48Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Способы доставки мультимедиа


А.Бителева Теле-Спутник - 6(44) Июнь 1999 г.


Нынешнее время характеризуется сближением и частичным слиянием разных направлений телекоммуникаций. Одно из проявлений этого сближения заключается в создании комбинированных направлений коммуникаций (Интернет, видеотелефония). Другое — в стремлении каждого направления предоставлять несвойственные ему доселе услуги. Симптоматично, что ежегодная Лондонская выставка по кабельному и спутниковому телевидению, ввиду невозможности выделить чисто телевизионные технологии, была переименована в Cable&Satellite Mediacast.

Три основных направления, сближающихся и, одновременно, конкурирующих на рынке телекоммуникаций, — это телевидение, телефония и передача данных.

Серьезным импульсом к такой интеграции стал стремительный рост спроса на услуги Интернет.

На сегодняшний день доступ к всемирной паутине чаще всего реализуется через традиционную аналоговую телефонную сеть.

Для этой цели информацию подвергают цифро-аналоговому преобразованию, после чего ее передача ничем не отличается от передачи голосового сигнала. Установленный у абонента аналоговый модем преобразует данные обратно в цифру. Частотный диапазон традиционной телефонной связи не превышает 3.3 кГц, необходимый для передачи голоса. Использование эффективных способов модуляции позволяет передавать данные со скоростью около 33 кбит/с. С учетом шума, вносимого АЦП и ЦАП, а также трактом передачи, такая скорость близка к теоретическому порогу, достижимому в данной частотной полосе. Однако она совершенно недостаточна для передачи многих приложений мультимедиа.

В связи со стремительным распространением Интернет телефонные компании стали более широко внедрять технологию ISDN, разработанную для совместной цифровой передачи телефонии и данных. Внедрение ISDN требует замены коммутаторов на телефонной станции и замены аналоговых абонентских модемов ISDN адаптерами.

ISDN предусматривает два уровня сервиса.

Базовый уровень — BRI (basic rate interface) обеспечивает скорость до 128 кбит/с. Он может быть реализован на традиционной медной паре. Его скорости позволяют совмещать набор современных услуг телефонии, в том числе видеотелефонию, передачу страниц Интернет с насыщенной графикой и видеоконференций.

Первичный уровень — PRI (primery rate interface) предусматривает передачу скоростей выше 1,5 Мбит/c. Этот уровень требует подведения оптоволокна прямо к абоненту.

Существуют, однако, технологии, позволяющие добиться скоростей в единицы и десятки Мбит/с с использованием витых медных пар. Они позволяют использовать медные пары для передачи широкополосного сигнала, достигающего мегагерцового диапазона. Такие технологии получили название Digital Subscriber Line — DSL (цифровые абонентские линии). Внедрение некоторых разновидностей DSL не требует радикальной перестройки телефонной сети.

Частотный диапазон телефонных линий принципиально ограничивается не свойствами медной пары, а коммутационно-усилительными устройствами телефонного тракта. При внедрении DSL все элементы сети, отфильтровывающие высокие частоты, удаляются. Сама же медная пара способна передавать сигналы мегагерцового диапазона, правда, с большим ослаблением, пропорциональным длине линии и частоте сигнала.

DSL технологии, в первую очередь, различаются способами модуляции несущей. Для них характерно использование современных типов модуляции, эффективно использующих спектр.

Наибольшее распространение получили CAP и DMT (discrete multitone) модуляции.

Первая представляет собой QAM модуляцию с той разницей, что при передаче вырезается несущая частота, которая затем восстанавливается в приемной аппаратуре. Такая процедура защищает несущую от действия помех, являющихся серьезной проблемой при использовании этой части спектра.

Вторая — дискретно-многотоновая модуляция предполагает деление спектра до 1.2 МГц на 256 субканалов, каждый из которых QAM модулирует свою несущую. Часть каналов используется для передачи информации прямого канала, часть для информации обратного, а еще часть для передачи служебных сигналов. Уровень QAM модуляции может выбираться для каждого канала произвольно.

DMT позволяет гибко распределять энергию сигнала, в зависимости от значимости разных порций информации, а также отстраиваться от помех.

DSL техники могут также различаться протоколами передачи и требованиями к структурной организации телефонных сетей. Впрочем, устойчивые стандарты для техник DSL отсутствуют. Степень их разработки различна. Некоторые типы DSL являются только теоретическими моделями, некоторые реализованы, но не нашли широкого распространения, а некоторые применяются на практике.

К работающим моделям, в первую очередь, относится Asimetric Digital Subscriber Line — АDSL. По всему миру запущено множество пилотных проектов, а в Северной Америке она довольно широко используется и на коммерческой основе.

Популярность этой техники отчасти объясняется тем, что она работает при существующей длине медных пар и не требует дорогостоящей переделки сети. Особенностью ADSL является несимметричность прямого и обратного потоков, делающая эту технику удобной для предоставления интерактивных услуг.

Несимметричность потоков позволяет распространить ADSL на сети с более длинными участками медных пар. Это объясняется следующим образом. Абонентские витые пары передаются от оптоволоконного в общем жгуте, от которого они постепенно отделяются для подведения абонентам. В жгуте неизбежно возникают наводки от соседних пар. При сильном ослаблении сигнала эти наводки могут исказить его содержание. Очевидно, что помехи такого рода максимальны около оптоволоконного узла, где им, в первую очередь, подвержены сигналы обратного направления, ослабленные прохождением через медную пару. Для компенсации этого фактора в обратном направлении используются более низкие скорости передачи. В ADSL преимущественно используется DMT модуляция. Скорость в прямом направлении, в принципе, может достигать 9 Мбит/с, а в обратном направлении — 640 кбит/с. Однако реальные скорости обычно ниже. Их величина зависит от нескольких факторов: толщины проводов, длины участков витой пары, наличия ответвителей. Чем толще и короче провода, тем меньше затухание высокочастотной части сигнала и выше достижимая скорость. Отсутствие ответвителей приводит к удлинению проводов и, как следствие, к снижению возможной скорости передачи. В табл. 1 показаны максимальные скорости передачи, достижимые при использовании техники АDSL в зависимости от длины витой пары и толщины провода.

В большинстве стран максимальная протяженность участков медных пар — около 5 км, то есть без радикальной переделки существующих сетей в прямом направлении может быть достигнута скорость до 2 Мбит/с. Современные форматы компрессии стандарта MPEG позволяют передавать видео со скоростью 1.5 Мбит/с, стереоаудио со скоростью 256 кбит/с. То есть такая скорость уже позволяет сочетать телефонию с передачей одного телевизионного сигнала качества S-VHS.

Тенденция к удлинению широкополосных магистралей и сокращению медных участков приведет к постепенному увеличению реальных скоростей передачи данных.

Уже сейчас ряд телефонных компаний, внедряющих АDSL, планирует уменьшить длину медных пар до 2 км за счет организации новых оптических узлов.

Одна из основных сложностей реализации ADSL связана с необходимостью борьбы с импульсными помехами, поражающими рабочий спектр. При этом для одних приложений более критична потеря информации, а для других — задержка ее передачи. Таким образом, объем корректирующей информации должен зависеть от характера приложения. Это обстоятельство усложняет протокол работы и конструкцию модемов, а следовательно, и увеличивает их стоимость.

Cкоростной модификацией ADSL является технология VDSL. Основным фактором повышения скорости является сокращение длины медной пары, в результате которого уменьшается затухание сигнала и снижается действие помех. Это позволяет использовать более скоростные варианты QAM модуляции и снизить объем корректирующей информации.

VDSL технология предполагает, что участки медных пар не превышают 300 м. При этом условии она позволяет получить скорость 52 Мбит/с в прямом направлении и 2.3 Мбит/с в обратном.

Серьезным препятствием к внедрению VDSL пока является высокая стоимость требуемой реконструкции сети, добавляющаяся к дороговизне DSL терминалов.

Другим перспективным направлением является построение мультимедийных сетей на базе оптоволоконно-коаксиальных телевизионных сетей.

Для организации магистральных участков используется оптоволокно, от которого отводятся периферийные коаксиальные участки, обслуживающие 200-500 абонентов. То есть частотная полоса коаксиального кабеля используется для доставки информации совсем небольшому числу абонентов. Такая структура ТВ сети позволяет использовать ее для предоставления индивидуальных интерактивных услуг.

Принципиальным отличием ТВ сети от телефонной является ее ориентация на вещательные услуги. В ней отсутствуют отдельные абонентские провода, а индивидуальная информация передается за счет частотного или временного разделения полосы.

Особенно актуальным сейчас является решение проблемы передачи данных через кабельную сеть, что, опять же, связано со стремительным распространением Интернет.

Эта услуга организуется с помощью систем кабельных модемов, включающих системный терминал, устанавливаемый на головной станции, и абонентские кабельные модемы.

Для передачи данных в прямом направлении, как правило, выделяется один телевизионный канал дециметрового диапазона, ресурсы, которого делятся между абонентами путем временного разделения.

Обратный канал организуется либо по телефонной сети, либо в полосе обратного канала кабельной сети. Очевидно, что системы второго типа могут внедряться только в кабельные сети с обратным каналом, который обеспечивает необходимую ширину полосы и требуемое усиление.

Скорость передачи информации в разных системах может сильно различаться. Она, в первую очередь, зависит от используемого типа модуляции. Спектр прямого канала свободен от помех. Это позволяет использовать в нем высокоэффективные способы модуляции типа 64 QAM или 256 QAM. В реально существующих системах применяются типы модуляции от QPSK до 64 QAM. В табл. 2 приведены ориентировочные значения скорости передачи полезной информации1 в полосе 1 Гц в зависимости от типа модуляции.

Обратный канал в ТВ сетях организуется в полосе до 30-70 МГц, которая часто бывает поражена внешними шумами. Поэтому в обратном канале предполагается использование QPSK или максимум — 16QAM. Ширина полосы обратного канала у разных производителей сильно различается: борьба с шумами требует сужения полосы, а желание увеличить скорость передачи — ее расширения.

Системы кабельных модемов различаются также протоколами доступа к ресурсам прямого и обратного каналов. Некоторые из них организуют работу каналов на базе протокола Ehternet. Другие используют принцип АТМ, предусматривающий возможности организации различных уровней сервиса2.

На сегодняшний день параллельно создаются два стандарта высокоскоростной передачи данных по кабельным сетям. Один из них, DOCSIS, разрабатывается консорциумом Multimedia Cable Network System MCNS. Этот стандарт оптимизирован под передачу IP пакетов и не привязан к другим стандартам передачи медиа. Ширина прямого канала — 6 МГц — соответствует ширине ТВ канала в стандарте NTSC. Типы модуляции 64 QAM или 256 QAM позволяют передавать суммарный поток около 30 Мбит/с или 42 Мбит/с соответственно.

Для выделения обратного канала отведен диапазон 5-42 МГц. Ширина полосы обратного канала может принимать 5 различных значений, причем допускается модуляция QPSK или 16 QAM. Максимальная скорость в обратном канале — 10 Мбит/с. В качестве транспортного механизма используется протокол Ethernet.

Другой стандарт входит в семейство DVB. Он предполагает передачу данных с помощью транспортных пакетов MPEG-2, поверх которых работает протокол ATM.

Прямой канал организуется в полосе ТВ канала шириной 6,7 или 8 МГц, в котором может совмещаться передача ТВ сигнала и данных. Допустимые типы модуляции в таком канале — 16-256 QAM, а максимально достижимая скорость передачи — 56 Мбит/с. Кроме того, стандарт предусматривает возможность создания отдельных “невещательных” каналов передачи данных шириной от 200 кГц до 2 МГц. В них используется QPSK модуляция. Максимальная скорость в таких каналах составляет 3 Мбит/с. Ширина обратного канала может колебаться от 200 кГц до 4 МГц. Заданный стандартом тип модуляции QPSK максимально позволяет получить скорость 6 Мбит/с.

В отличие от DOCSIS, DVB не имеет жесткой ориентации на передачу Интернет, а стандартизирует передачу разнотипных данных в интерактивных DVB сетях. Конструкция систем кабельных модемов DVB жестко не привязана к определенным физическим параметрам сети. Правда, такая открытость делает их конструкцию более сложной по сравнению с системами стандарта DOCSIS.

Оба стандарта имеют свои плюсы и минусы и оба находятся в стадии становления.

Однако, если системы кабельных модемов DVB находятся в экспериментальной фазе, то системы первого варианта стандарта MCNS, DOCSIS 1.0, уже выпускаются серийно. Справедливости ради следует сказать, что систем, получивших сертификат этого стандарта, пока не существует. Сертифицированными считаются несколько типов кабельных модемов, но без системных терминалов (головного оборудования). Каким образом удалось их сертифицировать отдельно — непонятно. И все же производители DOCSIS-оборудования явно опережают сторонников стандарта DVB. Кроме того, за MCNS потенциально стоит широкий американский рынок. Уже сейчас большинство производителей систем кабельных модемов перешло на производство DOCSIS совместимого оборудования. По-видимому, у этого стандар а есть все шансы стать общепринятым; хотя бы на какое-то время.

Анализ, проведенный рядом организаций, показал, что использование ТВ кабельных сетей для предоставления широкополосных телекоммуникационных услуг имеет экономические преимущества перед аналогичным использованием сетей ADSL или VDSL. Это касается и стоимости внедрения, и эксплуатационных расходов. Однако оценка сделана при условии, что кабельные сети для передачи ТВ уже проложены.

Для передачи Интернет и данных могут использоваться и цифровые сети MMDS. На сегодняшний день в мире (в основном в США) работают до сотни MMDS-сетей, в которых организован доступ к Интернет. Обратный канал может быть организован как по телефонной сети, так и по каналу MMDS. Распространенный вариант модуляции 64 QAM при использовании полосы 6 МГц позволяет достигать скорости 30 Мбит/с. Преимуществом использования систем MMDS для организации совместной передачи ТВ и данных является относительная дешевизна их развертывания и эксплуатации. В частности, использование выделенных линий Т1 (1.544 Мбит/с) обходится значительно дороже, чем передача аналогичного объема информации через систему MMDS, при организации обратного канала через телефонную линию. С другой стороны, при таком “несимметричном” решении могут возникнуть сложности при внедрении других интерактивных услуг.

Более перспективными выглядят системы с обратным каналом через MMDS. Распространение таких систем тормозится дороговизной приемо-передающего оборудования и ограниченностью частотного ресурса, выделенного для работы MMDS. Последняя проблема является серьезным тормозом для использования систем MMDS для организации интерактивных мультимедийных сетей.

Одним из путей ее преодоления является организация передачи по секторам. При этом вся зона покрытия всенаправленного передатчика делится на четное число — 6, 12 и т.д. угловых секторов, в которых устанавливаются передатчики с секторной диаграммой направленности. Секции через одну могут обслуживаться одинаковыми передатчиками, что повышает эффективность использования полосы в 3, 6 и т.д. раз. Отстройка сигналов в смежных секторах организуется за счет частотного разноса, смены поляризации или способа модуляции. Эффективность использования полосы может быть повышена и за счет организации сети по сотовому принципу.

Еще одним фактором, сдерживающим распространение мультимедийных систем MMDS, является отсутствие какой бы то ни было стандартизации такого оборудования. Поэтому существует опасность приобретения системы, разработка которой велась в тупиковом направлении, и в будущем не подлежащей апгрейду.

Интересные возможности для организации интерактивных мультимедийных сетей открываются при использовании беспроводных сотовых сетей, работающих в области миллиметровых волн. В этой области традиционно используются диапазоны 25-32 ГГц и 40-42 ГГц. Нижний диапазон первоначально использовался для создания локальных беспроводных сетей для передачи телефонии и данных. Такие сети довольно широко распространены в Северной Америке. Они получили название LMDS (Local Multipoin Distribution Servise). Первые системы, эксплуатирующие верхний диапазон (MVDS), создавались для трансляции ТВ программ.

Сотовое построение является для таких систем единственно возможным. Это обусловлено быстрым затуханием миллиметровых волн в атмосфере. Размер соты зависит от мощности передатчика и типа используемой модуляции. QPSK модулированный сигнал обычно передается на 8-12 км, а QAM модулированный на 2-6 км. Соты соединяются оптоволокном или другой скоростной линией.

Специфика беспроводных сетей на миллиметровых волнах делает их очень подходящими для передачи мультимедиа. Самым важным их преимуществом перед MMDS является широкий рабочий диапазон частот. Он составляет около 2 ГГЦ, то есть в 10 раз больше диапазона, стандартно выделяемого для систем MMDS. Небольшой размер сот позволяет индивидуализировать предоставляемые внутри соты услуги. У таких систем хорошие перспективы на рынке средств передачи мультимедиа. Однако пока они еще являются плохо исследованной экзотикой.

Мощным средством доставки мультимедиа являются и спутниковые каналы связи. Масштабные проекты широкополосных интерактивных сетей развертывают сейчас все крупные спутниковые операторы — ASTRA, Eutelsat, Hughes, Lockheed Martin.

Специфика спутниковых сетей ориентирована на решение глобальных задач. Например, это единственный реальный способ организации всемирной телефонной связи типа "Иридиум", гарантирующей обслуживание в любой точке планеты. Правда, о стоимости таких телефонных услуг лучше не упоминать. Ширина частотных диапазонов выделенных для спутниковой связи, в принципе, позволяет с одной орбитальной позиции передавать гигабиты информации в секунду.

Последнее время спутниковые каналы стали активно применяться для передачи Интернет. Одной из первых появилась техника Direct PC, на сегодняшний день широко распространившаяся.

Обратный канал в Direct PC организуется по коммутируемой или выделенной телефонной линии. Запрос от абонента поступает на прокси-сервер головного вещателя. Если запрашиваемые страницы на прокси-сервере отсутствуют, то он начинает искать их в сети, после чего передает абоненту по спутниковому тракту. Основным минусом этой техники являются возможные задержки ответа, определяемые временем посылок по обратному каналу и возможного поиска страниц в сети. Direct PC гарантирует скорость передачи Интернет 400 кбит/с, что заметно ниже пропускной способности стандартного транспондера, составляющей 40 Мбит/с.

При организации скоростного доступа к Интернет неизменно встает проблема самого медленного звена в сети.

Реакцией на эту проблему стало появление спутниковых технологий передачи Интернет по вещательному принципу. Передача ведется в протоколе UDP/IP. При этом ликвидируются задержки из-за поиска страниц, пересылок запросов и подтверждений.

Распространенной формой “вещания” Интернет является техника Werbcasting, предполагающая циклическую передачу набора наиболее популярных страниц. Информация принимается абонентами и сохраняется в ПК. Идея вещания Интернет появилась при обнаружении того факта, что большую часть трафика сети составляет передача страниц 2-3 десятков сайтов. Вещание этих сайтов может полностью или частично удовлетворить многих пользователей сети и снизить нагрузку в самой сети.

Сегодняшние реализации Werbcasting позволяют циклически передавать гигабиты информации со скоростями до 10 Мбит/с.

Наиболее приближенным к принципу вещания ТВ программ является метод передачи данных Data carousel. Он удобен для трансляции электронных периодических изданий, каталогов, игр и т.д. Может использоваться и для передачи Интернет.

При использовании Data carousel операторы сети собирают данные у различных провайдеров, а затем вещают их по заранее составленному расписанию. Отбор абонентом информации, загружаемой в его компьютер, может проводиться с помощью электронного гида аналогичного телевизионному. Для оплаты услуг также могут использоваться механизмы платного телевидения.

Несмотря на невозможность полной индивидуализации передаваемых данных, использование в спутниковых сетях вещательных техник имеет хорошие перспективы из-за доступности и дешевизны услуг.

В настоящей статье в основном рассмотрены технические аспекты разных способов доставки мультимедиа. Заниматься прогнозированием развития того или иного направления можно только принимая во внимание исчерпывающий набор факторов технического, экономического, юридического и психологического характера.

Подобным прогнозированием занимаются специальные организации, такие как IDC (International Data Corporation) и Dataquest.

По их прогнозам, в ближайшие пять лет подключение к Интернет через линии ISDN станет наиболее распространенным (40%), обогнав использование традиционных телефонных линий (30%). Кабельным модемам отводится 10-18% всех подключений. Среди DSL технологий прогнозируется преимущественное распространение ADSL (6-10%). Беспроводные технологии, по мнению этих экспертов, пока не получат широкого распространения на телекоммуникационном рынке. Им отводится только 3% всех подключений.

Трудно как-нибудь прокомментировать этот прогноз. Подтвердить или опровергнуть его может только время.

Таблица1
Расстояние (м)Тип проводаСкорость передачи (Мбит/с)
540024 AWG2.0
450026 AWG2.0
360024 AWG6.1
270026 AWG6.1

 

Таблица 2
Тип модуляцииПолезная скорость
QPSK1.5 бит/с*Гц
16 QAM3 бит/с*Гц
64 QAM5 бит/с*Гц
256 QAM7 бит/с*Гц

 

1 Скорость без учета битов канального кодирования.

2 Подробный обзор параметров, характеризующий системы кабельных модемов, и описание можно найти в статье “Системы кабельных модемов”, опубликованной в прошлом номере "Теле-Спутника".



 
Теле-Спутник Июнь 1999
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт