ANALYSIS OF TECHNOLOGIES TO PROVIDE MULTIMEDIA SERVICES TO MOBILE TERMINALS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 105
to 111
Status:
Published
Received:
05.01.2014
Accepted:
25.01.2014
Published:
25.01.2014
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.397.132.19
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 32.949
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.397.132.19
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 32.949
Language:
Russian
Keywords:
DVB-H, WiMAX, LTE, MBMS, multimedia broadcasting , IPTV
Abstract (English):
Modern information and communication technologies market is ready to meet any needs of the subscriber if they are accompanied by sufficient demand, and therefore, guarantee service provider not only return, but also profit. Multimedia broadcasting on portable devices such as smart phones or tablet computers is considered as one of such services. A review and comparison of technologies that implement this service, such as DVB-H, WiMAX and LTE is made. During the analysis the advantages and disadvantages of network architectures of these technologies are identified, the choice is justified in favor of technology LTE. The perspectives of providing multimedia services are considered, their prospects for telecom operators are explained and also possible scenarios for their implementation are suggested.
Modern information and communication technologies market is ready to meet any needs of the subscriber if they are accompanied by sufficient demand, and therefore, guarantee service provider not only return, but also profit. Multimedia broadcasting on portable devices such as smart phones or tablet computers is considered as one of such services. A review and comparison of technologies that implement this service, such as DVB-H, WiMAX and LTE is made. During the analysis the advantages and disadvantages of network architectures of these technologies are identified, the choice is justified in favor of technology LTE. The perspectives of providing multimedia services are considered, their prospects for telecom operators are explained and also possible scenarios for their implementation are suggested.
Keywords:
DVB-H, WiMAX, LTE, MBMS, multimedia broadcasting , IPTV
DVB-H, WiMAX, LTE, MBMS, multimedia broadcasting , IPTV
Введение В настоящее время главная задача, стоящая перед оператором сотовой связи на отечественном рынке, – не дать абоненту уйти к конкуренту. Достигнуть этой цели можно несколькими способами. Один из путей заключается в улучшении качества уже предоставляемых услуг. Другой подход – внедрение такой услуги, которая сделала бы предложение оператора уникальным. Предоставление услуг в виде пакета трех сервисов – передача данных, голосового трафика и видеоконтента – получило обозначение Triple Play. Переход же к стратегии Quadruple Play означает добавление к описанному выше свойства мобильности. Широкие возможности открывает перед оператором использование различных технологий, объединенных в гетерогенную сеть [1]. В частности, она позволяет сформировать единый пакет мультимедиауслуг, доступный как в проводных, так и в беспроводных сетях. Передачу видео можно организовать на базе доступа к Интернет в виде услуг OTT (Over the Top). Однако сам оператор в этом случае теряет значительную часть прибыли, поскольку выступает только посредником. Гораздо больший интерес представляет организация мультимедиавещания самим оператором. Отметим, что мультимедиа подразумевает под собой свойство интерактивности, и это требует двухстороннего обмена данными. Рассмотрим, каким образом возможно реализовать такую услугу для мобильных терминалов. Выделим две стратегии. Во-первых, организовать отдельную сеть для мультимедиавещания на мобильные терминалы. Для этого могут быть использованы технологии MediaFlo (Media Forward Link Only), DMB (Digital Media Broadband), DVB-H (Digital Video Broadcasting – Handled) [2]. Особенно популярной оказалась последняя [3]. Во-вторых, оказывать все услуги на базе одной сети беспроводной передачи данных (БПД). Технологии, созданные 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и WiMAX Forum, изначально проектировались с возможностью оказания услуг мультимедиавещания. 3GPP LTE (Long Term Evolution) и WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) повсеместно используются операторами связи, в том числе и в России. Цель исследования – определить оптимальный сценарий для предоставления услуг мультимедиавещания на мобильные терминалы. Для этого будут решены следующие задачи: 1. Рассмотрены технологии DVB-H, LTE и WiMAX в сфере передачи мультимедиаконтента. 2. Проанализированы их достоинства и недостатки. 3. Сделан обоснованный вывод об оптимальном решении. Технология DVB-H Технология DVB-H входит в состав стандартов, разработанных под общим обозначением DVB (Digital Video Broadcasting) интернациональным консорциумом из 270 организаций и опубликованных техническим комитетом JTC (Joint Technical Committee) Европейского института по стандартизации в области телекоммуникаций ETSI (European Telecommunications Standards Institute), Европейским электротехническим комитетом стандартизации CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) и Европейским радиовещательным союзом EBU (European Broadcasting Union). Напомним, что входящая в то же семейство стандартов технология DVB-T2 определена как технология создания цифрового телевидения на территории России. Физический уровень технологии DVB-H (методы приема и передачи) аналогичен DVB-T. Отличия между ними относятся к протоколам более высоких уровней. Их сигналы могут передаваться в одном мультиплексированном потоке, т. е. приемник DVB-H может принимать сигналы DVB-T. Видеопотоки DVB-H передаются в пакетном режиме, с разнесением по времени, что позволяет терминалу экономить энергию батареи. Поддержку мобильности обеспечивает также использование дополнительного режима модуляции и кодирования MPE-FEC (Multi Protocol Encapsulation Forward Error Correction). В качестве кодека используется MPEG2. Частотный диапазон ограничен рамками 470–890 МГц, а при ситуации одновременной эксплуатации с сетями GSM – до 750 МГц. Скорость передачи для DVB-H достигает до 12 Мбит/с в зависимости от используемой модуляции (QPSK, 16QAM, 64QAM) и полосы пропускания (5, 6, 7 или 8 МГц). Это позволяет передавать одновременно до 25 каналов видео разрешением 240 × 320 пикселей. По современным меркам это нельзя назвать приемлемым качеством. Ситуацию может изменить выход стандарта DVB-H2, однако его публикация пока задерживается [3–5]. К недостаткам этой технологии следует отнести также ее однонаправленность, т. е. сигнал передается только в направлении от базовой станции к мобильному терминалу, что ограничивает интерактивную составляющую услуги. Решением данной проблемы служит использование системы гибридной доставки мультимедийных услуг IPDC (IP Data Cast), при которой обратная связь осуществляется через каналы передачи данных GSRS, UMTS. Структурная схема этой системы представлена на рис. 1 [6]. Рис. 1. Архитектура сети мобильного вещания DVB-H На структурной схеме обозначены следующие 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) [3]. Для случая, когда оператор выполняет функции и мобильного вещания, и доступа к Интернету, BCP и ISP являются одной и той же организацией. Данная платформа уже была реализована несколькими операторами, в том числе на территории России компаниями «Вымпелком» под брендом «Билайн». Для этого абоненту предлагалось приобрести мобильный терминал с поддержкой DVB-H и заменить SIM-карту на совместимую. Однако услуга не имела коммерческой значимости, вследствие чего развитие DVB-H сети было свернуто. Главный недостаток данной технологии – необходимость строительства двух сетей для оператора и покупка специального устройства (число моделей которых ограничено) для абонента. С другой стороны, это же устройство сможет принимать и цифровой сигнал эфирного бесплатного телевидения. Однако это полностью лишает оператора дохода, для него остается только интерактивная составляющая и пакеты необщедоступных каналов. Технология WiMAX Технология WiMAX представляется двумя стандартами – IEEE-802.16d-2004 и 802.16e-2005, описывающими организацию фиксированного и мобильного доступа соответственно. Базовый сегмент, все то, что не относится к радиосети, основывается на протоколе IP и стандарте IEEE 802.3-2005 Ethernet. Канальный уровень поддерживает приоритизацию канала в режиме реального времени RTPS (Real Time Polling Service), что позволяет минимизировать задержки для сетей с поддержкой QoS (Quality of Service). В WiMAX используется мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), адаптивные схемы модуляции и исправление ошибок FEC (Forward Error Correction), модуляция QPSK, 16QAM, 64QAM и временное TDD (Time Division Duplex) и частотное FDD-(Frequency Division Duplex) дуплексирование. Поддерживается масштабируемая полоса пропускания, что является необходимым условием для услуг мультимедийного вещания. Это позволяет не тратить всю полосу на передачу видеоконтента, а совмещать ее с передачей данных. Технологией 802.16d используется диапазон 1,5–11 ГГц, она может обеспечивать скорость передачи до 75 Мбит/с. Для 802.16e эти показатели соответственно 2,3–13,6 ГГц и 40 Мбит/с. В технологии WiMAX предложена служба MBS (Multicast and Broadcast Service), служащая для групповой доставки и широковещательного обслуживания. Она обеспечивает низкое энергопотребление, малое время переключения каналов, а также поддержку сетей с одной несущей частотой SFN (Single-Frequency Network) в режиме передачи с использованием множества базовых станций. На рис. 2 представлена система передачи видео в таком случае. Рис. 2. Схема работы сети в режиме MBS WiMAX-сеть для мультимедиавещания реализует комплекс IPTV-услуг (Internet Protocol Television). Одноадресная доставка контента использует протокол TCP (Transmission Control Protocol), многоадресная и вещательная – UDP (User Datagram Protocol) [7, 8]. Очевидно, что WiMAX-сети пригодны для решения поставленной задачи. Аппаратного обеспечения, ориентированного на реализацию потенциала технологии в области мультимедиавещания, выпускается множество. Однако в настоящее время на рынке услуг БПД операторы предпочитают отказываться даже от уже развернутых сетей WiMAX в пользу сетей LTE. Ярким примером является российский оператор «Скартел» под брендом «Yota» [9]. Рассмотрим, чем вызвано это решение. Технология LTE Во многом популярность технологии LTE можно объяснить тем, что она является дальнейшим развитием сетей UMTS, которые реализованы операторами «Билайн», «МТС» и «Мегафон» в России. В дополнение к LTE проектом 3GPP предложена плоская архитектура сети на базе протокола IP, получившая название SAE (System Architecture Evolution). В качестве ее цели определена поддержка любых услуг на базе IP и непрерывность обслуживания абонента при его перемещении, в том числе и в сеть не-3GPP. Очевидна гибкость такой системы. Теоретически максимальная скорость доступа по линии вниз достигает 326,4 МБит/с. Так же, как и WiMAX, могут использоваться модуляция QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM (16-state Guadrature Amplitude Modulation), 64QAM и временное TDD и частотное FDD-дуплексирование. Ширина канала может достигать 20 МГц в полосе частот 1,4–20 ГГц. Технология постоянно совершенствуется, в настоящее время уже наметился переход от LTE к LTE-Advanced, который может без оговорок носить обозначение 4G и соответствует требованиям IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications). Техническое решение для мультимедийного вещания в сетях LTE именуется MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Service). Его поддержку осуществляет специальный сетевой элемент – BM-SC (Broadcast Multicast Service Centre). В качестве протокола доставки файлов используется FLUTE (File Delivery over Unidirectional Transport), а для защиты от ошибок – FEC. Функции MBMS и MBS у WiMAX довольно сходны. Эта технология также позволяет масштабировать используемую для вещательных услуг полосу пропускания или использовать ее целиком. Возможна и реализация SFN, и полная поддержка IPTV-услуг [2, 10]. Для передачи потокового видео используется протокол RTSP (Real-Time Streaming Protocol), транспортный протокол передачи в реальном времени RTP (Real-Time Transport Protocol), протокол описания сеанса SDP (Session Description Protocol). Протокол RTSP является клиент-серверным приложением, который на транспортном уровне использует протокол TCP. Он, как это следует из его названия, применяется для управления доставкой потока данных в режиме реального времени, позволяя организовать несколько потоков данных с определёнными характеристиками. С помощью протокола RTSP осуществляется передача управляющих команд (воспроизведение, пауза и т. п.), но не видеоданных, которые передаются с помощью протокола RTP, функционирующего поверх протокола UDP. Протокол SDP описывает набор параметров различных потоков данных, включая скорость передачи кодированных данных и номера портов. На рис. 3 приведена схема работы MBMS. Канал А и канал В подразумевают два различных мультимедиапотока. Для каждого видеопотока на транспортном уровне организуется разветвленный канал от центра услуг широковещательной/групповой передачи BM-SC через GGSN (GPRS Gateway Service Node) и SGSN (Serving GPRS Support Node) к каждому контроллеру радиосети RNC (Radio Network Controller), который обслуживает целевую территорию. По транспортному каналу аудио- и видеокомпоненты контента доставляются к RNC. RNC сигнализирует о наличии потока по общему каналу управления MBMS MCCH (MBMS Point-to-Multipoint Control Channel), который всегда присутствует в сотах с включенной услугой MBMS. Когда конечный пользователь выбирает поток, терминал считывает информацию MCCH, чтобы определить, доступен ли он в соте через MBMS. Если терминал не обнаруживает поток в MCCH, либо если MCCH отсутствует (например, если конечный пользователь находится в режиме роуминга на территории другой страны), терминал может отправить запрос ТВ-серверу на посылку контента в режиме одноадресной передачи. Информация, предоставляемая по каналу MCCH, дает знать, доставляется ли поток по радиоканалу типа «точка – много точек». В этом случае терминал должен лишь перейти на данный радиоканал либо запросить выделенный радиоканал типа «точка – точка». До запроса терминала радиоканал не организуется. Рис. 3. Схема широковещательного режима MBMS Когда число радиоканалов типа «точка – точка» для данного потока достигает предварительно установленного порогового значения, RNC переключается на канал типа «точка – много точек» и высвобождает каналы типа «точка – точка» (пороговое значение соответствует одинаковому уровню потребляемой мощности в соте для обоих режимов передачи). После переключения в режим «точка – много точек» RNC в случайном порядке опрашивает терминалы об интересующих их видеопотоках. Эта процедура «пересчета» позволяет RNC выбирать подходящий режим передачи по мере перемещения пользователей в другие соты или прекращения ими просмотра данного потока. Таким образом, RNC всегда применяет наиболее предпочтительный режим передачи, резервируя неиспользуемую полосу пропускания для других услуг. Отметим, что MBMS может применяться и для других целей, связанных с доставкой всем абонентам одновременно одинакового контента. Это может быть оповещение о чрезвычайной ситуации или доставка обновления для какого-либо программного обеспечения абонентского терминала [10, 11]. Решения, базирующиеся на MBMS, уже тестируются за рубежом. Так, компания Ericsson продемонстрировала функционирование своей разработки под названием LTE Broadcast на оборудовании австралийского оператора Telstra. На данном этапе операторы видят нишу для этой технологии в вещании на терминалы абонентов, находящихся в какой-либо ограниченной локации, например стадионе. С помощью своих устройств они смогут получать трансляцию с лучшего ракурса спортивного мероприятия [12]. В то же время компания Vodafone в Германии проводила тестирование абонентских приставок с поддержкой приема мультимедиаконтента через сеть LTE. Оператор видит в ней альтернативу сетям DSL (Digital Subscriber Line) для сельской местности [13]. Подобный сценарий реализации потенциала сетей LTE применим и для России. Заключение Всеобщее стремление к информатизации общества привело к буму продаж мобильных абонентских терминалов в виде ноутбуков, планшетов и смартфонов. Именно они вытесняют с рынка стационарные персональные компьютеры. Очевидно, что современный абонент заинтересован в том, чтобы не быть привязанным к месту, сегодняшний пользователь услуг мобилен. Современная микропроцессорная техника и инфокоммуникационные технологии позволяют решить эту задачу. При подробном рассмотрении нюансов архитектуры сети технологий, пригодных для передачи мультимедиаконтента на абонентские терминалы, можно прийти к выводу, что наиболее перспективна и удобна для оператора связи организация вещания на базе сети БПД, например WiMAX или LTE. Эти две технологии, разработанные различными организациями, решают сходные задачи аналогичными путями. Они обе способны поддерживать весь спектр услуг IPTV, поддерживают свойство интерактивности. Однако в отношении сетей БПД существует важный ограничивающий фактор – максимальная скорость доступа, в рамках сетей мультимедиавещания, в направлении вниз. WiMAX и LTE обеспечивают масштабирование полосы пропускания для вещательных услуг, но максимальная скорость для LTE выше. Нельзя не отметить и перспективность LTE, ее постоянные обновления и перспективы стать технологией 4G (4th Generation). Технологии же, ориентированные исключительно только на мобильное телевизионное вещание, не имеют изначальной поддержки интерактивности и видятся тупиковым технологическим направлением. Минкомсвязи России определено, что для обеспечения населенных пунктов с количеством жителей до 10.000 возможностью доступа к Интернету необходимо использовать сети стандарта LTE [14]. Проведенный анализ показывает, что такое решение позволит обеспечить абонентов также качественными и современными мультимедиауслугами.
1. Dmitriev V. N. Algoritm optimizacii geterogennoy besprovodnoy seti po kriteriyu ravnomernosti zagruzki oborudovaniya provaydera / V. N. Dmitriev, A. V. Cherednichenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2011. № 2. S. 120-125.
2. MSE-R BT.1833-1. Radioveschanie dlya priema na podvizhnye portativnye priemniki signalov mul'timediynyh primeneniy i primeneniy peredachi dannyh. Zheneva: MSE-R, 2011. 69 s.
3. Tihvinskiy V. O. Mobil'noe cifrovoe televizionnoe veschanie: analiz tehnologiy i biznes-modeley / V. O. Tihvinskiy, S. V. Terent'ev // Informacionnye telekommunikacionnye seti. 2008. № 7. S. 16-22.
4. Sanjoy P. Digital video distribution in broadband, television, mobile, and converged networks: trends, challenges, and solutions / P. Sanjoy. New Delhi, India: John Wiley & Sons Ltd., 2011. P. 326-327.
5. Perekrestov I. S. Organizaciya mobil'nogo dostupa k mul'timediynym dannym / I. S. Perekrestov, O. A. Reshetnyak, E. G. Tihiy // Cifrovі tehnologії. 2008. № 4. S. 86-92.
6. Mobil'noe televidenie DVB-H. 2010 [Elektronnyy resurs]: http://www.thg.ru/mobile/mobtv_yota_beeline/.
7. Gerges M. S. Uluchshenie kachestva peredachi IPTV-uslugi video po zaprosu cherez shirokopolosnuyu set' dostupa / M. S. Gerges // Problemy informatiki. 2011. № 3. S. 79-88.
8. Borodinskiy A. A. Ispol'zovanie besprovodnyh tehnologiy dlya predostavleniya uslugi IPTV / A. A. Borodinskiy // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2012. № 2. S. 106-111.
9. Yota pereshla s WiMAX na LTE. 2012 [Elektronnyy resurs]: http://www.rbcdaily.ru/media/562949982868803.
10. Gel'gor A. L. Tehnologiya LTE mobil'noy peredachi dannyh / A. L. Gel'gor, E. A. Popov: ucheb. posobie. SPb.: Izd-vo Politehn. un-ta, 2011. 204 s.
11. Iban'es H.-A. Mobil'noe televidenie v setyah 3G - evolyuciya uslug i klyuchevyh aspektov / H.-A. Iban'es, T. Lomar, D. Turina, A. Zanin // Vestn. svyazi. 2008. № 7. S. 37-41.
12. LTE Broadcast ispytali v usloviyah kommercheskoy seti v Avstralii. 2013 [Elektronnyy resurs]: http://www.mforum.ru/news/article/104368.htm.
13. Vodafone Germany: TV cherez LTE. 2011 [Elektronnyy resurs]: http://nag.ru/news/newsline/21039/ vodafone-germany-tv-cherez-lte.html.
14. Rossiyskie LTE-operatory obespechat svyaz'yu vse goroda s naseleniem bolee 10 tysyach zhiteley. 2013 [Elektronnyy resurs]: http://minsvyaz.ru/ru/news/index.php?id_4=44026.
