пїњ

јЌјЋ»« ¬–≈ћ≈Ќ» ѕ≈–≈ Ћё„≈Ќ»я  јЌјЋќ¬ IPTV

јнализ времени переключени€ каналов IPTV
 лючевые слова: протокол IP, телевизионные каналы, задержки, переключение каналов.
÷ифровое телевидение в сет€х передачи данных по протоколу IP (технологи€ IPTV Ч Internet Protocol Television) находит все более широкое применение по всему миру, в том числе, в –оссии. √лавным достоинством IPTV €вл€етс€ интерактивность и возможность предоставлени€ пользовател€м широкого набора дополнительных услуг, св€занных с потреблением контента. ѕри просмотре телевизионной программы во врем€ рекламной паузы пользователь может переключатьс€ на просмотр программ по другим каналам. “ехнологи€ использует многоадресную передачу и проблема заключаетс€ 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. ‘орум DSL (Digital Subscriber Line) рекомендовал, чтобы врем€ переключени€ каналов не превышало двух секунд. Pассмотрены схема и алгоритм переключени€ каналов, процедура обмена сигнальными сообщени€ми, параметры задержек на различных участках тракта, процедура оценки суммарной задержки при переключении каналов. ѕо результатам расчетов построены зависимости длительности переключени€ каналов от таких параметров, как число пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал, размер групп видеокадров, дол€ потока IPTV в общем трафике в сети доступа.
јли –аад ј.ћ.
јспирант кафедры —ети св€зи и системы коммутации ћ“”—», raad alselwi@mail.ru
¬ведение
Ѕыстрое распространение высокоскоростного доступа в »нтернет на базе широкополосных сетевых технологий разрушает стену между телекоммуникаци€ми и вещанием [1]. IPTV €вл€етс€ одним из ключевых приложений на телекоммуникационном рынке, которое позвол€ет телефонным компани€м извлекать доходы из доставки видео по 1–-сет€м. ¬ насто€щее врем€ идет активное коммерческое внедрение IPTV по всему миру [2].
IPTV представл€ет собой новую форму цифровых технологий телевидени€ [3]. ¬ этой системе услуги цифрового телевидени€ доставл€ютс€ потребител€м через сеть инфраструктуры с использованием »нтернет-протокола. IPTV относитс€ к классу мультимедийных услуг, таких как телевидение, видео, аудио, текст, графика, данные. ¬ IP-сет€х удалось обеспечить требуемый уровень качества обслуживани€ и воспри€ти€, безопасность, интерактивность и надежность [4]. IPTV использует многоадресную передачу и основна€ проблема заключаетс€ в том, что все каналы не могут быть одновременно переданы из-за нехватки пропускной способности сети между последним маршрутизатором и домашними шлюзами [5]. “аким образом, только часть каналов сразу же доступна на STB и задержки неизбежны, когда пользователь выбирает новый канал.
ќбща€ процедура переключени€ каналов
 ачество воспри€ти€ определ€етс€ как обща€ приемлемость приложени€ или службы, субъективно воспринимаемых конечным пользователем [6].  лиенты хот€т, чтобы переключение каналов IPTV было быстрым, без блокировок и каких-либо перерывов. — этой точки зрени€ качество воспри€ти€ (Quality of experience - QoE) €вл€етс€ наиболее важ-
ным параметром дл€ IPTV-услуг. ¬рем€ переключени€ каналов рассматриваетс€ как ключевой элемент мегрической группы качества воспри€ти€ IPTV [7].
¬ соответствии с требовани€ми QoE DSL Forum, врем€ переключени€ должно быть ограничено максимум 2 секундами [8-12]. ITU-T FG IPTV также рассматривает его как одну из QoE-метрик. ¬рем€ переключени€ каналов, как правило, занимает до 1 секунды дл€ MPEG-2 и целых 2 секунды -дл€ H.264/MPEG-4 AVC. ¬рем€ переключени€ каналов может быть определено как разница во времени между текущим просмотром канала и отображением первого кадра нового канала на экране телевизора. “аким образом, быстрое и надежное врем€ переключени€ каналов €вл€етс€ важным фактором в качестве воспри€ти€ в групповых системах 1PTV.
¬рем€ переключени€ канала состоит из времени обработки команды на переключение канала, сетевой задержки, STB задержки буфер-джитгера и задержки декодировани€ видео (рис. 1).
¬рем€ 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.
—етева€ шдержки - это врем€, необходимое дл€ передачи запрошенного потока после передачи сигнала IGMP-регистрацн€ сообщени€.
«адержка в буфере джиттера STB необходима, чтобы удалить запаздывани€ при передачи фреймов через »нтернет.
«адержка декодировани€ видео вызвана тем, что сжатое видео не может быть расшифровано без 1-кадров при кодировании структуры групп видеокадров GoP (Group of Pictures).
«апрос на переключение канала преобразуетс€ в STB в адрес группы многоадресной рассылки, который содержитс€ в сообщении IGMP. ѕри переключении канала процесс запускаетс€ конечным пользователем, если новый канал не доступен в домашнем шлюзе (HG - Home Gateway).
ѕроцесс переключени€ каналов в традиционных вещательных службах, таких как спутниковые, кабельные или наземные, телевизор или STB может сразу отобразить вы-
бранный канал, когда пользователь измен€ет при просмотре канал, потому что все каналы передаютс€ одновременно конечным пользовател€м.
–ис. 1. ќбща€ процедура переключени€ каналов
¬ системах IPTV все каналы одновременно не могут быть переданы IPTV-клиентам из-за отсутстви€ пропускной способности сети доступа. »спользование различных мультимедийных услуг, таких как видео по запросу (VoD), с оплатой за просмотр (PPV) и других индивидуальных услуг видео требует увеличени€ пропускной способности сети доступа. “аким образом, пропускна€ способность сети доступа должна управл€тьс€ эффективно, потому что дл€ каждого канала требуетс€ высока€ пропускна€ способность.
јлгоритм переключени€ каналов IPTV
ќсновна€ иде€ алгоритма переключени€ каналов заключаетс€ в том, что когда пользователь переключаетс€ на другой канал и смотрит его менее одной минуты, от узла агрегации к пользователю снижаетс€ качество передачи. „ерез 1 минуту начинаетс€ передача видео высокого качества [5]. јлгоритм переключени€ каналов представлен на рис. 2.
ќценка времени переключени€ каналов IPTV
јрхитектура сети IPTV приведена на рис. 3. ƒл€ оценки времени переключени€ каналов процесс был разделен на две части: выбор канала вне потока в узле агрегации и внутри потока. ¬нутри потока в узле доступа (Intra-stream) дл€ переключени€ канала требуетс€ лишь интервал времени дл€ обработки команды, чтобы изменить указатель канала в узле доступа, использу€ менее качественное видео. ƒл€ поиска канала вне потока (Inter-stream) переключение каналов осуществл€етс€ обычным групповым методом.
ѕоток можно определить как последовательность пакетов с конкретного узла источника к конкретному узлу назначени€. “ак, в одно соединение TCP, TCP-пакеты данных представл€ют собой один поток, а “—–-ј— -пакеты-второй поток.
ƒл€ оценки времени переключени€ каналов зададимс€ значени€ми следующих двух веро€тностей: –0- веро€тность взаимодействи€ внутри потока каналов (intra-stream), Pi - веро€тность того, что канал находитс€ вне потока каналов в узле агрегации (inter-stream). ¬рем€ переключени€ каналов можно оценить по следующей формуле:
^пер. –о ' ^AS ^буф. дж.
√де ќпср - врем€ переключени€ каналов; ƒ.,х - обща€ задержка переключени€ каналов с использованием обычных передач; ÷,ф. - задержки переключени€ каналов при скачивании потока из узла агрегации; ƒъф.д*. - задержка в буфере джиттера.
ќтправка ыаео высокого качеств а в буфер STB
–ис 2. јлгоритм переключени€ каналов
IPTV гернерм
приложении
я.≥ро IP / MPLS
^ »сход€щий поток
------- ¬.„ќЋя≤1≤»… поток
№сѕ'≤Ќѓ». I
√бнг/с
V им м≥ ретини
NУ"
” ≥ел лос≥ уп а (.≥омаш≥њн≥≥ ≤≤≤.ќќ≤)
STB ≥о.≥ью≥≥а≥е.≥ей)
No*m. польз.
–ис. 3. јрхитекту ра сети IPTV
ќбща€ задержка переключени€ каналов ¬ј5 может быть рассчитана следующим образом:
ƒ45 = вперед. ^комм. ^1—”.– ^мульт.
где 0-еред - задержка передачи; ќкомм - коммутационные
задержки; 0,—„– ~ длительность передачи сообщений
ёћ–; >мульт - задержка в цифровом мультиплексоре.
—овокупна€ задержка переключени€ каналов вне потока 0агр может быть выражена как:
^агр. ^буф. ^сиг. ^GoP
(3)
ќси, =
JCKOp.
(4)
где ƒ//сир - размер пакета IGMP-сообщени€; /V4V - число
узлов доступа; N _ - число активных пользователей;
* * акт.поль.
^ скор Ч скорость опорной сети; и, с1 - соотношение скорости движени€ исход€щих и вход€щих ёћ–-сообщений; ¬г - реальное соотношение пропускной способности,
используемой ёћ– сообщени€ми.
«адержка в буфере 5“¬ определ€етс€ из следующего выражени€:
Ќг 1- Ќг2. —г. ^ д.
гг Х ћг.
^буф.
»,
сжатие видео
Lra- (≥ –др.)- (1 RlPrv)
(5)
где Ќг√ Ќг2 ~ горизонтальное и вертикальное разрешение видео; Cj.Fj.H,
сжатие видео
интенсивность цвета изображений и кадра, скорость сжати€ видео; ћйор Ч длительность групп видеокадров: Ч скорость линии между узлом дос-
тупа и узлом агрегации; рдр - дол€ трафика других услуг; я[–“” - соотношение, используемое дл€ передачи потокового 1–“”.
—оотношение, используемое дл€ передачи потокового 1–“”, может быть оценено следующим образом:
R
.. NKД. N,
IPTV
MPEG' iYKaH* *кан.поль.
Lra~ (.Lra-–€р.) полоса пропускани€ видео MPEG;
где ¬
N,
просмагриваюг один и гот же канал.
MPEG
к число пользователей, которые одновременно
»сходные данные дл€ оценки времени переключени€ каналов прин€ты на основе статистики Cisco и Agilent Technologies [6] и приведены в табл. 1. —тандартном “¬ (SDTV), MPEG-2 предусмотрено видео с разрешением 920x782, телевидение высокого качества (HDTV) MPEG-4 -1080x1920.
“аблица 1
11араметры, используемые в расчетах времени переключени€ каналов
где D6yф Ч задержка в буфере STB; ƒ.нг Ч задержка передачи сигнализации IGMP; DCoP - длительность группы видеокадров.
√руппа видеокадров GoP (Group of pictures,) обычно начинаетс€ с видеокадра типа 1 и заканчиваетс€ видеокадром любого типа, за которым следует видеокадр типа 1 следующей группы, т. е. несколько видеокадров типа I, –, ¬ можно объедин€ть в группу, называемую GoP. –азмер и структура группы не определ€ютс€ стандартом, однако на пракгике многие приложени€ основаны исключительно на фиксиро-ванности структуры GoP. Ќапример, дл€ достижени€ заданного субъективного качества изображени€ структура I, I, I, 1... требует скорости битового потока в 2.5-3 раза большей, чем структура I, ¬, ¬, –,...
«адержка передачи IGMP-сигнализации может быть оценена следующим образом:
MiGMP - Nan-"акт.поль. , IGMP . AN' акт.ноль.
ѕараметр «начение
«адержка в буфере джиттера, 05уф 150 мс
«адержка передачи, Q 80 мс
 оммутационные задержки, D мч 2 мс
ƒлительность передачи сообщений ёћ–. D/gmp 20 мс
«адержка в цифровом мультиплексоре DSLAM, ^мульт. 50 мс
—корость линии между узлом доступа и узлом агрегации, №дд 100 ћбит/с
—корость опорной сети, LCKOf 1 √бит/с
—оотношение скоростей движени€ исход€щих и вход€щих ёћ–-сообщений, U, d 0.01
–азмер пакета ёћ–- сообщени€. 1 * ш1ићЌ 64 бит
„исло узлов доступа, џдм 3
„исло активных пользователей, 50
√оризонтальное и вертикальное разрешение ÷ LI видео, **rli г2 920 х 782
»нтенсивность цвета изображений и кадра, скорость сжати€ видео, C1(F1(HCJ1(aTДeвидео 8, 30, 30
—корость видео MPEG, BMPEG 4 ћбит/с
„исло каналов. Nliail. 30
„исло пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал, ћкан. поль. 1 9
ƒлительность групп видеокадров, м 400,1400,2400мс
–еальное соотношение пропускной способности, используемой ёћ– сообщени€ми, ¬г 550
ƒол€ трафика других услуг, 0 0.7
ƒлительность групп видеокадров, DGoP 450, 900 мс
¬еро€тность взаимодействи€ вне потока (interstream –, >11 0.3, 0.6
–езультаты расчЄта времени переключение каналов от числа пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал, приведены на рис. 4.
 ак видно из рис. 4, при увеличение числа пользователей /”кан поль , которые просматривают один и тот же канал одновременно, врем€ переключение каналов увеличиваетс€, от 0,17 с, при группы видеокадров 450 мс, до 0,197 с, и
от 0,183 с, при )—о– 900 мс, до 0,21 с. »з графика видно, что при ћкзм ѕ01№ больше чем 6 пользователей врем€ переключение каналов резко увеличиваетс€.
Ѕыло исследовано вли€ние веро€тности –1 на врем€ переключени€. ѕолученные результаты представлены на рис. 5.  ак видно из рисунка, при загрузки канала из узла доступа –1 = 0,3, врем€ переключение каналов увеличивает-
с€ при увеличении числа пользователей от 0,309 до 0,576 с при й—о– = 450 мс, и от 0,444 до 0,711 с при 0—о– = 900 мс.
¬ случае загрузки канала из узла агрегации при –1 = 0,6, врем€ переключение каналов увеличиваетс€ от 0.463 сек до
0,617 с при 0—о– = 450 мс, и от 0,733 до 0,887 с - при
0—о– = 900 мс как показано на рис. 6. »з ≥рафика также
видно, что в случай N _ больше чем 6 пользователей,
 вЋ > ѕќЋќ*
врем€ переключение каналов резко увеличиваетс€.
–ис. 4. «ависимость времени переключение каналов Ѕпер от ^кан п ~ числа пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал при 0—1о– = 450 и 900 мс и при –1 = 0
 кан. поль.? при –1 = 0.3
–ис. 5. «ависимость времени переключение каналов ќ€ер от , число пользователей которые одновременно просмат-
 ап. ѕќЋ№.
рнвают один и тот же канал при –1 =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
џкан. поль. Х при –1 =0.6
–ис. 6. «ависимость времени переключение каналов от
ћкзн ѕ01№. число пользователей которые одновременно просматривают один и тот же канал при –! =0,6
¬ыводы
«начение времени переключени€ каналов DneД увеличиваетс€ почти в два раза при увлечение DCoP с 450 до 900 мс.
»спользование различные групп видео кадров позвол€ет контролировать врем€ переключение каналов.
„исло пользователей ƒ/кан , которые просматривают одновременно один и тот же канал, вли€ет на врем€ переключение каналов.
¬рем€ переключение каналов зависит от того, загружаютс€ каналы из узла доступа или из узла агрегации. ѕри загрузке из узла агрегации врем€ переключение почти в два раза больше, чем при загрузке из узла доступа из-за больших задержек на уровне агрегации.
ѕолученные результаты соответствуют значени€м, которые определены ћ—Ё-“ и DSL-форумом. ƒопустимое врем€ переключени€ каналов в случае IPTV дл€ потоков MPEG-2 не должно превышать 1 с, и целых 2 с Ч дл€ потоков MPEG-4.
Ћитература
1. Cbae YL. Chang  Ќ. Kang YL (2010). Reducing Channel Zapping Time in IPTV Based on UserТs Channel Selection Behaviors. IEEE Trans. Broad 56(3): 321-330.
2. H. Joo. H. Song. D.B. Lee. I. Lee. УAn Effective IPTV Channel Control Algorithm Considering Channel Zapping Time and Network Utilization,Ф 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. УSwitch Delay Analysis of a Multi-Channel Delivery Method for IPTV,Ф 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. Ч 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, УTriple-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.

пїњ