Integrisanje digitalnog videa i najnovije IP mrežne tehnologije

 

 

  • Twitter
  • Facebook
  • Google plus
  • Linkedin
  • Pinterest
  • Email

 

Pregleda (30 dana / ukupno): 5 / 2377

U ovom članku ćemo pokušati da opišemo izazove sa kojima se susreće IP arhitektura napravljena za video i da predstavimo neka od najoptimalnijih rešenja.

Kao što ćete videti, zahtevi za komprimovanim videom se razlikuju od namena arhitekture IP mreže. To dovodi do problema sa videom koji standardni IP komutatori i ruteri ne mogu da podrže.

Tradicionalna isporuka digitalnog videa
Digitalni video se tradicionalno distribuira preko sistema kablova. Video emisija se prima sa satelita, zatim se sakuplja i prevodi u kanale konstantne brzine prenosa (CBR – constant bit rate), odgovarajuće za kvadraturnu modulaciju amplitude (QAM), pre prenosa preko analognog prenosnika do distribucionog razvodnog uređaja, a nakon toga preko HFC-a do pretplatnika. Ovaj jednostavni mehanizam prenosa od jedne do više tačaka osigurava da će kvalitet videa na zadnjem kraju biti identičana kvalitetu na prednjem kraju.

Tradicionalni mehanizam prenosa videa savršeno izvršava zadatak za koji je namenjen. Međutim, fiksna arhitektura prenosa od jedne do više tačaka predstavlja problem kada se uvedu nove aplikacije i tehnologije. Tradicionalni pristup video prenosa ne može da vrši lokalizaciju sadržaja ili prenos bilo čega drugog osim video signala. Pored toga, svi signali mogu da potiču samo sa glavnog prednjeg kraja, a priroda analognog transporta nameće stroga ograničenja razdaljine.

Da bi se ovi problemi prevazišli, svaki novi servis obično zahteva dodavanje nove mreže. Bilo da se radi o ATM i Sonet rešenjima prenosa podataka velikim brzinama (HSD – high speed data) ili pomeranjem servera što bliže kraju mreže da bi se primenilo rešenje videa na zahtev (VOD – video-on-demand), kablovski operateri su se suočili sa ogromnim troškovima za angažovanje novih servisa.

IP isporuka digitalnog videa
Operateri su već usvojili IP kao središte mrežne arhitekture. Zapravo, IP je u opticaju već godinama kao dobro ustanovljena, relativno jeftina i veoma pouzdana tehnologija. IP omogućava pružanje usluge svakome, bilo gde, bilo kada i na gotovo svakom uređaju.

IP preko Gigabit Etherneta (GigE) pruža mogućnosti i mrežnu fleksibilnost što tradicionalnom pristupu nedostaje. IP mrežna infrastruktura, zajedno sa relativno niskom cenom IP komutatora i rutera, nudi otvoreno, konkurentno i jeftino rešenje za pravljenje mreža velikih kapaciteta. To je tehnologija koja, za razliku od tradicionalnog pristupa, nije rešenje od kraja do kraja. To je mnogo efikasnije rešenje za prenos videa od velikih i skupih mreža.

Rešenja prenosa videa preko IP mreže čini programiranje dostupnim od svakog mesta do svakog mesta, dopuštajući konsolidaciju nekih funkcija u sentralizovani, “super” prednji kraj. Jedna IP mreža podržava HDS, glas preko IP-a (VoIP – voice-over-IP) i video servise, uključujući analognou i digitalnu emisiju, digitalnu simultanu emisiju analognih kanala, kao i VOD emisiju.

Dobre i loše vesti
IP mreža pruža neprekidnu konektivnost između uređaja u mreži. Dizajnirana je da bude transparentna – IP prosto isporučuje pakete informacija bez obzira na sadržaj. Kako se razvijaju nove vrste podataka (glas, digitalni video), IP im se transparentno prilagođava. Jednostavnost IP-a omogućava mreži da se neprekidno širi bez potrebe nadogradnje ili zamene hardvera radi angažovanja novih vrsta podataka.

Mreža idealno koristi i pre i post obradu video podataka kako bi se osigurao kvalitet videa u prenosu preko IP mreže. IP nije magični lek koji rešava sve probleme u prenosu videa, glasa i podataka. To je prosto efikasna i relativno jeftina metoda za neprekidni prenos bilo čega do bilo čega, bilo gde.

Dobra vest je snaga i fleksibilnost IP-a. Loša vest je da se video razlikuje od svih ostalih vrsta podataka na IP mreži, a to može da dovede do problema.

Bitovi nisu uvek isti
Često se kaže da su podaci podaci i da su to “samo bitovi”. Međutim, isporuka video bitova preko IP mreže – zadržavajući kvalitet slike – se značajno razlikuje od isporuke bitova podataka.

Šeme video kodiranja prave specijalne pretpostavke o putanji prenosa. Kada Motion Picture Experts Group (MPEG) definiše slojeve sistema za prenos komprimovanog videa i ausio strimova preko transimsionog medija, oni razvijaju standard prvenstveno za broadcast aplikacije koje su bit-sinhronizovane. Drugim rečima, svaki bit se isporučuje konstantnom brzinom sa konstantnim kašnjenjem i sa vrlo niskom mogućnočću greške u brzini prenosa.

Karakteristike digitalnog komprimovanog videa
Kao osiguranje da će slika i pokret biti istog kvaliteta na jednom i drugom kraju, MPEG su razvili hijerarhiju u komprimovanju videa. Jednočasovni film, na primer, je jedna MPEG sekvenca. Grupa slika (GOP) je susedni skup slika (I, B ili P). Svaka slika je sačinjena od isečaka koji predstavljaju jedinicu resinhrnonizacije. Svaki isečak je sačinjen od makro blokova, jedinice kompenzacije pokreta (16x16 piksela). Konačno, svaki makro blok je sačinjen od blokova, jedinice transformacije frekvencije (8x8 piksela).

Svaki sloj hijerarhije kompenzacije sadrži zaglavlje sa informacijama o tom sloju; na primer, početak sekvence, početak slike i početak isečka slike. Gledalac ne može da primeti gubitak zaglavlja makro bloka. Gubitak zaglavlja slike može da dovede do zamrzavanja gornjeg dela. Ako izgubite GOP zaglavlje, izgubićete do jedne sekunde videa, što će dovesti do lošeg kvaliteta slike.

Tajming znači najviše
MPEG sintaksa sadrži dekodirajuću vremensku oznaku (DTS – decoding timestamp), prezentacionu vremensku oznaku (PTS) i programsku satnu referencu (PCR). Ove parametre koristi MPEG-2 bafer model T-STD. Bafer model T-STD je hipotetički skup bafera u koderu, koji modeluje ponašanje dekodera sa ciljem dekodiranja niza bitova.

Jedinica prisupa videu je definisana kao kodirana predstava video okvira. Slično tome, jedinica pristupa zvuku je kodirana predstava audio okvira. Veličina svake pristupne jedinice za video se razlikuje u zavisnosti od kompleksnosti scene datog okvira videa i razlikuje se u zavisnosti od vrste okvira. Pored toga, odgovarajuće pristupne jedinice za audio i video se ne podudaraju u vremenu.

MPEG koristi Packetized Elementary Stream (PES) za pripajanje vremenskih informacija o dekodiranju i predstavljanju pojedinačnim jedinicama za pristup videu. Dekode će pregledati vremenske informacije da bi dekodirao i prikazao video. Vremenske informacije obuhvaćene PES slojem svake pristupne jedinice se moraju upotrebiti za pravilnu reprodukciju audio i video uzoraka u izlazu dekodera. 

Kašnjenje i pomeranje
MPEG transportna struktura je upakovana tako da se komprimovani video i audio mogu vrlo lako adaptirati za prenos preko IP mreže. Svaki MPEG-2 paket je fiksne veličine od 188 bajtova.

User Datagram Protocol (UDP), koji koristi minimalnu veličinu dodatka paketu (8 bajtova), je najčešće korišćena metoda kapsulacije. MPEG transportni paketi su sakupljeni u grupe koje formiraju UDP vrstu podataka sa minimalnim dodatkom. Na žalost, ovaj proces dovodi do toga da transportni paketi imaju različito kašnjenje prilikom pakovanja.

Zatim, dok se UDP paket kreće preko IP mreže, on postaje predmet dodatnog kašnjenja zbog toga što se prenos u mrežama zasnovanim na paketima odvija bez prekida, kako se baferi pune i prazne. Ovo dovodi do promena kašnjenja, poznatih kao pomeranje (jitter). Pomeranje se može rešiti povećanjem memorije prijemnog bafera, ali MPEG nije dizajniran da se prilagođava pomeranju.

Na kraju, ako se baferi mreže prepune, paketi će biti odbačeni (izgubljeni). Protokoli za prenos podataka su dizajnirani tako da tolerišu ovu pojavu kroz ponovni prenos izgubljenih paketa. Ova tehnika ne funkcioniše dobro za prenos videa u realnom vremenu zato što se dodaje previše kašnjenja i dodatnih informacija.

IP ograničenja
IP mreže zasnovane na prenosu paketa prosto nisu namenjene za upravljanje isporukom videa u realnom vremenu. MPEG komprimovanje videa je izuzetno osetljivo na pomeranje i gubitak paketa. Pošto ovi paketi sadrže kritične informacije za dekodiranje, svaka izgubljena informacija ili informacija primljena izvan sekvence će prouzrokovati ozbiljne probleme u kvalitetu slike. IP pobija MPEG pretpostavke o uniformnom prenosu bitova i stoga predstavlja ozbiljni izazov za MSO.

Četiri moguća rešenja
Eliminisanje IP mreže kao održivog mehanizma za transport videa nije odgovor. Evo četriri mogućih rešenja za probleme koji se javljaju u IP tehnologiji:

  1. Zadržite i bit sinhronizovanu mrežu. Mada je ovo održiva opcija, troškovi i složenost održavanja dve mreže (jedne za video, druge za glas i podatke) su suviše veliki.
  2. Dizajniranje IP mreže sa inteligentnijim komutatorima i ruterima. Moguće je ugraditi inteligentnost u rutere kako bi se nadoknadila kašnjenja i pomeranja duž transportne putanje. Ipak, ova opcija narušava osnovne principe transparentnosti na kojima je IP tehnologija izgrađena, a pored toga dosta košta.
  3. Angažovanje svih novih set-top okvira uz IP nadgledanje. MSO su izabrali ovu opciju, ali se najbolji rezultati postižu kroz dobro isplaniranu strategiju prelaska koja minimalizuje troškove i optimizuje profit i dostupnost servisa.
  4. Korišćenje uređaja koji prepoznaju vrste podataka i mogu da “ponovo naprave” originalni kvalitet signala pre finalnog prenosa do set-topa preko HFC-a.

Kvalitet
Standardni IP uređaji kao što su komutatori i ruteri funkcionišu na nivou mreže, ali nisu namenjeni da proveravaju ili upravljaju video podacima. Međutim, uređaji koji prepoznaju vrstu podataka mogu to da rade kako bi ispravili greške i bez prekida implementirali video aplikacije preko IP mreže.

Pored toga, ovi isti uređaji omogućavaju operaterima da angažuju aplikacije poput Digital Program Insertion (DPI).

Pored upravljanja video aplikacijama, uređaji koji prepoznaju vrstu podataka mogu da izvršavaju sledeće najvažnije funkcije prenosa: IP kapsulaciju i vremensku korekciju, mrežnu redundansu, doterivanje i sakupljanje i oblikovanje brzine. 

Kodiranje promenljive brizine prenosa i oblikovanje brzine
Ključna karakteristika digitalnog videa je ta da je mediju svojstvena promenjiva brzina prenosa (VBR). MPEG-2 algoritamska struktura se više bavi interpolacijom između okvira nego predstavljanjem svakog završenog okvira u sekvenci. Iz toga sledi da kompleksna scena sa rezonantnim detaljima i akcijama zahteva znatan propusni opseg, dok statičnije scene zahtevaju manji propusni opseg. Rezultujući video ima uspone i padove u svojoj brzini prenosa, kako bi se održao konstantan kvalitet slike.

Upotrebom VBR kodiranja, brzina prenosa MPEG niz podataka se može menjati u različite brzine prenosa. Ovaj proces se obično naziva “oblikovanje brzine'' (rate-shaping).

Neki programi će zahtevati kapacitet iznad njihove prosečne brzine prenosa, a neki ispod. Proces oblikovanja brzine razmatra programe u multipleksu i u trenutku kada određeni multipleksi zahtevaju dodatni propusni opseg vrši se optimizacija. Oblikovanje brzine je atraktivno zato što zadržava sadržaj u MPEG-2 formatu, oslobađa operatere vršenja izmena u programskim izvorima, kablovima ili opremi.

Oblikovanje brzine obuhvata mogućnost da operater odredi prioritete rekodiranja. Na primer, sportskom događaju koji se prenosi uživo će biti dodeljen visok prioritet i vrlo retko će biti podvrgnut agresivnom oblikovanju brzine ako deli isti multipleks sa programima nižeg prioriteta.

Ograničenja
Kvalitet video podataka se može samo održavati, što je najbolje, a može se i smanjiti nakon kodiranja i statičnog remultipleksiranja. Nikakvo oblikovanje brzine ili neka druga obrada ne mogu da poboljšaju lošu sliku. Statično ponašanje video podataka je određene brojnim činiocima, uključujući kvaltet ulaznog izvora, učestalost okvira, horizontalnu i vertikalnu rezoluciju i GOP sekvencu. 

 

Budite prvi koji će ostaviti komentar.

Ostavite komentar Ostavite komentar