CC BY
145
СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.397.132.19 ББК 32.949
А. А. Бородинский
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГИ IPTV
A. A. Borodinskiy
USE OF WIRELESS TECHNOLOGIES FOR PROVISION OF IPTV SERVICE
Рассматривается проблема повышения эффективности предоставления услуги IPTV за счет использования технологии WiMAX. Использование беспроводных технологий позволяет предоставлять услугу не только фиксированным, но и мобильным абонентам. Передача трафика IPTV связана с дополнительными накладными расходами. Кроме того, технология WiMAX добавляет при передаче трафика свои накладные расходы. Представлены способы снижения накладных расходов при реализации услуги. Рассмотрены вопросы, касающиеся повышения эффективности используемого оборудования WiMAX.
Ключевые слова: IPTV, телевидение, беспроводные технологии, WiMAX, ARQ, канальный уровень WiMAX.
The problem of growth of the efficiency of providing IPTV services through using WiMAX technology is considered. The use of wireless technologies can provide service not only for fixed but also for mobile subscribers. Passing IPTV traffic relates to the additional overhead. Besides, WiMAX technology adds its overhead. The ways of reducing the overhead costs while providing the service are submitted. The questions concerning increase in efficiency of the used WiMAX equipment are studied.
Key word: IPTV; television; wireless technologies; WiMAX; ARQ; WiMAX link layer.
Internet Protocol Television (IPTV) становится все более популярным, т. к. позволяет доставить контент пользователям в то время, когда они этого захотят [1]. Следующим шагом является предоставление данного контента в любом месте - там, где это нужно пользователям. Традиционные проводные сети доступа могут предоставить контент только в фиксированных точках. Таким образом, требуется новая технология, которая может доставлять контент подвижным абонентам. Технология Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), основанная на стандартах IEEE 802.16-2004 и 802.16e-2005, предназначена для организации фиксированного и мобильного беспроводного доступа к городским сетям передачи данных со скоростью до 70 Мбит/с, способна покрывать расстояния свыше 30 км и обеспечивает безопасную доставку контента.
Канальный уровень модели WiMAX поддерживает приоритетное предоставление канала в реальном времени (rtPS), что обеспечивает требуемую полосу пропускания и минимальные задержки для видеоуслуг с поддержкой качества обслуживания (QoS).
В WiMAX используется ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (OFDM) и технология OFDMA на физическом уровне, которые устойчивы к затуханиям. Технология OFDMA принята в качестве предпочтительного решения для стандарта IEEE 802.16a на сетевые средства беспроводного широкополосного доступа, позволяющего операторам предоставлять разнообразные услуги передачи голоса и данных. Кроме того, WiMAX использует адаптивные схемы модуляции и систему исправления ошибок методом упреждения (Forward Error Correction, FEC) для повышения качества сервиса [2].
Поскольку на физическом уровне WiMAX поддерживает различные размеры фреймов и масштабируемую полосу пропускания, данная технология является идеальным выбором для приложений IPTV. На базе WiMAX могут быть построены сети доступа, кроме того, может
быть реализован принцип прозрачности для опорных сетей. Таким образом, базовые станции WiMAX, абонентские и мобильные станции идеально подходят для доставки IP-услуг (Triple Play): VoIP, IPTV, Интернет-мультимедиа по беспроводным сетям уровня города. Это делает технологию WiMAX лучшим выбором по сравнению с обычным кабелем, технологией DSL и спутниковыми решениями.
Сети доступа на основе WiMAX позволяют предложить повсеместную доставку контента, кроме того, развертывание сетей WiMAX позволит предоставить полный спектр услуг IPTV с высокой степенью качества видео и аудио в сельских и труднодоступных для проводных технологий районах.
Функциональная блок-схема организации услуги IPTV проиллюстрирована на рис. 1.
Рис. 1. Модель предоставления IPTV
Видеосерверы хранят аудио- и видеоконтент, состоящий из закодированных и сжатых записанных программ. Видеосерверы могут быть расположены централизованно или могут быть распределены по сети передачи данных [3]. На рис. 2 показан стек протоколов для передачи ШУУ. Аудио-, видеоконтент от источника отформатирован, сжат (главным образом с использованием стандарта кодирования MPEG-2) и инкапсулирован при помощи протокола RTP. Дейтаграммы транспортируются с использованием протоколов UDP и TCP, а затем становятся частью № -пакетов, которые передаются по сети передачи данных.
Рис. 2. Стек протоколов для передачи IPTV
Базовая станция WiMAX, находящаяся на границе ядра сети, получает пакеты 802.3 и на канальном уровне декапсулирует заголовки Et:hemet и инкапсулирует Ш-дейтаграммы в сло-
ты канального уровня протокола 802.16, а затем в кадры физического уровня. Физический уровень подготавливает эти кадры для беспроводной передачи, выполняя модуляцию OFDM, исправление ошибок методом упреждения и т. д. Радиотрансивер излучает эти сигналы с помощью антенны на пользовательские и мобильные станции внутри ячейки. Обратный процесс через указанные уровни доставляет аудио- и видеоконтент на пользовательские приставки и компьютеры пользователей услуги. Один из недостатков пакетной передачи - это накладные расходы, появляющиеся на каждом слое. Как результат, объем полезной нагрузки значительно сокращается [4].
Передача трафика IPTV ведет к значительному увеличению полезной нагрузки и, следовательно, ставит сложную задачу в обеспечении качественного сервиса. Протоколы UDP, TCP и IP с соответствующими накладными расходами являются частью полезной нагрузки WiMAX. Кроме того, физический и канальный уровни протокола IEEE 802.16 добавляют свои накладные расходы. Таким образом, необходимо найти методы и выработать рекомендации по снижению вышеупомянутых накладных расходов.
Используемые для предоставления услуг IPTV базовые станции, как и абонентские станции, должны обеспечивать систему доставки типа точка-многоточка для приложений IPTV, которая соответствует стандартам и сертификатам IEEE WiMAX. При этом может быть передан трафик IPTV как стандартной, так и высокой четкости.
Для предоставления услуг потокового видео используются порты UDP, а для услуги «Видео по запросу» - TCP-порты. Поддерживается также одноадресная, многоадресная и широковещательная трансляция. В результате возможно появление нескольких пакетов из различных источников, которые должны быть доставлены заданным пользователям с различными параметрами качества обслуживания. Данная проблема решается на канальном уровне базовых станций WiMAX путем эффективного планирования услуг. По этой причине ожидается, что именно реализация такого планирования на канальном уровне будет ключевым фактором среди конкурирующих продуктов.
Стандарт IEEE 802.16 разделяет канальный уровень на три подуровня: подуровень конвергенции (CS), основной подуровень (CPS) и подуровень безопасности (SS). На подуровне конвергенции от вышележащего уровня принимаются пакеты IPTV, которые затем упорядочиваются в зависимости от своего TCP/UPD порта, источника, получателя, IP-адреса, MAC-адреса или как-либо еще. На основном подуровне пакеты фрагментируются и упаковываются для эффективного использования доступной полосы пропускания. Фрагментация также позволяет использовать механизм автоматических запросов (ARQ), чтобы свести к минимуму повторную передачу. На этом подуровне конструируются пакеты, которые будут переданы на физический уровень. Пакеты разбиваются на основе соглашений об уровне обслуживания (SLA) и качества обслуживания (QoS). В конечном счете фреймы, в которых будут передаваться пакеты IPTV, готовятся именно на этом подуровне. На подуровне безопасности пакеты кодируются для предотвращения несанкционированного доступа к услуге. На этом уровне реализуется также обмен ключами между пользовательскими станциями для безопасной проверки подлинности передачи и использование циклического избыточного кода (CRC). К функциям основного подуровня относятся также проверка качества радиосигнала, пропускной способности и параметров безопасности с использованием управляющих сигналов канального уровня.
Канальный уровень стандарта 802.16 является ориентированным на соединение. Базовая станция присваивает соединения с уникальными идентификаторами каждому нисходящему и восходящему потоку передачи. На подуровне конвергенции классификатор разбивает потоки трафика в соответствии с различными задачами. Для различных потребностей пользователей, как правило, используется несколько планировщиков. Очевидно, что это увеличивает нагрузку на канальный уровень.
На рис. 3 показана предлагаемая реализация планировщика канального уровня. Механизм включает в себя QoS-планирование и модель двухфазной активации. Службы планирования представляют собой механизмы обработки данных, поддерживаемые планировщиком канального уровня. Блок классификатора пакетов будет посылать информацию из заголовка пакета компоненту управления соединением. На основе информации из заголовка, компонент управления соединением назначает идентификатор соединения или идентификатор обслуживания потока (SFID) соответствующему пакету или потоку. Каждый SFID будет связан с набором параметров QoS, который хранится в компоненте политик QoS.
Рис. 3. Архитектура канального уровня
Для услуг IPTV обязательными параметрами QoS сервисного потока являются: минимальная гарантируемая скорость передачи, зарезервированная за этим сервисным потоком, - это скорость передачи пакетов, поступающих на канальный уровень с вышележащего уровня; максимальная установившаяся скорость передачи - это скорость передачи пакетов, поступающих на канальный уровень с вышележащего уровня, которая не включает передачу заголовков MAC и CRC, это всего лишь верхняя граница скорости передачи, без гарантии, что эта скорость будет обеспечена. К минимальным параметрам относятся также максимальная задержка передачи пакета между подуровнями и политика запроса и передачи.
Инициировать создание сервисных потоков может как базовая станция, так и пользовательская. Компонент управления канального уровня динамически выполняет функции по созданию или изменению транзакции и динамического изменения параметров QoS. Успешная транзакция по изменению сервисного потока меняет параметры QoS сервисного потока, заменяя наборы разрешенных и активных параметров QoS.
Двухфазная модель выполняет функции, включающие сохранение сетевых ресурсов до полной установки соединения, исполняет политику проверки и управления доступом к ресурсам, а также функции по предотвращению несанкционированного доступа к услуге.
На основании назначенных параметров QoS и настроек блок планирования и очередей и генерирующий блок выполняют функции резервирования ресурсов в тракте данных. Источник пакетов IPTV играет важную роль в стратегии QoS для приложений IPTV.
Широковещательная трансляция пакетов IPTV чаще всего является бесплатной услугой, в то время как одноадресные пакеты IPTV передаются в рамках платных услуг, поэтому доставка одноадресных пакетов является более важной, чем доставка широковещательных пакетов, требующих различных параметров QoS.
Физический уровень должен поддерживать модуляции BPSK, QPSK, QAM16 и QAM64 с различными скоростями кодирования, а использование адаптивной модуляции и кодирования необходимо, чтобы обеспечить высокое качество видеоизображения. Для каждого типа модуляции нужна своя оптимальная скорость кодирования, чтобы использовать как можно меньшую пропускную способность, но без ущерба для качества.
Применение канального кодирования для видеоконтента необходимо в целях защиты видео от канальных ошибок и, следовательно, гарантии предоставления высококачественных пакетов IPTV. Блок упреждающего исправления ошибок (FEC) должен состоять из взаимосвязан-
ных между собой кодирований с использованием внешнего кода Рида - Соломона и внутреннего сверточного кодирования. Кодирование осуществляется следующим образом: сначала данные проходят в блок форматирования через кодер Рида - Соломона, а затем их пропускают через сверточный кодер. Все закодированные биты чередуются блоком интерливинга, после чего биты данных периодически передаются в блок планировщика и оттуда - в блок обратного преобразования Фурье (iFFT). После добавления заголовка и циклического префикса сигнал передается по радиоволнам с помощью радиоинтерфейса физического уровня. Приемная часть физического уровня включает такие операции, как оценка канала, выравнивание, компенсация фазовых дрожаний, декодирование и синхронизация. Необходимо учитывать, что наличие различных специфических блоков приемника зависит от той или иной модели или того или иного поставщика и не специфицированы ни IEEE, ни WiMAX Forum. Кроме того, эти алгоритмы являются уникальными для каждого производителя, и, следовательно, эти блоки также являются для каждого продукта уникальными. При оценке производительности алгоритмов приемника в качестве критериев можно использовать соотношение сигнал/шум, наличие вектора ошибок или битовых ошибок.
Основная задача радиоинтерфейса физического уровня - это управление передачей данных между параметрами канального уровня и средой передачи. Кроме того, канальный уровень настраивает и через этот интерфейс программируемые устройства и управляет ими.
Как уже говорилось, пакетная передача имеет значительное число накладных расходов, которые увеличиваются от уровня к уровню. Это снижает эффективную полезную нагрузку. Услуга IPTV, которая требует высокой производительности, находится под значительным влиянием этих накладных расходов. Хотя UDP- и TCP-заголовки, а также IP-заголовки остаются в пределах полезной нагрузки и не могут быть доступны в рамках системы WiMAX, накладные расходы, созданные WiMAX, могут быть значительно снижены за счет использования методов подавления заголовка (PHS) и сжатия заголовка (ROHC). Системы WiMAX требуют высокой производительности радиотрансиверов. Основными особенностями приемопередатчиков WiMAX являются: высокий динамический диапазон, низкий уровень фазового шума, высокая стабильность, низкий уровень шума и высокая линейность.
Проектирование трансиверов с высокой производительностью является сложной задачей, особенно для приложений IPTV. Например, IPTV-приложения требуют более высокой пропускной способности по сравнению с другими мультимедийными приложениями, такими как голос и данные, что создает дополнительные проблемы. Основные параметры приемопередатчиков для поддержки IPTV-услуг - это высокий динамический диапазон, низкий уровень фазового шума, высокая стабильность, низкий уровень шума, высокая линейность и высокая пропускная способность.
Устройства, которые используются в качестве трансиверов, должны иметь высокий динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих, который является одним из важнейших параметров для IPTV. Например, АЦП и ЦАП обеспечивают обычно 86 дБн и 78 дБн соответственно. Кроме того, фазовый шум является еще одной важной характеристикой радиопередатчика, которая может повлиять на качество услуг IPTV. Типичные требования к фазовому шуму для приемопередатчиков WiMAX меньше - 100 дБн/Гц на 100 кГц. Для достижения этого требования необходимо в приемопередатчике использовать высокопроизводительные схемы с формирователями тактовых импульсов наряду с двойными синтезаторами VCO/PLL, а осцилляторы должны иметь допустимое отклонение частоты менее восьми миллионных более десяти лет, что предусмотрено стандартом.
Низкий уровень шума является еще одним важным критерием производительности для достижения высокого качества услуг IPTV. Компоненты, которые используются в системах, предназначенных для предоставления услуг WiMAX, должны иметь высокое отношение сигнал/ шум. Подавление внеполосных сигналов является важным параметром производительности мобильных радиостанций, особенно для услуг IPTV. Это может быть достигнуто за счет подавления гармоник с использованием двухступенчатого преобразования, а также высокопроизводительными фильтрами поверхностных акустических волн.
Таким образом, за счет оптимального использования беспроводных технологий возможно увеличить эффективность предоставления услуги IPTV оператора связи, что позволит добиться повышения конкурентоспособности путем предоставления услуги не только в фиксированной точке, но и в любом месте, находящимся в зоне охвата оператора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ТюхтинМ. Системы Интернет-телевидения. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 328 с.
2. Вишневский В., Портной С., Шахнович И. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. - М.: Техносфера, 2009. - 472 с.
3. O’Driscoll G. Next generation IPTV services and technologies. - John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008.
4. Laiq R. WiMAX - survey and case studies. - VDM Verlag Dr. Mueller Akt.ges. &Co.KG, 2010.
Статья поступила в редакцию 2.02.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Бородинский Алексей Андреевич - Астраханский филиал ОАО «Ростелеком»; директор; [email protected].
Borodinskiy Alexey Andreevich - Astrakhan branch of PJSC "Rostelecom"; Director; [email protected].
