Если взглянуть на блок-схему современной цифровой головной ТВ-станции (DVB, IPTV, OTT), то мы увидим, что для передачи сжатого цифрового видео (MPEG) между компонентами станции (мультиплексоры, скремблеры, декодеры, модуляторы и т.п.) в большинстве случаев используется IP-интерфейс.

Современная цифровая ГС такого типа описывается известным термином All-IP Interconnection HeadEnd. Если 5-10 лет назад надо было доказывать преимущества IP-коммутации, то сегодня это практически единственный разумный вариант построения цифровой ГС.

IP-сети являются сегодня основным транспортом для межстудийного обмена видеоконтентом, его магистральной передачи и доставки конечному пользователю. Традиционные транспортные решения для передачи видео с гарантированным качеством, такие как ATM (PDH, SDH/SONET), не выдерживают никакой конкуренции с IP-транспортом, который развертывается намного проще, быстрее и дешевле и обеспечивает существенно большую экономическую эффективность.

Передача сжатого видео через IP-сети дает кабельному (DVB/IPTV) оператору возможность создавать экономически эффективные конфигурации, в которых центральная ГС, обеспечивающая создание пакетов контента, обслуживает огромные территории города, области, республики и даже всей страны. При этом региональные удаленные станции становятся крайне простыми, включая, в основном, модуляторы с аналоговым и/или цифровым выходом. Пример тому — известные проекты «МТС» и «ВымпелКом».

Сегодня IP-протокол является общепринятым отраслевым стандартом передачи данных, в том числе передачи видео и аудио. К сожалению, передача цифрового видео в формате MPEG-TS over IP, подкупая своими достоинствами, такими как простота, гибкость и коммерческая эффективность, создает и новые проблемы. Если для «простых» сервисов передачи данных типа интернет-серфинга, электронной почты или передачи файлов критична лишь потеря пакетов, то для такой сложной задачи, как живая передача компрессированного видео и аудио, весьма плачевны последствия не только от потерь пакетов, но и от их задержки, флуктуаций задержки, а также от нарушения последовательности их приема.

Основная проблема состоит в том, что при передаче ТВ-сигнала по IP-каналам необходимо сохранить возможность синхронизации аудио- и видеопотоков, которая реализуется по меткам PCR, включаемым в состав транспортных пакетов MPEG-2 TS. Однако при передаче пакетов MPEG-2 TS по IP-сети, то есть инкапсулированными в IP-пакеты, синхронизация может быть нарушена.

Это может быть обусловлено следующими факторами:

• временной и фазовой нестабильностью прибытия IP-пакетов, вызывающей джиттер (дрожание) опорных временных меток (PCR)
• потерей IP пакетов;
• нарушением порядка следования и дублированием IP-пакетов.

В результате мы часто наблюдаем хорошо знакомые операторам «артефакты», такие как «замерзание» картинки, ее рассыпание на отдельные блоки, «заикание» звука, а также просто черный экран и пропадание звука.

Эти проблемы и их решение стали одной из тем технической сессии семинара «Сделано в Европе, проверено в Сибири», который был организован компанией «Контур-М» совместно с ведущими евро пейскими производителями ТВ-оборудования — Astro, Teleste и Bktel. На семинаре, в частности, было представлено оборудование для упреждающей коррекции ошибок — ProMPEG FEC от компании Teleste.

Существует множество методов борьбы с «родовыми» недостатками IP-протокола. Например, применение протокола RTP позволяет бороться с нарушением порядка прихода пакетов и их дублированием при помощи передачи в заголовке пакета информации о порядке и моменте кодирования. Однако это не панацея — для комплексного избавления от проблем, связанных с доставкой видеосервисов по сетям передачи данных, требуются материальные вложения как в качество сети и коммутационного оборудования, так и в более квалифицированный персонал, который будет обеспечивать, по сути, не профильную задачу оператора.

Немного отвлекаясь от частных проблем, надо заметить, что когда мы говорим о передаче через IP-сеть видео с гарантированным качеством, важно понимать, что эту задачу можно решить с разной степенью надежности и с разными затратами. Например, высокой репутацией в этом плане пользуется семейство коммутирующих медиа-маршрутизаторов шведской компании NetInsight. Оно поддерживает широкий набор инструментов, исправляющих самые тяжелые проблемы IP-сетей. В решении NetInsigh используется фирменная технология Dynamic Synchronous Transfer Mode, по словам специалистов NetInsight, вобравшая в себя «лучшее из двух типов миров» — коммутации каналов и коммутации пакетов — и обеспечивающая 100% QoS.

Однако решения класса NetInsight не относятся к самым доступным и экономичным и уместны прежде всего для решения задач высочайшего уровня ответственности. Например таких, как прямая контрактная трансляция событий исключительной важности — Олимпиад, встреч руководителей разных стран и т.п., — там, где срыв передачи означает для оператора огромные штрафы и потерю репутации. Мы же здесь намерены показать достаточно эффективные и недорогие решения бюджетного класса, актуальные как для средних, так и для малых операторов. Именно к такому классу относится решение, предлагаемое Teleste.

Далее речь пойдет о том, как именно реализовано это решение на платформе Teleste Luminato. Модули ProMPEG FEC, входящие в состав платформы Luminato, представляют недорогое и эффективное решение для коррекции ошибок при передаче сжатого цифрового видео через IP-сети. Функции FEC-кодера и FEC-декодера реализуются одним и тем же модулем в зависимости от активных лицензий, а если активизированы обе, то в зависимости от того, какая задача в данный момент стоит. Модуль работает как с однопрограммными, так и многопрограммными потоками (SPTS/MPTS over IP). FEC-кодер обеспечивает выходную полосу до 500 Мб/с, а FEC-декодер — до 1 Гб/с. Кодер и декодер должны работать в паре. В одной точке — например, там, где оператор осуществляет прием со спутника и агрегирует контент из разных источников, — ставится модуль FEC-кодера. Для коррекции ошибок FEC-кодер добавляет небольшой объем корректирующих данных (матрицы корректирующих строк и столбцов), позволяющий с помощью вычислительного алгоритма восстановить потерянные IP-пакеты, а также исправить нарушение порядка следования IP-пакетов.

В другой точке, например на удаленной головной станции, ставится модуль FEC-декодера, который восстанавливает данные. В модуле используется последнее поколение алгоритма восстановления по терянных данных, известного как стандарт ProMPEG CoP#3 / SMPTE 2022-1. Он был разработан PRO-MPEG форумом и Обществом инженеров кино и телевидения. FEC-декодер восстанавливает потерянные и искаженные пакеты, выявляет дублирование и нарушение порядка их следования. Модуль поддерживает разнообразные функции мониторинга входных потоков MPEG-видеоданных, в том числе собирает
статистику. Это позволяет получить детальное представление о состоянии входных потоков в течение длительного периода времени. Одним из важных преимуществ FEC-декодера является возможность мониторинга текущего и пикового значений джиттера принятых пакетов, что помогает выявить возможные проблемы сети.

Мониторинг потока в FEC-кодере позволяет получить следующую информацию:

• формат входных пакетов;
• текущий битрейт;
• значение битрейта дополнительной корректирующей информации (overhead);
• текущая величина задержки;
• режим FEC и размер FEC-матрицы;

В FEC-декодере поддерживается мониторинг следующих параметров:

• формат входных пакетов;
• текущий битрейт;
• режим FEC и размер FEC-матрицы;
• задержка передаваемых видеоданных, обусловленная выполнением FEC-коррекции и буферизацией;
• некорректируемые пакеты;
• задублированные пакеты;
• пакеты с нарушенным порядком следования;
• детектирование нарушения порядка следования IP-пакетов;
• мониторинг значения IP-джитера в миллисекундах.

Рассмотрим механизм исправления ошибок в деталях. Последовательность пакетов разбивается на ряды, и для каждого ряда, с использованием данных входящих в него пакетов, генерируется корректирующая информация (FEC). Этот процесс схематично представлен на рисунке 1. Если в любом из рядов пропадет один пакет, то он будет восстановлен из добавленной информации FEC и оставшихся пакетов ряда. Формирование FEC на базепакетов одного ряда решает вопрос с единичными потерями пакетов. Если же в ряду пропадет более одного пакета, то восстановить их таким способом будет невозможно.

Для решения этой проблемы можно дополнительно сформировать информацию FEC на базе пакетов каждого столбца (рисунок 2). Эта информация позволит восстановить один потерянный пакет из любого столбца и, соответственно, группу потерянных пакетов одного ряда. В реальных условиях необходимо применять оба подхода. Для этого последовательность пакетов следует записать в виде матрицы заданной длины и высоты. Тогда даже в сложной ситуации, показанной на рисунке 3, пакеты смогут быть полностью восстановлены. FEC-декодер, начав декодирование с ряда или столбца, где пропал всего один пакет, последовательно восстановит пакеты из всей матрицы. Последовательность восстановления пакетов показана на рисунке 3.

Матрица может быть квадратной, прямоугольной, а также параллелепипедом. Пример реализации матрицы в интерфейсе платформы Luminato представлен на рисунке 4. Размер матрицы влияет на ширину требуемой полосы и на качество коррекции ошибок. Чем больше матрица, тем меньше будет трафик, занимаемый FEC, но чем ниже качество транспортного канала, тем матрица должна быть меньше. Выбор размеров матрицы также зависит от характера потери пакетов. Если для канала характерны одиночные потери, то матрица должна быть короче по длине, если групповые — то по высоте. Варьируя эти параметры, можно добиться полного избавления от ошибок с наиболее рациональным использованием полосы.

Вернемся к нашему семинару. Для технических мастер-классов были необходимы сигналы ТВ-сервисов. В качестве источника с самого начала рассматривалась возможность использовать головную станцию одного из участников семинара, оператора ТВК-ТВ в Бердске. Для реализации всех запланированных демонстраций нам требовалось пробросить волокно длиной 20 км и наладить IP-канал до места проведения семинара. На практике, к сожалению, удалось лишь арендовать двухсотмегабитный канал. Об устройстве этой сети мы ничего не знали, кроме того, что на пути нашего сигнала стоят шесть коммутаторов не самого «топового» производителя. По сути, канал представлял для нас «черный ящик», и мы никак не могли влиять на качество передачи. Мы имели дело только с точками входа и выхода, а также с заверениями подрядчика о том, что канал с нашими задачами справится.

На деле все было не так. Заведя прошедший через канал сигнал с головной станции на анализатор StreamXpert (Dektec), мы увидели стремительный рост показаний счетчика ошибок (CC Errors). Проверив сигнал на точке входа, мы убедились, что проблема не с приемом, не с оборудованием головной станции, а именно с нашим каналом. Естественно, с сигналом, который не имеет должного качества, проводить демонстрации и мастер-классы нельзя. Времени для решения проблем с каналом вместе с подрядчиком мы не имели, поэтому рассчитывать могли только на себя. Применение RTP также не помогло. Поэтому было принято решение переработать концепцию построения демо-комплекса Teleste и установить один из модулей ProMPEG FEC на головной станции ТВК-ТВ, в свободный слот используемой там платформы Luminato. Получившаяся схема представлена на рисунке 5.

Коммутация между модулями Luminato осуществляется по внутренней шине, по IP. Попытки передачи сигнала в форматах UDP и RTP дали примерно одинаковый результат. При использовании UDP потери пакетов носили катастрофический характер, а так как мы имели дело именно с потерями пакетов, то протокол RTP тоже оказался бессилен и качественным образом на ситуацию не влиял. К сожалению, журнальные страницы со скриншотами изображения картинок с каждым типом сигнала и соответствующими ему параметрами с анализатора не позволяют в полной мере передать ситуацию из-за их статичности. Рисунок 6 иллюстрирует проблемы, с которыми мы имели дело.

Участникам семинара на протяжении всего дня демонстрировался анализатор, счетчик ошибок которого показывал нулевое значение. Параллельно с анализатором оценивалось качество картинки на VLC-плеере и на телевизоре с DVB-C-приемником. Качество картинки полностью соответствовало показаниям счетчика анализатора, и участники семинара могли наблюдать, как проблемы с каналом влияют на качество картинки. Проведенные после семинара тесты показали, что при помощи данного оборудования можно без потерь для визуального восприятия восстановить до 20% потерянных пакетов. Точный процент зависит от сложности картинки и характера проблем в сети. Таким образом, все мастер-классы были проведены, а демонстрация Teleste, вместо запланированного лабораторного опыта с искусственным ухудшением канала, была превращена в проверку реальной работоспособности в условиях нашей действительности. Справедливости ради надо отметить, что и оборудование компании ASTRO (Германия), также представленное на семинаре, не менее надежно справилось с восстановлением сигнала, защищенного Pro-FEC, не испытало проблем. Модули IP-PAL (U115) и IP-QAM (U158), помимо своих методов коррекции ошибок в IP-сети, прекрасно «поняли» сигнал с кодозащитой от платформы Luminato. Это говорит о том, что данную технологию можно успешно применять в сетях цифрового и аналогового ТВ, где опорой для доставки сигналов служит IP-магистраль.

Таким образом, делая сравнительно небольшие вложения в защиту сигнала, можно исключить затраты на улучшение качества и обслуживание сети. Порой это может оказаться единственным способом решить проблемы арендуемого канала, так как претензии к его качеству подрядчик часто воспринимает как личную обиду либо не воспринимает вообще. Считаю нелишним отметить, что использование Pro FEC может также оказаться актуальным для задач обмена контентом или его агрегации, то есть в любых случаях, когда необходимо максимальное качество сигнала, а возможности транспорта ограничены.