Úvod do IPTV

Jednou z možností, jak sledovat digitální vysílání je technologie IPTV. Z pohledu poskytovatele IPTV služba představuje zpracování a bezpečné poskytování video obsahu prostřednictvím datových sítích založených na IP protokolu, dnes často prostřednictvím přípojek ADSL2+.

---

Introduction to the IPTV

Abstract

The analogue television is in the process of terminating. Analogue television is replaced with digital television at the present time. Digital television contains several forms - a satellite broadcasting (DVB-S, DVB-S2), cable broadcasting (DVB-C), terrestrial digital broadcasting (DVB-T) and mobile broadcasting (DVB-H). Another way to watch digital broadcasting is IPTV service. IPTV (Internet Protocol Television) is a television, video on demand (VOD) and audio content (radio) over broadband networks. From an end user’s perspective, IPTV looks and operates just like a standard TV service. From a service provider’s perspective, IPTV encompasses the processing and secure delivery of video content over an IP based networking infrastructure. IPTV is defined as miltimedia service implemented in the data network based on IP protocol to provide the required level of quality of service (QoS) and experience (QoE), security, interactivity and reliability.

---

V dnešní době analogové vysílání končí a nastupuje rozvíjející se digitální vysílání. Digitální televizní vysílání má několik podob – satelitní vysílání (DVB-S, DVB-S2), kabelové vysílání (DVB-C), pozemní digitální vysílání (DVB-T) a mobilní vysílání (DVB-H). Další možností, jak sledovat digitální vysílání je technologie IPTV. IPTV (Internet Protocol Television) představuje televizní vysílání, video na přání (VoD) a audio obsah (radia) přes vysokorychlostní sítě. Pro koncového uživatele IPTV služba vypadá a funguje jako standardní televizní vysílání. Z pohledu poskytovatele IPTV služba představuje zpracování a bezpečné poskytování video obsahu prostřednictvím datových sítích založených na IP protokolu.

Architektura IPTV

Topologii sítě pro šíření IPTV si můžeme představit podle obr. 1. Na levé straně je hlavní odbavovací pracoviště (Super head-end). V tomto bodě vstupuje do sítě daného provozovatele většina televizních programů a radiových stanic. Způsob, jakým jsou příslušné stanice získány, může být více. Jedná se především o satelitní (DVB-S, DVB-S2), pozemní (DVB-T, analogové) a kabelové (DVB-C) vysílání. Odbavovací centrum zpracovává vstupní video nebo audio signály. Příchozí signály mohou být analogové nebo digitální. Analogový signál je digitalizován a zkomprimován pomocí vhodné komprese (MPEG-2, MPEG-4/H.264, VC-1). Digitalizovaný vstupní signál může být překódován do jiného vhodného formátu (MPEG-2, MPEG-4/H.264, VC-1). Z odbavovacího pracoviště pokračuje přenos video signálů páteřní sítí (core network) poskytovatele, která zajišťuje přenos datových toků do přístupové sítě. Páteřní síť poskytovatele IPTV je většinou postavena na technologii IP/MPLS (MPLS - přepínání paketů po definované cestě na základě návěští[6]). Přístupová síť má za úkol distribuovat jednotlivé datové toky k zákazníkům. Zde hrají důležitou roli parametry kvality služby QoS (více [5]), kdy můžeme např. upřednostnit přenos videosignálu a zabránit zpoždění nebo fragmentování (rozdělení). V architektuře IPTV sítě se dále nacházejí regionální odbavovací pracoviště (local office), která mají za úkol přidávat do vysílání regionálně zaměřený obsah (regionální televize regionální rozhlasové stanice atd.). Na samém konci přenosového řetězce se nacházejí zákaznické prostory, kde se nacházejí zákaznická zařízení (Set-Top-Box, modem), která ukončují jednotlivé datové toky a převádějí je na signály, které se dají zobrazit televizory.

Obr. 1 Uspořádání sítě IPTV [7]

Používané protokoly pro přenos video toku v IPTV

Než se vyšle video tok do sítě, je nutné video signály upravit pro přenos v datových sítích a pak následně přenést až k uživateli. Vstupní video signál může být analogový nebo digitální. Analogový signál je dále pomocí kodéru digitalizován a následně zkomprimován pomocí vhodné komprese (MPEG2, MPEG4/H.264, Windows media). Takto vznikne souvislý datový tok (video/zvuk), který je rozdělen do malých bloků PES (základní paketový tok).

Obr. 2 Vrstvový model IPTV

Bloky dat jsou opatřeny záhlavím snímku a záhlavím bloku dat. Jednotlivé části základního paketového toku mají velikost 188 bajtů. Toto je dále sdružováno do přenosového datového toku MPEG-TS. Do jednoho ethernet rámce je možno vložit až 7 bloků.

Takto zpracovaný video signál dále vstupuje do dolních čtyř vrstev OSI modelu (transportní, síťová, spojová a fyzická). Tyto čtyři vrstvy slouží k dalšímu zapouzdření přenášeného video signálu a k jeho přenosu mezi zdrojem (video serverem) a koncovými uživateli.

Obr. 3 Zapouzdření [7]

Vyžití přenosu typu multicast pro vysílání TV kanálů

Každý kanál IPTV a uživatelé, kteří chtějí sledovat tento kanál, jsou připojeni do multicastové skupiny. Proto je kanál IPTV přenášen jen na set-top-boxy uživatelů, kteří chtějí zobrazit tento kanál. Tato metoda šetří přenosovou kapacitu. Obr. 4 ukazuje připojení současně pěti účastníků k TV kanálu 10. Jak je zobrazeno, jen jedna kopie je odeslána z obsahového serveru na distribuční směrovač. Tento směrovač směruje video tok do uzlů regionálních poboček. Každý z regionálních směšovačů pak směruje tok k zákazníkům, kteří si vyžádali kanál sledovat. Tato metoda je obvykle používána pro vysílání televizního programu přes IPTV, účinně využívá stávající infrastrukturu IP sítí.

Obr. 4 Přenos TV kanálů v IPTV síti

Bez ohledu na to, jak dobře může být síť navržena nebo jak jsou dodrženy parametry QoS, mohou se projevit chyby ve video toku. Pro unicast tok používaný VoD – video na přání – je toto menší problém. Set-top box může jednoduše požádat server o opakované poslání ztracených nebo poškozených paketů. Při vysílání multicast toků je mnohem důležitější zajistit bezchybný přenos od počátku až do konce.

Přepnutí mezi TV programy vyžaduje přechod z jedné multicastové skupiny do jiné, resp. odhlášení se ze stávající skupiny a přihlášení do nové skupiny. To jsou operace, jejichž realizace určitou dobu trvá a jsou zdrojem zpoždění. Při změně TV kanálu se používá protokol IGMPv2 (Internet Group Management Protocol ), který obsahuje zprávy pro odhlášení z multicast skupiny a připojení do nové multicast skupiny. Když je přijímána tato žádost, kontroluje se, zda je uživatel oprávněn sledovat nový TV program. Poté dojde k přidání specifického uživatele do seznamu kanálové distribuce.

Technologie multicast může poskytovat dodávku obsahu až k miliónům uživatelům zároveň. Toto nelze u služby video na přání – VoD, která vyžaduje unikátní video tok k uživateli. Pro podporu VoD a dalších služeb je použit pro datový tok přenos typu unicast. Datový tok je řízen protokolem RTSP (Real Time Streaming Protocol ), který umožňuje kontrolu nad multimediálním tokem a dovoluje uživatelům přehrávání (play), pozastavení (pause) a zastavení (stop) sledovaného programu.

Obr. 5 Unicast metoda použitá pro přenos videa na přání (VoD)

Middleware

Jedná se o software, lze si jej představit jako platformu či prostředí, ve kterém jsou realizovány všechny uživatelsky orientované funkce celého IPTV a vzájemně integrovány jeho dílčí služby. V IPTV zajišťuje middleware základní funkce, například registraci uživatelů, ukládá a zpracovává veškeré požadavky uživatelů, obsluhuje a řídí video na přání (VoD) a aplikační server, monitoruje události v IPTV síti. Middleware je také koncipován tak, aby byl jednoduše napojitelný na účtovací systém.

Potřebná přenosová rychlost

Možnosti současných video aplikací, jsou ovlivněny požadovanou přenosovou rychlostí a vzdáleností uživatele od ústřednové jednotky DSLAM (jedná-li se o přístupovou síť na technologii DSL). Pro přenos video signálu se používají různé druhy komprese obrazu a různé obrazové formáty (SDTV , HDTV) viz tabulka.

Tab.1: Náročnost přenosu digitální televize

Obr. 6 zobrazuje graf, který představuje potřebnou přenosovou rychlost při přenosu IPTV na technologii ADSL2+overISDN a možnou překlenutelnou vzdálenost. Graf ukazuje předpokládané přenosové rychlosti ovlivněné rušícím profilem A, B a D (vliv přeslechů od ostatních přípojek v kabelu) při místním vedení s průměrem měděného jádra 0,4 mm. Pro přenos IPTV v HDTV kvalitě je třeba technologie ADSL2+ dosah se pohybuje cca 2 – 2,5 km. Přenos IPTV v SDTV kvalitě (komprese MPEG2) je ještě uspokojivá vzdálenost cca 3 km, pro kompresi H.264 je možno dosáhnout vzdálenosti až cca 3,5 km.

Obr. 6 Závislost ADSL2+over ISDN rychlosti na vzdálenosti ústřednové jednotky DSLAM (Průběhy získány ze Simulátoru přípojek xDSL http://matlab.feld.cvut.cz)

Kvalita služby

Kvalita služby (QoS – Quality of Service) je soubor opatření, které zajistí určitý stupeň uspokojení koncového uživatele s danou službou. Paketový režim přenosu dat použitý v IP sítích představuje skutečnost, která negativně ovlivní kvalitu přenášeného video toku v několika ohledech. Jde zejména o zpoždění (latency), změnu pořadí paketů (packet order), kolísání zpoždění (jitter) a ztrátu paketů (packet loss).

• Zpoždění – je čas, který uplyne od odeslání zprávy zdrojovým uzlem po její přijetí na uzlu cílovém; zahrnuje zpoždění v přenosové trase a na zařízeních, které jsou její součástí.
• Změna pořadí paketů – je přímým důsledkem existence zpoždění i principem individuálního směrování každého paketu.
• Kolísání zpoždění – představuje variabilitu v doručování paketů cílovému uzlu (tedy ve zpoždění při přenosu). Způsobuje přetečení nebo podtečení vyrovnávací paměti v set-top boxu.
• Ztrátovost paketů – je průměrný počet ztracených paketů za určité období vyjádřený v % vzhledem k celkovému počtu přenesených paketů.

Obr. 7. Příklady poškození obrazu [zdroj Agilent]

Služby poskytované v IPTV

IPTV je další způsob distribuce televizních programů, které je možno přijímat z pozemských vysílačů, ze satelitních vysílačů či po kabelu. Může obsahovat i programy, které nejsou v nabídce jiných distribučních sítí a poměrně snadno dovolí provozovat video na přání. Mezi známé služby v IPTV patří:

• EPG (Electronic Programming Guide) jedná se o programového průvodce: Je realizován jako aplikace v rámci IPTV a umožňuje mj. různé druhy vyhledávání. Lze se s ním setkat i u jiných forem digitálního vysílání.
• PPV (Pay Per View) placené pořady: vedle televizních programů, šířených v rámci různých základních či rozšířených nabídek mohou být v IPTV šířeny za poplatek i jednotlivé pořady na principu Pay Per View (platba za shlédnutí).
• VoD (Video on Demand) video na přání: vysílání jednotlivých pořadů (filmů atd.) je na objednávku konkrétního zákazníka v době, kterou si určí sám. Jde tedy o zpoplatněnou službu, ale některé pořady (třeba reklamní, promo atd.) mohou být dostupné i zdarma.
• VCR (původně od: Video Cassette Recorder) video ze záznamu: jedná se o službu, kdy zákazník si nechá nahrát konkrétní pořad a později si ho může přehrát. Toto může být realizováno přímo u poskytovatele IPTV, nebo u samotného zákazníka, pokud je jeho IP set-top-box vybaven schopností záznamu.

Vliv impulsního rušení na vlastnosti audio/video signálu

Pro testování vlivu impulsního rušení na přenos IPTV přes digitální účastnickou přípojku bylo použito zapojení podle obr. 8. K vysílání bylo použito volně šiřitelného softwaru (VLC media player). PC1 slouží jako server a odesílá video tok přes VLC program metodou multicast do ústřednové jednotky IP DSLAM a dále pak přes injekční sondu do ADSL2+ modemu a následně pak do PC2, kde se nachází VLC program (klient). Při testování nebyly měřeny žádné kvantifikovatelné parametry přenosu jako např. ztrátovost paketů. Pouze byla subjektivně hodnocena kvalita přenášeného obrazu a zvuku. Test probíhal tak, že byl na vedení injektován časový průběh impulsního rušení (obr. 10) podle doporučení ITU-T G.996.1 s těmito parametry: napětí špička-špička Upp = 50 mV, délka periody T = 1 s, při měření se měnil počet cyklů v periodě N = 1, 15, 100, 500.

Obr. 8 Schéma zapojení pracoviště pro testování

Měření bylo provozováno na přípojce ADSL2+overISDN režimu bez prokládání, o délce vedení 1,2 km. K testování byla použitá nahrávka v kvalitě SDTV zapouzdřená do transportního toku MPEG-TS (komprese MPEG-2, poměr stran 16:9, rozlišení 720x576, bitová rychlost 4-5 Mbit/s) pořízená ze satelitu ASTRA 19,2°E a FTA program Simul SD.

Cílem pozorování bylo zjisti, jak impulsní rušení ovlivní vysílání přenášeného televizního programu. Modem se při testování spojil s přenosovou rychlostí 16272/998 Mbit/s (sestupný/vzestupný směr). Působením impulsního rušení vznikaly v obraze různé artefakty jako jsou: kostičkování vlivem ztráty paketů, kostičkování vlivem změny pořadí paketů, zamrznutí obrazu, trhání obrazu (viz obr. 11 – 13).

Vzniklá chyba kostičkováním přetrvává v obraze při přenosu tzv. P a B snímků, které při daném kódování přenášejí pouze informace o změně v obraze. Vzniklá chyba se tak opraví teprve až při příchodu I snímku, který obsahuje úplné informace pro rekonstrukci obrazového snímku.

Zvyšováním počtu cyklů impulsů docházelo k častějším artefaktům v obraze a zvuku. Byla zjištěna mez, kdy dojde k rozpadu spojení, což odpovídá počtu cyklů N=6200 pro Upp = 50 mV a doby opakovací periody T = 1 s. Dá se přepokládat zvýšením napětí špička-špička Upp při zachování opakovací periody T = 1 s a testování při stejných hodnotách cyklů impulsů N, bude mít za následek vyšší četnost výskytů různých artefaktů v obraze. Při zvýšení doby opakování T, lze očekávat menší výskyt těchto artefaktů v obraze a tím i lepší subjektivní dojem TV programu.

Obr. 9 Impulsního rušení podle doporučení ITU-T G.996.1 (špičkové napětí Upp = 50 mV, délka opakovací periody T = 1 s, délka jednoho impulsu t = 160 μs)

Obr. 10 Příklad poškození obrazu způsobené změnou pořadí paketů

Obr. 11 Příklad poškození obrazu způsobené ztrátou paketů

Obr. 12 Příklad poškození obrazků způsobené ztrátou paketů a změnou pořadí paketů

Obr. 13 Příklad poškození obrazků způsobené ztrátou paketů a změnou pořadí paketů

Závěr

IPTV nabízí kromě široké nabídky televizních programů také dodatečné služby uvedené výše. Další výhodou je možnost sledovat IPTV, zároveň telefonovat a prohlížet internetové stránky a to vše v rámci jedné přípojky.

Nevýhodou IPTV provozovaná na přípojkách xDSL je omezená vzdálenost resp. malá rychlost pro HDTV či více TV programů zároveň. Masivním rozšířením optických přístupových sítí FTTH (Fibre To The Home) – resp. FTTx (Fiber to the …), bude mít za následek zrušení těchto omezení. Tím dojde k rozvoji v rámci IPTV a balíčků dalších služeb (TriplePlay apod.). Další připravovaný článek o IPTV bude speciálně zaměřen na téma kvalita přenášeného obrazového toku.

Tento článek vznikl za podpory grantu FRVŠ 1301/2008.

Literatura

[1] PETERKA, Jiří. Jak funguje IPTV? [online]. 2006 [cit. 2008]. Dostupný z WWW: http://www.lupa.cz/clanky/jak-funguje-iptv/
[2] IPTV [online]. 2006 [cit. 2008]. Dostupný z WWW: < a href="http://www.digitalnitelevize.cz/informace/iptv/">http://www.digitalnitelevize.cz/informace/iptv/
[3] IPTV v České republice [online]. c2006 [cit. 2007-12-10]. Dostupný z WWW: http://iptv.digizone.cz/
[4] ŽÍDEK, Lukáš. Architektura a princip IPTV [online]. c2007 [cit. 2007-12-10]. Dostupný z WWW: http://www.pripojtese.cz/art_doc-EAE1249AECF52F6CC125725F004E6B81.html
[5] PARK, Kun I. QoS In Packet Networks. Boston, USA : Springer Science + Business Media, Inc., 2004, 260 s., ISBN 0-387-23389-X.
[6] GUICHARD, Jim , LE FAUCHEUR , François , VASSEUR, Jean-Philippe. Definitive MPLS Network Designs. [s.l.] : USA, Cisco Press, 2005, 552 s. ISBN 1587051869.
[7] HENS, Francisco J., CABELLERO, José M. Triple Play: Building the converged network for IP, VoIP and IPTV. 1st edition. [s.l.] : Wiley, 2008. 416 s. ISBN 978-0470753675.