CC BY
163
Мобильное цифровое телевизионное вещание:
анализ технологий и бизнес-моделей
Тихвинский В.О.,
руководитель отделения "Информационные и телекоммуникационные технологии" РАЕН
Терентьев С.В.,
системный архитектор ОАО "МегаФон"
Введение
В условиях насыщения телекоммуникационного рынка и повышающейся конкуренции операторов развитие сетей мобильной связи и беспроводных сетей широкополосного доступа направлено, прежде всего, на расширение спектра услуг, предоставляемых абонентам и тем самым на повышение доли доходов от дополнительных услуг связи VAS. Новый "пласт" телекоммуникационных услуг основан на технологиях вещания, которые позволяют организовать вещание различного рода информации (текста, аудио, видео) в сетях вешания как одного стандарта, так и гетерогенных сетях связи и вещания с использованием различных стандартов и бизнес-моделей. Бурное развитие мобильного телевизионного вещания Mobile DVB в России сдерживается отсутствием сетей цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T, а также недостаточным покрытием территории сетями сотовой связи третьего поколения 3G.
Обзор технологий цифрового телевизионного вещания DVB
Технологии цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video Broadcasting) определены открытыми международными
Рис. 1. Стандарты цифрового телевизионного вещания
стандартами, которые разработаны интернациональным консорциумом из 270 организаций и опубликованы техническим комитетом JTC (Joint Technical Committee) Европейского института стандартизации электросвязи ETSI, Европейским электротехническим комитетом стандартизации CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) и Европейским радиовещательным союзом EBU (European Broadcasting Union) [1].
Стандарты цифрового телевизионного вещания DVB классифицируются в соответствии с используемыми каналам и средами вещания (рис.1) на:
• Спутниковое вещание (стандарты DVB-S, DVB-S2, DVB-RCS, DVB-SSP, DVB-SH);
• Кабельное (DVB-C);
• Наземное телевизионное (DVB-T);
• Наземное телевизионное вещание на мобильные портативные устройства (DVB-H).
Эти стандарты определяют технологии, протоколы физического и канального уровней систем вещания, форматы передаваемых данных. В настоящее время основным форматом телевизионного вещания является MPEG2. Взаимодействие между различными устройствами системы телевизионного вещания при передаче транспортных потоков MPEG2 осуществляется по трем видам интерфейсов: синхронный параллельный интерфейс SPI (synchronous parallel interface), синхронный последовательный интерфейс SSI (synchronous serial interface) и асинхронный последовательный интерфейс ASI (asynchronous serial interface). Эти виды цифровых интерфейсов используются для соединений аппаратуры телевизионных комплексов работающих по стандартам MPEG-2/ DVB. В этих интерфейсах используется три формата данных:
• транспортные пакеты MPEG-2 длительностью 1 88 байт (без помехоустойчивого кодирования);
• транспортные пакеты MPEG-2 длительностью 204 байта с помехоустойчивым ко-
дированием кодом РС (188, 16): 188 байт данных и 16 байт проверочных символов кода Рида Соломона (РС);
• транспортных пакетов MPEG-2 длительностью 204 байта без помехоустойчивого кодирования: 188 байт данных и 16 байт не используемых символов для сохранения непрерывности цифрового потока.
Рассмотрим основные особенности технологий мобильного телевизионного вещания для наиболее актуальных стандартов.
Технология наземного телевизионного вещания на мобильные портативные устройства DVB-H была одобрена ETSI в ноябре 2004 г. (спецификация EN 302 304). По своей сути DVB-H является расширением технологии цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T (DVB-Terrestrial) c учетом свойств и характеристик мобильных терминалов. Физический уровень технологии DVB-H (радиосигналы, методы передачи/приема и др.) аналогичен DVB-T. Основные отличия этих технологий относятся к протоколам более высоких уровней.
Использование технологии DVB-H позволяет пользователям сетей сотовой связи и сетей беспроводного доступа принимать цифровые телевизионные сигналы по каналам наземного цифрового вещания. При этом сигналы DVB-H в каналах наземного телевизионного вещания передаются параллельно сигналам DVB-T. Основные достоинства технологии DVB-H заключаются в следующем:
1. Уменьшение потребляемой мобильными терминалами энергии (видеопотоки DVB-H передаются в виде пакетов данных, разнесенных по времени, и мобильный терминал работает с "паузами"; излишняя мощность сигналов DVB-T используется для подзарядки батарей мобильного терминала).
2. Наличие дополнительного режима модуляции и кодирования MPE-FEC, который обеспечивает высокое качество приема данных с учетом мобильности и параметров экрана абонентского терминала.
3. Использование IP-протокола и, следовательно, возможность передачи на мобильный терминал IP-потоков аудио, видео и другого web-контента.
Суммарная скорость передачи данных в каналах DVB-H изменяется в пределах от 2 до 12 Мбит/с с учетом требований совмещенных каналов передачи аудио, видео, данных и зависит от вида модуляции (QPSK, 16QAM, 64QAM) и полосы пропускания (5, 6, 7 или 8 МГц). Теоретически DVB-H может обеспечить передачу на мобильный терминал от 15 до 25 видеоканалов при изме-
нении скорости передачи QVGA-кадров в диапазоне от 15 до 30 кадр/с.
Технология телевизионного вещания DVB-SH основана на решении Alcatel-Lucent, получившего название "Неограниченное мобильное телевидение". Это гибридное решение сочетает спутниковые и наземные компоненты сети (репитеры) и строится для выведения услуг мобильного телевещания на массовый рынок. Основные технические характеристики технологий DVB-H и DVB-SH приведены в табл. 1.
Технология телевизионного вещания DVB-H+ является гибридной (совмещает технологии спутникового и наземного вещания), использует S-диапазон. Подобными технологиями являются S-DMB, XM Satellite Radio, Sirius Satellite Radio. Для вещания в городах технология DVB-H+ предполагает использование наземных репитеров S-диапазона.
Технология телевизионного вещания DVB-SSP (Satellite Services to Portable Devices) разработана в июне 2006 г. и позволяет организовать вещание непосредственно на мобильные абонентские устройства.
Особенностью технологии телевизионного вещания DVB-RCS является наличие "обратного канала" на основе режима Множественного доступа с Разделением по времени MF-TDMA (Multi-Frequency Time-Division Multiple Access).
В настоящее время в Европе наиболее распространены технологии DVB-H и DMB.
Применительно к сетям сотовой связи стандартов GSM/EGPRS, UMTS можно рассмотреть технологию MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Service), разработанную в рабочих группах Партнерского проекта по сетям третьего поколения 3GPP и включенного в Релиз 6 на систему UMTS (2005 г.). Технология MBMS основана на трансляции мультимедиа контента од-
новременно нескольким получателям по одному каналу вещания. В качестве канала вещания используется канал сети сотовой связи. Для MBMS предусмотрены два режима вещания: Broadcast — широковещательный режим всем пользователям в определенной зоне и Multicast — групповое вещание только определенной группе абонентов, которые подписаны на данную услугу. Услуга MBMS в сетях CDMA носит название Broadcast Multicast Service (BCMCS).
Особенности технологии мобильного цифрового телевизионного вещания DVB-H
Сети вещания на основе стандарта DVB-H позволяют передавать мультимедиа данные на мобильные терминалы GSM/GPRS, UMTS (рис. 2).
Как показано на рис. 2, в формировании транспортных потоков TS (Transport Stream) передаваемого DVB-T сигнала в сети мобильного вещания DVB-H задействованы следующие модули [4-5]:
• MPEG 2 — модуль передачи цифрового видео формата MPEG2;
• DVB-T модулятор — модуль, предназначенный для формирования радиосигнала;
• DVB-H IP-инкапсулятор — модуль, предназначенный для встраивания (инкапсуляции) передаваемых IP-данных в транспортный поток MPEG-2 стандарта DVB-T. Инкапсуляция осуществляется с помощью протокола MPE.
• MPE-FEC (Forward Error Correction) — модуль прямой коррекции ошибок (FEC). В нем передаваемые данные кодируются M-ичным помехоустойчивым кодом Рида-Соломона, обеспечивающим требуемое качество приема. Данный код позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, наложенные на информационную последовательность в канале связи.
Таблица 1
Основные технические характеристики технологий DVB-H и DVB-SH
Стандарт Модуляция Частотный диапазон Полоса сигнала Комментарий
DVB-H 2к, 4к или 8к COFDM QPSK, 16QAM, 64QAM 470-890 МГц 5-, 6-, 7- или 8 МГц При совмещении с GSM только до 750 МГЦ
DVB-SH SH-A: 1к, 2к, 4кили 8к COFDM QPSK, 16QAM SH-B: TDN (спутниковый канал) QPSK, 8PSK, 16APSK + C0FDM (наземный канал) 2.17-2.2 ГГц (S- диапазон) 1.7-, 5-, 6-, 7-или 8 МГц Вблизи с диапазоном UMTS
Режимы модуляции в табл. 1 (1к, 2к, 4к и 8к) определяют параметры радиоинтерфейса: количество используемых несущих, пространственное разнесение несущих, длительность элементарного периода Т, длительности символа Ти, защитного интервала Тд и др.
ОУВ-Н Демодулятор I - особенности 0\/8-Н
Рис. 2. Структурная схема передачи РУБ-Т сигнала в сети РУБ-И
• MPE (Multiprotocol Encapsulation) — протокол инкапсуляции датаграмм сетевого уровня модели OSI. Он преобразует IP-датаграммы в MPE-секции с добавлением соответствующих MAC-адресов. Максимальный размер встраиваемых IP-датаграмм (включая заголовки) — 4080 байтов.
Кроме того, технология DVB-H реализует функции:
• формирование временных интервалов передачи (Time-Slicing) в IP-инкапсуляторе путем преобразования передаваемой информации в видеоимпульсы малой длительности и формирования пакетов данных, разнесенных по времени передачи. При этом каждый пакет содержит информацию о времени передачи следующего пакета. Целью данного преобразования является временное разделение источников видеоданных, уменьшение средней потребляемой мощности абонентских терминалов и предоставление возможности осуществления мягких хэндоверов.
• манипуляция передаваемых радиосиг-
налов с различными скоростями манипуляции при передаче данных. В соответствии с выбранными режимами 8k, 4k, 2k, определяющими скорость OFDM-манипуляции (Бод) выбирается ширина спектра передаваемых радиосигналов и количество несущих группового спектра. Для DVB-H характерно использование режима манипуляции 4k, являющийся компромиссом между режимами 2k и 8К.
• формирование транспортного потока сигнализации (Transport packet stream — DVB-H TPS), в который с помощью MPE-протокола добавляются параметры сигнализации TPS (Transmitter Parameter Signalling).
В технологии DVB-Н реализована возможность подзарядки батарей питания абонентских терминалов от определенных участков их электрической цепи радиоприема за счет использования запасов мощности радиосигналов, передаваемых по прямому каналу, а также возможность адаптации скорости передачи видео данных DVB-H к скоростям движения абонентов.
Однако, роль оператора сети сотовой связи GSM/GPRS/UMTS в сети мобильного вещания с использованием технологии DVB-H является весьма ограниченной (рис. 3). Услуга мобильного вещания в основном будет оказываться оператором наземного телевизионного вещания DVB-T, а оператор сети сотовой связи будет осуществлять лишь информационную и рекламную поддержку вещания, а также в отдельных случаях предоставлять доступ к вещательным каналам.
На структурной схеме обозначены элементы:
• BCP (Broadcast Content Provider) — оператор мобильного вещания;
• ISP (Internet Service Provider) — оператор сети Интернет;
• BSP/ISP -платформа — платформа согласования функций доменов BCP и ISP для обеспечения мобильного вещания.
• MUX — мультиплексор (уплотнитель).
Такая схема оказания услуги изначально
не подразумевает того, что оператор сети сотовой связи является "хозяином" положения и не позволит ему ощутимо повысить ARPU. С этой точки зрения целесообразно развитие технологии MBMS, где оператор сотовой связи является, помимо контент-провайдеров, единственным "участником" бизнес-модели оказания услуги.
Особенности технологии вещания MBMS
в сетях сотовой связи
Сегодня качество мультимедиа вещания в сетях сотовой связи довольно низкое, а стоимость услуги высокая. Это связано, в первую очередь, с неэффективным использованием ресурсов сети в режиме unicast (point-to-point). Технологии, используемые в MBMS, позволяют оптимизировать использование сетевых ресурсов вследствие выделения одного канала вещания нескольким абонентам. Главным элементом в архитектуре сети сотовой связи для оказания услуги MBMS является центр BM-SC (Broadcast Multicast Service Center) [2], который, в свою очередь, подключается к базовой сети оператора через шлюз GPRS (GGSN). Центр BM-SC осуществляет функции обработки запросов пользователей, инициации, управления и прекращения соединения, а также может выступать в роли входной точки для третьей стороны (контент-провайдера), желающей предоставлять свои услуги через систему MBMS вещания оператора.
MBMS разрабатывалась для сетей 3G, но благодаря технологии EDGE может быть
ВСР
DBV
і In
ISP
BCP/ISP-платформа
Базовая Сеть
сеть радиодоступа
Абонентский UMTS терминал
DVB-UMTS
Мобильная сеть UMTS и/или GSM/GPRS
Рис. Э. Архитектура сети мобильного вещания DVB-H
Рис. 4. Обобщенная схема и режимы работы системы вещания с использованием технологии МБМБ
Таблица 2
Специализированные каналы вещания в UMTS, введенные 3GPP
Наименование канала Тип канала
Пояснение
MICH (MBMS notification Indicator Channel)
MCCH (MBMS point-to-multipoint Control Channel)
физический физический качал информирующий абонентский
терминал (АТ) о всех изменениях информации канала
_____________МССН____________________________________________
логический логический канал управления, предоставляющий АТ _____________данные новых и существующих MBMS сессий_________
МТСН (MBMS point-to-multipoint Traffic Channel)
логическии логическии канал, используемыи для передачи _____________данных MBMS приложений______________________
MSCH (MBMS point-to-multipoint Scheduling Channel)
логическии логическии канал, используемыи для передачи ______________информации о канале МТСН____________________
реализована и в сетях 2,5G. Используя базовую IP-сеть оператора, в которой уже реализовано индивидуальное мультимедиа вещание по запросу, MBMS позволяет на тех же технических мощностях и с той же скоростью реализовать мультимедиа вещание сразу нескольким абонентам, резко снижая себестоимость услуги.
Технология MBMS не зависит от сети радиодоступа (рис. 4) Единственным ограничением является возможность выделения необходимого ресурса сети радиодоступа под каналы MBMS. В сети UMTS для технологии MBMS введены новые каналы (один физический и три логических, табл. 2) [3].
При использовании технологии MBMS, согласно Rel' 6 спецификаций 3GPP, одна ячейка в полосе 5 МГц может поддерживать до 16 MBMS-каналов типа точка-многоточка (случае, если используется терминал с одной приемопередающей антенной). При этом пользователю предоставляется скорость передачи данных 64 кбит/с по каналу вещания. В WCDMA для MBMS введены специальные каналы.
Технология MBMS позволяет оптимизировать загрузку сети и затрагивает функционирование сети радиодоступа RAN и базовой сети CN. Для соединений mul-
ticast предполагается использование двух режимов:
• Broadcast mode — широковещательный режим для вещания всем абонентам, находящимся в зоне вещания;
• Multicast mode — режим вещания группе абонентов в соответствии с подпиской.
Использование режима PTM (point-to-mul-tipoint) значительно оптимизирует использование ресурсов сети (рис. 5).
Архитектура MBMS реализована с использованием двух интерфейсов (рис. 6), соединяющих шлюз GGSN и сервер вещания BM-SC:
• интерфейса Gi для передачи данных вещания;
• интерфейса Gmb для передачи управляющей информации.
Передача управляющей информации по интерфейсу Gmb реализована с помощью протокола DIAMETER (рис. 7). Для передачи информации вещания используется протокол передачи данных в реальном времени RTP (рис. 8).
В качестве BM-SC может использоваться платформа, имеющая следующие свойства:
• высокая производительность и масштабируемость;
• Поддержка различных технологий DRM (SDC Java DRM, MSFT DRM, OMAx, Adobe и т.д.);
• Поддержка различных форматов вещания (WMA, ACC+, MP2, MP3, MP4, Ogg Vorbis);
• Поддержка различных каналов вещания (мобильные, фиксированные, Интернет);
• Вещание на различное пользовательское оборудование (телефоны, PDA, PC, компактные плееры STB);
• Поддержка различного мультимедиа контента (аудио, видео, "обои" (wallpaper));
• Автоматическое форматирование и загрузка контента.
Выводы
В ближайшей перспективе абонентам сетей мобильной связи будет предложено множество услуг, основанных на использо-
Рис. 5. Оптимальное использование ресурсов сети сотовой связи при MBMS в режиме PTM: а — вещание Unicast (соединения типа "точка-точка"); б — вещание Multicast (соединения типа "точка-многоточка")
Рис. б. Архитектура сети UMTS с режимом MBMS
вании, вероятнее всего, технологии MBMS. Это, прежде всего, связано с быстрыми темпами внедрения сетей 3G. Так, например, ОАО "МегаФон" с октября 2007 г. уже предоставляет услуги 3G абонентам Санкт-Петербурга. Кроме того, в разработке сетей сотовой связи следующего поколения LTE
(3.750) технологии МВМБ уделяется особое внимание.
Успех использования МВМБ на телекоммуникационном рынке определяется гибкостью бизнес-моделей, максимально учитывающих потребности абонентов:
• Использование различных вариантов
оплаты услуги: гибкая подписка абонентов на услуги по времени и стоимости, подписка на определенный тип контента.
• Использование коммерческой модели super-distribution для распространения мобильного цифрового контента на основе использования подхода Р2Р при условии соблюдения авторских прав провайдера контента. Данная технология расширяет канал распределения и позволяет использовать сеть с большей выгодой, в том числе за счет сокращения затрат на рекламу. Модель распространения: пользователь данной услуги может отправлять данные (телефонные мелодии, музыку, видеоклипы, статьи, фильмы, интерактивные игры и программы) другим людям через MMS, Bluetooth или другими способами. Затем получатель может активировать контент, запросив через SMS ключ активации у провайдера контента или оператора мобильной сети. Пользователи, распространяющие контент другим пользователям, получают от оператора вознаграждение по схеме разделения доходов или в форме накопительных очков.
• Организация доступа к контенту через MMC-карты. Пользователю предоставляется пре-контент на MMC-карте. Имея специальное приложение, пользователь (даже находясь не в сети, например, в метро) может просмотреть (например, видеоролик в течение 30 с) и заказать контент. Скачивание происходит автоматически.
• Автоматическая загрузка контента в память телефона (например, ночью) при условии подписки абонента и др.
1 1 UE ! UTRAN і і і і і і SGSN 1 1 ! GGSN ! BM-SC і і і і і і і і
MBMS-SM PMM MBMS-SM PMM GTP-C DIAMETER
RRC RANAP
RLC Транспортные
протоколы Транспортные Транспортные
MAC протоколы протоколы
PHY
^------------------------------------------і---------------------------------------------і--------------------------------------г
I і і ■
Рис. 7. Протоколы плоскости управления MBMS (Control plane)
I I Г
Рис. 8. Протоколы плоскости пользователя MBMS (User plane)
Литература
1. Тихвинский В. О., Терентьев С.В. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS. — М.: Эко-Трендз, 2007. — 400 с.
2. 3GPPTS 22.146 Multimedia Broadcast/Multicast Service; Stage 1 (Release 6), V6.3.0, 2004-01.
3. 3GPP TS 25.346 Introduction of the Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) in the Radio Access Network (RAN); Stage 2, Release 7, 2007.
4. ETSI TR 102 401 Digital Video Broadcasting (DVB); Transmission to Handheld Terminals (DVB-H); Validation Task Force Report, V1.1.1, 2005.
5. ETSI TS 102 005 Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for the use of Video and Audio Coding in DVB services delivered directly over IP protocols, V1.2.1, 2006.
