Εκποµπή δεδοµένων (IP Datacasting) στην επίγεια και φορητή ψηφιακή τηλεόραση (DVB-T/ DVB-H)

Transcript

1 Εκποµπή δεδοµένων (IP Datacasting) στην επίγεια και φορητή ψηφιακή τηλεόραση (DVB-T/ DVB-H) ρ. Γεώργιος Γαρδίκης Εργαστήριο Ψηφιακών Τηλεπικοινωνιών Ινστ. Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. " ηµόκριτος"

2 2 ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος» -Ι.Π.&Τ. Εργ. Ψηφιακών Τηλεπικοινωνιών Μελέτη συστηµάτων ψηφιακής τηλεόρασης: DVB-S, DVB-S.2, DVB-T, DVB-H. Περιβάλλοντα παροχής ολοκληρωµένων διαδραστικών υπηρεσιών σε πλατφόρµες DVB-T/DVB-H IPv6 / DiffServ over IP/DVB Networks ιαχείριση κίνησης και ποιότητα υπηρεσίας σε δίκτυα DVB Μέθοδοι για εκτίµηση ποιότητας Digital Video Digital Video traffic analysis Αντιστοίχηση NQoS parameters (delay, jitter, loss) στην υποκειµενική ποιότητα streaming video Ερευνητικά προγράµµατα σε εξέλιξη: IST ENTHRONE, IST ATHENA, IST IMOSAN

3 3 Εισαγωγή Ψηφιακή τηλεόραση (DTV): ψηφιοποίηση και ψηφιακή µετάδοση του αναλογικού οπτικοακουστικού σήµατος (εικόνα και ήχος) Αναλογικό σήµα (εικόνα): 8 MHz PAL (ευρωπαϊκό σύστηµα) 576 γραµµών, 25 frames/sec, 50 fields/sec Αναλογικό σήµα (ήχος): Στερεοφωνικός, 20Hz- 20kHz Μετάδοση: ορυφορική, καλωδιακή ή επίγεια

4 4 Κωδικοποίηση: Γιατί; Εύρος ζώνης που απαιτείται: (720x576 pixels)x(3 bytes/pixel για RGB) = 1.2 MB για κάθε frame 1.2 ΜΒ/frame x 25 frames/sec = 30 MB/sec = 240 Mbits/sec!! (µόνο για την εικόνα) Πολύ υψηλός ρυθµός για ασύρµατη µετάδοση, ακόµη και µε τη σηµερινή τεχνολογία Λύση: Συµπίεση (κωδικοποίηση) Πρωτόκολλα: MPEG-1 (1990), MPEG-2 (1994) MPEG-2: Συµπίεση του ψηφιοποιηµένου PAL κατά 97% (Πτώση στα 8 Mbps, µε πολύ καλή ποιότητα). Χρησιµοποιείται σε όλα τα συστήµατα DTV Σήµερα: MPEG-4, DivX, Windows Media, H.264, H.264/AVC

5 5 Ψηφιακή τηλεόραση πλεονεκτήµατα (1/2) Σταθερή ποιότητα εικόνας, µε µεγαλύτερη ανοχή στις ατέλειες του ασυρµάτου ή ενσυρµάτου διαύλου Μειωµένος λόγος σήµατος προς θόρυβο (SNR) που απαιτείται σε σύγκριση µε την αναλογική µετάδοση Καλύτερη εκµετάλλευση του φάσµατος λόγω της συµπίεσης του σήµατος βασικής ζώνης. (πολλά προγράµµατα σε ένα κανάλι) Ευέλικτες τεχνικές πολυπλεξίας των ψηφιακών συστηµάτων, που επιτρέπουν την συνύπαρξη πολλών προγραµµάτων και υπηρεσιών επιλεγόµενης ποιότητας και ευκρίνειας.

6 6 Ψηφιακή τηλεόραση πλεονεκτήµατα (2/2) Μεταβλητή ταχύτητα (bit rate) εκποµπής, ανάλογα µε τις απαιτήσεις ποιότητας του προγράµµατος ->, Αύξηση του κέρδους πολυπλεξίας (multiplexing gain) υνατότητα επεξεργασίας της εικόνας στο δέκτη µετά τη λήψη µέσω αλγορίθµων ψηφιακής επεξεργασίας (digital image post-processing) Εύκολος εµπλουτισµός των τηλεοπτικών προγραµµάτων µέσω τυποιηµένων αρχιτεκτονικών (π.χ. MHP, OpenTV) µε τοπικές εφαρµογές Ενσωµάτωση διαφόρων πολυµεσικών εφαρµογών και υπηρεσιών δεδοµένων, όπως αµφίδροµων υπηρεσιών και διαδικτυακής πρόσβασης σε µια κοινή ψηφιακή πλατφόρµα, µε προϋπόθεση ότι υπάρχει διαθέσιµο κανάλι επιστροφής (reverse path).

7 7 Βασικό σύστηµα DTV Ψηφιοποίηση Κωδικοποίηση Πολυπλεξία ιαµόρφωση Εκποµπή/ ιανοµή

8 8 Πολυπλεξία MPEG-2 Πρότυπο ISO/IEC (MPEG-2 Systems) Elementary streams: Video, Audio, Data, PSI/SI (σηµατοδοσία) Κατάτµηση των επιµέρους elementary streams σε Πακέτα Μεταφοράς (Transport Packets) σταθερού µεγέθους (188 bytes) Πολυπλεξία TDM ηµιουργία Transport Stream (TS)

9 9 Πακέτα µεταφοράς MPEG-2 Μπορούν να περιέχουν: Ψηφιοποιηµένο και συµπιεσµένο οπτικοακουστικό σήµα (Audio / Video elementary streams) Πληροφορίες συστήµατος (System Information σηµατοδοσία) εδοµένα οποιασδήποτε µορφής (private data) Πακέτα που µεταφέρουν το ίδιο elementary stream έχουν το ίδιο PID

10 10 ιεργασία πολυπλεξίας Single-Program Transport Streams (SPTSs) από διάφορες πηγές πολυπλέκονται σε πραγµατικό χρόνο για να σχηµατίσουν ένα Multi- Program Transport Stream (MPTS) -> Ψηφιακό «µπουκέτο»

11 11 Λειτουργία δέκτη-αποκωδικοποιητή Σε έναν δέκτη DVB εκτελούνται οι παρακάτω λειτουργίες µε τη σειρά που αναφέρονται: Λήψη του σήµατος Αποδιαµόρφωση Επανασχηµατισµός του MPTS Ανάγνωση των πινάκων PSI/SI γιανασχηµατισθεί ο πίνακας µε τα προγράµµατα που περιέχονται στο µπουκέτο Επιλογή του προγράµµατος Προσδιορισµός PID για τα πακέτα που µεταφέρουν εικόνα και ήχο για το συγκεκριµένο πρόγραµµα Αποκρυπτογράφηση (αν το πρόγραµµα είναι κρυπτογραφηµένο) Επανασχηµατισµός των elementary streams Αποκωδικοποίηση των audio/video elementary streams Μετατροπή D/A ηµιουργία αναλογικών σηµάτων Audio και Video

12 12 ιαµόρφωση και µετάδοση Σε όλα τα συστήµατα ψηφιακής τηλεόρασης, το σήµα βασικής ζώνης είναι το MPEG-2 Transport Stream Ηδιεργασίαδιαµόρφωσης και εκποµπής διαφέρει ανάλογα µε το µέσο µετάδοσης: ορυφορική ψηφιακή τηλεόραση Επίγεια / Φορητή ψηφιακή τηλεόραση Καλωδιακή ψηφιακή τηλεόραση

13 13 Τα πρότυπα DVB (Digital Video Broadcasting) Ευρωπαϊκή οικογένεια προτύπων για ψηφιακή εκποµπή (ETSI) Περιγράφουν τη διαδικασία κωδικοποίησης και διαµόρφωσης για την µετάδοση του MPEG-2 Transport Stream σε ασύρµατο ή ενσύρµατο µέσο DVB-S, DVB-C, DVB-M, DVB-T, DVB-H Στη χώρα µας: DVB-S (υπάρχει), DVB-T (ξεκίνησε πιλοτικά)

14 14 Επίγεια/φορητή ψηφιακή τηλεόραση (DVB-Τ / DVB-H) Το MPTS διαµορφώνεται και εκπέµπεται επίγεια, στη µπάντα των UHF, όπως τα υπάρχοντα αναλογικά κανάλια Χρήση της παρούσας RF υποδοµής (ενισχυτές, κεραίες, αναµεταδότες)

15 15 Η προδιαγραφή DVB-T ETS , 1997, Rev.1.4.1, 2001 Κωδικοποίηση και διαµόρφωση του MPEG-2 TS για επίγεια µετάδοση στα UHF Εύρος ζώνης 6, 7 ή 8 MHz ιαµόρφωση QPSK / 16 QAM / 64 QAM σε σχήµα πολλαπλώνορθογώνιωνφερόντων(coded OFDM) ιπλή κωδικοποίηση (συνελικτική και block Reed- Solomon) Ωφέλιµο bit rate από 4.98 έως Mbps

16 ιαµορφωτής DVB-T 16

17 17 Φάσµα DVB-T (OFDM) Orthogonal Frequency Division Multiplexing 6817 («8Κ») ή 1705 («2Κ») φέροντα ορθογώνια µεταξύ τους. Το κάθε φέρον διαµορφώνεται κατά QPSK, 16QAM ή 64QAM και µεταφέρει 2, 4 ή 6 bits αντίστοιχα.

18 18 Παράµετροι διαµόρφωσης DVB-T 60 συνδυασµοί διαµόρφωσης, code rate και guard interval Χωρητικότητα ανάλογη του τρόπου λειτουργίας

19 19 Κατώφλια λειτουργίας Σηµατοθορυβικός λόγος (σε db) που απαιτείται στον δέκτη για σωστή λειτουργία Trade off: χωρητικότητα <-> αντοχή σήµατος

20 20 Η προδιαγραφή DVB-Η ETS , 2004 Χρησιµοποιεί το φυσικό επίπεδο του DVB-T µε τρεις επεκτάσεις για υποστήριξη κινητικότητας: 4k FFT mode In-depth interleaving TPS signalling (cell information / handovers) Επιπλέον features στο link layer: MPE-FEC Time slicing

21 21 IP over DVB (-S, -T, -H) (IP Datacasting) Το MPEG-2 Transport Stream µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µεταφορά οποιουδήποτε τύπου ψηφιακών δεδοµένων IP over MPEG-2 TS? Κατάτµηση πακέτων IP και mapping του περιεχοµένου τους σε MPEG-2 Transport Packets -> Ενθυλάκωση (IP/DVB Encapsulation) Αποτέλεσµα: Χρήση των συστηµάτων ψηφιακής τηλεόρασης ως δικτύων πρόσβασης για υπηρεσίες IP

22 22 IP/DVB Encapsulation Mapping IP datagrams -> Transport Packets Πρωτόκολλα: MPE (Multi Protocol Encapsulation), ULE (Unidirectional Lightweight Encapsulation)

23 DVB-H link-layer extension 1: MPE-FEC 23 Επιπρόσθετη προστασία των δεδοµένων IP µε Reed-Solomon Επιλεγόµενο code rate ανά υπηρεσία: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8

24 24 DVB-H link-layer extension 2: Time slicing Τα δεδοµένα οργανώνονται σε bursts Ο φορητός δέκτης ενεργοποιείται περιστασιακά Εξοικονόµηση ενέργειας µέχρι και 90%

25 25 Interactive IP over DVB Στο ίδιο MPEG-2 Transport Stream («µπουκέτο») πολυπλέκονται ψηφιακά τηλεοπτικά προγράµµατα και υπηρεσίες IP Enriched TV Interactive TV Internet-over-DTV access Όµως: Ψηφιακή τηλεόραση -> µονόδροµο µέσο Ηαµφιδροµότητα απαιτεί κανάλι επιστροφής Interaction channel: Common IP access infrastructure (PSTN, ISDN, ADSL, GSM, GPRS, 3G, WLAN etc.) Υβριδικό δίκτυο Ασύµµετρη µεταφορά δεδοµένων

26 26 Αµφίδροµη Ψηφιακή Τηλεόραση Συµβατή µε τις προδιαγραφές που θέτει το ETS : "Digital Video Broadcasting (DVB): Network Independent Protocols for DVB Interactive Services"

27 Στοίβα πρωτοκόλλων στην ασύµµετρη µεταφορά δεδοµένων 27

28 Αρχιτεκτονική διαδραστικού DVB-T/DVB-H 28

29 29 ιαδραστική πλατφόρµα DVB-T/DVB-H Πειραµατική πλατφόρµα Λήψη προγραµµάτων από δορυφορικά µπουκέτα Πολυπλεξία µε δεδοµένα IP Επίγεια επανεκποµπή Κάνάλι επιστροφής: WLAN / GPRS Ποικιλία εφαρµογών

30 Εφαρµογές IP Datacasting σε διαδραστικά δίκτυα DVB-T / DVB-H (I) Εκποµπή τηλεοπτικών προγραµµάτων over IP (MPEG-4, H.264 / AVC). Standard definition / High definition. Φορητά τερµατικά: 300 Kbps CIF, H.264. ιαφορετικό MPE-FEC -> ιαφορετική προστασία έναντι λαθών Κρυπτογραφηµένα (scrambled) τηλεοπτικά προγράµµατα, µε ανοικτούςip-basedµηχανισµούς, όπως IPSec. 30

31 31 Εφαρµογές IP Datacasting σε διαδραστικά δίκτυα DVB-T / DVB-H (II) Push/caching of DTV content (ειδήσεις, καιρός, αθλητικά κλπ.). Το υλικό µεταδίδεται (multicast) και αποθηκεύεται στα τερµατικά. Ο χρήστηςµπορείναέχειπρόσβασηoff-line, ανά πάσα στιγµή, µε µηδενικό κόστος. Message alerts. Εκποµπή µηνυµάτωνσεόλατατερµατικά ταυτόχρονα (multimedia messages) σχετικά µε την επικαιρότητα. ιαδραστικές εκποµπές. Χρήση του καναλιού επιστροφής για τυπικές εφαρµογές IP (tele-voting, e-shopping, τηλεπαιχνίδια, γκάλοπ κλπ.) Web push/caching. Εκποµπή ολόκληρων sites για τοπική αποθήκευση και χρήση off-line µε µηδενικό κόστος. 1 λεπτό -> Mbps. On-demand access / media downloading. Ασύµµετρη σύνδεση µε τη βοήθεια του καναλιού επιστροφής Emergency systems. Σε επείγουσες καταστάσεις, χρήση του ποµπού DVB-T/DVB-H για εκποµπή δεδοµένων σε κινητούς σταθµούς παροχής βοήθειας.

32 32 Πεδία έρευνας Ανάπτυξη application layer για φορητά τερµατικά Interface definition / Open API για την επικοινωνία µεταξύ τωνενοτήτωντουδικτύουdvb Συνεργασία (synergy) µεταξύ telecom operators / broadcasters Native QoS support (DiffServ) στο δίκτυο εκποµπής Dynamic Time Slicing για µέγιστη εκµετάλλευση της διαθέσιµης χωρητικότητας IPv6 addressing / mobility Terminal IP auto-configuration

33 Εκποµπή δεδοµένων (IP Datacasting) στην επίγεια και φορητή ψηφιακή τηλεόραση (DVB-T/ DVB-H) ρ. Γεώργιος Γαρδίκης Εργαστήριο Ψηφιακών Τηλεπικοινωνιών Ινστ. Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. " ηµόκριτος"