CC BY
120
Анализ времени переключения каналов IPTV
Ключевые слова: протокол IP, телевизионные каналы, задержки, переключение каналов.
Цифровое телевидение в сетях передачи данных по протоколу IP (технология IPTV — Internet Protocol Television) находит все более широкое применение по всему миру, в том числе, в России. Главным достоинством IPTV является интерактивность и возможность предоставления пользователям широкого набора дополнительных услуг, связанных с потреблением контента. При просмотре телевизионной программы во время рекламной паузы пользователь может переключаться на просмотр программ по другим каналам. Технология использует многоадресную передачу и проблема заключается в том, что в приставках STB (Set-Top-Box) пользователю немедленно доступно только часть каналов и задержки при переключении каналов неизбежны, когда пользователь выбирает новый канал. Форум DSL (Digital Subscriber Line) рекомендовал, чтобы время переключения каналов не превышало двух секунд. Pассмотрены схема и алгоритм переключения каналов, процедура обмена сигнальными сообщениями, параметры задержек на различных участках тракта, процедура оценки суммарной задержки при переключении каналов. По результатам расчетов построены зависимости длительности переключения каналов от таких параметров, как число пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал, размер групп видеокадров, доля потока IPTV в общем трафике в сети доступа.
Али Раад А.М.
Аспирант кафедры Сети связи и системы коммутации МТУСИ, raad alselwi@mail.ru
Введение
Быстрое распространение высокоскоростного доступа в Интернет на базе широкополосных сетевых технологий разрушает стену между телекоммуникациями и вещанием [1]. IPTV является одним из ключевых приложений на телекоммуникационном рынке, которое позволяет телефонным компаниям извлекать доходы из доставки видео по 1Р-сетям. В настоящее время идет активное коммерческое внедрение IPTV по всему миру [2].
IPTV представляет собой новую форму цифровых технологий телевидения [3]. В этой системе услуги цифрового телевидения доставляются потребителям через сеть инфраструктуры с использованием Интернет-протокола. IPTV относится к классу мультимедийных услуг, таких как телевидение, видео, аудио, текст, графика, данные. В IP-сетях удалось обеспечить требуемый уровень качества обслуживания и восприятия, безопасность, интерактивность и надежность [4]. IPTV использует многоадресную передачу и основная проблема заключается в том, что все каналы не могут быть одновременно переданы из-за нехватки пропускной способности сети между последним маршрутизатором и домашними шлюзами [5]. Таким образом, только часть каналов сразу же доступна на STB и задержки неизбежны, когда пользователь выбирает новый канал.
Общая процедура переключения каналов
Качество восприятия определяется как общая приемлемость приложения или службы, субъективно воспринимаемых конечным пользователем [6]. Клиенты хотят, чтобы переключение каналов IPTV было быстрым, без блокировок и каких-либо перерывов. С этой точки зрения качество восприятия (Quality of experience - QoE) является наиболее важ-
ным параметром для IPTV-услуг. Время переключения каналов рассматривается как ключевой элемент мегрической группы качества восприятия IPTV [7].
В соответствии с требованиями QoE DSL Forum, время переключения должно быть ограничено максимум 2 секундами [8-12]. ITU-T FG IPTV также рассматривает его как одну из QoE-метрик. Время переключения каналов, как правило, занимает до 1 секунды для MPEG-2 и целых 2 секунды -для H.264/MPEG-4 AVC. Время переключения каналов может быть определено как разница во времени между текущим просмотром канала и отображением первого кадра нового канала на экране телевизора. Таким образом, быстрое и надежное время переключения каналов является важным фактором в качестве восприятия в групповых системах 1PTV.
Время переключения канала состоит из времени обработки команды на переключение канала, сетевой задержки, STB задержки буфер-джитгера и задержки декодирования видео (рис. 1).
Время обработки команды - это задержка между моментом времени, когда пользователь начинает процесс выбора нового канала и моментом времени, когда сообщение IGMP (Internet Group Management Protocol) будет передано в сеть.
Сетевая шдержки - это время, необходимое для передачи запрошенного потока после передачи сигнала IGMP-регистрацня сообщения.
Задержка в буфере джиттера STB необходима, чтобы удалить запаздывания при передачи фреймов через Интернет.
Задержка декодирования видео вызвана тем, что сжатое видео не может быть расшифровано без 1-кадров при кодировании структуры групп видеокадров GoP (Group of Pictures).
Запрос на переключение канала преобразуется в STB в адрес группы многоадресной рассылки, который содержится в сообщении IGMP. При переключении канала процесс запускается конечным пользователем, если новый канал не доступен в домашнем шлюзе (HG - Home Gateway).
Процесс переключения каналов в традиционных вещательных службах, таких как спутниковые, кабельные или наземные, телевизор или STB может сразу отобразить вы-
бранный канал, когда пользователь изменяет при просмотре канал, потому что все каналы передаются одновременно конечным пользователям.
Рис. 1. Общая процедура переключения каналов
В системах IPTV все каналы одновременно не могут быть переданы IPTV-клиентам из-за отсутствия пропускной способности сети доступа. Использование различных мультимедийных услуг, таких как видео по запросу (VoD), с оплатой за просмотр (PPV) и других индивидуальных услуг видео требует увеличения пропускной способности сети доступа. Таким образом, пропускная способность сети доступа должна управляться эффективно, потому что для каждого канала требуется высокая пропускная способность.
Алгоритм переключения каналов IPTV
Основная идея алгоритма переключения каналов заключается в том, что когда пользователь переключается на другой канал и смотрит его менее одной минуты, от узла агрегации к пользователю снижается качество передачи. Через 1 минуту начинается передача видео высокого качества [5]. Алгоритм переключения каналов представлен на рис. 2.
Оценка времени переключения каналов IPTV
Архитектура сети IPTV приведена на рис. 3. Для оценки времени переключения каналов процесс был разделен на две части: выбор канала вне потока в узле агрегации и внутри потока. Внутри потока в узле доступа (Intra-stream) для переключения канала требуется лишь интервал времени для обработки команды, чтобы изменить указатель канала в узле доступа, используя менее качественное видео. Для поиска канала вне потока (Inter-stream) переключение каналов осуществляется обычным групповым методом.
Поток можно определить как последовательность пакетов с конкретного узла источника к конкретному узлу назначения. Так, в одно соединение TCP, TCP-пакеты данных представляют собой один поток, а ТСР-АСК-пакеты-второй поток.
Для оценки времени переключения каналов зададимся значениями следующих двух вероятностей: Р0- вероятность взаимодействия внутри потока каналов (intra-stream), Pi - вероятность того, что канал находится вне потока каналов в узле агрегации (inter-stream). Время переключения каналов можно оценить по следующей формуле:
^пер. Ро ' ^AS ^буф. дж.
Где Опср - время переключения каналов; Д.,х - общая задержка переключения каналов с использованием обычных передач; Ц,ф. - задержки переключения каналов при скачивании потока из узла агрегации; Дъф.д*. - задержка в буфере джиттера.
Отправка ыаео высокого качеств а в буфер STB
Рис 2. Алгоритм переключения каналов
IPTV гернерм
приложении
Я.іро IP / MPLS
^ Исходящий поток
-------► В.ЧОЛЯІ1ІИЙ поток
ЬсП'ІНЇИ. I
Гбнг/с
V им мі ретини
N“"
У іел лосі уп а (.іомашіїніі ІІІ.ООІ)
STB іо.іьюііаіе.іей)
No*m. польз.
Рис. 3. Архитекту ра сети IPTV
Общая задержка переключения каналов ВА5 может быть рассчитана следующим образом:
Д45 = вперед. ^комм. ^1СУ.Р ^мульт.
где 0-еред - задержка передачи; Окомм - коммутационные
задержки; 0,СЧР ~ длительность передачи сообщений
ЮМР; £>мульт - задержка в цифровом мультиплексоре.
Совокупная задержка переключения каналов вне потока 0агр может быть выражена как:
^агр. ^буф. ^сиг. ^GoP
(3)
Оси, =
JCKOp.
(4)
где Д//сир - размер пакета IGMP-сообщения; /V4V - число
узлов доступа; N _ - число активных пользователей;
* * акт.поль.
^ скор — скорость опорной сети; и, с1 - соотношение скорости движения исходящих и входящих ЮМР-сообщений; Вг - реальное соотношение пропускной способности,
используемой ЮМР сообщениями.
Задержка в буфере 5ТВ определяется из следующего выражения:
Нг 1- Нг2. Сг. ^ д.
гг • Мг.
^буф.
И,
сжатие видео
Lra- (і Рдр.)- (1 RlPrv)
(5)
где НгГ Нг2 ~ горизонтальное и вертикальное разрешение видео; Cj.Fj.H,
сжатие видео
интенсивность цвета изображений и кадра, скорость сжатия видео; Мйор — длительность групп видеокадров: — скорость линии между узлом дос-
тупа и узлом агрегации; рдр - доля трафика других услуг; Я[РТУ - соотношение, используемое для передачи потокового 1РТУ.
Соотношение, используемое для передачи потокового 1РТУ, может быть оценено следующим образом:
R
.. NK„. N,
IPTV
MPEG' iYKaH* *¥кан.поль.
Lra~ (.Lra-Ряр.) полоса пропускания видео MPEG;
где В
N,
просмагриваюг один и гот же канал.
MPEG
к число пользователей, которые одновременно
Исходные данные для оценки времени переключения каналов приняты на основе статистики Cisco и Agilent Technologies [6] и приведены в табл. 1. Стандартном ТВ (SDTV), MPEG-2 предусмотрено видео с разрешением 920x782, телевидение высокого качества (HDTV) MPEG-4 -1080x1920.
Таблица 1
11араметры, используемые в расчетах времени переключения каналов
где D6yф — задержка в буфере STB; Д.нг — задержка передачи сигнализации IGMP; DCoP - длительность группы видеокадров.
Группа видеокадров GoP (Group of pictures,) обычно начинается с видеокадра типа 1 и заканчивается видеокадром любого типа, за которым следует видеокадр типа 1 следующей группы, т. е. несколько видеокадров типа I, Р, В можно объединять в группу, называемую GoP. Размер и структура группы не определяются стандартом, однако на пракгике многие приложения основаны исключительно на фиксиро-ванности структуры GoP. Например, для достижения заданного субъективного качества изображения структура I, I, I, 1... требует скорости битового потока в 2.5-3 раза большей, чем структура I, В, В, Р,...
Задержка передачи IGMP-сигнализации может быть оценена следующим образом:
MiGMP - Nan-"акт.поль. , IGMP . AN' акт.ноль.
Параметр Значение
Задержка в буфере джиттера, 05уф 150 мс
Задержка передачи, Q 80 мс
Коммутационные задержки, D мч 2 мс
Длительность передачи сообщений ЮМР. D/gmp 20 мс
Задержка в цифровом мультиплексоре DSLAM, ^мульт. 50 мс
Скорость линии между узлом доступа и узлом агрегации, Ьдд 100 Мбит/с
Скорость опорной сети, LCKOf 1 Гбит/с
Соотношение скоростей движения исходящих и входящих ЮМР-сообщений, U, d 0.01
Размер пакета ЮМР- сообщения. 1 * ш1иМН 64 бит
Число узлов доступа, Ыдм 3
Число активных пользователей, 50
Горизонтальное и вертикальное разрешение Ц LI видео, **rli г2 920 х 782
Интенсивность цвета изображений и кадра, скорость сжатия видео, C1(F1(HCJ1(aT„eвидео 8, 30, 30
Скорость видео MPEG, BMPEG 4 Мбит/с
Число каналов. Nliail. 30
Число пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал, Мкан. поль. 1 9
Длительность групп видеокадров, м 400,1400,2400мс
Реальное соотношение пропускной способности, используемой ЮМР сообщениями, Вг 550
Доля трафика других услуг, 0 0.7
Длительность групп видеокадров, DGoP 450, 900 мс
Вероятность взаимодействия вне потока (interstream Р, >11 0.3, 0.6
Результаты расчёта времени переключение каналов от числа пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал, приведены на рис. 4.
Как видно из рис. 4, при увеличение числа пользователей /Укан поль , которые просматривают один и тот же канал одновременно, время переключение каналов увеличивается, от 0,17 с, при группы видеокадров 450 мс, до 0,197 с, и
от 0,183 с, при £)СоР 900 мс, до 0,21 с. Из графика видно, что при Мкзм П01Ь больше чем 6 пользователей время переключение каналов резко увеличивается.
Было исследовано влияние вероятности Р1 на время переключения. Полученные результаты представлены на рис. 5. Как видно из рисунка, при загрузки канала из узла доступа Р1 = 0,3, время переключение каналов увеличивает-
ся при увеличении числа пользователей от 0,309 до 0,576 с при йСоР = 450 мс, и от 0,444 до 0,711 с при 0СоР = 900 мс.
В случае загрузки канала из узла агрегации при Р1 = 0,6, время переключение каналов увеличивается от 0.463 сек до
0,617 с при 0СоР = 450 мс, и от 0,733 до 0,887 с - при
0СоР = 900 мс как показано на рис. 6. Из ірафика также
видно, что в случай N _ больше чем 6 пользователей,
КвЛ > ПОЛО*
время переключение каналов резко увеличивается.
Рис. 4. Зависимость времени переключение каналов Бпер от ^кан п ~ числа пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал при 0С1оР = 450 и 900 мс и при Р1 = 0
Ккан. поль.? при Р1 = 0.3
Рис. 5. Зависимость времени переключение каналов Ояер от , число пользователей которые одновременно просмат-
Кап. ПОЛЬ.
рнвают один и тот же канал при Р1 =0,3
I GoP = 450 lie
0.833
0.667 8 u. 05 3oP = 900
& 5 0J33
0.167
0 12 3 4 5 6 7
Ыкан. поль. • при Р1 =0.6
Рис. 6. Зависимость времени переключение каналов от
Мкзн П01Ь. число пользователей которые одновременно просматривают один и тот же канал при Р! =0,6
Выводы
Значение времени переключения каналов Dne„ увеличивается почти в два раза при увлечение DCoP с 450 до 900 мс.
Использование различные групп видео кадров позволяет контролировать время переключение каналов.
Число пользователей Д/кан , которые просматривают одновременно один и тот же канал, влияет на время переключение каналов.
Время переключение каналов зависит от того, загружаются каналы из узла доступа или из узла агрегации. При загрузке из узла агрегации время переключение почти в два раза больше, чем при загрузке из узла доступа из-за больших задержек на уровне агрегации.
Полученные результаты соответствуют значениям, которые определены МСЭ-Т и DSL-форумом. Допустимое время переключения каналов в случае IPTV для потоков MPEG-2 не должно превышать 1 с, и целых 2 с — для потоков MPEG-4.
Литература
1. Cbae YL. Chang КН. Kang YL (2010). Reducing Channel Zapping Time in IPTV Based on User’s Channel Selection Behaviors. IEEE Trans. Broad 56(3): 321-330.
2. H. Joo. H. Song. D.B. Lee. I. Lee. “An Effective IPTV Channel Control Algorithm Considering Channel Zapping Time and Network Utilization,” Broadcasting, IEEE Transactions on, 2008, art. no. 4446230. pp. 208-216.
3. International Telecommunication Union Focus Group on IPTV
(2007). ITU-T IPTV Focus Group Proceedings 2007. |Online]. Available http://www.itu.int/pub/T-PROC-IPTVFG-2007.
4. Hyunchul J. Hwangjun S. Dai-Boong L. Inkyu L (2008). An Effective IPTV Channel Control Algorithm Considering Channel Zapping Time and Network Utilization. IEEE Trans. Broad 54(2):208-216.
5. Sibel Maikop. Erdem Uqar and Rafet Akdemz. Improving QoE in multicast IPTV systems: Channel zapping times. Scientific Research and Essays Vol. 7(35). pp. 3107-3113,6 September, 2012
6. B. Dekeris. L. Nurbutaite. IPTV Channel Zap Time Analysis // Electronics and Electrical Engineering. - Kaunas: Technologija, 2010. -No. 10(106).-P. 117-120.
7. International Telecommunication Union Focus Group on IPTV
(2008). ITU-T IPTV Focus Group Proceedings 2008. [Online]. Available: http://www.itu.int/pub/T-PROC-IPTVFG-2008.
8. Siebert P (2009). Analysis and Improvements of Zapping Times in IPTV Systems. IEEE Trans. Broad 55(2):407-418.
9. K. Link. W. Sun. “Switch Delay Analysis of a Multi-Channel Delivery Method for IPTV,” 2008 4th IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications, 2008, ICCSC, art. no. 4536798, pp. 471-476.
10. Recommendation ITU-T G1080. Quality of experience requirements for IPTV services, 2008. — 44 p.
11. Begic Z. Bolic M. Bajric H (2008). Effect of Multicast on IPTV Channel Change Performance. 50th International Symp.-ELMAR.
12. DSL Forum, “Triple-play Services Quality of Experience (QoE) Requirements," DSL Forum, Tech. Rep., Dec. 2006, DSL Forum, Tech. Rep. TR-126.
Analysis of channel zapping time IPTV Ali Raad A.M.,
PhD student of communication networks and switching systems department of MTUCI,
raad_alselwi@mail.ru
Abstract
The digital television in data transmission networks under the IP protocol (IPTV technology - Internet Protocol Television) finds more and more broad application worldwide, including, in Russia. The main advantage of IPTV is interactivity and possibility of granting to users of a wide set of the additional services connected with consumption of a content. When viewing the television program during a commercial break, the user can switch over to viewing of programs on other channels. The technology uses multicast transmitting and main problem is that in prefixes of STB (Set Top Box) is immediately available to the user only part of channels and a delay when switching channels are inevitable when the user chooses the new channel. DSL-forum (Digital Subscriber Line) recommended that time of switching of channels didn't exceed two seconds. In work the scheme and algorithm change channels, signaling messages exchange procedure, the parameters of delays at various sites tract, the evaluation procedure of the total delay when switching channels were considered. By results of calculations dependences of duration of switching of channels on such parameters, as number of users who at the same time were watched through the same channel, the size of GoP(Groups of Pictures), a share of a stream of IPTV in the general traffic in an access network were constructed.
Keywords: IP protocol, TV channels, delays, switching of channels.
Computer calculation of backbone channels availability
I.Barkova,
FSUE ZNIIS, chief of department, barkova@zniis.ru T.Nikushina,
FSUE ZNIIS, engineer, nikushina@zniis.ru
Abstract
Increased requirements to the connection network reliability are defined by increasing of data stream and their importance. Telecommunication companies decide this problem by twofold, three-fold, or four-fold reliability for the main network links and hardware. As a result there are used multiple schemes of reliability. As a rule these schemes are irreducible i.e. it is impossible to use calculations based on serial-parallel schemes. At the same time unreasonable implementation of multiple reliability is able to substantial rise in cost for network building and its operation. In FSUE ZNIIS there is developed the principles of calculation and software for analytic form shaping for precise reliability calculation (availability rate) for connections with redundancy. The input data consists of multitude of node pairs making connections, and multitude of cross connections between all node pairs, and link and node availability in the network. In the issue we get analytic expressions computer calculation of backbone channels availability and calculated backbone channels availability rates. The software is designed on C#. In this article there is an example of calculation of backbone channels availability rate made in software.
Key words: principles, calculation, backbone channels availability rate, backbone.
