СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ IPTV ПО КОЭФФИЦИЕНТУ BER В РЕЖИМЕ ТВ ВЕЩАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ASSESSING QUALITY OF DATA TRANSFER CHANNEL IN IPTV SYSTEM BY BER IN TV BROADCASTING MODE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к компьютерным системам и сетям IPTV, предназначенным для цифрового телевизионного (ТВ) вещания. В отличие от других цифровых систем ТВ вещания (эфирных, кабельных, спутниковых), наличие в IPTV интерактивных видео услуг и широкого набора дополнительных сервисов (видео по запросу, персональный видеомагнитофон и др.) делают его крайне привлекательным для абонентов.
Для предоставления решений, конкурентоспособных с другими областями цифрового ТВ, необходимо постоянно совершенствовать технологию построения систем и сетей IPTV и процессы, происходящие в них.
Большинство современных сетей IPTV ограничивается при построении только кодированием-декодированием источника информации. Отсутствие канального кодирования приводит иногда к значительным ошибкам на приеме из-за отсутствия возможности их исправления.
Кроме того, оценка качества работы компьютерной сети IPTV с помощью тестов по коэффициенту BER происходит при отключении ТВ вещания, т.е. при отсутствии постоянного мониторинга качества работы сети на реальном телевизионном сигнале. Учитывая пороговые свойства цифрового телевидения, провайдер не имеет возможности своевременного устранения причин, которые приводят к ухудшению качества приема данных.
В надпороговой области вещания качество изображения при приеме может оставаться без ухудшения, несмотря на возрастающий уровень битовых ошибок. При уменьшении некоторого запаса устойчивости по ошибкам при приеме необходимо оперативное устранение причин, вызывающих увеличение коэффициента BER, не допуская технических остановок и даже кратковременного ухудшения качества изображения в цифровом телевизионном вещании.
Эффективность цифровых систем и сетей передачи данных, в том числе сетей IPTV определяется скоростью передачи информации при заданном коэффициенте ошибок BER. При использовании в сетях IPTV канального кодирования появляется возможность исправления битовых ошибок и, следовательно, повышения пропускной способности канала передачи данных [1].
Известны способы оценки качества канала передачи данных по коэффициенту BER в режиме «In Servis» без отключения ТВ вещания в эфирных системах цифрового телевизионного вещания с использованием тестовой псевдослучайной последовательности, передаваемой в нулевых пакетах (см. [2] на стр. 62, раздел 9.16.1). Как известно [1], нулевые пакеты, изначально предназначенные для выравнивания скорости передачи информации, игнорируются при приеме ТВ вещания, что позволяет осуществлять оценку качества канала в режиме «In Servis».
Режим «In Servis» можно осуществить в системах IPTV с промышленными кодерами-стримерами [3], однако, способы достижения режима «In Servis» в эфирных системах ТВ вещания и в системах IPTV будут существенно отличаться.
Различные варианты способов диагностирования качества канала передачи данных имеются в классах изобретений H04N 19/107 (передача изображений), H04N 17/00 (диагностирование, испытание или измерение характеристик телевизионных систем или их элементов).
Наиболее близкий способ контроля качества компьютерных IPTV систем реализован в анализаторах BERcut-GE1/2, которые при тестировании используют стандартные псевдослучайные последовательности, стрессовые последовательности или задаваемые пользователем последовательности для имитации различных условий. Все последовательности включены в кадры для проверки Ethernet на уровне бит [4].
Недостатком известного способа оценки качества работы компьютерной сети IPTV с помощью тестов по коэффициенту BER является то, что измерения проводятся при отключении ТВ вещания, т.е. при отсутствии постоянного мониторинга качества работы сети на реальном телевизионном сигнале.
Целью предлагаемого изобретения является повышение качества и устойчивости работы систем IPTV с промышленными кодерами-стримерами благодаря использованию канальных кодеков и непрерывному мониторингу каналов передачи данных по коэффициенту BER без отключения ТВ вещания.
Использование в сетях IPTV канального кодирования повышает пропускную способность канала передачи данных. Оценка качества работы сети IPTV без отключения ТВ вещания позволяет автоматизировать процесс устранения причин, вызывающих увеличение коэффициента BER. Снижается вероятность технических остановок и кратковременных ухудшений качества изображения в цифровом телевизионном вещании.
На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующая предложенный способ оценки качества физического канала передачи данных в системе IPTV с промышленным кодером-стримером по коэффициенту BER в режиме ТВ вещания.
На фиг. 1 введены следующие обозначения:
1 - информационный поток, содержащий нуль пакеты, в формате IP от кодера-стримера (ИП),
2 - блок декапсуляции (ДЕК),
3 - исходная тестовая псевдослучайная последовательность (ПСП),
4 - блок формирования тестового сигнала (ФТС),
5 - кодер канала (КК),
6 - блок инкапсуляции (ИНК),
7 - физический канал передачи данных (ФК),
8 - блок декапсуляции (ДЕК),
9 - декодер канала (ДК),
10 - абонентская телевизионная приставка (АТП),
11 - блок формирования псевдослучайной последовательности на входе декодера канала (ПСП1),
12 - блок формирования псевдослучайной последовательности на выходе декодера канала (ПСП2),
13 - счетчик битовых ошибок (СО),
14 - блок вычисления коэффициента битовых ошибок (BER).
Сущность предлагаемого способа оценки качества канала передачи данных в системе IPTV с промышленным кодером-стримером по коэффициенту BER в режиме телевизионного вещания заключается в том, что информационный поток 1, содержащий нуль пакеты, в формате IP от кодера-стримера, входящего в состав передающей части системы IPTV, декапсулируется [5] в формат MPEG-2TS в блоке декапсуляции 2 и подается на вход блока формирования тестового сигнала 4, в котором записывается в нуль пакеты [2] исходная тестовая псевдослучайная последовательность 3; сформированный поток в формате MPEG-2TS с тестовой псевдослучайной последовательностью в нуль пакетах обрабатывается в канальном кодере 5; после инкапсуляции в формат IP в блоке инкапсуляции 6 передающей части системы IPTV информационный поток направляется в приемную часть системы IPTV по физическому каналу 7; в приемной части системы IPTV после декапсуляции в формат MPEG-2TS в блоке декапсуляции 8 информационный поток поступает на декодер канала 9 для исправления битовых ошибок, с выхода которого поток поступает на абонентскую телевизионную приставку 10; значения коэффициента битовых ошибок BER оцениваются в блоке вычисления коэффициента битовых ошибок BER 14 по значениям счетчика ошибок 13 при сравнении исходной тестовой последовательности 3 с тестовыми последовательностями в блоке формирования псевдослучайной последовательности на входе декодера канала 12 и в блоке формирования псевдослучайной последовательности на выходе декодера канала 11 без отключения телевизионного вещания.
При обработке канальных сигналов в цифровом телевидении применяют каскадное кодирование и декодирование. В качестве внешнего декодера применяют блоковый декодер ВСН (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem). Внутренним является декодер LDPC (Low Density Parity Check) с проверкой на четность. Эффективность кодеров, декодеров (кодеков) ВСН и LDPC значительно выше применяемых ранее кодеков Рида-Соломона и Витерби [1].
В устройствах с одним декодером имеется возможность оценивать значения BER до декодера и после декодера по значениям счетчика ошибок 13. С этой целью в блоках 11 и 12 из нулевых пакетов формируются псевдослучайные последовательности, позволяющие оценить количество битовых ошибок до декодера канала и после декодера, соответственно.
В счетчике ошибок 13 благодаря сравнению исходной псевдослучайной последовательности 3 с последовательностями, формируемыми в блоках 11, 12 за определенный промежуток времени, оценивается количество битовых ошибок до декодера канала и после декодера, затем вычисляется коэффициент ошибок BER в 14, т.е. отношение числа ошибочных бит на входе и выходе декодера к общему числу переданных бит.
Данный способ позволяет вычислять коэффициент ошибок в режиме визуального контроля телевизионного вещания с помощью абонентской телевизионной приставки 10, поскольку абонентская телевизионная приставка нуль пакеты игнорирует. Они предназначены изначально для выравнивания скорости потока и одновременно служат в данном способе для оценки BER без отключения телевизионного вещания.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет обеспечить повышение качества и устойчивости работы систем IPTV с промышленными кодерами-стримерами благодаря использованию канальных кодеков и непрерывному мониторингу каналов передачи данных по коэффициенту BER без отключения телевизионного вещания, т.е. позволяет решить поставленную задачу.
Предлагается также устройство, реализующее способ оценки качества канала передачи данных в системе IPTV с промышленным кодером-стримером по коэффициенту BER в режиме телевизионного вещания; новизна предлагаемого устройства заключается в том, что в передающей части системы IPTV в устройство дополнительно вводят формирователь тестового сигнала 4, на первый вход которого подают информационный поток 1, содержащий нуль пакеты, в формате IP от кодера-стримера, преобразованный в блоке декапсуляции 2 из формата IP в формат MPEG-2TS; на второй вход формирователя тестового сигнала 4 подают исходную тестовую псевдослучайную последовательность 3; сформированный информационный поток с тестовой псевдослучайной последовательностью 3 в нуль пакетах с выхода формирователя тестового сигнала 4 подают на вход кодера канала 5, выход которого подключен ко входу блока инкапсуляции 6; инкапсулированный информационный поток в формате IP с выхода блока инкапсуляции 6 подают в физический канал передачи данных 7; в приемной части системы IPTV информационный поток подают на вход блока декапсуляции 8, с выхода которого информационный поток в формате MPEG-ITS подают на вход декодера канала 9, выход которого подключен ко входу абонентской телевизионной приставки 10; нуль пакеты с тестовыми последовательностями со входа декодера канала 9 подают на блок формирования псевдослучайной последовательности на входе декодера 12, пакеты с тестовыми последовательностями с выхода декодера канала 9 подают на блок формирования псевдослучайной последовательности на выходе декодера 11; на первый вход счетчика ошибок 13 подают исходную тестовую псевдослучайную последовательность 3, второй и третий входы счетчика ошибок 13 соединены с выходами блоков формирования псевдослучайной последовательности 12, 11 на входе и выходе декодера канала, соответственно; выход счетчика ошибок 13 соединен с входом блока вычисления коэффициента битовых ошибок BER 14.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
На вход устройства подается поток в формате IP, содержащий нуль пакеты, от кодера-стримера, который предназначен для подключения телевизионного студийного оборудования, обеспечения приема спутниковых телевизионных каналов, кодирования в формате MPEG-4, формирования MPEG-2TS потока, который затем помещается в кадры IP и выдается на Ethernet интерфейс оконечных устройств.
Поскольку модернизация промышленно выпускаемого кодера-стримера требует значительных финансовых и временных затрат, цифровая обработка нуль пакетов осуществляется вне кодера-стримера. С этой целью осуществляется декапсуляция входного потока, сформированного в кодере-стримере. Полученный в результате декапсуляции поток MPEG-2TS содержит нуль пакеты, в которые записывают тестовую квазислучайную последовательность двоичного сигнала, необходимую для оценки качества канала передачи данных. Нуль пакеты помимо выравнивания скорости потока служат в данном устройстве для оценки коэффициента битовых ошибок BER без отключения телевизионного вещания, поскольку абонентская телевизионная приставка их игнорирует.
Промышленно выпускаемые кодеры-стримеры используют прямую UDP инкапсуляцию (direct UDP encapsulation).
Прямая UDP инкапсуляция TS-пакетов поясняется на фиг. 2.
Здесь UDP - User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм, IP header - IP заголовок, UDP header - UDP заголовок, TS header - TS заголовок, TS payload - TS полезная нагрузка.
Данный вид инкапсуляции используется в IP-сетях, к которым предъявляются жесткие требования по количеству потерянных пакетов, к величине джиттера и маршрутизации. Контроль очередности прихода пакетов осуществляется по счетчику непрерывности TS-пакетов.
При передаче IP пакетов по сети следует избегать фрагментации их на любом участке от сервера вещания до клиента. Максимальный размер полезного блока данных MTU (Maximum Transmission Unit), который может быть передан по протоколу IP, составляет 1500 байт.
В качестве полезной нагрузки UDP переносит целое число TS-пакетов. Один IP-пакет сможет вместить до 7 TS пакетов. Максимальный размер IP-пакета в данном случае составит:
20(IPHeader)+8(UDP Header)+7*188 (TS Packet)=1344 байт
Рассмотренный принцип работы блок-схемы устройства (фиг. 1), реализующего предложенный способ оценки качества канала передачи данных в системах IPTV с промышленными кодерами-стримерами по коэффициенту BER в режиме ТВ вещания, изложенный выше, вид инкапсуляции (фиг. 2) и принцип записи тестовой псевдослучайной последовательности в нулевые пакеты позволяют сделать следующие выводы:
- предложенный способ оценки качества канала передачи данных в системах IPTV по коэффициенту BER с промышленными кодерами-стримерами в режиме ТВ вещания является новым, явно не следует из уровня техники, имеет изобретательский шаг, т.к. добавлены новые стадии: декапсуляция потока в формате IP, вставка в нуль пакеты исходной тестовой псевдослучайной последовательности, оценка коэффициента битовых ошибок в режиме ТВ вещания;
- предложенное устройство является также новым и имеет изобретательский шаг, т.к. использованы новые элементы и их связи: блок декапсуляции 2, исходная тестовая псевдослучайная последовательность 3, блок формирования тестового сигнала 4, кодер канала 5, блок инкапсуляции 6, физический канал передачи данных 7, блок декапсуляции 8, декодер канала 9, абонентская телевизионная приставка 10, блок формирования псевдослучайной последовательности на входе декодера канала 12, блок формирования псевдослучайной последовательности на выходе декодера канала 11, счетчик битовых ошибок 13, блок вычисления коэффициента битовых ошибок 14;
- предложенные способ и устройство промышленно применимы и осуществимы, позволят повысить качество и устойчивость работы систем IPTV с промышленными кодерами-стримерами благодаря использованию канальных кодеков и непрерывному мониторингу каналов передачи данных по коэффициенту BER без отключения телевизионного вещания.
Литература
1. Карякин В.Л. Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов, 2-е изд., переработанное и дополненное/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-ПРЕСС, 2013. - 448 с.
2. ETSI TR 101 290 V1.3.1 (2014-07) Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for DVB systems // URL: http://www.dvb.org/standards (дата обращения: 24.03.2015). - 174 с.
3. Кодер-стример ITMS 0403_ 0803 // URL: http://keenvision.ru/hardware_and_software/streamers/itms-0403_0803/ (дата обращения: 24.03.2015).
4. Анализатор сетей Ethtrnet конвергентных решений BERcut-GE1/GE2 // URL: http://metrotek.ru/lib/pdf/BERcut/BERcut_GE/BERcut-GE.pdf (дата обращения: 24.03.2015).
5. Карякин В.Л. Анализ процессов инкапсуляции и декапсуляции видеопотоков в сетях IPTV для системы мониторинга /В.Л. Карякин, С.Г. Косенко, Д.В. Корякин// Инфокоммуникационные технологии, том 10, №3, 2012. - С. 47-54.