Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

"Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики"

Допустить к защите

Зав. кафедрой

Нестеров А.С.

Выпускная квалификационная работа

Проект организации IPTV вещания в учебном корпусе БФ СибГУТИ

Руководитель

Комиссаров В.К.

Дипломник Байковский И.Ю.

Факультет Телекоммуникаций

Группа Т-101

Улан-Удэ

2014 г.



Задание на выпускную квалификационную работу

Студенту Байковского И.Ю. группы Т-101

1. Тема проекта

Организация IPTV вещания в учебном корпусе БФ СибГУТИ

Срок сдачи студентом законченного проекта 17.06.2014 г.

Исходные данные к проекту (эксплуатационно-технические данные)

Техническое описание и инструкция по эксплуатации генератора высокочастотных сигналов Г4-76А.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации селективного микровольтметра типа DMS-4.

Инструкция по эксплуатации измерительного прибора ИТ-08

Тематические ресурсы в интернете

Конспекты лекций

Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей).

Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)

По основным разделам - Комиссаров В.К.

По охране труда и технике безопасности - Комиссаров В.К.



Аннотация

В выпускной квалификационной работе отображена разработка проекта организации телевизионного вещания на основе IP технологий. Также была выполнена практическая реализация упрощенной схемы IPTV вещания в БФ СибГУТИ.

Структура работы продиктована логикой проекта и включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы. Целью данной работы является разработка экономически-эффективного для университета проекта телевизионного вещания на основе IP.

В результате реализации упрощенной схемы вещания в учреждении стал доступен просмотр спутниковых каналов всем, кто имеет подключение к локальной сети.



Annotation

In the final qualifying work displayed drafting broadcasting organization based on IP technology. Were also performed practical implementation of the simplified scheme of IPTV broadcasting BF SIBSUTI.

Structure dictated by the logic of the project and includes an introduction, four chapters, conclusion, bibliography. The aim of this work is to develop a cost-effective project for the University of broadcasting based on IP.

As a result of the simplified scheme broadcasting facility became available satellite channels to everyone who has a connection to the local network.



Содержание

Введение

Раздел 1. Принцип построения ТВ сетей на основе IP технологии

1.1 Принцип передачи видео по сети IP

1.2 Архитектура сети для передачи видео на основе IP технологии

1.3 Мультикастинг как способ доставки видео

1.4 Архитектура мультикаст систем

1.5 Требования видеоуслуг к архитектуре сети

1.6 Технология мультиплексирования

Раздел 2. Проект организации IPTV вещания

2.1 Разработка структурной схемы сети IPTV

2.1.1 Головная станция

2.1.1.1 IRD приемники

2.1.2 Центральная часть

2.1.3 Сервер с программным обеспечением (Middleware)

2.1.4 Пользовательская часть. Абонентская приставка (STB)

2.2 Анализ и выбор оборудования

2.2.1 Требования к системе вещательной сети (IPTV)

2.2.1.1 Разработка требований к системе вещательной сети (IPTV) университета

2.2.1.2 Требования к надежности

2.2.1.3 Требования по стандартизации и унификации

2.2.2 Требование к аппаратно-программному комплексу. Выбор интерфейса интерактивного доступа Middleware

2.2.3 Абонентские устройства

2.2.4 Базовый блок головной станции

2.2.5 Модули профессионального IRD приемника PBI DMM-1500P-44T2 для цифровой ГС PBI DMM-1000

2.2.6 Модуль профессионального IRD приемника PBI DMM-1500P-44S2 для цифровой ГС PBI DMM-1000

2.2.7 Выбор каналов для вещания

2.2.8 Спутниковая антенна азимутальная со стойкой

2.2.9 Стойка для антенны Супрал

2.2.10 Конвертор C-Band & KU-Band

2.2.11 Антенна Эфирная

2.2.12 Коммутационное оборудование и сеть передачи сигналов

2.2.13 Сервер для программного обеспечения Middleware Stalker

2.3 Разработка конструкции шкафа для размещения оборудования вещательной сети IPTV

2.4 Технико-экономические расчеты

Раздел 3. Реализация упрощенной схемы IPTV вещания в БФ СибГУТИ

3.1 Разработка схемы IP TV вещания

3.2 Выбор спутника

3.3 Выбор DVB-карты для приема спутникового сигнала

3.4 Спутниковая антенна

3.5 Настройка спутниковой антенны

3.6 Телевизионный кабель

3.7 Установка DVB-карты в ПК

3.8 Установка программного обеспечения для просмотра спутниковых каналов

Раздел 4. Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности

4.1 Мероприятия по технике безопасности

4.2 Защита от статического электричества

Заключение

Список использованной литературы



Введение

IPTV (англ. Internet Protocol Television) (IP-TV, IP-телевидение) -- технология цифрового телевидения в сетях передачи данных по протоколу IP, новое поколение телевидения. Как ни странно, но IPTV -- это не телевидение, которое вещает через Интернет. Несмотря на то, что сокращение "IP" происходит от "Internet Protocol", это не означает, что люди могут зайти на любимую веб-страницу чтобы посмотреть интересующую телепередачу. IPTV означает лишь метод передачи информации через защищенную управляемую высокоскоростную сеть.

IPTV - это новая технология, которая позволяет эффективно передавать телевизионный канал через публичный интернет.

Технология IPTV не имеет ограничений по количеству каналов, а также качеству транслируемого контента. Все зависит лишь от пропускной способности сети оператора IPTV и интернет-провайдера, предоставляющего услуги Интернет конечному абоненту.

Цель данной дипломной работы - разработка проекта IPTV вещания, подсчитать экономические затраты на её создание и выполнить практическую реализацию упрощенной схемы вещания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить принципы построения ТВ сетей на основе IP технологии;

- ознакомиться с имеющимся на рынке оборудованием;

- ознакомиться с существующей локальной сетью учреждения;

- практически реализовать упрощенную ТВ сеть на основе IP технологии.

Практическая значимость дипломной работы заключается в том, что разработанный проект реально может быть внедрен на учреждении с минимальными экономическими затратами.



Раздел 1. Принцип построения ТВ сетей на основе IP технологии

1.1 Принцип передачи видео по сети IP

Для того чтобы интегрировать вещательное видео с пакетной природой IP-сетей, необходимо преодолеть несколько технологических барьеров. Только тогда результат такого объединения будет работоспособным.

Первый из таких барьеров -- джиттер. Файлы, содержащие видео, имеют очень большие размеры, чтобы передать по сети целый файл, может понадобиться несколько часов. Выход состоит в том, чтобы воспроизводить видео по мере загрузки пакетов. Тем не менее, из-за таких факторов, как изменение маршрутизации, перегрузка сети или сдвиг по времени, пакеты не всегда приходят с одинаковой скоростью, а порой меняется и порядок их прихода. Таким образом, джиттер представляет собой изменение времени задержки между пакетами данных и выражается в неравномерной передаче видео. Стандарт DVB допускает джиттер до 50 нс (DVB-C (VHF/UHF) используется QAM: 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM или 256-QAM), но типичный сетевой джиттер может достигать 100 мс. При использовании улучшенной технологии, основанной на сложных алгоритмах управления буфером можно снизить джиттер до определенного стандартом DVB значения и добиться приемлемого качества видео. В буфере пакеты сохраняются по мере их прихода. Они собираются в буфере еще до того, как будут использоваться, поэтому можно добавить даже пакеты, пришедшие с опозданием.

Вторым барьером является потеря пакетов - обычное для сети явление, случающееся в моменты перегрузки сети. Пакеты выпадают, что выражается в появлении видимых "дыр" в видео. Для решения этой проблемы применяются алгоритмы FEC (системы прямого исправления ошибок). Есть еще проблема изменения порядка следования пакетов. Она имеет место потому, что пакеты посылаются разными маршрутами, которые отличаются скоростью передачи и количеством сетевых узлов. Для её решения можно использовать технологию упорядочивания пакетов на основе RTP-инкапсуляции, гарантирующей последовательную передачу видео.

1.2 Архитектура сети для передачи видео на основе IP технологии

Для того чтобы поддерживать услуги IPTV, сети должны иметь возможность масштабироваться до миллионов пользователей, иметь достаточный ресурс полосы пропускания и обеспечивать качество обслуживания (QoS) и безопасность на всей цепочке технологического цикла. По этим и другим причинам особую важность при развертывании передачи видео по широкополосной сети приобретает интеллектуальность сети. Услуги видео в будущем будут доставляться по IP-сетям следующего поколения (IP NGN). Требования таких услуг серьезно отличаются от требований услуг высокоскоростного доступа в Интернет. Широко практикуется разделение сети, основанной на протоколе TCP/IP, на логические сегменты, или логические подсети. Для этого каждому сегменту выделяется диапазон адресов, который задается адресом сети и сетевой маской. Логические подсети соединяются с помощью маршрутизаторов или коммутаторов 2-3 уровня. Существует несколько разновидностей архитектур передачи IPTV, и каждая касается четырех логических сегментов сети - ядра сети, распределения, агрегирования и доступа - по-разному приводя к решению. Главное преимущество агрегации каналов в том, что радикально повышается скорость - суммируется скорость всех используемых коммутаторов. Так же в случае отказа коммутатора трафик посылается следующему работающему коммутатору, без прерывания сервиса. Если же коммутатор вновь начинает работать, то через него опять посылают данные. Использование в параллель несколько Ethernet - коммутаторов выглядит так. Допустим, есть два адаптера Ethernet: ent0 и ent1. Их можно объединить в псевдо-Ethernet-коммутатор ent3. Система распознает эти агрегированные коммутаторы как один. Все агрегированные коммутаторы настраиваются на один MAC-адрес, поэтому удалённые серверы обращаются с ними как с один адаптером. ent3 можно настроить на один IP адрес, как любой Ethernet коммутатор. Из-за этого программы обращаются к нему как к самому обычному коммутатору, скорость которого в два раза выше.

Сегменты сети распределения и агрегирования предъявляют уникальные требования. На эти требования можно реагировать различными способами, которые характеризуют важный выбор, например, где находится граница уровня L3 (IP), у которого желательна поддержка предотвращения отказов, и как оптимизируется полоса пропускания. L3 (Level 3) - это третий уровень в стеке протоколов, сетевой уровень модели OSI соответствует уровню IP-протокола. На этом уровне устройство может обрабатывать пакеты IP, используя информацию из полей этого протокола, например, IP-адрес источника или получателя. Таким образом, возможна маршрутизация пакетов IP. В нашем случае это реализуется коммутаторами 3 уровня.

Главное архитектурное решение лежит в положении границы уровня L3, и здесь есть важная возможность размещение уровня L3 на маршрутизаторах агрегирования. Существуют неоспоримые причины для установки места уровня L3 на уровне агрегирования между сетью провайдера и ТВ-приставкой (STB) абонента. На рис.1.2.1 показано эффективное многоадресное распределение с использованием маршрутизаторов уровня L3 и L2. Уровень L3 определяет кротчайший путь к источнику. На уровне L2 выполняется репликация каждого многоадресного пакета по кольцу. На рис. 1.2.2 показан пример сети с многоадресной рассылкой IP, включенной в маршрутизаторы агрегирования. Для управления многоадресным трафиком третьего уровня маршрутизаторы задействуют широковещательные протоколы PIM-SM или PIM-SSM. IGMP - широковещательный протокол взаимодействия групп в Интернете используемый, например, абонентскими приставками Set-Top Box для подключения или отключения многоадресных потоков(многоадресный поток - это эквивалент телевизионного канала).

Эффективная многоадресная доставка требует, чтобы протокол IGMP действовал во всей сети доступа, причем выполняться он должен как можно ближе к местонахождению предполагаемых абонентов.

Рисунок 1.2.1.- Эффективное многоадресное распределение (использование маршрутизаторов для широковещательного ТВ)

Рисунок 1.2.2.- Простая многоадресная рассылка IP в агрегированной сети

1.3 Мультикастинг как способ доставки видео

Мультикастинг (multicasting) - это процесс одновременной доставки

видеосигнала нескольким получателям. Все получатели имеют одинаковый сигнал в одно и то же время, как и в обычном телевидении. Можно сказать, что все ТВ вещание (спутниковое, эфирное, кабельное) соответствуют концепции мультикастинга. Однако термин "мультикастинг" используется в основном в контексте с IP сетями. Для более точного понимания термина мультикастинг, рассмотрим для начала процесс юникастинг (unicasting). При юникастинге каждый видеопоток предназначен только для одного получателя. Если несколько абонентов хотят смотреть одну и ту же программу (учебный фильм), то источнику сигнала необходимо создать соответствующее число юникастовых потоков от источника до каждого получателя. Говоря про юникастовое вещание в IP сетях, мы говорим о традиционном пути, по которому проходят пакеты видеопотока от источника до получателя. Источник видеопотока подготавливает каждый пакет с указанием IP адреса получателя, и пакеты проходят по сети с незначительными модификациями, заключающимися в основном в изменении поля TTL (Time To Live). Соответственно, когда один и тот же видеопоток запрашивают несколько получателей, источник должен подготовить соответствующее количество IP пакетов со своими IP адресами получателей. При увеличении количества юникастовых запросов возрастает загрузка источника, что в конечном итоге приведет к невозможности создавать новые индивидуальные IP пакеты. Например, если мы хотим организовать вещание для 20-ти пользователей и передавать видеопоток со скоростью 2.5 Мбит/сек, то нам необходимо обеспечить сетевое соединение источника с пропускной способностью, по крайней мере, 50 Мбит/сек.

Основным преимуществом юникастового вещания является то, что абонент может посмотреть именно то, что он хочет в данный момент времени. Обычно системы юникастового вещания дополняются функциями, обеспечивающими остановку, паузу и перемотку при просмотре. Системы юникастового вещания не требуют специального оборудования, как для мультикастовых приложений. Данные системы могут работать даже на базе Internet. К недостаткам юникастовых систем можно отнести необходимость наличия большого процессорного и сетевого ресурса на источнике видеопотоков. Также необходима достаточная полоса пропускания между источником и получателем, даже в случае, когда, например, 50 получателей, находящихся в одном здании захотят одновременно смотреть каждый свою программу - в данном случае полоса пропускания сети должна быть, по крайней мере, в 50 раз больше, чем ширина канала, необходимая для передачи одного видеопотока. Источник видеосигнала должен следить за состоянием каждого сетевого устройства, пославшего запрос на просмотр, а это тоже отнимает ресурсы. При мультикасте один видео поток могут получить одновременно все абоненты сети. Используя специальные протоколы, сеть направляет копии данного потока каждому получателю.

Процесс создания копий видеопотока происходит внутри самой сети, не затрагивая ресурсы источника видеопотока. Копии видеопотока доставляются до каждого получателя, только если от него поступал соответствующий запрос. IP сети поддерживают функцию, названную бродкастинг (broadcasting - широковещательные пакеты), при котором IP пакет доставляется каждому сетевому устройству. Каждое устройство, получившее такой широковещательный пакет, должно его обработать соответствующим образом. Широковещательные пакеты не должны использоваться для организации видео вещания, не смотря на то, что пакеты небольшие, они могут "забить" все сетевые устройства сети, даже если они данным устройством не запрашивались. В тоже время большинство маршрутизаторов сетей сконфигурированы на запрет пересылки широковещательный пакетов из одной сети в другую, что также ограничивает возможность использования бродкастовых пакетов для организации видео вещания. IP мультикастинг в чистом виде подразумевает пересылку пакетов только тем устройствам, которые выполнили соответствующий запрос, тем самым, присоединившись (joining) к мультикасту. Специальные сетевые протоколы позволяют сети организовать доставку одинаковых пакетов множеству получателей. Это достигается путем присвоения пакету специального адреса из диапазона адресов, зарезервированных под мультикастинг. Эти же протоколы позволяют новым пользоваться присоединяться к выбранному мультикасту.

Большинство сетевых устройств (таких как маршрутизаторы) имеют возможности обработки мультикастовых пакетов, но по умолчанию в большинстве сетей данная функция заблокирована, в виду значительного увеличения нагрузки по обработки данных пакетов. Например, предположим, что на 12-ть портов маршрутизатора поступили запросы на просмотр мультикастового вещания. Эти порты должны быть соединены либо с конечным получателем, либо с другим маршрутизатором, если запросы пришли из других подсетей. Мультикасту необходимо создать 12 копий мультикастовых пакетов и послать каждую копию на свой порт, откуда поступили запросы. В тоже время, маршрутизатор должен постоянно следить за каждым портом на предмет поступления новых запросов и/или окончания просмотра на одном из портов. Данная функция поддерживается соответствующим программным обеспечением маршрутизатора. Одним из удобств мультикаста является простота процесса подключения, и отключения для абонента в любой момент времени. Данная функция целиком возложена на сетевые устройства, и от источника видеопотока не требуется никаких действий при добавлении/удалении нового получателя мультикастового потока. Рассмотрим этот процесс подробнее. В мультикастовых системах все получатели могут смотреть одновременно один и тот же видеопоток. Вот почему, когда новый пользователь захочет смотреть этот поток, он должен присоединиться (join) к мультикастовому потоку. Источник мультикастового потока отвечает за периодическую рассылку доступности видеопотока для пользователей (за это отвечают SAP пакеты). Пользователи, которые хотят присоединиться к мультикастовому потоку должны сперва получить и проанализировать SAP пакеты, в которых содержится информация как сконфигурирован выбранный мультикастовый поток, после чего пользователь может выполнить подсоединение к потоку. Когда маршрутизатор получил запрос от пользователя на присоединение к мультикасту, он должен выполнить несколько действий. Сначала маршрутизатор должен определить сформировал ли уже он нужные пакеты для другого пользователя. Если да, то ему остается только создать копию этих пакетов и послать их новому пользователю. Если же нет, то маршрутизатор должен сделать соответствующий запрос устройству, находящемуся ближе к источнику видеопотока (выше по сетевой иерархии). После получения ответа от него, маршрутизатор должен направить полученные мультикастовые пакеты получателю. В данном случае(при мультикасте) в сети присутствуют только копии одного видеопотока, что уменьшает занимаемую полосу пропускания всей сети по сравнению с юникастовыми системами.

Процесс отсоединения пользователя от мультикастового потока так же влияет на эффективность функционирования сети. В данном случае пользовательское устройство должно информировать маршрутизатор о намерении отсоединиться от мультикастового потока. Получив такой сигнал, маршрутизатор прекращает посылку данного мультикаста на соответствующий порт и в случае, если больше нет пользователей, которые принимают данный поток, маршрутизатор сообщает вышестоящему маршрутизатору, что бы тот в свою очередь также прекратил посылку мультикаст пакетов на соответствующий порт. Данный процесс очень важен, т.к. без него сеть может очень быстро заполнится никому не нужными мультикаст потоками.

Преимущества мультикаста: только одна копия видеопотока вещается в сети, что уменьшает требования к полосе пропускания, причем видеопоток могут получать многие абоненты сети; процесс создания копий пакетов видеопотока возложен на сетевые устройства, что разгружает источник видеопотока; простота развертывания системы вещания по IP сетям; при мультикасте возможно использования видеосигнала более высокого качества за счет меньшего сжатия.

К недостаткам мультикаста можно отнести то, что в данный момент времени абоненту можно смотреть только то, что вещается источником видеосигнала, и на это процесс повлиять нельзя. Сетевое оборудование должно поддерживать мультикастинг и должно быть сконфигурировано соответствующим образом. В большинстве случаев мультикаст возможно организовать только в частных сетях. Мультикаст увеличивает нагрузку на маршрутизаторы сети. Контроль со стороны оператора за подключением к мультикасту может оказаться сложной задачей. Достаточно сложной является задача интеграции сети общего пользования и частной сети, в которой развернут мультикастинг. Некоторые файрволы (шлюзы, NAT) блокируют мультикастовые потоки.

1.4 Архитектура мультикаст систем

Мультикастинг в IP сетях основан на IGMP (Internet Group Management Protocol). Данный протокол был разработан в 80-х годах и подвергался нескольким доработкам. Наибольшее распространение получил протокол IGMP Version 2 (V2). Последней версией является V3, но она не так распространена.

Назначением IGMP является предоставление информации для маршрутизатора о мультикастовых потоках/пакетах. Маршрутизаторы выполняют большую работу по обработке мультикастовых пакетов: пересылка и замена мультикаст пакетов для всех получателей, которым эти пакеты предназначены; правильная пересылка пакетов между портами; копирование входных мультикаст пакетов на несколько выходных портов в случае такой необходимости.

SAP (Session Announcement Protocol) используется для периодического информирования мультикаст абонентов о программах (видео и звуковых потоках), которые присутствуют в мультикаст потоках сети. SAP напоминает телегид-сервис, присутствующий в некоторых кабельных сетях, когда в передаваемом списке присутствуют названия программ и номера их каналов. По аналогии, SAP используется для информирования о каждом мультикаст потоке, включая название программы и настройки для подключения к нему. Возможно, наиболее важной информацией из SAP является мультикастовый адрес мультикаст потока. Получив его, абонентское устройство может сформировать требуемый запрос на подключение к выбранному мультикаст потоку. Один мультикаст источник может формировать множество мультикаст потоков, сведения о которых могут отражаться в SAP. Например, видео кодер может предлагать две версии одной программы: высокого качества и низкого качества (соответственно, первая для пользователей с быстрым подключением к сети, вторая - для пользователей с низкоскоростным подключением к сети провайдера услуг) и три звуковых потока(музыка, радио). В данном случае каждый пользователь может настроиться на поток, соответствующий возможностям сетевого соединения абонента. По умолчанию, SAP соединение происходит на групповом адресе 224.2.127.254 порт 9875. Специальное программное обеспечение на абонентских устройствах преобразует информацию, полученную из SAP, в список, удобный к просмотру пользователем. После выбора пользователем интересующей программы абонентское устройство (мультимедиа плеер) выполняет команду на подсоединение (joining) к соответствующему мультикаст потоку. "Присоединение" и "отключение" являются ключевыми понятиями в мультикаст системах. Если пользовательское устройство формирует запрос на получение мультикаст потока, то все сетевые устройства между получателем и источником должны быть переконфигурированы на доставку соответствующего мультикаст потока (см. рис. 1.4.1).

Рисунок 1.4.1.- Архитектура мультикаст систем



Пользовательское устройство UD1 первым посылает команду "join" на просмотр доступного мультикаст потока. Маршрутизатор R3, являющийся ближайшим к UD1, определяет, что до этого момента он не получал данный мультикаст поток, поэтому он делает запрос на вышестоящий маршрутизатор R2, переправляющий в свою очередь запрос на R1. Маршрутизатор R1 начинает посылку мультикаст пакетов на R2. Тот - далее на R3, после чего пакеты попадают на UD1. Когда второй пользователь UD2 посылает запрос на получение мультикаст потока, цепочка запросов повторяется: UD2->R5->R4->R2. Т.к. R2 в этот момент времени уже пересылает нужный мультикаст поток другому получателю, то ему остается только сделать копию пакетов и направить их на R4 и далее до UD2 через R5. В следующий момент подключается третий пользователь UD3, подключенный напрямую к R4. Т.к. этому маршрутизатору не нужно инициировать новый поток, то он начинает просто копировать уже существующий.

Рассмотрим процесс отключения. Если пользователь UD1 решил прекратить просмотр, то он посылает команду "leave" (покинуть) наR3. R3 прекращает посылку мультикаст пакетов на UD1. Затем R3 должен проверить необходимость посылки данного мультикаст потока на другие порты и, после подтверждения, что в данном потоке больше никто не нуждается, R3 посылает команду "leave" на R2. R2, в свою очередь, видя, что данный поток нужен другим получателям, просто прекращает "тиражирование" мультикаст пакетов на порт, к которому подключен R3.

При этом пользователи UD2 и UD3 продолжают получать мультикаст поток. Рассмотренный пример показал некоторую сложность процесса подключения и отключения от мультикаст потока. Это своеобразная плата за достигаемую эффективность сети. Необходимые для этого операции с IGMP могут создать значительную нагрузку на сеть, поэтому сеть, предназначенная для мультикаста, должна иметь соответствующие по производительности маршрутизаторы.

Основные особенности мультикаст потока:

1) между двумя точками сети пересылается только одна копия каждого из мультикаст потоков;

2) не имеет значения сколько получателей данного потока существует после маршрутизатора вниз по иерархии сети.

Важно отметить, что команда "leave" была введена только в версии IGMP V2. В версии 1 маршрутизатор должен был сам посылать запросы на состояние устройства, "слушающего" мультикасту. Если ответа от устройства не поступало, то маршрутизатор должен был самостоятельно прекращать передачу мультикаст пакетов. Если маршрутизатор выполнял такие запросы слишком часто, то это приводило к тому, что канал связи "забивался" такими запросами. Если бы такой метод использовался для систем "Видео по запросу по DSL": соединение с устройством могло бы быстро "заполниться" мультикаст потоком, который пользователь больше не смотрит, но при этом абонентское устройство от сети не отсоединено. В версии IGMP V2 данная проблема решается посылкой команды "leave" после прекращения просмотра данного мультикаст потока, что освобождает канал для других приложений и/или мультикаст потоков.

1.5 Требования видеоуслуг к архитектуре сети

При проектировании архитектуры IPTV полезно понимать общие требования, предъявляемые видеоуслугами к сети. Наиболее важное требование - это широкая полоса пропускания. Дом с подпиской на IPTV-услуги требует гораздо более широкой полосы пропускания, чем дом, имеющий лишь услуги высокоскоростного доступа в Интернет. Трафик растет так потому, что видео доставляется на ТВ-приставку абонента непрерывными, устойчивыми потоками. Качество изображения контролируется сервис-провайдером, который определяет режим кодирования. Например, стандарт сжатия MPEG2 требует около7-8 Мбит/с.

Более новый стандарт сжатия MPEG4 требует лишь 3-4 Мбит/сек при аналогичном качестве изображения. ТВ высокой четкости(HDTV) требует от 6 Мбит/с до15 Мбит/с, в зависимости от степени сжатия при кодировании. Более подробные данные по требованиям к ширине канала представлены в таблице 2 на следующей странице.

Таблица 1.5.1. - Требования IP-телевидения по пропускной способности канала связи до абонента

Услуги	Параметры	Пропускная способность, Мбит/с
		MPEG 2	MPEG 4
SDTV HDTV HDTV HDTV SDTV HDTV Данные Мбит/c VoIP Гид по программам (EPG) Служебная информация	480i (704x480) 720p (1280x720) 1080i (1920x1080) 1080p (1920x1080) 3 канала 1 канал 1 - 5 Менее1 Мбит/c Менее1 Мбит/c Менее1 Мбит/c	7 - 8 12 - 16 16 - 20 24 - 30 10,5 18 3 0,5 0,5 0,5	3 - 4 6 - 8 8 - 10 12 - 15 4,5 9 3 0,5 0,5 0,5

1.6 Технология мультиплексирования

Так, как в системе вещательной сети (IPTV) планируется использовать кодеры MPEG2 и MPEG4, то целесообразно рассмотреть технологию мультиплексирования видеопотоков.

Мультиплексирование (англ. multiplexing) -- уплотнение канала, т.е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу, при помощи устройства под названием мультиплексор.

Зачастую в сетях вещания видеоданных мультиплексирование необходимо для комбинирования нужного потока видеоданных из разных источников сигнала. Мультиплексирование необходимо по следующим причинам:

1) Один большой поток легче доставить до потребителя и им легче управлять, чем несколькими маленькими потоками.

2) При объединении потоков с разными скоростями, пик скорости одного из потоков может наложиться на спад скорости другого потока, что повлечет более эффективное использование ширины пропускания транспортной среды.

3) Некоторые транспортные каналы, такие как спутниковые или телекоммуникационные каналы, имеют фиксированную ширину полосы пропускания на канал. При их использовании более экономичным будет наполнение таких каналов несколькими потоками видеоданных.

По проведённому анализу рынка телевизионных приставок STB на 2014 год практически все приемные устройства (STB) работают с мультипрограммными потоками. Мультиплексирование также может добавить небольшую временную задержку относительно исходного сигнала.

В настоящее время используется два типа мультиплексирования:

- мультиплексирование с временным разделением и статистическое

- мультиплексирование.

Рассмотрим отдельно каждое из них.

Мультиплексирование с временным разделением (Time Division Multiplexing - TDM) - предполагает выделение фиксированного временного интервала из общей полосы пропускания для каждого из канала. Принцип прост: пакеты из каждого входного потока размещаются во временные интервалы (слоты) общего выходного потока. Каждый временной слот имеет фиксированное значение. Во многих системах несколько временных слотов могут быть объединены в зависимости от потребности. Размер временного слота не может быть изменено во время работы системы (рис 1.6.1).



Рисунок 1.6.1. - Иллюстрация мультиплексирования с временным разделением

На рисунке: А, В и С -- мультиплексируемые каналы с пропускной способностью (шириной) N и длительностью кадра ?t; E -- мультиплексированный канал с той же длительностью ?t но с шириной M*N, один кадр которого (суперкадр) несёт в себе все 3 кадра входных мультиплексируемых сигналов последовательно, каждому каналу отводится часть времени суперкадра -- таймслот, длиной ?t.

M =?t/M. (1.6.1.)

Таким образом, канал с пропускной способностью M*N может пропускать M каналов с пропускной способностью N, причём при соблюдении канальной скорости (кадров в секунду) результат демультиплексирования совпадает с исходным потоком канала (А, В или С на рисунке 1.6.1.) и по фазе, и по скорости, т.е. протекает незаметно для конечного получателя.

Статистическое мультиплексирование (Statistical) - обеспечивает выделение каждому потоку своего временного интервала размером, соответствующим скорости данного потока в данный момент времени.

Потоки с более высокими скоростями обеспечиваются более "широкими" временными слотами. Многие системы могут быть сконфигурированы на минимальную и максимальную величину временного слота для каждой программы. В большинстве систем ограничение по скорости потока диктуется максимальной скоростью выходного результирующего потока.

Сравнения методов разделения можно увидеть на рисунке 1.6.2.

Рисунок 1.6.2. - Сравнение мультиплексирования с временным разделением и статистического мультиплексирования

Мультиплексирование с временным разделением имеет преимущества, являясь простым и имеющим низкие накладные расходы. Оно широко используется в современных телекоммуникационных сетях, включая SONET/SDH. Для систем с фиксированной шириной канала данный вид мультиплексирования является наиболее эффективным. Однако, когда исходные видеоданные имеют переменные скорости или происходит переполнение полосы пропускания во время пиковых скоростей видеопотоков, будет наблюдаться потеря качества передачи. Системы с мультиплексированием на основе временного разделения имеют преимущество для задач типа "точка-точка", когда, например, необходимо обеспечить обмен видеопотоком между студией и передающим центром.

Пример: канал связи спутниковой системы имеет следующие

Характеристики - SR = 20.000 Мсимв/с, FEC=3/4.

В результате ширина канала составит примерно 28 Мбит/c:

20.000 MS/s = 40.000 Мбит/c

Минус 3/4 = 30.000 Мбит/c

Минус 188:204 на кодирование Рида Соломона = 27.647 Мбит/c

Статистическое мультиплексирование оправдывает себя в системах с переменными скоростями видеопотоков, когда пиковые скорости каждого из потока не накладываются друг на друга. Видеопотоки обычно имеют переменные скорости, всплески которых приходятся на моменты с быстро меняющимся сюжетом/картинкой, а во время статичных сцен или сцен с небольшим движением скорость видеопотока минимальна. Преимущество статистического мультиплексирования основывается на малой вероятности того, что пики скоростей разных видеопотоков будут совпадать по времени друг с другом. Рисунок1.6.3 показывает такой случай:

Рисунок 1.6.4. - Пиковая скорость в статистическом мультиплексировании.

Пиковая скорость суммарного потока получилась намного меньше суммы пиковых скоростей исходных видеопотоков. Другой ключевой функцией мультиплексора видеопотоков является корректировка меток PTS (presentation time stamp) и значений PCR (program clock reference), содержащихся в MPEG потоке. Данные поля вставляются в MPEG поток кодерами, содержащими генератор 27МГц и служащим для синхронизации декодеров. В декодере сигнал синхрогенератора восстанавливается из цифрового потока. Когда MPEG поток проходит через мультиплексор (статистический или другой) значения полей PTS и PCR должны быть пересчитаны и вставлены заново в каждый видеопоток. Причиной, по которой именно мультиплексор должен решать данную задачу, является наличие небольшой временной задержки между "перестановкой" пакета из исходного потока в результирующий. В противном случае декодеру потребовался бы более большой входной буфер данных, влекущий увеличение стоимости приемного оборудования.

К недостаткам статистических мультиплексоров можно отнести более высокую сложность устройства по сравнению с мультиплексорами с временным разделением и что для восстановления видеопотоков на приемной стороне необходимо наличие избыточной информации в общем потоке. Напомним, что Ethernet сети по сути являются статистически мультиплексированными сетями, т.к. узлы посылающие больше информации получают в свое распоряжение большую полосу пропускания благодаря механизму CSMA/CD.

Переключение (switching) используется всякий раз, когда видео поток необходимо перенаправить из одного потока в другой, например, когда программа со спутника вставляется в местный эфирный сигнал. При использовании мультиплексоров с временным разделением данный процесс очень прост. Переключатели необходимо лишь использовать соответствующий пакет из входных видеопотоков и вставлять его вместо пакетов первичного источника видеоданных. При использовании статистических мультиплексоров задача имеет некоторое отличие: переключателю необходимо следить за всем содержимым входных потоков для поиска необходимых пакетов (напомним, что они могут появляться периодически или занимать большую часть полосы пропускания). Затем переключателю необходимо переключить данные пакеты, следя за тем, что бы общая полоса пропускания не была переполнена, в случае, когда переключаемая программа будет иметь высокую скорость. Данная проблема решается за счет увеличения буферной памяти. Мультиплексирование на основе временного разделения просто, но не эффективно в плане использования полосы пропускания транспортной среды для задач доставки видеоданных. Статистическое мультиплексирование в настоящее время является более эффективным для передачи видео по сети IP, но и более дорогое в развертывании.



Раздел 2. Проект организации IPTV вещания

2.1 Разработка структурной схемы сети IPTV

Сеть IPTV разработана для Бурятского Филиала Сибирского Государственного Университета Телекоммуникации и Информатики, находящегося на улице Трубачеева, 152.

Приём видеоконтента осуществляется со спутника и антенны эфирного телевидения. Видеоконтент передается по кабелю "витая пара" (UTP CAT5е и СAT 6) стандарт Ethernet и по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС).

Передача данных в сетях Ethernet возможна, используя различные скоростные протоколы данных в локальной сети: Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

В сети IPTV используется технология Fast Ethernet с вариантом реализации по стандарту 1000Base-TX и номинальной скоростью передачи информации 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet по стандарту 1000Base-LX и номинальной скоростью 1 Гбит/c. Так же, если сетевая карта абонента не позволяет использовать подключение по стандарту 1000Base-TX, то возможно использование 100Base-TX. В данной сети используется топология типа "звезда". Структура локальной сети (топология) - конфигурация сети, порядок соединения компьютеров.

Архитектуру сети IPTV можно разделить на три части: (рис. 2.1.1. на следующей странице)

1) Головная станция, принимающая спутниковый контент.

2) Центральная часть, или "операторская часть", формирующая услуги.

3) Клиентская часть.



Рисунок 2.1.1. - Архитектура сети IPTV

Спецификация к схеме организации вещательной сети (IP-TV) (рис. 2.1.1.):

1. Базовый блок цифровой головной станции КТВ PBI DMM-1000

2. Модуль профессионального IRD приемника PBI DMM-1500P-44S2

3. Модуль профессионального IRD приемника PBI DMM-1500P-44T2

4. Программное обеспечение Middleware

5. Ethernet switch layer 3

6. Ethernet switch

7. Приставка IPSTB

8. Компьютер

9. ЖК-дисплей (Full HD)

10. Телевизионный приёмник n+n1STB

2.1.1 Головная станция

Головная станция является важной частью сети вещания (IPTV) и включает в себя комплекс оборудования, который позволяет прием сигнала от эфирных станций и спутников, и обеспечивает раскодирование и демультиплексирование цифровых сигналов и MPEG-кодирование аналоговых сигналов с последующим мультиплексированием подготовленных материалов в IP-потоки. В проекте IPTV Головная станция состоит из нескольких компонентов (модулей): двух модулей профессионального IRD приемника PBI DMM-1500P-44Т2 для приема спутниковых каналов и одного модуля профессионального IRD приемника PBI DMM-1500P-44S2 для приема эфирных каналов.

Эфирная и спутниковая антенна передают полученные сигналы телевизионных станций и спутников на IRD приемники.

2.1.1.1 IRD приемники

Профессиональные IRD модули DMM-1500P обеспечивают обработку HD видео формата H.264. Интегрированный декодер поддерживает стандарт MPEG-2 (профили MP@ML & MP@HL), MPEG-4 (AVC профиля 4.1). Модули DMM-1500P поддерживают множество опций в зависимости от модификации и предназначены для преобразования модулированных (QPSK/8PSK/QAM/COFDM) цифровых транспортных потоков (TS) формата DVB-S/S2/C/T/Т2 и TS-over-IP. Также DMM-1200P/-1400P обладают двумя CI слотами для декодирования транспортных TS потоков, в том числе многоканальными профессиональными CAM-модулями. Декодированный TS поток подается на ASI выход, мультиплексор или IP выход в зависимости от модификации модуля. Каждый транспортный поток может содержать несколько телевизионных программ (SPTS и MPTS), программы радиовещания, интернет-данные. Устройство является профессиональным и предназначено для использования операторами кабельных цифровых телевизионных сетей (CATV) и широкополосного доступа, в сетях общего доступа для мультиплексирования цифровых TS потоков, ТВ-студиями и другими провайдерами в качестве одного из устройств в линии передачи сигналов цифровых TS потоков вещательного телевидения.

2.1.1.2 Базовый блок головной станции

Оборудование преобразования аналогового сигнала эфирного телевидения размещается в базовый блок головной станции (до 8 модулей), большинство модулей являются сдвоенными, то есть позволяют обрабатывать 2 аналоговых канала или 2 цифровых многопрограммных потока (например, 2 QAM потока). Таким образом, один базовый блок позволяет сформировать на выходе до 16 аналоговых радиочастотных каналов или, например, транслировать более 100 цифровых каналов в составе QAM потоков. Так, как принимая эфирные каналы мы получаем высокочастотный сигнал, для преобразования его в форму IP пакетов необходимо сначала преобразовать его в низкочастотный сигнал, далее в асинхронный последовательный интерфейс (ASI) и только потом, после ASI-GigE преобразования, передавать на коммутатор. Сигнал эфирного телевидения, преобразованный в НЧ будет преобразован в МPEG 2, после чего будет готов для преобразования в пакеты, и дальнейшего распространения в сеть IPTV.

2.1.2 Центральная часть

Центральная часть, - это совокупность аппаратно- программных комплексов, которая состоит из различных компонентов (рис. 2.1.2.).

Рисунок 2.1.2.- Структурная схема центральной части сети IPTV

2.1.3 Сервер с программным обеспечением (Middleware)

Следующий компонент является самым основным компонентом в архитектуре сети IPTV. Это аппаратно-программный комплекс Middleware, который обеспечивает управление всеми компонентами решения IPTV, обрабатывает запросы от абонентских приставок, обеспечивает взаимодействие с системами. Middleware позволяет осуществлять: авторизацию абонента, формирование EPG, формирование интерфейса и инструментов управления, взаимодействие с системами CAS, VoD, головной станцией, STB-устройствами взаимодействие с биллинговыми системами и системами поддержки бизнеса оператора связи(OSS/BSS/CRM).

Открытость архитектуры Middleware позволяет оперативно масштабировать компоненты решения и расширять спектр услуг.

Программируемый абонентский интерфейс позволяет в полной мере учитывать потребности университета и пользователей системы IPTV.

2.1.4 Пользовательская часть. Абонентская приставка (STB)

В клиентскую часть (см. рис 2.1.4. на следующей странице), как правило, входит абонентская приставка.

Абонентская приставка является связующим звеном между системами формирования и доставки аудио- и видеоматериалов и телевизором абонента.

В здании университета к каждой ЖК-панели устанавливаются абонентская приставка - IP Set-Top-Box, имеющие интерфейс Ethernet для подключения к широкополосной сети, аналоговые, компонентные или цифровые выходы (в том числе HDTV) для подключения к телевизору, плазменной панели, проектору, аналоговые и SPDIF аудиовыходы, USB-порты для внешних устройств (например, USB IP-телефон, веб-камера, кардридер, устройства хранения данных). Инфракрасный пульт ДУ позволяет управлять STB и телевизором.

Главной необходимой задачей STB является прием и декодирование потока. STB-устройство представляет собой мини-компьютер с операционной системой и WEB-браузером.

Обмен командами управления и медиаматериалами осуществляется через сетевой интерфейс.



Рисунок 2.1.4.- Структурная схема абонентский части (оконечное оборудование) сети IPTV

2.2 Анализ и выбор оборудования

2.2.1 Требования к системе вещательной сети (IPTV)

Выбор оборудования аппаратной и программной части является наиболее важной задачей для построения вещательной сети IPTV.

Существует ряд требований к программной и аппаратной части системы вещательной сети (IPTV):

1) Поддержка международных и российских стандартов в области цифрового телевидения и телекоммуникационных технологий;

2) Поддержка качества предоставляемых услуг (QOS) (качество изображения и звука, стабильность работы, и пр.);

3) Легкая модернизация платформы и расширение функциональных возможностей;

4) Постоянная поддержка программной и аппаратной части для интеграции новых услуг и обеспечения сети IPTV;

5) Высокая надежность программно-аппаратной части в целом и отдельных модулей в целом;

6) Управляемость, быстрое восстановление и замена модулей после сбоев.



2.2.1.1 Разработка требований к системе вещательной сети (IPTV) университета

Требования к структуре

Для систематизации построения, система вещания по протоколу IP должна быть разделена на подсистемы или модули. Разбиение на модули призвано разделить и изолировать отдельные участки системы, структурировать построение, упростить формирование требований к отдельным частям системы.

Система вещания по протоколу IP должна делиться на функциональные модули:

1) стримеры прямого потокового вещания;

2) приемные устройства(STB);

3) устройства отображения;

4) управляющее программное обеспечение;

5) приёмная часть эфирного телевидения;

6) приёмная часть спутникового телевидения;

Так же должно быть проработано взаимодействие между указанными модулями.

2.2.1.2 Требования к надежности

Оборудование системы вещания по протоколу IP должно иметь механизмы или подсистемы для информирования обслуживающего персонала о неисправности.

Подсистема питания должна обеспечивать бесперебойное питание стримеров и серверов с управляющим ПО, при пропадании напряжения в питающей сети 220 В, не менее10 минут.

2.2.1.3 Требования по стандартизации и унификации

Применяемое оборудование, используемые протоколы должны соответствовать российским и/или международным стандартам.

Активное сетевое оборудование, серверы и оборудование системы бесперебойного питания должны размещаться в коммуникационных шкафах типового размера 19 дюймов.

2.2.2 Требование к аппаратно-программному комплексу. Выбор интерфейса интерактивного доступа Middleware

Middleware предоставляет интерфейс пользователю, обеспечивает управление всеми компонентами решения IPTV.

Требования к системе Middleware:

- использование международных и российских стандартов;

- возможность работы на сетях доступа различных типов (IP/Ethernet, IP/ADSL, HFC);

- простота интеграции с STB;

- открытость платформы и легкая интеграция приложений третьих фирм;

- поддержка русского языка (Unicode);

- легкое и экономичное масштабирование и модернизация системы

(увеличения клиентской базы, расширения объемов услуг);

- высокая надежность.

На рынке представлены такие системы Middleware, как компании Orca - Orca Interactive, Myrio компании Myrio Corp, Microsoft TV, IP Edition компании Microsoft, ITV Manager компании Tandberg, iVision компании Netris и других фирм.

Учитывая данные требования для реализации заданной сети IPTV в данном проекте была выбрана бесплатная система Middleware Stalker (в случае передачи только на компьютер скачивается бесплатный VLC плеер).

Система Middleware Stalker - это важная часть системы IPTV так как с её графическим интерфейсом приходится взаимодействовать пользователю услуг интерактивного телевидения. Мультиязычная оболочка базовой конфигурации поддерживает русский, английский, немецкий и французский языки. Осуществляется поддержка широкого спектра клиентских приставок (STB), а архитектура продукта позволяет вводить дополнительные услуги без выведения программного обеспечения из эксплуатации. Система оптимизирована под просмотр на клиентских STB с браузерами Abt Fresko, Firefox, Opera. Благодаря использованию широко распространённых средств по форматированию web-страниц, имеется возможность быстро и качественно производить изменения в интерфейсе, с которым работает пользователь.

Интерфейс Middleware Stalker предлагает пользователю управление следующими услугами:

1) просмотр телевизионных каналов в высочайшем качестве (Full HD);

2) возможность записи транслируемых в эфире программ и передач (PVR);

3) просмотр программы передач (EPG);

4) прослушивание интернет-трансляций популярных отечественных и зарубежных радиостанций;

5) поиск по жанру и просмотр фильмов, передач и сериалов на любой вкус;

6) запись любого видео из каталога на внешний носитель информации;

7) просмотр видеоматериалов на самом известном и популярном в сети интернет видео-сервисе - YouTube;

8) просмотр изображений с помощью интернет-ресурса компании Google - Picasa;

9) онлайн-термометр, просмотр прогноза погоды и свежего курса валют;

10) караоке, анекдоты и игры.

Middleware Stalker содержит:

1) CMS - систему управления пользовательскими и административными порталами и интерфейсами;

2) административный портал и интерфейс управления услугами, порталами;

3) пользовательские интерфейсы, адаптированные для STB и ТВ приемников;

4) EPG (интерактивная телепрограмма);

5) личный кабинет - управление услугами, статистика, разграничения доступа, выбор визуальных "тем";

6) портал погоды;

7) помощь - портал технической поддержи пользователей, видео курсы обучения работы с системой и пультом ДУ, вопросы и ответы, заявка технической поддержки;

8) возможность администраторами гибко изменять и создавать разделы, порталы, управлять политиками доступа;

9) модуль аналитики и статистики.

Также немаловажно является совместимость системы.

Middleware Stalker совместима со следующими устройствами:

- Потоковые устройства (IP Streamer - входит в IDR приемник). Middleware Stalker совместима с любыми устройствами, поддерживающим IP Multicasting (MPEG-2 иMPEG-4).

- Абонентские устройства(IP Set Top Box).

Middleware Stalker обеспечивает стабильную работу с абонентской приставкой STB IPTV MAG-245.

Рисунок 2.2.2. - Графический интерфейс Middleware Stalker



2.2.3 Абонентские устройства

Абонентские устройства или STB - это приемник сигнала IP TV.

Основные требования к абонентским устройствам следующие:

- производительность центрального процессора не менее 220 MIPS;

- объем оперативной памяти не меньше 32 Мбайт с возможностью расширения до128 Мбайт; объем Flash-памяти не менее 4 Мбайт, возможность расширения;

- тип компрессииMPEG-2, H.264 MPEG-4 Part 10,

- разрешение видеоизображения: 720x576 (576 SD); 1280x720 (720 HD);1920x1088 (1080 HD) ;

- формат кадра: 4х3, 16х9;

- аппаратное декодирование аудиоданных в стандартах: MPEG -1 Layer 1, 2, 3(MP3) (ISO/IEC 11172-3, ISO/IEC 13818-3), AAC (ISO14496-3);

- встроенный декодер Dolby AC-3 и AAC с выходом в режиме стерео;

- встроенная аппаратная поддержка CAS;

- каналы 21-69; частоты: 470-860 МГц; видео выход: PAL D/K, SECAM L;

- поддержка отображения телетекста и титров;

- разъемы: RG-45 Ethernet порт; композитный, CVBS; S-video; RGB (Компонентный (YUV) и HDMI для HD);