eng
Выпуск #4/2013
И.Перл, А.Бабкин
Проблема смены канала в цифровом ТВ и пути её решения
Проблема смены канала в цифровом ТВ и пути её решения
Просмотры: 4090
Статья рассматривает одну из ключевых проблем современного цифрового телевидения – задержку при переключении цифровых каналов, оказывающую негативное влияние на оценку пользователем качества сервиса. В статье приводятся способы уменьшения времени переключения между потоками для североамериканского и европейского подходов к построению сетей цифрового кабельного вещания.
Теги: channel switching delay digital cable broadcasting задержка переключения каналов цифровое кабельное вещание
Практически во всем мире телевизионные провайдеры взяли курс на переход от аналогового телевидения на цифровое. Глобальный переход на "цифру" обусловлен целым рядом причин, однако основными, пожалуй, являются возможность передавать существенно большее количество каналов в цифровом формате по сравнению с аналоговым сигналом, а также появление таких интерактивных сервисов, как видео по запросу и предоставление платных телепередач, предоставление которых не было возможно ранее.
В реализации сервисов цифрового телевидения существует два отличающихся подхода: североамериканский и европейский.
Североамериканский подход можно назвать кабельным. Это решение появилось в середине 80-х годов в США и основывалось на использовании обширной кабельной сети, которая применялась ранее для доставки аналогового сигнала. Современные технологии позволяют осуществлять передачу данных по таким сетям параллельно на более чем 100 частотах со скоростью 38,81 Мбит/с каждая. Несмотря на весьма широкий прямой канал, приходящий к каждому пользователю, слабым местом этого решения является узкий обратный канал, осуществляющий передачу данных от пользователя к оператору. Однако для трансляции цифрового телевидения потребность в этом канале не слишком высока.
В качестве альтернативы североамериканскому кабельному подходу можно назвать решения, получившие активное распространение в Европе. На момент возникновения цифрового телевидения Европа не была опутана однородной кабельной сетью, поэтому возникла необходимость создания новой инфраструктуры. Основой для европейской реализации цифрового телевидения стали IP-сети: как новые сети Ethernet, так и уже имевшиеся сети DSL-доступа.
Несмотря на принципиальные различия в системах доставки телевизионной продукции до пользователей, на логическом уровне протоколы передачи оказались весьма схожи. Большая часть передаваемой от оператора на клиентское оборудование информации упакована в цифровые пакеты определенной структуры. Совокупность этих пакетов составляет транспортный поток. В обеих реализациях на клиентской стороне устанавливается цифровая телевизионная абонентская приставка (Set-Top Box), способная принимать или сигнал кабельной сети, или IP-трафик. Схожесть протокола доставки позволяет обнаружить одни и те же аппаратные решения, осуществляющие обработку и декодирование транспортного потока как в кабельных, так и в IP-абонентских приставках.
Наряду с очевидными достоинствами цифрового телевидения по сравнению с аналоговым, у него есть ряд своих сложностей. Одним из ключевых показателей, влияющих на оценку абонентом качества услуг цифрового телевидения, является время переключения телевизионных каналов. В аналоговом телевидении картинка, передаваемая пользователям от оператора, никак не сжимается, поэтому аналоговый канал можно начинать смотреть практически с любого места. В цифровом подходе присутствуют сразу два фактора, не позволяющие быстро перейти с одного канала на другой. Во-первых, информация передается в виде набора цифровых пакетов определенной структуры – транспортного потока (Transport Stream). Логически виды пакетов в транспортном потоке можно разделить на две категории: системные таблицы, которые служат для описания структуры и свойств самого потока, и пакеты, переносящие такие компоненты передачи, как видео- и аудиоданные, субтитры и т.д. Чтобы начать корректное проигрывание нового канала, приемное устройство должно сначала получить все системные таблицы транспортного потока, а потом на их основе определить местонахождение в потоке компонентов запрошенного канала. Во-вторых, для максимизации количества передаваемых каналов в цифровом телевидении активно применяются различные методы сжатия видео- и аудиоданных. Наибольшее распространение для сжатия видео получили стандарты MPEG-2 и MPEG-4. Основная идея этих подходов заключается в том, что кадры разделяются на две категории: опорные, которые содержат полный кадр, и вспомогательные, которые несут информацию об изменениях нескольких последующих кадров относительно опорного кадра. С этим связана вторая задержка при переключении канала: невозможно начать показ канала, не получив первый опорный кадр, так как декодер не будет иметь базы для применения изменений, которые несут в себе вспомогательные кадры.
Структура и содержание транспортного потока в североамериканских и европейских решениях практически идентична, в отличие от способов доставки от головной станции до клиента. Североамериканский подход основывается на том, что поток доставляется посредством кабельного радиочастотного канала, в котором доступно для передачи около 100 частот. Для того чтобы передавать сервисов больше, чем доступно частот, применяется мультипрограммный транспортный поток MPTS (Multi Program Transport Stream), который позволяет в рамках одного транспортного потока, занимающего одну частоту, передавать несколько сервисов, таких как телевизионные и радиоканалы, а также системные сервисы, используемые операторами. Особенностью кабельных решений является то, что при переключении каналов возможны два варианта. Первый: текущий и новый канал находятся в одном потоке (т.е. передаются в рамках одного MPTS). В этом случае нет необходимости менять частоту или IP-поток, и переключение между каналами производится практически мгновенно, так как на текущей частоте (в текущем транспортном потоке) абонентская приставка уже знает все системные таблицы и во многих реализациях осуществляет мониторинг опорных кадров даже для неактивных сервисов, которые не просматриваются пользователем в данный момент. Второй: текущий и новый каналы физически находятся в разных потоках. В этом случае переключение между каналами осуществляется значительно дольше, так как требует прохождения всех стадий смены канала.
Применение современных алгоритмов сжатия видеопотоков, таких как MPEG-4, позволяет существенно сократить ширину канала, необходимого для передачи телепередач в хорошем качестве, однако приводит к росту промежутка между двумя последовательно идущими друг за другом опорными кадрами, что влечет дополнительные задержки при переходе с одного канала на другой. Для потоков со сжатием MPEG-4 время переключения между каналами может достигать 2–4 с, что негативно воспринимается пользователями.
Несмотря на высокую пропускную способность кабельных сетей, возможности оптимизации процесса переключения каналов там достаточно ограничены по причине более ограниченной обратной связи по сравнению с решениями, основанными на технологии IP-транспорта. Поэтому в большей степени вопросы оптимизации смены каналов решаются административно. Одним из вариантов такой оптимизации является использование статистических данных о том, в рамках какой группы каналов наиболее часто осуществляются переходы. Такие группы стараются разместить в рамках одного мультипрограммного потока, чтобы смена канала не приводила к смене физического потока, и переключение производилось за минимальное время. В реальных системах переключение между двумя каналами, транслирующимися в рамках одного потока, занимает около 0,5 с, в то время как переключение с одной частоты на другую при смене канала замедляет процесс до 3 с.
Европейский подход, основанный на IP-сетях, позволяет иметь столько различных сервисов, сколько нужно оператору. Поскольку нет ограничения по количеству доступных для передачи частот, выбор делается в пользу однопрограммных транспортных потоков SPTS (Single Program Transport Stream). Для начала просмотра нового канала, независимо от способа его доставки, клиентское оборудование должно переключиться на новый источник. Для IP-оборудования это означает подключение к новому источнику групповой передачи данных (Multicast) или же открывание портов UDP (User Datagram Protocol – протокол пользовательских датаграмм) или TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) для приема однопрограммного потока. После того как поток физически поступает на клиентское устройство, необходимо собрать набор системных таблиц, которые периодически в этом потоке транслируются. Когда все необходимые таблицы собраны, абонентская приставка может проанализировать структуру потока и начать разбор видео-, аудио- и прочих компонентов выбранного пользователям канала. Видео в подавляющем большинстве случаев передается в сжатом виде, и для начала его воспроизведения декодер должен дождаться первого опорного кадра, который позволит начать декодирование видеопотока. В решениях, основанных на IP-технологии, переключение канала практически всегда приводит к смене физического канала приема данных, так как мультипрограммные транспортные потоки не получили широкого применения. Таким образом, всегда запускается полная длительная процедура смены канала.
В силу того, что в IP-телевидении мультипрограммные потоки применяются редко, кабельные подходы для уменьшения времени смены канала оказались неприменимы. Основой оптимизации перехода на новый канал стали богатые возможности обратной связи, которыми обладают устройства в IP-сети.
Наименьших задержек удалось достигнуть в решениях, основывающихся на вспомогательном потоке, который позволяет пользователю намного быстрее увидеть новую программу. Основная идея этого подхода изображена на рисунке. Ключевым элементом является дополнительный сервер или группа серверов (Channel Change Improvement Server), которые принимают передаваемые в сети потоки (1), разбирают их и строят вспомогательные потоки, содержащие оптимальную последовательность системных таблиц, после которых идет опорный кадр и остальная часть потока. Основной поток абонентская приставка получает от оператора IPTV (2). Когда абонентская приставка получает команду на смену канала, она отправляет запрос на дополнительный сервер (3) и начинает получать вспомогательный поток (4). Параллельно с этим отправляется запрос на подключение к основной широковещательной группе (3), в которой передается канал. Поток, приходящий с дополнительного сервера, готов к показу с минимальной задержкой, так как организован таким образом, чтобы минимизировать время его разбора. Параллельно с демонстрацией вспомогательного потока клиентское устройство осуществляет штатное подключение к основному потоку канала. В течение некоторого времени клиентское оборудование принимает одновременно сразу два потока, доставляющих один и тот же канал. Несмотря на то, что использование вспомогательного потока приводит к дополнительной нагрузке на сеть доставки (особенно в случае приема канала высокой четкости), оно необходимо, чтобы произвести переключение на основной поток канала. Как только это переключение состоялось, на вспомогательный сервер отправляется команда прекращения вещания вспомогательного потока (5). Обычно время, в течение которого клиенту поставляется и основной, и вспомогательный потоки, не превышает 3–5 с, что является вполне приемлемым с точки зрения планирования нагрузок в сети. При этом время переключения каналов становится более стабильным, так как время начала показа канала не зависит от того, в каком месте потока было совершено переключение (как скоро были собраны системные таблицы и найдены опорные кадры). Использование этого подхода приводит к сокращению времени смены канала до 0,8–0,9 с, что является намного более приемлемым для конечного пользователя.
Современное цифровое телевидение дает широкие возможности операторам для предоставления качественных и полезных решений, а пользователям – богатую палитру сервисов, как для развлечения, так и для различных повседневных задач. В то же время новые технологии привносят и новые задачи, которые приходится решать инженерам. Рассмотренная проблема времени переключения телепередач – одна из многих, над которыми еще предстоит потрудиться разработчикам, а представленные подходы – это примеры наиболее успешных и распространенных решений данной проблемы. ▪
В реализации сервисов цифрового телевидения существует два отличающихся подхода: североамериканский и европейский.
Североамериканский подход можно назвать кабельным. Это решение появилось в середине 80-х годов в США и основывалось на использовании обширной кабельной сети, которая применялась ранее для доставки аналогового сигнала. Современные технологии позволяют осуществлять передачу данных по таким сетям параллельно на более чем 100 частотах со скоростью 38,81 Мбит/с каждая. Несмотря на весьма широкий прямой канал, приходящий к каждому пользователю, слабым местом этого решения является узкий обратный канал, осуществляющий передачу данных от пользователя к оператору. Однако для трансляции цифрового телевидения потребность в этом канале не слишком высока.
В качестве альтернативы североамериканскому кабельному подходу можно назвать решения, получившие активное распространение в Европе. На момент возникновения цифрового телевидения Европа не была опутана однородной кабельной сетью, поэтому возникла необходимость создания новой инфраструктуры. Основой для европейской реализации цифрового телевидения стали IP-сети: как новые сети Ethernet, так и уже имевшиеся сети DSL-доступа.
Несмотря на принципиальные различия в системах доставки телевизионной продукции до пользователей, на логическом уровне протоколы передачи оказались весьма схожи. Большая часть передаваемой от оператора на клиентское оборудование информации упакована в цифровые пакеты определенной структуры. Совокупность этих пакетов составляет транспортный поток. В обеих реализациях на клиентской стороне устанавливается цифровая телевизионная абонентская приставка (Set-Top Box), способная принимать или сигнал кабельной сети, или IP-трафик. Схожесть протокола доставки позволяет обнаружить одни и те же аппаратные решения, осуществляющие обработку и декодирование транспортного потока как в кабельных, так и в IP-абонентских приставках.
Наряду с очевидными достоинствами цифрового телевидения по сравнению с аналоговым, у него есть ряд своих сложностей. Одним из ключевых показателей, влияющих на оценку абонентом качества услуг цифрового телевидения, является время переключения телевизионных каналов. В аналоговом телевидении картинка, передаваемая пользователям от оператора, никак не сжимается, поэтому аналоговый канал можно начинать смотреть практически с любого места. В цифровом подходе присутствуют сразу два фактора, не позволяющие быстро перейти с одного канала на другой. Во-первых, информация передается в виде набора цифровых пакетов определенной структуры – транспортного потока (Transport Stream). Логически виды пакетов в транспортном потоке можно разделить на две категории: системные таблицы, которые служат для описания структуры и свойств самого потока, и пакеты, переносящие такие компоненты передачи, как видео- и аудиоданные, субтитры и т.д. Чтобы начать корректное проигрывание нового канала, приемное устройство должно сначала получить все системные таблицы транспортного потока, а потом на их основе определить местонахождение в потоке компонентов запрошенного канала. Во-вторых, для максимизации количества передаваемых каналов в цифровом телевидении активно применяются различные методы сжатия видео- и аудиоданных. Наибольшее распространение для сжатия видео получили стандарты MPEG-2 и MPEG-4. Основная идея этих подходов заключается в том, что кадры разделяются на две категории: опорные, которые содержат полный кадр, и вспомогательные, которые несут информацию об изменениях нескольких последующих кадров относительно опорного кадра. С этим связана вторая задержка при переключении канала: невозможно начать показ канала, не получив первый опорный кадр, так как декодер не будет иметь базы для применения изменений, которые несут в себе вспомогательные кадры.
Структура и содержание транспортного потока в североамериканских и европейских решениях практически идентична, в отличие от способов доставки от головной станции до клиента. Североамериканский подход основывается на том, что поток доставляется посредством кабельного радиочастотного канала, в котором доступно для передачи около 100 частот. Для того чтобы передавать сервисов больше, чем доступно частот, применяется мультипрограммный транспортный поток MPTS (Multi Program Transport Stream), который позволяет в рамках одного транспортного потока, занимающего одну частоту, передавать несколько сервисов, таких как телевизионные и радиоканалы, а также системные сервисы, используемые операторами. Особенностью кабельных решений является то, что при переключении каналов возможны два варианта. Первый: текущий и новый канал находятся в одном потоке (т.е. передаются в рамках одного MPTS). В этом случае нет необходимости менять частоту или IP-поток, и переключение между каналами производится практически мгновенно, так как на текущей частоте (в текущем транспортном потоке) абонентская приставка уже знает все системные таблицы и во многих реализациях осуществляет мониторинг опорных кадров даже для неактивных сервисов, которые не просматриваются пользователем в данный момент. Второй: текущий и новый каналы физически находятся в разных потоках. В этом случае переключение между каналами осуществляется значительно дольше, так как требует прохождения всех стадий смены канала.
Применение современных алгоритмов сжатия видеопотоков, таких как MPEG-4, позволяет существенно сократить ширину канала, необходимого для передачи телепередач в хорошем качестве, однако приводит к росту промежутка между двумя последовательно идущими друг за другом опорными кадрами, что влечет дополнительные задержки при переходе с одного канала на другой. Для потоков со сжатием MPEG-4 время переключения между каналами может достигать 2–4 с, что негативно воспринимается пользователями.
Несмотря на высокую пропускную способность кабельных сетей, возможности оптимизации процесса переключения каналов там достаточно ограничены по причине более ограниченной обратной связи по сравнению с решениями, основанными на технологии IP-транспорта. Поэтому в большей степени вопросы оптимизации смены каналов решаются административно. Одним из вариантов такой оптимизации является использование статистических данных о том, в рамках какой группы каналов наиболее часто осуществляются переходы. Такие группы стараются разместить в рамках одного мультипрограммного потока, чтобы смена канала не приводила к смене физического потока, и переключение производилось за минимальное время. В реальных системах переключение между двумя каналами, транслирующимися в рамках одного потока, занимает около 0,5 с, в то время как переключение с одной частоты на другую при смене канала замедляет процесс до 3 с.
Европейский подход, основанный на IP-сетях, позволяет иметь столько различных сервисов, сколько нужно оператору. Поскольку нет ограничения по количеству доступных для передачи частот, выбор делается в пользу однопрограммных транспортных потоков SPTS (Single Program Transport Stream). Для начала просмотра нового канала, независимо от способа его доставки, клиентское оборудование должно переключиться на новый источник. Для IP-оборудования это означает подключение к новому источнику групповой передачи данных (Multicast) или же открывание портов UDP (User Datagram Protocol – протокол пользовательских датаграмм) или TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) для приема однопрограммного потока. После того как поток физически поступает на клиентское устройство, необходимо собрать набор системных таблиц, которые периодически в этом потоке транслируются. Когда все необходимые таблицы собраны, абонентская приставка может проанализировать структуру потока и начать разбор видео-, аудио- и прочих компонентов выбранного пользователям канала. Видео в подавляющем большинстве случаев передается в сжатом виде, и для начала его воспроизведения декодер должен дождаться первого опорного кадра, который позволит начать декодирование видеопотока. В решениях, основанных на IP-технологии, переключение канала практически всегда приводит к смене физического канала приема данных, так как мультипрограммные транспортные потоки не получили широкого применения. Таким образом, всегда запускается полная длительная процедура смены канала.
В силу того, что в IP-телевидении мультипрограммные потоки применяются редко, кабельные подходы для уменьшения времени смены канала оказались неприменимы. Основой оптимизации перехода на новый канал стали богатые возможности обратной связи, которыми обладают устройства в IP-сети.
Наименьших задержек удалось достигнуть в решениях, основывающихся на вспомогательном потоке, который позволяет пользователю намного быстрее увидеть новую программу. Основная идея этого подхода изображена на рисунке. Ключевым элементом является дополнительный сервер или группа серверов (Channel Change Improvement Server), которые принимают передаваемые в сети потоки (1), разбирают их и строят вспомогательные потоки, содержащие оптимальную последовательность системных таблиц, после которых идет опорный кадр и остальная часть потока. Основной поток абонентская приставка получает от оператора IPTV (2). Когда абонентская приставка получает команду на смену канала, она отправляет запрос на дополнительный сервер (3) и начинает получать вспомогательный поток (4). Параллельно с этим отправляется запрос на подключение к основной широковещательной группе (3), в которой передается канал. Поток, приходящий с дополнительного сервера, готов к показу с минимальной задержкой, так как организован таким образом, чтобы минимизировать время его разбора. Параллельно с демонстрацией вспомогательного потока клиентское устройство осуществляет штатное подключение к основному потоку канала. В течение некоторого времени клиентское оборудование принимает одновременно сразу два потока, доставляющих один и тот же канал. Несмотря на то, что использование вспомогательного потока приводит к дополнительной нагрузке на сеть доставки (особенно в случае приема канала высокой четкости), оно необходимо, чтобы произвести переключение на основной поток канала. Как только это переключение состоялось, на вспомогательный сервер отправляется команда прекращения вещания вспомогательного потока (5). Обычно время, в течение которого клиенту поставляется и основной, и вспомогательный потоки, не превышает 3–5 с, что является вполне приемлемым с точки зрения планирования нагрузок в сети. При этом время переключения каналов становится более стабильным, так как время начала показа канала не зависит от того, в каком месте потока было совершено переключение (как скоро были собраны системные таблицы и найдены опорные кадры). Использование этого подхода приводит к сокращению времени смены канала до 0,8–0,9 с, что является намного более приемлемым для конечного пользователя.
Современное цифровое телевидение дает широкие возможности операторам для предоставления качественных и полезных решений, а пользователям – богатую палитру сервисов, как для развлечения, так и для различных повседневных задач. В то же время новые технологии привносят и новые задачи, которые приходится решать инженерам. Рассмотренная проблема времени переключения телепередач – одна из многих, над которыми еще предстоит потрудиться разработчикам, а представленные подходы – это примеры наиболее успешных и распространенных решений данной проблемы. ▪
Отзывы читателей
