Эта статья была задумана как сопроводительный материал к таблице мультиплексоров/ ремультиплексоров, которую мы в этом году публикуем в справочнике “Кабельное телевидение”. В ней обобщена информация, полученная при знакомстве с литературой на эту тему и спецификациями оборудование. Надеемся, что новичкам в цифровом телевидении это поможет понять суть параметров и сориентироваться при выборе оптимальной платформы. Так как в переводе терминов в публикациях в последнее время наблюдаются разночтения, то при изложении мы параллельно будем приводить и типовую английскую терминологию. Уточним, что речь идет об устройствах преобразования транспортных потоков MPEG-2. Под мультиплексированием в этом контексте понимается объединение однопрограммных потоков MPEG-2 в многопрограммный транспортный поток MPEG-2 TS. Мультиплексор работает как система буферов, в которые заносятся объединяемые программы, а затем считываются оттуда с увеличенной в соответствующее количество раз тактовой частотой, формируя последовательный многопрограммный поток. Потоки, относящиеся к одной программе, имеют общую временную базу, то есть процесс их кодирования синхронизируется общим генератором. Для синхронизации тактовых генераторов кодера и декодера в потоки вводятся метки программного времени PCR. Обработка потоков мультиплексором приводит к джиттеру (временному колебанию) транспортных пакетов, относящихся к одной программе, поэтому метки PCR должны быть откорректированы c учетом внесенных временных отклонений. Без коррекции PCR напоминали бы часы с болтающейся минутной стрелкой. По-английски процесс называется PCR de-jittering, или re-stamping. Потоки, относящиеся к разным программам, в общем случае имеют разную временную базу, то есть в целом многопрограммный поток имеет асинхронный характер. Поэтому встречающаяся в некоторых источниках классификация MPTS мультиплексирования как TDM, на наш взгляд, некорректна. Помимо аудио и видео в мультиплексированный поток заводится отдельно сформированная служебная и сервисная информация, представленная в виде служебных таблиц (SI /PSI). Ремультиплексирование представляет собой мультиплексирование компонентов, извлеченных из многопрограммных транспортных потоков, которые в большинстве случаев поступают из магистральных транспортных сетей. Оно сопровождается редактированием (перекомпиляцией) служебных и сервисных таблиц (SI и PSI processing) и переназначением идентификационных номеров элементарных потоков (PID). Переназначение PID необходимо для исключения совпадений номеров в программах, полученных из разных источников. Большинство аппаратов могут работать как в режиме мультиплексирования, так и ремультиплексирования. Оптимизация аппарата для тех или иных задач определяется, скорее, функциями, дополнительными к базовым, которые будут рассмотрены ниже. Важной характеристикой мультиплексоров являются их входные и выходные интерфейсы. Мультиплексоры, предназначенные для небольших сетей, могут быть совмещены с приемниками, как, например, мультиплексор ставропольского завода “Сигнал”, или одновременно с приемниками и модуляторами, как гибрид от украинской компании “Рокс”. Выпускаются также мультиплексоры, совмещенные с транскодерами (станция Iplex Tandberg’а) или с платами перекодирования (мультиплексоры ProStream Harmonic с функцией Mentor). Транскодеры выполняют перекодирование из одного формата компрессии в другой через промежуточную декомпрессию сигнала до SDI, а перекодировщики сохраняют формат компрессии, но меняют ее параметры. Такие платформы, наверное, правильнее называть не мультиплексорами, а головными станциями, хотя границу между ними провести трудно. Большинство “чистых” мультиплексоров также совмещает в себе множество возможностей. К ним условно можно отнести платформы, не имеющие входных или выходных модулей преобразования компрессированных аудио- и видеопотоков. Такие мультиплексоры обычно оборудуются интерфейсами ASI, IP/Ethernet или ATM/SDH. Последние сейчас используются в меньшей мере, хотя иногда встречаются и в самых новых моделях, например в NetProcessor 9030/40 от Thomson. Отдельную категорию составляют мультиплексоры, оборудованные QAM модуляторами Они предназначены для применения на границе транспортной среды IP c сетью доступа DVB и часто называются Edge QAM. В качестве примера таких Edge QAM можно привести Harmonic BNG 61XX или Scopus IVG 7200. ASI является наиболее распространенным интерфейсом, используемым на головных станциях, поэтому до последнего времени модели, предназначенные для работы в связке с кодерами (для первичного мультиплексирования), в оснащались ASI входами. Однако с развитием концепции соединения головных модулей по IP (с использованием коммутатора или маршрутизаторов) в оборудовании центральных головных станций стали также применяться интерфейсы IP/Ethernet, которые до этого предназначались только для обмена потоками с IP сетью. Пропускная способность мультиплексоров указывается производителями по-разному. Tandberg указывает скорость на каждом из выходах, Scopus – суммарный сквозной поток, Thomson – для своих последних мультиплексоров приводит производительность в транспортных потоках (вероятно имеются в виду однопрограммные потоки). Scientific Atlanta измеряет возможности платформ в количестве обрабатываемых услуг, что, видимо, эквивалентно потокам.Мультиплексоры также характеризуются рядом параметров, присущих любому оборудованию, такими как возможности резервирования, каскадирования, управления и мониторинга, равно как и различными конструктивными особенностями, на которых мы останавливаться не будем. Одна из возможностей – статистическое мультиплексирование, предусматривающее динамическое перераспределение полосы между мультиплексируемыми программами в зависимости от сложности и динамики сюжета. Оно реализуемо только при первичном мультиплексировании, проводимом одновременно с компрессией программ, и требует обратной связи мультиплексора с кодерами. Строго говоря, статистическое мультиплексирование реализуется не мультиплексором, а специальным ПО, которое может быть интегрировано в мультиплексор, в один из кодеров или устанавливаться на отдельном сервере. Одна система статистического мультиплексирования может быть интегрирована с разными аппаратами, слегка модифицируясь в зависимости от интерфейсов, по которым взаимодействуют кодеры и мультиплексор. Как правило, статистическое мультиплексирование выполняется в два этапа. На первом этапе кодеры проводят оценку потребности в полосе для передачи текущего фрагмента. Результат оценки и определенная информация, позволяющая оценить сложность задачи каждого кодера, передаются программе статистического мультиплексирования. В ответ программа выделяет каждому кодеру полосу, в которую он должен уложиться. В некоторых системах дополнительно могут учитываться приоритеты, назначаемые кодерам. На втором этапе кодеры формируют готовые компрессированные потоки, которые заводятся на входы мультиплексора. Не беремся сравнивать эффективность разных систем, но считается, что они позволяют сэкономить 30% полосы без потери качества. Системы статистического мультиплексирования имеются в арсенале всех основных производителей мультиплексоров, таких как Tandberg, Scopus, Harmonic, Thomson (Grass Valley), Scientific-Atlanta. При ремультиплексировании или мультиплексировании уже компрессированных программ скорость сигнала может быть адаптирована двумя способами – с декомпрессией сигнала или без нее. Для адаптации без декомпрессии используются, по крайне мере, три термина – transrating, rate shaping и grooming. Не беремся определить разницу в их содержании. Технологии трансрейтинга являются корпоративными разработками и особенно не афишируются. Тем не менее, два основных принципа известны, так как они используются и для управления скоростью потока при кодировании. Один из них заключается сглаживания пиков скорости потока за счет его буферизации. Буферизация потоков происходит в любом мультиплексоре, но глубина буферов может быть разной. В общем случае она больше в мультиплексорах, предназначенных для работы в IP среде. Буферы значительных объемов позволяют компенсировать задержку и джиттер, свойственные IP сетям, и заодно в большей степени регулировать скорость передачи на выходе. В оборудовании для DVB сетей возможности буферизации ограничены объемом буферов декодеров, которые предназначены не для борьбы с джиттером потока, а для приема GOP (группы совместно компрессируемых кадров) и для потребностей помехоустойчивого декодирования. Второй способ управлять скоростью без декомпрессии сигналов называется переквантованием. В процессе компрессии кадра в MPEG-2 он разбивается на макроблоки размером 16*16 пикселей, каждый из которых подвергается дискретно-косинусному преобразованию. В результате пространственная картина кадра заменяется спектральной, то есть вычисляется матрица величин, отражающих спектральный состав кадра. Для снижения объема пересылаемой информации спектральная матрица умножается на матрицу квантования. Последняя состоит из коэффициентов, учитывающих значимость разных составляющих спектра для восприятия изображения. Чем ниже частота, тем выше ее значимость и меньше коэффициент, на который делится значение, присутствующее в спектральной матрице. Верхние частоты делятся на максимальные коэффициенты и после округления часто оказываются нулевыми. При значительной насыщенности картинки деталями или ее высокой динамичности1 высокочастотные коэффициенты сохраняют ненулевые значения, увеличивая объем передаваемой информации. Способ выравнивания скорости потока заключается в применении переменной матрицы квантования. При возрастании сложности и динамичности картинки увеличиваются коэффициенты матрицы квантования, причем в основном для высокочастотных составляющих. Как вариант, высокие частоты могут просто зануляться. Два описанных метода, по нашей информации, используются и для трансрейтинга. Первые ремультиплексоры с трансрейтингом появились у компании Terayon. Ее ремультиплексор DM 6400 и его половинная версия DM 3200 серии Cherry Picker несколько лет использовалась в составе решений большинства производителей цифрового оборудования. Сейчас же основная их масса – Scopus, Scientific-Atlanta,Thomson, Tandberg – в той или иной степени внедрила трансрейтинг в собственные устройства. Для некоторых из них, в частности для последних Cherry Picker’ов, заявлена и поддержка MPEG-4/AVC. С учетом того, что методы компрессии, заложенные в MPEG-4/AVC, значительно более сложны и многообразны, чем используемые в MPEG-2, то трансрейтинг потоков MPEG-4 выглядит нетривиальной задачей; во всяком случае, переквантование. Отметим, что предел снижения скорости потока за счет трансрейтинга без заметного снижения качества видео, по оценкам, составляет 25%, но он достижим далеко не для всех потоков. Радикальные изменения параметров компрессированного потока возможны только через его декомпрессию. Многие мультиплексоры имеют встроенный скремблер потоков, поддерживающий CSA, алгоритм скремблирования, стандартизированный DVB. Такие мультиплексоры заводят в поток сообщения ЕММ и ЕСМ (последние – с помощью встроенного синхронизатора Simulcrypt) и различаются в основном количеством систем доступа, которые могут одновременно закрывать формируемый поток. Еще одна полезная, но сложно реализуемая функция мультиплексоров – цифровая вставка программ Digital Program Insertion (DPI), которая иногда еще называется Splicing. Эта функция позволяет мультиплексору, установленному на периферийной станции, вставлять местные программы или рекламные ролики без декодирования потока. Для ее реализации мультиплексоры должны поддерживать два стандартизированных протокола. Один из них, SCTE 35 (DVS 253), определяет формат меток, указывающих в потоке место будущей врезки. Второй, CSTE 30 (DVS 380), регламентирует протокол обмена между сервером, на котором хранится врезаемая программа, и мультиплексором (или другим устройством с поддержкой цифровой вставки рекламы). Цифровую вставку поддерживают все аппараты семейства Cherry Picker, последние мультиплексоры Thomson NetProcessor 9030/40, платформы DCM от Scientific-Atlanta и ProStream 2000 от Нarmonic. После долгого ожидания “сплайсер” появился и в семействе IVG Scopus’a, где эту функцию вынесли в отдельное устройство – IVG 7500. Среди функций следует также упомянуть возможность введения в мультиплексоры данных в IP формате, не относящихся к телевизионному потоку. Ее поддерживают все мультиплексоры, но скорости, режимы и интерфейсы ввода могут сильно различаться. Эта функция не имеет отношения к способности мультиплексора работать в IP среде. Мультиплексор для IP сетей имеет входные и/или выходные интерфейсы IP/Ethernet и с большей или меньшей степенью обязательности поддерживает ряд функций, которые рассмотрены в следующем параграфе. Мультиплексоры, предусматривающие возможность использования в IP сетях, поддерживают ряд транспортных протоколов IP стека. Во-первых, это “вещательный” протокол UDP (User Datagram Protocol), в дополнение к которому многие мультиплексоры поддерживают RTP (Real time transport Protocol). Последний добавляет информацию, в частности порядковый номер пакета и метки времени, которые могут использоваться другими механизмами для обеспечения QoS. Для вещательного телевидения Pro-MPEG Forum разработал систему помехоустойчивого кодирования FEC Code Of Practice #3, позволяющую восстанавливать потерянные пакеты и использующую для этой цели возможности RTP протокола. Некоторые из последних мультиплексоров, от Thomson и Harmonic, поддерживают кодирование FEC COP#3. Во-вторых, все мультиплексоры обладают возможностью многоадресного вещания (multicast). Это означает, что они умеют формировать мультикастовый IP адрес и поддерживают одну из версий протокола IGMP (Internet Group Managing Protocol), управляющего подключением клиентского оборудования к мультикастовым группам. Мультиплексоры создают сообщения SAP (Session Announcement Protocol) для информирования потенциальных членов мультикастовой группы о содержании потока, но нагрузка по маршрутизации потока на направления, в которых он затребован, ложится на сетевые устройства. Еще одно применение протокол IGMP находит на головных станциях с IP коммутацией устройств. Там мультиплексор использует этот протокол для “приглашения” кодеров, а кодеры, соответственно, для подключения к мультиплексору. Задачи маршрутизации мультиплексоры обычно возлагают на внешний маршрутизатор. Кажется, единственное исключение составляет NetProcessor 9030/40, у которого в спецификации указана поддержка RIP и OSFP. Эти протоколы используются маршрутизаторами для создания и динамического обновления картины сети, а также для последующего выбора оптимальных маршрутов отправки. Более распространенной функцией, поддерживаемой IP мультиплексорами, является умение работать с VLAN (поддержка протокола IEEE 802.1q), которые практически всегда используются для передачи потокового видео, так как предоставляют механизмы безопасности и управления полосой канала. Многие мультиплексоры также умеют считывать информацию о приоритете потока, формируемую по протоколу IEEE 802.1p. Он предусматривает возможность назначения восьми приоритетов для разных потоков, а конкретные требования, соответствующие приоритетам, программируются отдельно в сетевых устройствах, в том числе и в мультиплексорах. По идее, мультиплексоры c IP и АТМ интерфейсами должны также уметь взаимно переконвертировать требования QOS, заданные в IP и АТМ сетях, как это делают DSLAM’ы. Кроме того, в IP сетях возможны более многообразные варианты наложения условного доступа, нежели в сетях DVB. В частности, в качестве алгоритма скремблирования там может использоваться не 3DES, а AES, и само скремблирование может налагаться не только на поток MPEG-2 TS, но и непосредственно на видео- аудиопотоки или на IP пакеты. Видео и аудио закрывается еще до подачи потоков на мультиплексор, а скремблирование IP пакетов может выполняться вместе с мультиплексированием. Реализация альтернативных вариантов скремблирования не слишком трудоемка и также поддерживается некоторыми аппаратами. Еще одна важная функция IP мультиплексоров – степень компенсации джиттера, чаще всего указывается как длительность компенсируемого отклонения и приводится в мc. Глубина компенсации, как уже отмечалось, зависит от объема буфера. В заключение еще раз отметим, что этот материал задуман как проясняющий суть основных характеристик мультиплексоров. Все примеры, касающиеся конкретных аппаратов, основаны на данных кратких спецификаций, которые могут не полностью отражать функциональность аппарата. Кроме того, большинство мультиплексоров постоянно модернизируется. Поэтому просим не воспринимать иллюстрирующие примеры как справочную информацию о возможностях конкретных моделей. |
