на IP телевизионни услуги, което поддържа мениджмънта на системата за услуги и което включва: управление на абонатите (вкл. права за достъп), разпределение на телевизионните продукти според инфраструктурата на ресурсите за тяхната поддръжка и доставяне (в режими по заявка и в реално време), а също така и необходимите взаимодействия с клиентската страна (вкл. упраление на сесии) за реализиране на заявените IP телевизионни услуги.

блок 3 - чрез този блок са представени функциите по управление и разпределение на мрежови ресурси, чре които се определят количествените и качествени характеристики на средата за пренос и за достъп. В обхвата на тези функции попада също и създаването и поддържането на механизми за надеждно и навременно доставяне на multicast потоци от IP телевизионни данни.

блок 4 - функционалността на този блок се определя от два типа оборудване:

• оборудване на клиентската сграда, което изпълнява функциите на краен широколентов мрежов възел и на маршрутизиращ шлюз към евентуална локална мрежа за клиентски достъп;
• IP телевизионно крайно устройство на клиента от типа STB, което изпълнява функцията на сервизен възел на телевизионния приемник, предназначен за декодиране на входящия цифров телевизионен поток и за взаимодействие с доставчика на услугата.

блок 5 - в този блок са представени функциите на онаследените системи за гласови и Интернет услуги, операционни и бизнес системи OSS/BSS и системи за мрежово управление, базирани на протокола SNMP (Simple Network Management Protocol).

Телевизионно-сервизна архитектура

С помощта на телевизионния сервизен системен модел (фиг.5.2) може да бъде изяснена архитектурата и взаимодействието на логическите компоненти, необходими за осигуряване на телевизионни услуги, основаващи се на двата типа базови технологии - поточно предаване в реално време и поточно предаване по заявка.

За по-голяма яснота на процесите тези логически компоненти са представени във вид на три типа блокове:

• блокове, които обслужват само поточното предаване в реално време;
• блокове, които обслужват само поточното предаване по заявка;
• блокове, които обслужват и двет базови технологии.

Логическите компоненти, дефинирани чрез тези блокове се разпределят в пет функционални модула: преработка на данните за придобиваните програмни продукти, мениджмънт на права и условен достъп, предоставяне на телевизионни продукти по заявка, middleware и потребление на телевизионни услуги.

Системата включва и модул "системен и сервизен мениджмънт, съставните компоненти на който имат косвено отношение към осигуряването на телевизионните услуги, поради което не се разглежда тук.

Функционален модул "Преработка на данните на придобиваните програмни продукти".

По функционално значение този модул съответства на ниво "обработка на данни" в блок 2 на базовия системен модел (фиг.5.1).

Технологията на обработка на данните не е една и съща поради факта, че входящият сигнал (в зависимост от вида на източника) може да бъде разнороден, а изходните данни е възможно да бъдат комплектувани по различен начин. Например входящите данни на един DVB сервизен доставчик обикновено са комплектувани във вид на многопрограмен скремблиран MPEG-2 MPTS трнаспортен поток с постоянна скорост. В този случай се налага за тяхната обработка да бъдат ангажирани почти всички посочени на схемата функционални компоненти на този модул:

• приемане и декодиране на сигнали (безусловно);
• дескремблиране (ако сигналът е скремблиран);
• демултиплексиране (безусловно);
• кодиране/транскодиране (ако е необходимо да се променят параметрите на MPEG-2 кодираните данни или те да се транскодират в AVC/H.264);
• мултиплексиране (ако се изисква формиране на MPEG-2 SPTS потоци или на нов MPEG-2 МP TS поток);
• преобразуване на скоростта (ако се налага променливата скорост на потока да се преобразува в постоянна);
• IP капсуловане (безусловно).

В случаите, когато входящите телевизионни продукти са от източници  на аналогов композитен телевизионен сигнал или на произволно кодиран цифров телевизионен сигнал, се осъществява безусловно характерната за блокове кодиране/транскодиране и IP капсуловане обработка, а в някои случаи - и обработката, характерна за блокове мултиплексиране и преобразуване на скоростта.

В типичния случай етапите на преработка на данните протичат в следната последователност:

• демултиплексиране на основните MPEG-2 МPTS потоци от данни на програмни канали до ниво на PES потоци от данни с елементарна програмна информация;
• Евентуално транскодиране на MPEG-2 кодираните в AVC/H.264 видеоданни (MPEG-4, part 10);
• Мултиплексиране на PES потоци от данни с елементарна програмна информация в самостоятелни MPEG-2 SPTS потоци от данни с програмна информация;
• капсуловане на пакетите с MPEG-2 SRTS данни във вид на полезен товар за транспортните структури на UDP или на RTR.

Съвременният подход, благодарение на новите, утвърдени спецификации за RTP полезния товар, които регламентират непосредствено опаковане на отделните видове медийни данни, осигурява няколко съществени предимства пред описания по-горе начин на обработка:

• по-голяма устойчивост срещу грешки;
• по-добри възможности за услуги;
• по-ефективна комуникационна архитектура;
• по-ефективна работа в мрежова среда.

Функционален модул "Предоставяне на телевизионни продукти по заявка".

Този модул включва компонентите система за условен достъп (отговаря за ключо-разпределителен мениджмънт, свързан с криптирането на телевизионни продукти) и система за криптиране (криптирането се прилага като втори защитен механизъм  срещу нерегламентирани посегателства след задължителна проверка за правомощията на абоната).

За VoD услугите проверка за правомощията на абоната за заявяване на телевизионен продукт с дадено наименование

Системният модел на платформата за IP телевизионни услуги е показан на фиг.5.2.

Функционален модул "Предоставяне на телевизионни продукти по заявка".

• Задачата на този модул е да реализира съвместна работа на ресурсите за запис, съхранение и експорт на подлежащите на доставяне по заявка телевизионни продукти, както и на  осигуряващите ги контролери за поточно предаване на данни. Тази функционалност е показана на фиг.5.2 чрез съставните модулни компоненти:

• Мениджър на VoD ресурси;
• Сървъри за поддръжка и експорт на подлежащи на доставяне телевизионни продукти; 
• Контролери за поточно предаване.

Тези ресурси при пълноценно развита IP телевизионна платформа са физически разположени на различни места в осигуряващата я мрежова среда. Поради това, за ефективното взаимодействие на изброените ресурси, те са свързани в специализирана мрежа за обмен на програмни продукти, наречена `CDN` (Content Distribution Network).

Базов елемент на всяка мрежа от вида `CDN` е така наречения `VoD` сървър. На фиг.5.3 е показано примерно физическо изпълнение на `VoD` сървър и на осигуряващите го контролери за поточно предаване.

`VoD` сървърът най-често е физически базиран на локална мрежа с архитектура от вида FC/GE (Fiber Channel/Gigabit Ethernet) SAN (Storage Area Network), ковто обслужва сегментите на `RAID` контролиран и отворен за разширение дисков масив за паралелен запис и паралелно четене и евентуална DVD/CD библиотечна система.

Функционален блок "Middleware"

Този функционален модул изпълнява ролята на "спояващ" софтуер, който интегрира логическите компоненти на останалите функционални модули, в това число и на тези между клиент и сървър и на тези между разнородните приложения (нерядко създадени от различни производители), в единно и надеждно функционираща система.

Функционалният блок "Програмен справочник" предоставя на клиента възможности за broadcast/multicast услуги. Той осигурява на съответното STV клиентско приложение информация със списъка на телевизионните програмни канали за ползване в реално време и с IP мрежовите адреси на техните източници. Най-често се реализира с HTTP протокол във вид на уеб сървър, който предоставя на клиентите посочената по-горе информация във вид на уебстраници.

Друг блок със сходни функции и механизми, но ориентиран към търсене на телевизионни продукти за обслужване на VoD кленти, е т.нар. сървър за навигация. Данните за изпълнение на този род задачи той получава от блоковете разпределител на програмни продукти и база данни за абонатите.

Разпределителят на програмни продукти има задачата да предоставя по определен регламент придобитите от външни източници телевизионни продукти и свързаните с тях рекламни клипове и/или откъси и файлове от метаданни до определени места в мрежата на доставчиците на услуги.

Предназначението на системата за правомощия е след постъпване на заявка от сесийния мениджър да извършва проверка дали клиентът има право да получи заявения телевизионен продукт. За тази цел системата, ползвайки информация от разпределителя на програмни продукти, създава база данни, които показват с пакетите на кои VoD клиенти е свързан всеки телевизионен продукт. Въз основа на тези данни и на информация получена от блока база данни за абонатите  на модула системен и сервизен мениджмънт, се определя дали клиентът има право да гледа заявения телевизионен обект.

Функционалният блок сесиен мениджър отговаря за организирането и поддържането на сесия на взаимодействие с клиента на всяко VoD приложение. След получаване на заявка, той се осведомява от системата за правомощия относно правомощието на клиента и за съответния формат на криптиране на данните за него, а от блока мениджър на VoD ресурси - за най-подходящия за клиента VoD сървър. Сесийният мениджър препредава  информацията за формата на криптиране към системата за условен достъп и в отговор получава от нея ключа за декриптиране. Тогава той изпраща към клиента ключа за декриптиране и IP-адреса на препоръчания VoD сървър.

Функционален модул "Потребление на телевизионни услуги"

В този модул чрез ресурсите на устройството STB (Set Top Box) се осигурява кореспонденцията с функционалните модули и съответна клиентска функционалност - декодиране, декриптиране и middleware. Както се вижда от фиг.5.2, потребителският Middleware включва STB клиентските приложения за broadcast/multicast услуги и за индивидуални услуги от типа доставяне на телевизионни продукти по заявка, взаимодействие с обекти на избран телевизионен продукт, работа като мрежово базиран видеорекордер и др.