ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Τεχνολογίες και παρεχόμενες υπηρεσίες Internet Protocol Television (IPTV) Του φοιτητή: Κυριάκου Κυριάκου Επιβλέπων καθηγητής: Δρ. Μαγκαφάς Λυκούργος ΚΑΒΑΛΑ, 2012 1
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η τηλεόραση έχει αλλάξει δραματικά τον τρόπο που ζούμε, που μαθαίνουμε και που δουλεύουμε. Σήμερα με τα πλεονεκτήματα που μας παρέχει η IPTV, η τηλεοπτική εμπειρία υφίσταται μια θεμελιώδη αλλαγή η οποία θα οδηγήσεισε περισσότερες συναρπαστικές αλλαγές στον τρόπο που παρακολουθούμε τηλεόραση. Όλοι μας περνούμε πολλές ώρες της ημέρας παρακολουθώντας τηλεόραση, αλλάζοντας κανάλια και συζητώντας με τους φίλους μας και την οικογένεια μας για το τι δείχνει η τηλεόραση. Η τηλεόραση σήμερα είναι ακόμη γραμμική, μιας διάστασης, ενός μεγέθους που χωράει όλη την εμπειρία. Εμείς είμαστε παθητικοί αποδέκτες σε οτιδήποτε παρακολουθούμε και πολλοί από εμάς έχουμε λίγες επιλογές στο τι θα παρακολουθήσουμε, πότε θα το παρακολουθήσουμε και πώς θα το παρακολουθήσουμε. Η τηλεόραση έχει την δυνατότητα να γίνει ακόμα καλύτερημε την υιοθέτηση της ευρυζωνικής τεχνολογίας και των πλεονεκτημάτων της. Με την τεχνολογία αυτή η τηλεόραση μπορεί να γίνει διαδραστική και εξατομικευμένη. Οι τηλεοράσεις σε όλο τον κόσμο δεν θα είναι πλέον μόνο δέκτες τηλεοπτικών σημάτων, αλλά θα γίνουν συσκευές σύνδεσης και θα μας δίνουν περισσότερο έλεγχο στην ψυχαγωγία μας. Για τους καταναλωτές η IPTVσημαίνει καλύτερη, πιο εξατομικευμένη τηλεοπτική εμπειρία με υπηρεσίες οι οποίες είναι προσαρμοσμένες στις προσωπικές ανάγκες του καθενός. Ο καθένας θα μπορεί να έχει πρόσβαση σε απεριόριστο περιεχόμενο, από ένα τοπικό ποδοσφαιρικό αγώνα μέχρι μία παιδική σειρά, από ένα ντοκιμαντέρ για άγρια ζώα μέχρι την αγαπημένη του παλιά ταινία, από ένα προσωπικό βίντεο το οποίο ανέβασαν οι φίλοι του μέχρι μια πολύ παλιά σειρά την οποία έβλεπε όταν ήταν μικρός. Αυτός ο προγραμματισμός δεν θα είναι περιορισμένος στη τηλεόραση του μόνο αλλά και σε πολλές άλλες συσκευές που θα χρησιμοποιούνται στο σπίτι είτε εκτός σπιτιού. Στους παροχείς του περιεχομένου μετάδοσης και στους διαφημιστές, η IPTV δίνει την δυνατότητα για νέους τρόπους αφήγησης, μια πιο δυνατή σύνδεση με τους τηλεθεατές και μια πλατφόρμα για πιο ποιοτικούς τρόπους διαφήμισης. Για τους διαχειριστές δικτύου είναι ο ακρογωνιαίος λίθος μιας πλούσιας σουίτας υπηρεσιών οι οποίες θα αυξήσουν την ικανοποίηση και την εμπιστοσύνη του καταναλωτή. Η σουίτα αυτή ονομάζεται triple-play, διαδίκτυο-ομιλία-τηλεόραση. Παρέχοντας πολλές υπηρεσίες μαζί σε ένα και μοναδικό δίκτυο, έχει ως αποτέλεσμα το μεγάλο κέρδος σε διαχειριστές και καταναλωτές. Η IPTV είναι ένα φαινόμενο της τηλεπικοινωνιακής βιομηχανίας και αντιπροσωπεύει το μέλλον της τηλεόρασης για όλους τους παροχείς και τους καταναλωτές [4]. 2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος.2 Περιεχόμενα..3 1 Εισαγωγή.5 1.1 Ιστορική αναδρομή και μέλλον.6 1.2 H επανάσταση του διαδικτύου.6 1.3 Η επανάσταση της ψηφιακής τηλεόρασης 7 1.4 Η σύγκλιση της ψηφιακής τηλεόρασης και του διαδικτύου.9 2 Μετάδοση δεδομένων-συμπίεση δεδομένων 10 2.1 Πρότυπο συμπίεσης-πρότυπο mpeg.10 2.2 Προφίλ, επίπεδα και στρώματα του mpeg...12 2.3 Πρότυπο συμπίεσης βίντεο mpeg-2.13 2.4 Macroblock matching..15 2.5 Ομάδα εικόνων και ιεραρχία ομαδοποίησης 15 2.6 Mpeg-4 και άλλες προχωρημένες κωδικοποιήσεις.17 3 Τεχνολογίες-Υπηρεσίες μετάδοσης 19 3.1 Αρχιτεκτονική συστήματος IPTV.20 3.2 Headend..22 3.3 Δίκτυο πυρήνα..25 3.4 Το δίκτυο πρόσβασης TELCO..26 3.5 Δίκτυο καλωδιακής πρόσβασης 27 3.6 Δίκτυο σπιτιού..28 3.7 Τρόποι μετάδοσης περιεχομένου IPTV 28 3.8 Διανομή IPTV με διάφορες τεχνολογίες δικτύου 30 3.9 Προστασία περιεχομένου.31 3.10 Διαχείριση ψηφιακών δικαιωμάτων DRM..32 3.11 Ψηφιακό δίκτυο σπιτιού ( Digital home networking )..34 3.12 Μέσα μετάδοσης DHN..35 3.13 Δικτυακές συσκευές...36 4 Η IPTV σήμερα...40 4.1 Πάροχοι στην Ελλάδα...40 4.2 Πλεονεκτήματα IPTV 49 4.3 Μέλλον της IPTV...50 5 Παρεχόμενες υπηρεσίες IPTV 51 5.1 Μωσαϊκό...51 5.2 Γονικό κλείδωμα 52 5.3 Υπηρεσία αναγνώρισης κλήσης.52 5.4 Υπηρεσία άμεσων μηνυμάτων...53 5.5 Ραδιόφωνο στην τηλεόραση..54 5.6 Επιλογές ήχου, ανάλυση εικόνας...54 3
5.7 Βίντεο κατά ζήτηση, VOD 55 5.8 Teletext..56 5.9 Κατάσταση λογαριασμού..56 5.10 Διαδραστική διαφήμιση 57 5.11 Ηλεκτρονικός οδηγός 58 5.12 Δημιουργία video playlist.58 5.13 Προσθήκη υπηρεσιών μέσω του τηλεκοντρόλ.59 Βιβλιογραφία.60 4
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ-ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Βρισκόμαστε στο μέσο δύο τεχνολογικών επαναστάσεων οι οποίες έχουν επηρεάσει πολύ το κοινωνικό σύνολο. Η πρώτη από τις δύο είναι το διαδίκτυο το οποίο έχει εξαπλωθεί ραγδαία μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα και η άλλη είναι η ψηφιοποίηση της τηλεόρασης. Μέσω του διαδικτύου οι άνθρωποι μπορούν να επιλέγουν αυτό που τους ενδιαφέρει και να το παραλαμβάνουν όποτε θέλουν. Η εξατομίκευση και η κατά ζήτηση πληροφορία είναι σήμερα ένα συνηθισμένο φαινόμενο. Επίσης το διαδίκτυο έχει ανοίξει μια παγκόσμια αγορά επιτρέποντας απευθείας σύνδεση μεταξύ καταναλωτών και πωλητών όπως δεν έχει ξαναγίνει πριν, φέρνοντας ακόμη περισσότερη εξατομίκευση και κατά ζήτηση ποιότητα εμπορίου. Η ψηφιοποίηση της τηλεόρασης επιτρέπει καλύτερη ποιότητα εικόνας και εικόνες με μεγαλύτερη ανάλυση, και τελικά θα φέρει τις ίδιες αλλαγές που έφερε το διαδίκτυο στις πληροφορίες, την υπηρεσία κατά ζήτηση και την εξατομίκευση. Η IPTV είναι η συνένωση των δύο τεχνολογικών επαναστάσεων και υπόσχεται ακόμα μία επανάσταση στον τρόπο που βρίσκουμε, επιλέγουμε και καταναλώνουμε την ψηφιακή μας ψυχαγωγία. Αμέσως μετά την ανάπτυξη του διαδικτύου, την δημοφιλή χρήση του και την ευρεία αναγνώριση ότι έχει την δυνατότητα να αλλάξει την ανθρώπινη εμπειρία όπως έκανε και η τηλεόραση, εμφανίστηκε μια γενική ιδέα για την σύγκλιση της εμπειρίας που προσφέρει ένας προσωπικός υπολογιστής με την τηλεόραση. Όπως οδεύουν οι τηλεοπτικές υπηρεσίες στην ψηφιακή τεχνολογία και οι ευρυζωνικές υπηρεσίες γίνονται διάχυτες, η ευκαιρία της IPTV να αναδειχθεί ως ένα νέο επιχειρηματικό μοντέλο εμφανίζεται. Αρχικά οι εταιρείες καλωδιακής τηλεόρασης και τηλεφωνίας δημιουργούσαν ξεχωριστά δίκτυα για να παρέχουν την παραδοσιακή τηλεόραση, τηλεφωνία και διαδίκτυο. Μετά όμως αντιλήφθηκαν ότι κάποια στοιχεία στο σύστημα τους μπορούσαν να έχουν και άλλες λειτουργίες, έτσι θα μείωναν την ανάγκη και τα έξοδα για ξεχωριστούς εξοπλισμούς. Κατά ακρίβεια πολλά μέρη ενός μοντέρνου καλωδιακού και τηλεφωνικού δικτύου είναι παρόμοια γιατί τα ψηφιακά δεδομένα χειρίζονται με τον ίδιο τρόπο που χειρίζονται τα δεδομένα του Internet, αξιοποιώντας τα πακέτα του διαδικτυακού πρωτοκόλλου( IP ).Μόνο όταν τα δεδομένα πλησιάζουν στο σπίτι του καταναλωτή ή σε κάποιες περιπτώσεις όταν φθάνουν στον τελικό τους προορισμό μέσα στο σπίτι, τηλεόραση-υπολογιστή-τηλέφωνο, αναλύονται το καθένα σε τηλεφωνία, διαδίκτυο ή τηλεόραση όπως προορίζονταν από την αρχή να γίνουν. Σήμερα πολλές εταιρείες παγκοσμίου μεγέθους επενδύουν τεράστιες ποσότητες χρημάτων για να προωθήσουν τη νέα τεχνολογική επανάσταση, την IPTV [4], [6]. 5
1.2 H επανάσταση του Διαδικτύου Το Διαδίκτυο έχει προχωρήσει πάρα πολύ από την ταπεινή του εμφάνιση ενώνοντας μερικά επιστημονικά και στρατιωτικά εργαστήρια. Αρχικά πρόσφερε ένα τρόπο στους επιστήμονες για να μπορούν να μοιράζονται την αλληλογραφία τους (αργότερα θα ονομαστεί e-mail) και τα δεδομένα τους. Ο παγκόσμιος ιστός, World Wide Web, είναι χτισμένος πάνω στο διαδίκτυο και έχει εξαπλωθεί ραγδαία επηρεάζοντας την κοινωνία, το εμπόριο, ακόμη και την πολιτική. Σήμερα οι άνθρωποι σε όλο τον κόσμο, από όλες τις ηλικίες, ενώνονται και χρησιμοποιούν το Διαδίκτυο. Ο αριθμός των ανθρώπων με γρήγορες, ευρυζωνική σύνδεση, ταχύτητες διαδικτύου έχει μεγαλώσει φαινομενικά μέσα σε δύο μόλις δεκαετίες και συνεχίζει να μεγαλώνει σε απίστευτους ρυθμούς. Η ανάπτυξη των υπηρεσιών του διαδικτύου έρχεται από δύο πλευρές, από την πλευρά της ζήτησης και από την πλευρά της προμήθειας. Στην πλευρά της ζήτησης, οι άνθρωποι-καταναλωτές έχουν την επιθυμία να συνδέονται, να λαμβάνουν και να μοιράζονται πληροφορίες άμεσα με άλλους ανθρώπους και εταιρείες μέσω του διαδικτύου. Από την πλευρά της προμήθειας, οι εταιρείες έχουν καταλάβει τις τεράστιες δυνατότητες να μπορούν να φτάσουν πολύ εύκολα μια τεράστια μάζα πελατών. Εταιρείες όπως το EBay, Amazon, ταξιδιωτικές και πολλές άλλες έχουν αναπτυχθεί ραγδαία μέσω του διαδικτύου. Η επανάσταση του διαδικτύου έγινε δυνατή μόνο όταν αναπτύχθηκε ραγδαία ο προσωπικός υπολογιστής. Από την στιγμή που ένας σημαντικός αριθμός ανθρώπων είχε πρόσβασηστο διαδίκτυο και χρησιμοποίησε προσωπικό υπολογιστή ( PC ),αναπτύχθηκε το διαδίκτυο και προέκυψε γρήγορα ως το πιο δημοφιλές μέσο επικοινωνιών. Επομένως η αξία του διαδικτύου απογειώθηκε όταν η χρήση του PC μεταπήδησε από μικρές επιστημονικές ομάδες στο ευρύ κοινό. Όσο οι αποδόσεις και οι ικανότητες των υπολογιστών εξελίσσονταν, ο τύπος και το μέγεθος του περιεχομένου που μοιράζεται στο διαδίκτυο άλλαξε από ένα απλό μικρό κείμενο σε κινούμενες εικόνες και πολυμέσα ψυχαγωγίας [10]. 6
1.3 Η επανάσταση της Ψηφιακής Τηλεόρασης Η τεχνολογία πίσω από την αναλογική τηλεόραση, η Διεθνής Επιτροπή Συστημάτων Τηλεόρασης-National Television System Committee (NTSC), είναι μεγαλύτερη από 50 χρονών και έχει αλλάξει ελάχιστα σε αυτό το χρονικό διάστημα. Το τελευταίο μεγάλο τεχνολογικό επίτευγμα στη τηλεόραση ήταν η ανακάλυψη της έγχρωμης τηλεόρασης στην δεκαετία του 1950. Η ψηφιακή τηλεόραση φέρνει σχεδόν μια θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο που η τηλεόραση παράγεται, προστίθεται, μεταδίδεται και παρακολουθείται. Απαιτούνται τεράστιες αλλαγές στις υποδομές για να δημιουργηθούν και να μεταδοθούν τα ψηφιακά σήματα, μαζί με την αντικατάσταση όλων των αναλογικών τηλεοράσεων με συσκευές ικανές να λαμβάνουν τα ψηφιακά σήματα. Η μετάβαση από την αναλογική τηλεόραση στην ψηφιακή ξεκίνησε την δεκαετία του 1990 και συνεχίζεται μέχρι σήμερα [4],[6]. Η ψηφιακή τηλεόραση έχει κάποια ξεχωριστά πλεονεκτήματα σε σχέση με την αναλογική τηλεόραση. Κάποια από αυτά είναι εμφανή στον τηλεθεατή ενώ άλλα προσφέρουν πλεονεκτήματα στους παραγωγούς του περιεχομένου, στους παροχείς τηλεοπτικών καναλιών και στους παροχείς καλωδιακής τηλεόρασης. Κάποια πλεονεκτήματα που λαμβάνονται από τους καταναλωτές είναι η καλύτερη ποιότητα βίντεο, οι επιλογές στον ήχο, η συμβατικότητα με τα PC s, η μνήμη τυχαίας προσπέλασης και η χρονική μετατόπιση. Δεν είναι μόνο όμως οι καταναλωτές που έχουν πλεονεκτήματα από την τεχνολογία της ψηφιακής τηλεόρασης. Οι δημιουργοί του περιεχομένου και οι διανομείς του, έχουν και αυτοί πολλά πλεονεκτήματα όπως πιο αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης, μικρότερος χώρος αποθήκευσης δεδομένων, ευκολότερη σύνθεση προγραμμάτων και διαφημίσεων, πολυχρηστικός εξοπλισμός και εύκολη διαχείριση αρχείων. Η τεχνολογία της ψηφιακής τηλεόρασης έχει επίσης ενεργοποιήσει νέες εφαρμογές και νέους τρόπους μετάδοσης. Μερικές υπηρεσίες που έχουν αναπτυχθεί λόγω των εφαρμογών της ψηφιακής τηλεόρασης είναι: To ψηφιακό καλώδιο. Η υπηρεσία του ψηφιακού καλωδίου χρησιμοποιώντας την ψηφιακή τηλεόραση, προσφέρει καλύτερη ποιότητα εικόνας και πολύ περισσότερα κανάλια από την αναλογική τηλεόραση. Οι καλωδιακοί παροχείς έχουν ξεκινήσει να προσφέρουν αυτή την υπηρεσία στην δεκαετία του 1990. Δορυφορικές μεταδόσεις. Η ψηφιακή τηλεόραση και οι τεχνολογίες συμπίεσης, επηρέασαν την ανάπτυξη την ψηφιακής δορυφορικής μετάδοσης υπηρεσιών ( DBS-Digital Broadcast Satellite ). Και οι δύο τεχνολογίες που προαναφέρονται χρησιμοποιούν την τεχνολογία συμπίεσης MPEG-2. 7
DVD βίντεο. ΤαDVD ( Digital Video Disc ) βασίζονται στην ίδια ψηφιακή τεχνολογία συμπίεσης που αναφέρθηκε πιο πάνω. Τα DVDέχουν γρήγορα αντικαταστήσει την αναλογικές βιντεοταινίες και γνώρισαν τον μεγαλύτερο ρυθμό υιοθέτησης από τους καταναλωτές από οποιοδήποτε άλλη ηλεκτρονική συσκευή. CD βίντεο. Ενώ ήταν πολύ λίγο γνωστό στον Δυτικό κόσμο, το βίντεοcdήταν ένα εναλλακτικό του DVD και χρησιμοποιόταν ευρέως στην Ασία πριν ακόμη εμφανιστεί το DVD. Γεγονός είναι ότι πολλά σπίτια στην Κίνα πήγαν απευθείας στο ψηφιακό βίντεο με την χρήση του βίντεο CD και παρέλειψαν να χρησιμοποιήσουν την αναλογική βιντεοταινία. Ψηφιακές βιντεοκάμερες. Οι ψηφιακές βιντεοκάμερες είναι μικρότερες, ελαφρύτερες και μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερο περιεχόμενο από τις αναλογικές. Επίσης η τυχαία πρόσβαση στην μνήμη κάνει δυνατή την προσθήκη βίντεο με PC. Ψηφιακές συσκευές εγγραφής βίντεο. Οι συσκευές αυτές κάνουν πολύ εύκολη την εγγραφή των αγαπημένων μας προγραμμάτων, αλλά έχουν και πολλές άλλες λειτουργίες που πριν δεν ήταν να γίνουν με την αναλογική τηλεόραση. Μια από αυτές τις λειτουργίες είναι η αλλαγή στον χρόνο στην ζωντανή τηλεοπτική μετάδοση, δηλαδή να σταματάς ή να επιστρέφεις πίσω κάποιο πρόγραμμα ακόμη και αυτό που μεταδίδεται ζωντανά. [6]. DVD player 8
1.4 IPTV: Η σύγκλιση της ψηφιακής τηλεόρασης και του διαδικτύου Προσδιορίζουμε την IPTVως την δημιουργία μίας υπηρεσίας βίντεο που έχει ως σκοπό της να προσφέρει ψηφιακό βίντεο και ήχο πάνω από το ψηφιακό πρωτόκολλο. Με αυτό τον ευρύ ορισμό, η IPTV έχει πολλές και διάφορες λειτουργίες και εφαρμογές. IPTV μπορεί να είναι ένας καταναλωτής που βρίσκεται στο σπίτι του και κατεβάζει ένα αρχείο ζωντανής ροής ήχου και βίντεο, από μια συσκευή σε μια άλλη μέσα στο σπίτι. IPTV μπορεί να είναι ένας επαγγελματίας διαχειριστής βίντεο, όπως μια μεγάλη εταιρεία τηλεπικοινωνιών, που δημιουργεί μια πολυκάναλη τηλεοπτική υπηρεσία πάνω από ένα πανάκριβο δίκτυο ευρυζωνικής υπηρεσίας. Η IPTV μπορεί να εφαρμοστεί στην εκπαίδευση, στην μόρφωση, σε οικονομικούς και ιατρικούς τομείς, σε ζωντανή ροή μέσα σε τάξεις ή επιχειρήσεις χρησιμοποιώντας μια ευρυζωνική σύνδεση. Όσο η IPTVαναπτύσσεται και εξελίσσεται, οι δυνατότητες της είναι απεριόριστες. Η τεχνολογία που κρύβεται πίσω από την IPTV είναι η ανάμειξη των ψηφιακών μέσων ενημέρωσης και των προτύπων του πρωτοκόλλου του διαδικτύου. Οι ψηφιακές υπηρεσίες τηλεόρασης βασίζονται στην ψηφιοποίηση των αναλογικών σημάτων, δηλαδή παίρνεις μια αναλογική πηγή βίντεο, όπως ένα φιλμ, και το ψηφιοποιείς σε μια πολύ μεγάλη σειρά από άσσους και μηδενικά. Αυτή η ψηφιακή ροή τότε συμπιέζεται με ένα αλγόριθμο συμπίεσης για να γίνει διαχειρίσιμο το μέγεθος της. Οι υφιστάμενες ψηφιακές τηλεοπτικές υπηρεσίες μεταδίδουν αυτές τις ροές των bit στους καταναλωτές χρησιμοποιώντας αναλογικές τεχνολογίες, όπως μετάδοση από ραδιοκεραίες στις κεραίες των σπιτιών ή στέλνοντας ένα ομοαξονικό καλώδιο στο σπίτι. Το πρωτόκολλο του διαδικτύου είχε δημιουργηθεί για ένα τελείως διαφορετικό τύπο υπηρεσίας αλλά η συνένωση του με την ψηφιακή τηλεόραση έχει ανοίξει δρόμους για απεριόριστες εφαρμογές της IPTV [4], [6], [10]. 9
2. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ-ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Με τον όρο συμπίεση εννοούμε την μείωση των bit και των δεδομένων μιας πληροφορίας. Δηλαδή η ίδια πληροφορία μεταφέρεται χρησιμοποιώντας μικρότερη ποσότητα ρυθμού δεδομένων. Η συμπίεση μεγαλώνει το χρόνο αναπαραγωγής μιας συσκευής και τον αποθηκευτικό της χώρο. Έτσι με λιγότερα δεδομένα για αποθήκευση, ο ίδιος χρόνος αναπαραγωγής λαμβάνεται από μια μικρότερη σε χωρητικότητα συσκευή. Με λιγότερα δεδομένα για εγγραφή, η πυκνότητα αποθήκευσης μπορεί να μειωθεί κάνοντας τον εξοπλισμό πιο ανθεκτικό σε δυσμενείς συνθήκες και να χρειάζεται λιγότερη συντήρηση. Στα συστήματα τηλεπικοινωνιών, η συμπίεση επιτρέπει μια μείωση στο εύρος ζώνης ( bandwidth ), για αυτό και χρησιμοποιείται στη μετάδοση της ψηφιακής τηλεόρασης. Επειδή οι τηλεπικοινωνίες χρεώνονται με το bit, η συμπίεση έχει ως αποτέλεσμα και την μείωση του κόστους. Ακόμη κάνει δυνατές κάποιες διαδικασίες οι οποίες χωρίς την συμπίεση θα ήταν ανέφικτες, όπως το Internet Video. Αν μας δοθεί ένα εύρος ζώνης το οποίο είναι διαθέσιμο σε ένα μη συμπιεσμένο σήμα, η συμπίεση επιτρέπει γρηγορότερη από τον πραγματικό χρόνο μετάδοση στο ίδιο εύρος ζώνης και καλύτερη ποιότητα σήματος. 2.1 ΠΡΟΤΥΠΑ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ-ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG Τα πρότυπα είναι σημαντικά στην συμπίεση γιατί χωρίς ένα κατάλληλο αποκωδικοποιητή, η συμπίεση δεδομένων θα ήταν άσκοπη. To πρότυπο MPEG είναι το πιο γνωστό αλλά δεν είναι το μοναδικό, επίσης υπήρχαν άλλα πρότυπα τα οποία προϋπήρχαν του MPEG. MPEG κατά ακρίβεια είναι τα ακρώνυμα για το Moving Pictures Experts Group το οποίο δημιουργήθηκε από το ISO (International Standards Organization) για να θέσει τα πρότυπα συμπίεσης και μετάδοσης για τον ήχο και το βίντεο. Το πρώτο πρότυπο συμπίεσης για ήχο και βίντεο ήταν το MPEG-1, το οποίο σχεδιάστηκε για να επιτρέπει στις εικόνες και τον ήχο να μεταφέρονται σε ένα CD. Όμως το ΜPEG-1 ήταν πολύ χαμηλής ποιότητας και μείωνε την οριζόντια και κάθετη ανάλυση της τηλεόρασης στο μισό. Η μεταγενέστερη εκδοχή του, το MPEG-2, έγινε πιο διαδεδομένο γιατί υποστήριζε μεγαλύτερη ανάλυση και μεγαλύτερο βαθμό ροής bit. Το MPEG-4 δουλεύει με τον ίδιο τρόπο, αλλά υποστηρίζει ακόμη μεγαλύτερους παράγοντες συμπίεσης. Στα πρότυπα MPEG, ένας αποκωδικοποιητής ΜPEG-2 μπορεί να καταλάβει δεδομένα MPEG-1, και ένας MPEG-4 μπορεί να καταλάβει δεδομένα και των δύο, όχι όμως το αντίθετο. Οι κωδικοποιητές δεν προσδιορίζονται από το MPEG, αλλά παράγουν συμβατή ροή bit, την οποία «ερμηνεύουν» οι αποκωδικοποιητές. Αυτό γίνεται γιατί στο μέλλον οι κωδικοποιητές θα αλλάξουν και οι αλγόριθμοι κωδικοποίησης τους θα 10
εξελιχτούν. Έτσι δεν θα χρειάζεται να αλλάξουν και οι αποκωδικοποιητές, οι οποίοι προσδιορίζονται από το πρότυπο MPEG, και να επιβαρύνονται οι καταναλωτές αγοράζοντας καινούργιους αποκωδικοποιητές. Με λίγα λόγια το MPEG προσδιορίζει την ροή των bitαπό τον κωδικοποιητή προς τον αποκωδικοποιητή, αρκεί η ροή των bit να υπάγεται στα πρότυπα του ISO. To ΜPEG «αγκαλιάζει» εικόνες βίντεο από ένα κινητό τηλέφωνο μέχρι μια υψηλής ανάλυσης εικόνα που προβάλλεται σε ένα ηλεκτρονικό σινεμά, την κωδικοποίηση ήχου από ένα μονοφωνικό ηχείο μέχρι ένα πολυκάναλο ηχοσύστημα [3], [4]. 11
2.2 Προφίλ, επίπεδα και στρώματα του MPEG Το MPEG-2 έχει πολλές εφαρμογές, που πρέπει να επιλυθούν με ένα πρότυπο, για αυτό χωρίζεται σε προφίλ και επίπεδα. Ένα προφίλ περιγράφει τον βαθμό πολυπλεξίας ενώ ένα επίπεδο περιγράφει το μέγεθος μιας εικόνας ή την ανάλυση της, η οποία ταιριάζει με το συγκεκριμένο προφίλ. Tα επίπεδα δεν υποστηρίζονται σε όλα τα προφίλ. Ένας αποκωδικοποιητής MPEG που του έχει δοθεί ένα συγκεκριμένο προφίλ και επίπεδο, πρέπει να είναι ικανός να αποκωδικοποιεί χαμηλότερα προφίλ και επίπεδα. Ένα απλό προφίλ δεν υποστηρίζει αμφίδρομη κωδικοποίηση, για αυτό μόνο Ι και Ρ εικόνες θα βγαίνουν από την έξοδο του. Έτσι μειώνεται η καθυστέρηση της κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης, που μας επιτρέπει να έχουμε πολύ πιο απλό υλικό( hardware). To κύριο προφίλ έχει σχεδιαστεί για μία μεγάλη αναλογία χρήσεων. Το χαμηλό προφίλ χρησιμοποιεί μια χαμηλής ανάλυσης είσοδο έχοντας μόνο 352 pixels ανά γραμμή. Η πλειοψηφία των ραδιοτηλεοπτικών εφαρμογών για να δουλέψει, χρειάζεται το υποσύνολο του κύριου προφίλ στο κύριο επίπεδο του MPEG, το οποίο υποστηρίζει SDTV( Standard Definition Television), κανονικής ανάλυσης τηλεόραση. Το υψηλό επίπεδο 1440, είναι ένα υψηλής ανάλυσης σχέδιο το οποίο διπλασιάζει την ανάλυση σε σχέση με το κύριο επίπεδο, διατηρώντας την μορφή 16:9 αυξάνοντας τον αριθμό των οριζόντιων δειγμάτων από 1440 σε 1920 [3], [4]. Στα συστήματα συμπίεσης είναι δυνατόν να παραχθούν διαφορετικής ποιότητας σήματα, τα οποία χωρίζονται στο κύριο σήμα και το βοηθητικό σήμα. Το κύριο σήμα μπορεί να αποκωδικοποιηθεί από μόνο του και να δώσει μιας συγκεκριμένης ποιότητας εικόνα. Αν όμως προστεθεί η πληροφορία από το βοηθητικό σήμα, τότε η ποιότητα της εικόνας μπορεί να βελτιωθεί αισθητά. Αν ένας συμβατικός κωδικοποιητής MPEG, κωδικοποιήσει μια εικόνα pixel by pixel μπορεί να δημιουργηθεί ένα είδος θορύβου κατά 12
την εξαγωγή της εικόνας. Αυτός ο «θόρυβος της εικόνας» μπορεί να κωδικοποιηθεί και να μεταδοθεί ως βοηθητικό σήμα. Ένας απλός αποκωδικοποιητής μπορεί να αποκωδικοποιήσει μόνο το κύριο «θορυβώδες» σήμα. Όμως ένας πιο πολύπλοκος αποκωδικοποιητής μπορεί να συνδυάσει και τα δύο σήματα και να τα συνδυάσει για να παράγει μια εικόνα με χαμηλό θόρυβο. Αυτή είναι η αρχή της δυνατότητας επέκτασης SNR. Στην κωδικοποίηση ήχου του MPEG οι διαφορετικές απαιτήσεις πληρούνται χρησιμοποιώντας τα επίπεδα. Το 1 ο επίπεδο είναι το λιγότερο πολύπλοκο αλλά δίνει τον χαμηλότερο παράγοντα συμπίεσης. Το 2 ο επίπεδο είναι πιο πολύπλοκο αλλά διατηρεί την ποιότητα σε χαμηλή ροή bits. Το 3 ο επίπεδο είναι εξαιρετικά πολύπλοκο και είναι βελτιστοποιημένο για πολύ ψηλούς παράγοντες συμπίεσης. 2.3 ΠΡΟΤΥΠΟ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ ΒΙΝΤΕΟ MPEG-2 Το πρότυπο MPEG-2 είναι το πιο διαδεδομένο και χρησιμοποιείται σε υπηρεσίες ψηφιακής τηλεόρασης. Επίσης χρησιμοποιείται σε δορυφορικές μεταδόσεις, καλωδιακή τηλεόραση και σε διαχειριστές μεταδόσεων. Η μετάδοση υψηλής ανάλυσης τηλεόρασης, HDTV, βασίζεται και αυτή στο πρότυπο MPEG-2. Η συμπίεση MPEG-2 βασίζεται σε έναν αλγόριθμο, ο οποίος μετά την μείωση του μεγέθους μιας εικόνας την «σπάζει» σε ένα μωσαϊκό 64 μικρών τετράγωνων pixel, 8 pixelsσε κά8ε πλευρά. Τότε γίνεται μια διαδικασία μετατροπής στο κάθε ένα από τα τετράγωνα ξεχωριστά. Η μετατροπή αυτή ονομάζεται Discrete Cosine Transform, Διακριτή Μετατροπή Συνημίτονου, DCT. Το DCT βασίζεται σε μια πατέντα σκακιού, η οποία φτιάχνει την εικόνα. Το ανθρώπινο οπτικό σύστημα λαμβάνει αυτή την πατέντα σκακιού διαφορετικά βασισμένο στην συχνότητα τους και την αντίθεση τους. Χαμηλή αντίθεση και ψηλή συχνότητα είναι δύσκολο ή και αδύνατο να τα δει το ανθρώπινο μάτι, ειδικά σε κάποια απόσταση. Αυτές οι πατέντες παρουσιάζουν μια φόρμα ψυχοοπτικού πλεονασμού, δηλαδή η εικόνα είναι λίγο θολή ή σαν να είναι πολλά κουτάκια ενωμένα μαζί, το οποίο μπορεί να αφαιρεθεί από την εικόνα με μικρές ή καθόλου απώλειες στην ποιότητα της εικόνας. Όσο μεγαλύτερη είναι η συμπίεση σε μια εικόνα, τόσο περισσότερα bitsαφαιρούνται από τη ροή,bitstream, κάτι το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε μια απώλεια της ποιότητας της εικόνας. Tο πιο σημαντικό στην συμπίεση MPEG είναι όταν ο αλγόριθμος αφαιρεί το πλεόνασμα ανάμεσα στα πλαίσια της εικόνας. Κατά τα 33ms μεταξύ των πλαισίων της εικόνας, ένα μεγάλο μέρος της εικόνας μπορεί να παραμείνει το ίδιο. Δηλαδή σε μια συχνότητα πλαισίων το φόντο της εικόνας παραμένει σταθερό και ένα αντικείμενο μετακινείται από τη μια άκρη στην άλλη. Τα περισσότερα pixelsδεν αλλάζουν από πλαίσιο σε πλαίσιο λόγω της σταθερότητας του φόντου και του μικρού χρόνου που διαρκεί μια αλλαγή πλαισίου. Τα περισσότερα pixels ανάμεσα στα πλαίσια παραμένουν 13
πάντα τα ίδια. Κατά ακρίβεια το μεσαίο πλαίσιο αυτής της συχνότητας των τριών πλαισίων, μπορεί να περιγραφεί σαν αντιγραφή των περισσοτέρων pixelsαπό το πρώτο πλαίσιο και λιγότερων από το τρίτο. Το MPEG-2 «σπάζει» την συχνότητα των εικόνων σε τρείς τύπους πλαισίων. Το πρώτο πλαίσιο ονομάζεται Intra (εντός), I-frame, του οποίου η τεχνική του έχει αναφερθεί πριν, τεχνική DCT. Tα I-frames εξυπηρετούν σαν σημεία άγκυρας μέσα στη ροή των bits, bitstream.oι άλλοι δύο τύποι πλαισίων είναι τα Predictive (προβλεπόμενα), P-frames, και τα Bidirectional (αμφίδρομα), B-frames. Όπου είναι δυνατόν, αυτά τα πλαίσια ορίζονται παίρνοντας κομμάτια από άλλα πλαίσια αντιγράφοντας τα. Δηλαδή για κάθε κομμάτι μέσα στο πλαίσιο, βρίσκει το ταίρι του μέσα στα άλλα πλαίσια. Αν βρεθεί ένα κοντινό ταίρι τότε αντιγράφεται για να δημιουργηθεί ένα κουτί, block. Αν δεν βρεθεί ταίρι τότε το block συμπιέζεται κανονικά όπως στο I-frame. Tα P-frames ψάχνουν για όμοια κομμάτια στα προηγούμενα Ι ή Ρ- frames, ενώ τα Β-frames παίρνουν κομμάτια από τα Ι ή τα P-framesτα οποία είχαν γίνει προηγουμένως ή θα συμβούν στο μέλλον. Η πιο πάνω εικόνα είναι ένα παράδειγμα των τριών πλαισίων. Το I-frame δημιουργείται από τα συμπιεσμένα bits, το P-frame στο τέλος της σειράς δημιουργείται από κομμάτια του I-frame και τα δύο B-frames δημιουργούνται από κομμάτια των P-frame και I-frame. Το πλεονέκτημα της δημιουργίας πλαισίων από άλλα block από άλλα πλαίσια, είναι ότι δεν είναι αναγκαίο να στέλνονται όλες οι πληροφορίες για να περιγράψουν ένα block. Επειδή τα Bκαι τα P-frames δημιουργούνται από αντιγραφή άλλων frames χρειάζονται λιγότερα bitsγια να δημιουργηθούν. Ένα μη συμπιεσμένο ψηφιακό πλαίσιο χρειάζεται περισσότερο από 7 εκατομμύρια bits για να προσδιορίσει κάθε pixel. Σε ένα συμπιεσμένο SDTVσήμα χρειάζονται περίπου 400kbpsγια να προσδιοριστεί ένα I-frame, 100kbps για ένα P-frame και 50kbps για ένα B-frame [2], [3], [4]. 14
2.4 Macroblock matching Τα μικρά μπαλώματα, patches, μιας εικόνας τα οποία αντιγράφονται από άλλα frames και δημιουργούν τα Β-frames και τα Ρ-frames, ονομάζονται macrobloks. Κάθε Macroblock είναι ένα 16x16 pixelτετράγωνο. Για να δημιουργηθεί ένα Β-frame στην διαδικασία κωδικοποίησης, ο κωδικοποιητής πρέπει να βρει macroblocks σε άλλα frames τα οποία να είναι σχεδόν όμοια με τα pixels του αυθεντικού macroblock. Όσο πιο κοντινό είναι το ταίριασμα, matching, όλων των pixel μέσα στο macroblock τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα της εικόνας που εμφανίζεται. Οι καλύτεροι MPEG κωδικοποιητές βρίσκουν τα καλύτερα ταιριάσματα και έτσι διατηρούν την ποιότητα της εικόνας ελαχιστοποιώντας την διαφορά μεταξύ των αυθεντικών pixels και των pixels που αντιγράφονται. 2.5 Ομάδα εικόνων και ιεραρχία ομαδοποίησης Χρησιμοποιώντας όσα πιο πολλά Β-frames και Ρ-frames μπορούμε στη συμπίεση της ψηφιακής ροής των bit εξοικονομούμε μεγαλύτερο χώρο, αλλά είναι αναγκαίο μέσα μέσα να εισάγουμε και ένα Ι-frame. Τα Ι-frames δεν δημιουργούνται από άλλα frames αλλά δημιουργούνται από συμπιεσμένες πληροφορίες των pixel. Aς πούμε ότι έχουμε μια ακολουθία που αποτελείται μόνο από ένα Ι-frame στην αρχή και μετά με άπειρες σειρές από Β και Ρ-frames.Tα Β και Ρ-frames μπορούν να περιγραφούν από άλλα Β και Ρ-frame συν το πρώτο Ι-frame. Όλες όμως οι ακόλουθες frames εξαρτώνται από αυτό το πρώτο frame. Αν απαιτούσαμε από την συσκευήαποκωδικοποίησης να θυμάται όλα τα προηγούμενα frames, τότε δεν θα ήταν πρακτικό για καταναλωτική χρήση. Δηλαδή αν ένας καταναλωτής ήθελε να ρυθμίσει την εικόνα σε ένα συγκεκριμένο κανάλι στη μέση της ημέρας, θα έπρεπε να περιμένει τον αποκωδικοποιητή να αναζητήσει και να βρει όλα τα framesαπό την αρχή της μετάδοσης έτσι ώστε να μπορέσει να παρακολουθήσει το κανάλι. Έτσι τα Ι-frames εισάγονται περιοδικά στην ακολουθία της κωδικοποίησης MPEG για να μην χρειάζεται να βρει όλα τα προηγούμενα frame ο αποκωδικοποιητής για να μπορέσει να δημιουργήσει το κανάλι. Με κάποιο τρόπο τα Ι-frames είναι τα σημεία εκκίνησης της ροής των bits για να μπορέσει να αρχίσει η διαδικασία της κωδικοποίησης. Όταν αλλάζουμε ένα ψηφιακό κανάλι. ο αποκωδικοποιητής πρέπει να περιμένει ένα Ι-frame για να ξεκινήσει την αποκωδικοποίηση. Επειδή τα Ι-frames καταλαμβάνουν τα περισσότερα bitsπρέπει να υπάρχει μια διαφορά στην ακολουθία τους.αν είναι πολλά μαζί και το bitsteam γίνεται πολύ μεγάλο, αν είναι πολύ λίγα τότε θα χρειαστεί μεγάλο χρονικό διάστημα για να ξεκινήσει η κωδικοποίηση. Για μια τυπική χρήση ένα Ι-frame εισάγεται κάθε 15 λεπτά. 15
Επειδή τα Β και Ρ-frames δημιουργούνται από macroblocks τα οποία αντιγράφηκαν από προηγούμενα ή μελλοντικά frames, για να δημιουργηθούν πρέπει να προϋπάρχουν τα framesαπό τα οποία εξαρτώνται. Έτσι ενώ τα βίντεο framesεισέρχονται στον κωδικοποιητή MPEG με μια συγκεκριμένη σειρά, συμπιέζονται, μεταδίδονται και αποκωδικοποιούνται με διαφορετική σειρά. Για μια απλή ομάδα από εικόνες, ένα Ι-frame πρέπει να σταλεί πρώτο στον αποκωδικοποιητή ακολουθούμενο από Ρ-frames και εν τέλει από Β-frames. Ακόμη και αν έρθει ένα Β-frame αμέσως μετά το Ι-frame, δεν μπορεί να παραχθεί μέχρι να έχουν φθάσει και αποκωδικοποιηθεί τα Ρ-frames. Εν ολίγοις, το MPEG-2 παίρνει ένα ψηφιακό τηλεοπτικό σήμα με bitrate 216 Μbps και ένα συνεχή αριθμό bits ανά frame και δημιουργεί ένα άλλο, μικρότερο ψηφιακό σήμα περίπου 2 με 8 Mbps με μεταβλητό αριθμό bitsανά frame. O αλγόριθμος παίρνει μια σειρά από frames και τα διαιρεί σε ομάδες εικόνων. Σε κάθε ομάδα εικόνων υπάρχει ένα ή περισσότερα Ι-frames και πολλά Β και Ρ-frames. Κάθε frame χρησιμοποιεί διαφορετικό αριθμό bits βασισμένο στο τύπο του frame και πόσα όμοια macrobloks έχουν χρησιμοποιηθεί. Η χωρίς σειρά κωδικοποίηση συνδυάζεται με την ανάγκη να αρχίζει με ένα Ι-frame και έτσι έχει σημαντικές συνέπειες στην εκτέλεση μιας υπηρεσίας ψηφιακής τηλεόρασης. Το συμπιεσμένο ψηφιακό bitstream στέλνεται bit με bit για πολλά χιλιόμετρα ενός δικτύου μεταγωγής πριν φθάσει στον αποκωδικοποιητή του καταναλωτή. Για αυτό υπάρχει μια καθυστέρηση επειδή ο αποκωδικοποιητής περιμένει μέχρι τα bits να μαζευτούν και να συμπληρώσουν ένα ολόκληρο frame. Μόλις όλα τα bits για ένα frame μαζευτούν, αποκωδικοποιούνται και δημιουργούν ένα single frame. Επειδή τα frame στέλνονται χωρίς κάποια σειρά, ορισμένα από αυτά όπως τα B-frames πρέπει να περιμένουν μέχρι να έρθουν τα άλλα frame να αποκωδικοποιηθούν και μετά να δημιουργηθούν αυτά. Ακόμη ο αποκωδικοποιητής για να αρχίσει την διαδικασία αποκωδικοποίησης πρέπει να περιμένει μέχρι να φτάσει ένα I-frame και έτσι απορρίπτει όλα τα B και P-frames μέχρι να φτάσει το Ι-frame. Kάθε ένα από αυτά τα βήματα παίρνει χρόνο για να γίνει και έτσι υπάρχει μια καθυστέρηση από την ώρα που στέλνεται το bitstream, που παραλαμβάνεται και τέλος μεταδίδεται. Για να φθάσει ένα Ι-frame μπορεί να χρειαστούν μέχρι και 500 ms.οι ρυθμιστές των bit χρησιμοποιούνται για να συλλέγουν εισερχόμενα bits και ολόκληρα frames πριν τα μεταδώσουν στον αποκωδικοποιητή. Επίσης οι ρυθμιστές( buffers ) πριν την μετάδοση πρέπει να περιμένουν και κάποια μικροκαθυστέρηση που υπάρχει στο κανάλι μετάδοσης. Τελικά η όλη διαδικασία παίρνει ακόμη μισό δευτερόλεπτο. Το αποτέλεσμα είναι ότι το σήμα στη ψηφιακή τηλεοπτική ροή χρειάζεται κάποιο χρόνο να γίνει ορατό στο χρήστη, δηλαδή αλλάζει το κανάλι αλλά χρειάζεται κάποιο χρόνο για να εμφανιστεί. 16
Μετά την κωδικοποίηση των pixels των Ι-frames και ταιριάζοντας τα macroblocks για τα B και P-frames, το MPEG χρησιμοποιεί μια τεχνική που ονομάζεται εντροπία κωδικοποίησης ή μεταβλητό μήκος κωδικοποίησης(vlc) για να μειώσει ακόμη περισσότερο τον αριθμό των bits. Συνήθως τα διανύσματα κίνησης των macroblocks είναι μικρού μεγέθους και αντιπροσωπεύουν μικρές κινήσεις αντικειμένων στη διάρκεια των 33ms μεταξύ των frames. Είναι σπάνιο ένα μεγάλο διάνυσμα κίνησης να βρεθεί ως το καλύτερο ταίριασμα στην αναζήτηση του macroblock. Στο VLC λιγότερα bits χρησιμοποιούνται για να κωδικοποιήσουν τα πιο κοινά διανύσματα κίνησης και περισσότερα bits για να τα λιγότερο συχνά διανύσματα. Ένα σημαντικό παραπροϊόν της χρήσης του VLC και των διανυσμάτων κίνησης είναι ότι ένα μικρό λάθος ή πρόβλημα στον κώδικα μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλα λάθη στη εικόνα μετάδοσης. Η αυθεντική μη συμπιεσμένη εικόνα δεν είναι τόσο εύθραυστη, αν ένα bit είναι λάθος τότε μόνο ένα pixel θα επηρεαστεί. Όμως η συμπιεσμένη ροή του MPEG-2 είναι εύθραυστη και αν υπάρχει λάθος σε ένα bit μπορεί να επηρεάσει πολλά pixels σε πάρα πολλά frames. Για παράδειγμα ένα λάθος σε ένα Ι-frame μπορεί να επηρεάσει πολλά pixels και μετά στη αντιγραφή από τα I και B-frames να πολλαπλασιαστεί το λάθος [4]. 2.6 MPEG-4 και άλλες προχωρημένες κωδικοποιήσεις Οι προχωρημένες κωδικοποιήσεις ανάπτυξαν την αποδοτικότητα των προηγούμενων αλγόριθμων κωδικοποίησης όπως του MPEG-2. Οι κωδικοποιήσεις αυτές εκμεταλλευτήκαν την ανάπτυξη στη θεωρία της συμπίεσης και αυξανόμενη υπολογιστική δύναμη που έγινε διαθέσιμη στα χέρια των καταναλωτών. Η ανεπτυγμένη κωδικοποίηση θα είναι ικανή να διπλασιάζει την αποδοτικότητα, ή να κόβει στα δυο το απαιτούμενο bitrate, με την ίδια ποιότητα που έχει το MPEG-2. Αυτές οι κωδικοποιήσεις έχουν επεκταθεί σε περισσότερους τομείς σε σχέση με το MPEG-2 το οποίο στοχεύει κυρίως στις ταινίες και την τηλεόραση. Για παράδειγμα το MPEG-4 έχει πολλά νέα προφίλ και επίπεδα που προσφέρουν χαμηλό bandwidth, εύρος ζώνης, και εφαρμογές για μικρές οθόνες όπως βίντεο σε κινητά τηλέφωνα. Επίσης περιλαμβάνει προσθήκες για υψηλής ποιότητας βίντεο σε πολύ ψηλή ροή bit και χρησιμοποιείται για την παραγωγή και την μετάδοση υψηλής ευκρίνειας περιεχομένου, High Definition content. Αρχικά το MPEG-4 ξεκίνησε ως κάτι πολύ περισσότερο από ένα αποτελεσματικό πρότυπο συμπίεσης. Περιείχε επιπλέον δυνατότητες όπως την διαδραστικότητα, επιτρέποντας στον χρήστη να ασχοληθεί με την οπτικοακουστική ροή, μπορώντας να αλλάξει τα στοιχεία της ροής περισσότερο από το παραδοσιακό playback. Μια γενική ιδέα για το MPEG-4 περιλάμβανε συνθετικά ή εικονικά μέρη τα οποία προστέθηκαν στην σκηνή, με αυτά τα μέρη να συμπιέζονται διαφορετικά από τα μέρη τουφόντου.για παράδειγμα ένα βίντεοενός αγώνα ποδοσφαίρου μπορεί να περιλαμβάνει εικονικές ή ηχητικές ρυθμίσεις οι οποίες ρυθμίζονται από τον χρήστη ή από τον παροχέα εξαρτώντας 17
από το κοινό που παρακολουθεί. Δηλαδή σε ένα σπίτι άλλες ρυθμίσεις θα έχει το βίντεο και άλλες ένας κινηματογράφος με μια γιγαντοοθόνη, και στις δυο περιπτώσεις MPEG-4 είναι η μετάδοση. Τα νέα εργαλεία συμπίεσης του MPEG-4 ανέπτυξαν την αποδοτικότητα, κάνοντας δυνατή την παραγωγή υψηλής ανάλυσης βίντεο σε χαμηλότερα bitrates, εφαρμόζοντας μικρό και αποδοτικό βίντεο σε νέες πλατφόρμες όπως αυτές των κινητών τηλεφώνων τα οποία έχουν αυστηρές απαιτήσεις στο εύρος ζώνης. Το MPEG-4 έχει εγκριθεί από τον παγκόσμιο οργανισμό πιστοποίησης ΙSOκαι χρησιμοποιείται σε όλες τις χώρες του κόσμου [3]. Όταν πρωτοχρησιμοποιήθηκε το MPEG-2 στις αρχές του 1990, χρειάστηκε να γίνει μεγάλη ανάπτυξη στους αλγόριθμους του για να δημιουργηθεί το κατάλληλο bitstream από την ψηφιοποιημένη τηλεόραση και τα φιλμ. Με το πέρασμα του χρόνου έγιναν πολλές βελτιώσεις στους αλγόριθμους δημιουργώντας το τελικό αποτέλεσμα του MPEG-2. Ένα από τα πλεονεκτήματα του MPEG είναι ότι καθορίζουν τη συμπιεσμένη ροή bit αλλά αφήνουν έξω τις ακριβείς λεπτομέρειες για το πώς δημιουργούνται. Αυτό αφήνει χώρο για περισσότερη καινοτομία και βελτίωση στο πέρασμα του χρόνου. Αν και η μέτρηση της ποιότητας του βίντεο είναι κάποιες φορές αντικειμενική, είναι ξεκάθαρο ότι με το πέρασμα του χρόνου ο αριθμός των bits που χρειάζονται για να παράγουν την ίδια ποιότητα βίντεο, έχουν μειωθεί. Πιο εξειδικευμένοι αλγόριθμοι και γρηγορότεροι επεξεργαστές έκαναν την κωδικοποίηση πιο αποτελεσματική. Κάποιοι πιστεύουν ότι έχουμε φθάσει τις πλήρεις δυνατότητες και βελτιώσεις του MPEG-2. Ευτυχώς με το MPEG-4 και άλλους εξειδικευμένους κώδικες υπάρχει ακόμη χώρος για καινοτομίες και για ακόμη χαμηλότερη ροή bits. Η διαφορά ανάμεσα στην ανάλυση Mpeg-2 και Mpeg-4 18
3. Τεχνολογίες-Υπηρεσίες μετάδοσης Μέχρι τα μέσα του 20 ου αιώνα, όλες οι τηλεοπτικές μεταδόσεις γίνονταν μέσω εναέριου δικτύου. Οι καταναλωτές λάμβαναν τα τηλεοπτικά σήματα μέσω κεραιών από εναέριες πηγές μετάδοσης. Μετά εμφανίστηκε η καλωδιακή τηλεόραση που έγινε πολύ δημοφιλής και αντικατέστησε τις κεραίες με ομοαξονικό καλώδιο, αλλά ακόμη οι καταναλωτές συνέχισαν να λαμβάνουν μόνο υπηρεσίες απευθείας μετάδοσης. Αργότερα μπήκε στο σκηνικό και το δορυφορικό βίντεο αλλά και πάλι οι καταναλωτές λάμβαναν μόνο υπηρεσίες απευθείας μετάδοσης. Οποιαδήποτε εταιρεία διαχείρισης βίντεο για να παραμείνει ανταγωνιστική, έπρεπε να περιλάβει μια προγραμματισμένη μετάδοση μέσα στο προϊόν που παρέχει στους καταναλωτές. Έτσι άρχισε η ιδέα της IPTV [4], [6], [10]. Για τις επίγειες, δορυφορικές και καλωδιακές υπηρεσίες, τα κανάλια μεταδίδονται σε όλους τους πελάτες μέσω κυμάτων ραδιοφωνικής συχνότητας. Στην IPTV η μέθοδος που χρησιμοποιείται για να παραδίδονται τα κανάλια μετάδοσης σε πολλαπλούς πελάτες είναι πολύ πιο πολύπλοκη από τις προηγούμενες υπηρεσίες που αναφέρθηκαν. Η αρχική μορφή μετάδοσης καναλιών του IPTV δικτύου ήταν πολλαπλή, δηλαδή γινόταν μια μετάδοση και την λάμβαναν όλοι οι πελάτες που ήταν συνδεδεμένοι στο δίκτυο, όπως γίνεται και στην καλωδιακή, δορυφορική και επίγεια μετάδοση. Το πρωτόκολλο του διαδικτύου ΙΡ δεν είχε αρχικά σχεδιαστεί για επικοινωνίες μετάδοσης. Η υποστήριξη πολλαπλής μετάδοσης απαιτεί επιπρόσθετα πρωτόκολλα διαδικτύου και επιπρόσθετο εξοπλισμό ο οποίος πρέπει να αναγνωρίζει και να υποστηρίζει τα επιπρόσθετα πρωτόκολλα. Όσο μεγάλωνε ο ανταγωνισμός αναμεταξύ στις εταιρείες τηλεπικοινωνιών, άρχισαν να διαφοροποιούν τις υπηρεσίες τους. Οι διαχειριστές των δικτύων άρχισαν να χτίζουν αμφίδρομα δίκτυα έτσι ώστε να μπορούν να παρέχουν υπηρεσίες μοναδικής μετάδοσης, δηλαδή το περιεχόμενο της μετάδοσης παραδίδεται σε ένα μόνο παραλήπτη όχι σε όλο το δίκτυο. Το βίντεο κατά ζήτηση, VOD, έιναι ένα παράδειγμα μιας μοναδικής μετάδοσης με την οποία ένας καταναλωτής μπορεί να παρακολουθήσει ένα πρόγραμμα το οποίο προορίζεται μόνο για αυτόν. Το VOD αξιοποιεί την αμφίδρομη ικανότητα του δικτύου για σηματοδότηση ( επιλογή, αγορά, εκκίνηση ) και έλεγχο ( pause, play, stop, rewind and fast forward )της ταινίας ή της μετάδοσης. Οπτική ίνα Ομοαξονικό καλώδιο 19
Μια υπηρεσία IPTV προσφέρει και τις δύο υπηρεσίες πολλαπλής και μοναδικής μετάδοσης τηλεοπτικού περιεχομένου μέσω μιας αρχιτεκτονικής ψηφιακού βίντεο, SDV (Switched digital video).to SDVαναφέρεται στην αρχιτεκτονική δικτύου η οποία μεταγωγεί (switched) και δρομολογεί (routes) επιλεγμένο περιεχόμενο βίντεο από την παροχή στο σπίτι του καταναλωτή. Σε ένα SDV δίκτυο, το περιεχόμενο του βίντεο τοποθετείται στο δίκτυο μόνο όταν κάποιος το παρακολουθεί. Οι υπηρεσίες μοναδικής μετάδοσης όπως το VOD μπορεί να εξυπηρετούν μόνο ένα συνδρομητή, ενώ οι υπηρεσίες πολλαπλής μετάδοσης χιλιάδες συνδρομητές την ίδια στιγμή. Το σύστημα SDV είναι πολύ αποτελεσματικό και αξιοποιεί το εύρος ζώνης του δικτύου καθώς δρομολογεί πακέτα IP μόνο εκεί που ζητείται, αλλά αυξάνει πολύ την πολυπλοκότητα του δικτύου. 3.1 Αρχιτεκτονική συστήματος IPTV Ένα δίκτυο μετάδοσης IPTVμπορεί να διαχωριστεί σε τέσσερις τομείς : Headend. Η προέλευση του μεγαλύτερου μέρους του περιεχομένου του βίντεο μέσα στο σύστημα. Το κεντρικό σημείο μέσα στο δίκτυο είναι το Headend ή το SuperHeadend. Εδώ είναι που δημιουργείται ο προγραμματισμός της μετάδοσης και το κατά ζήτηση περιεχόμενο και τροφοδοτείται στο σύστημα. Πυρήνας του δικτύου, CoreNetwork. Μεταδίδει όλα τα περιεχόμενα του δικτύου. Ο πυρήνας του δικτύου είναι η ραχοκοκκαλιά του συστήματος μετάδοσης IPTV. Ακόμη μέσα στο δίκτυο του πυρήνα μπορεί να εισαχθεί τοπικό περιεχόμενο και τοπικές διαφημίσεις. Δίκτυο πρόσβασης, access network. Toτελευταίο σημείο για τον διαχειριστή του δικτύου. Προσφέρει τη συνδεσιμότητα του δικτύου των IPTV υπηρεσιών με τα σπίτια των καταναλωτών. Οικιακό δίκτυο, Home Network. Είναι το δίκτυο όπου η υπηρεσία IPTV εισέρχεται στο σπίτι μέσω ενός αποδιαμορφωτή (modem)/δρομολογητή (router). Είναι επίσης το σημείο όπου όλα τα δεδομένα, βίντεο-φωνή-δεδομένα, διανέμονται σε όλες τις ΙΡ συσκευές μέσα στο σπίτι. 20
Ένα σύστημα IPTV Υπάρχουν πολλές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για να αποκτηθεί το περιεχόμενο της τηλεοπτικής μετάδοσης, όπως διεθνής τροφοδότηση μέσω δορυφόρου, τοπική τροφοδότηση μέσω επίγειων κεραίων και τροφοδότηση μέσω δικτύου οπτικών ινών. Όταν το περιεχόμενο εισαχθεί μέσα στο Headend, διαμορφώνεται για να διανεμηθεί μέσα στο σύστημα. Μπορεί επίσης να περιέχεται αναλογικό περιεχόμενο το οποίο έχει κωδικοποιηθεί ψηφιακά για να μεταδοθεί και αυτό. Οι ψηφιακές μορφές που χρησιμοποιούνται σήμερα περιλαμβάνουν το MPEG-2 και το MPEG-4. Σε ένα σύστημα IPTV, οι διάφορες πολλαπλές ροές προγραμμάτων μετατρέπονται σε πακέτα ΙΡ. Τότε τα σήματα φεύγουν από τον Super Headend πάνω σε ένα δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN) με πολύ ψηλό εύρος ζώνης (bandwidth) και κατευθύνονται στα γραφεία του κόμβου των βίντεο, Video Hub Offices (VHO). Το WAN και το VHO αποτελούν το δίκτυο του πυρήνα. Το WAN είναι η ραχοκοκαλιά του δίκτυο πυρήνα και χρησιμοποιεί ΙΡ μορφές μεταφοράς με πολύ υψηλό εύρος ζώνης, όπως είναι το gigabit Ethernet ή το ΑΤΜ, για να ενωθεί με την πλευρά του VHO. Oι τοποθεσίες του VHO είναι στρατηγικά τοποθετημένες, για να έχουν τοπική κάλυψη, μέσα στην περιοχή του διαχειριστή βίντεο ή μέσα στην βάση του πελάτη. Οι πολλαπλές ροές εισέρχονται στον κόμβο των βίντεο μέσω του WAN. Ο κόμβος των βίντεο μπορεί επίσης να έχει και τοπικούς δέκτες και να προσφέρει τοπικό περιεχόμενο. Το τοπικό περιεχόμενο επεξεργάζεται συνήθως όπως το διεθνές περιεχόμενο, πιθανόν να κωδικοποιείται ψηφιακά. Για αυτό και αυτές οι τοποθεσίες VHO μπορεί να έχουν εξοπλισμό Headend ο οποίος επεξεργάζεται το τοπικό περιεχόμενο. Ο κόμβος των βίντεο μπορεί επίσης να περιλαμβάνει εξοπλισμό 21
υποστήριξης, όπως διακομιστές (servers), οι οποίοι είναι αναγκαίοι για τις χρεώσεις, για την διαχείριση συστήματος, την αποθήκευση δεδομένων και την δρομολόγηση σημάτων. Τα δεδομένα της IPTV ταξιδεύουν από το VHO (δίκτυο πυρήνα) στα κεντρικά γραφεία βίντεο, VCO, (δίκτυο πρόσβασης) πάνω σε ένα δίκτυο με πολύ υψηλό εύρος ζώνης. Κάθε VCO δρομολογεί τα δεδομένα στις διεπαφές (interfaces) του δικτύου πρόσβασης, για παράδειγμα στους πολυπλέκτες πρόσβασης της συνδρομητικής ψηφιακής γραμμής (DSLAMs). 3.2 Headend Η καρδία ενός συστήματος IPTV είναι ο Super Headend ο οποίος αποτελείται από διάφορους τύπους εξοπλισμού που είναι σχεδιασμένοι να λαμβάνουν περιεχόμενο, και πιθανόν το διαμορφώνουν όπως χρειάζεται, και το προετοιμάζουν για διανομή στο WAN. Τα εξαρτήματα ενός IPTV Headend είναι παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται από τον Headend της ψηφιακής καλωδιακής τηλεόρασης. Ο εξοπλισμός είναι βασισμένος σε πλατφόρμες διακομιστή (server) προσωπικών υπολογιστών που χρησιμοποιούνται για τις περισσότερες διαδικτυακές εφαρμογές. Ο εξοπλισμός του Super Headend 22
Oι λειτουργίες που εκτελούνται από τα εξαρτήματα που βρίσκονται στο πιο πάνω διάγραμμα είναι: Content reception, παραλαβή περιεχομένου. Αποτελείται από εξαρτήματα τα οποία λαμβάνουν αναλογικό και ψηφιακό βίντεο απευθείας από τον παροχέα του περιεχομένου ή από εγκαταστάσεις συσσωμάτωσης περιεχομένου όπως παρέχονται από το εθνικό κέντρο ψηφιακής τηλεόρασης. Στο περιεχόμενο περιλαμβάνεται απευθείας μετάδοση και κατά ζήτηση υπηρεσίες. Όλο και περισσότερο η παροχή του περιεχομένου έρχεται μέσω οπτικών ινών αντί μέσω δορυφορικών μεταδόσεων. Signal Conditioning, Διαμόρφωση σήματος. Αποτελείται από εξοπλισμό επεξεργασίας σήματος ο οποίος είναι σχεδιασμένος να ενισχύει το σήμα του βίντεο που έρχεται από τον εξοπλισμό παραλαβής περιεχομένου. Μπορεί ακόμη να περιλαμβάνονται αναβαθμισμένοι αποκωδικοποιητές, μείωση θορύβου και προϊόντα επεξεργασίας ψηφιακού βίντεο. Content preparation, Προετοιμασία περιεχομένου. Οι κωδικοποιητές περιεχομένου προετοιμάζουν την ροή του βίντεο, σε μια μορφή που είναι κατάλληλη για μεταφορά ΙΡ και παραλαβή από ένα ΙΡ STB. Αυτό αποτελείται από ψηφιοποίηση του αναλογικού περιεχομένου ή από κωδικοποίηση του ψηφιακού βίντεο στην μορφή που χρησιμοποιείται από το σύστημα της IPTV, όπως το MPEG-2 ή MPEG-4. Η τυπική ροή bit για κανάλια κανονικής ανάλυσης είναι 1.5 Mbps και για κανάλια υψηλής ανάλυσης είναι 8 Mbps. Digital Rights Management, Διαχείριση ψηφιακών δικαιωμάτων. Ως μέρος της διαδικασίας κωδικοποίησης, το εξάρτημα κρυπτογράφησης της διαχείρισης των ψηφιακών δικαιωμάτων (DRM), κρυπτογραφεί τα δεδομένα και τα αναδιπλώνει σε ένα DRM «κιβώτιο» για να εμποδίσει οποιαδήποτε μη εξουσιοδοτημένη χρήση του περιεχομένου. DRM license server, διακομιστής άδειας διαχείρισης ψηφιακών δικαιωμάτων. Διαχειρίζεται, εξουσιοδοτεί και αναφέρει συναλλαγές περιεχομένου και επίσης διαχειρίζεται την κωδικοποίηση των δεδομένων. Ο διακομιστής επαληθεύει τα αιτήματα άδειας και εκδίδει άδειες σε αξιόπιστους και αξιόπιστους DRM πελάτες. VOD servers, διακομιστές κατά ζήτησης βίντεο. Οι VOD διακομιστές είναι βελτιστοποιημένοι να παραδίδουν πολλαπλές ροές bits ταυτοχρόνως στους πελάτες. Έχουν περιορισμένο εύρος ζώνης για τον αριθμό των ροών που μπορούν να υποστηρίξουν και για αυτό η χρήση τους εξαρτάται από τους συνδρομητές που είναι συνδεδεμένοι στην υπηρεσία. Το περιεχόμενο μπορεί να αποθηκευτεί στον διακομιστή για πολλαπλή μετάδοση ή για μοναδική μετάδοση σε ένα VOD σύστημα. Ανάλογα από την αρχιτεκτονική του δικτύου, οι VOD διακομιστές μπορούν να βρίσκονται στον Super Headend ή στο δίκτυο του πυρήνα. 23
Application servers, Διακομιστές εφαρμογών. Οι διακομιστές εφαρμογών μπορούν να ποικίλουν μεταξύ των διάφορων υλοποιήσεων της IPTV, ανάλογα από τα χαρακτηριστικά, τις λειτουργίες, το σύστημα ελέγχου και άλλα. Οι διακομιστές εφαρμογών μπορεί να περιλαμβάνουν και ηλεκτρονικό οδηγό προγράμματος, διακομιστές DRM, διακομιστές πλοήγησης, πύλη για IPTV, e-mail και απομακρυσμένα διαγνωστικά. Οι διακομιστές εφαρμογών μπορούν να βρίσκονται στον Super Headend ή στο δίκτυο πυρήνα. Βilling system, σύστημα χρέωσης. Η βάση δεδομένων συνδρομητή περιέχει συγκεκριμένες πληροφορίες για τον συνδρομητή, με σεβασμό στο επίπεδο της υπηρεσίας που είναι εξουσιοδοτημένος να χρησιμοποιεί ο χρήστης, όπως επίσης και άλλες πληροφορίες που χρησιμοποιούνται για υπηρεσίες χρέωσης. Gateway/Load balancer, ισορροπιστής φορτίου. Παρέχει εξισορρόπηση του φορτίου, ελέγχει την συγκέντρωση φορτίου και στέλνει την ροή των δεδομένων στη διεπαφή του δικτύου. Ένα σύστημα χρέωσης, Billing system. Μέσα από αυτό βλέπουμε όλα τα στοιχεία του πελάτη, τις χρεώσεις του, τις πληρωμές του και γενικά οτιδήποτε υπηρεσίες έχει ή μπορεί να ζητήσει να προστεθούν. 24
3.3 Δίκτυο Πυρήνα Το δίκτυο πυρήνα αποτελείται από οπτικές ίνες και διάφορα VHO. Το δίκτυο πυρήνα παίρνει δεδομένα από τον super headend και τα παραδίδει στο δίκτυο πρόσβασης. Ο κύριος στόχος του δικτυού πυρήνα είναι να παρέχει επαρκή εύρος ζώνης για όλα τα δεδομένα και κίνηση στο δίκτυο βίντεο μεταξύ περιοχών υπηρεσίας και πηγών εθνικού περιεχομένου (super headend). Το δίκτυο πυρήνα παρέχει επίσης την ικανότητα για εισαγωγή τοπικού περιεχομένου στις περιοχές υπηρεσίας. Το δίκτυο πυρήνα πρέπει να περιλαμβάνει και να παρέχει επαρκή χωρητικότητα εύρους ζώνης του δικτύου, γιατί αυξάνονται συνεχώς οι πελάτες και το περιεχόμενο. Το δίκτυο πυρήνα 25
3.4 Το δίκτυο πρόσβασης Telco To δίκτυο πρόσβασης παρέχει τον σύνδεσμο από το δίκτυο πυρήνα στα σπίτια των καταναλωτών. Παρέχει μια μετάφραση από το δίκτυο μεταγωγής στο οποιοδήποτε δίκτυο χρησιμοποιεί ο διαχειριστής για να στείλει τα δεδομένα στο σπίτι του καταναλωτή. Κάποιοι διαχειριστές δικτύου Telco χρησιμοποιούν τεχνολογίες ADSL (asymmetric digital subscriber line-ασυμμετρική ψηφιακή συνδρομητική γραμμή) για να παραδώσουν IPTV υπηρεσίες και ευρυζωνικές υπηρεσίες στα σπίτια των καταναλωτών. Ο καταναλωτής μπορεί να διαλέξει μεταξύ διάφορων υπηρεσιών ADSL, όπως DSL,DSL2 και DSL2+, ή τεχνολογία VDSL (very high bit-rate DSL). Οι πολυπλέκτες πρόσβασης της ψηφιακής συνδρομητικής γραμμής (DSLAMs-DSL Access Multiplexers) μεταφέρουν τα σήματα από την οπτική ίνα στο καλώδιο χαλκού για παράδοση DSL στα σπίτια. Επειδή τα DSLAMs είναι συχνά τοποθετημένα σε γειτονιές, τα συστήματα αυτά της IPTV ονομάζονται FTTC-fiber to the curb. Υπάρχουν διαχειριστές δικτύων που αναπτύσσουν δίκτυο οπτικών ινών μέχρι τα σπίτια των καταναλωτών, FTTH-fiber to the home. To FTTH παρέχει πολύ υψηλό εύρος ζώνης μέχρι το σπίτι του καταναλωτή και μπορεί να παραδώσει πολλές υπηρεσίες την ίδια στιγμή. Παρόλα αυτά το FTTH είναι μια πολύ ακριβή προσέγγιση και είναι πιο δύσκολο να εφαρμοστεί [4]. Το δίκτυο πρόσβασης για υλοποιήσεις FTTC, παραδίδει το IPTV περιεχόμενο από το δίκτυο πυρήνα μέσω της WAN διεπαφής στα Gigabit Ethernet switches. Αυτά τα switches είναι ενωμένα στα DSLAMs που παρέχουν στους καταναλωτές πρόσβαση στα δεδομένα τους. Τα DSLAMs μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στα VCO ή πιο κοντά στα σπίτια μακριά από τα VCO. Ο συνδυασμός του DSLAM και του Ethernet switch μειώνει πολύ το απαιτούμενο εύρος ζώνης στο δίκτυο πρόσβασης επειδή αυτές οι συσκευές δρομολογούν δεδομένα που προορίζονται για κάθε πύλη πρόσβασης (port) ή συνδρομητή. Mε αυτό τον τρόπο, το δίκτυο πρόσβασης δεν θα χρειαστεί να δρομολογήσει ολόκληρο το σύνολο των καναλιών στο σπίτι του συνδρομητή, αλλά θα δρομολογήσει μόνο το κανάλι που παρακολουθείτε εκείνη την στιγμή. 26
3.5 Δίκτυο καλωδιακής πρόσβασης Το δίκτυο πρόσβασης, για ένα διαχειριστή καλωδίου, χρησιμοποιεί διαμορφωτή τετραγωνικού πλάτους (Quadrature Amplitude Modulation-QAM) και διαμορφωμένα RF σήματα πάνω σε ομοαξονικό καλώδιο. Όπως και η τεχνολογία DSL μεταδίδει ευρυζωνικές υπηρεσίες πάνω σε συνεστραμμένα ζεύγη τηλεφωνικού καλωδίου, η τεχνολογία DOCSIS (Data over Cable Service Interface Specification-προδιαγραφή διεπαφής δεδομένων πάνω σε καλωδιακή υπηρεσία) επιτρέπει στους διαχειριστές καλωδίων να αναπτύσσουν ευρυζωνικές υπηρεσίες πάνω στα ομοαξονικά τους καλωδιακά δίκτυα. Με την τεχνολογία DOCSIS, μέρος του καλωδιακού δικτύου γίνεται ένα δίκτυο ΙΡ το οποίο παρέχει ροή βίντεο, κατέβασμα βίντεο και πολλά άλλα. Το DOCSIS προσδιορίζει την αλλαγή πληκτρολόγησης της τετραγωνικής φάσης (QPSK- Quadrature Phase Shift Keying) του διαμορφωμένου RF σήματος για το κανάλι της ροής επιστροφής, δηλαδή το QPSK χρησιμοποιείτε για να διαμορφώνει το σήμα έτσι ώστε να επιστρέφετε πίσω. Ένας καλωδιακός αποδιαμορφωτής ενός συστήματος τερματισμού (CMTS-Cable Modem Termination System) μεσολαβεί μεταξύ του βασισμένου σε IP δικτύου πυρήνα και του RF ομοαξονικού δικτύου, χρησιμοποιώντας διαμόρφωση QAM για επικοινωνίες ροής κατεβάσματος και QSPK ροή ανεβάσματος. 27
3.6 Δίκτυο σπιτιού Το τυπικό δίκτυο σπιτιού αποτελείτε από ένα ευρυζωνικό αποδιαμορφωτήmodem το οποίο είναι την ίδια στιγμή και δρομολογητής-router και συσκευές του πελάτη όπως IPTV αποκωδικοποιητές-stb και προσωπικούς υπολογιστές. Το modem μεταφράζει το πρωτόκολλο διαμόρφωσης του δικτύου πρόσβασης σε μια απλή τεχνολογία του σπιτικού δικτύου. Διάφορες τεχνολογίες φυσικού επιπέδου χρησιμοποιούνται για να διανέμουν ευρυζωνικά δεδομένα μέσα στο σπίτι, τεχνολογίες όπως το ασύρματο δίκτυο, το καλώδιο Cat5 Ethernet, το ομοαξονικό καλώδιο, η τηλεφωνική γραμμή ή η ηλεκτρική γραμμή. Η διανομή του βίντεο μέσα στο σπίτι παρουσιάζει πολλές προκλήσεις λόγω του υψηλού εύρους ζώνης και των απαιτήσεων που χρειάζεται η υπηρεσία για να δουλέψει σωστά. Τελικά, το δίκτυο του σπιτιού είναι υπεύθυνο για να παραδώσει τα IPTV δεδομένα στην τηλεόραση μέσω ενός IP STB, και δεδομένα στους υπολογιστές του σπιτιού. 3.7 Τρόποι μετάδοσης περιεχομένου IPTV Υπάρχουν 2 τρόποι μετάδοσης του περιεχομένου ΙΡΤV: η unicast και η multicast τους οποίους θα αναλύσουμε παρακάτω. Στην μετάδοση δεδομένων ο όρος μετάδοση unicast ορίζεται ως η αποστολή πλαισίων από ένα αποστολέα σε ένα και μόνο παραλήπτη δικτύου. Ο όρος Unicast είναι παραπλήσιος του όρου broadcast που σημαίνει την μεταφορά των ίδιων δεδομένων σε όλους τους δυνατούς σταθμούς παραλήπτες. Τα μηνύματα Unicast χρησιμοποιούνται για όλες τις λειτουργίες του δικτύου όπου απαιτείται μοναδική ή αποκλειστική χρήση ενός πόρου. Σε πολλές περιπτώσεις οι εφαρμογές δικτύων όπου απαιτούν μαζική διανομή δεδομένων έχουν μεγάλο κόστος αν υλοποιηθούν με μεταφορές unicast διότι κάθε σύνδεση απαιτεί την χρήση πόρων του αποστολές και ξεχωριστό εύρος ζώνης γιa κάθε μεταφορά δεδομένων[2]. Στην τεχνολογία unicast ο χρήστης είναι αυτός που ζητά τη σύνδεση και κατ απαίτηση του μεταφέρονται τα πολυμεσικά δεδομένα που ο ίδιος επέλεξε. Μάλιστα εάν το πολυμεσικό αρχείο που ζήτησε είναι δεικτοδοτούμενο (indexed) ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ξεκινά (play) ή να σταματά (stop) τη ροή, να μεταφέρεται γρήγορα μπροστά (fast forward) ή γρήγορα πίσω (rewind) ή ακόμα να κάνει προσωρινή παύση (pause) της μετάδοσης. Αυτό το είδος της ροής προσφέρει το μεγαλύτερο δυνατό έλεγχο της ροής και καθιστά τον πελάτη ενεργό χρήστη της εφαρμογής. Στην multicast μετάδοση ένα αντίγραφο του πακέτου αποστέλλεται σε όλα τα μέλη ενός ρητά προσδιορισμένου υποσυνόλου των κόμβων. Η multicast μετάδοση συνήθως είναι δυσκολότερο να επιτευχθεί, ενώ τόσο σε αυτήν όσο και στην broadcast μετάδοση απαιτούνται πιο περίπλοκοι αλγόριθμοι δρομολόγησης απ' ότι για τη συνήθη περίπτωση της unicast μετάδοσης. Η τεχνολογία multicast επιτρέπει τη μετάδοση της 28
πληροφορίας σε συγκεκριμένους χρήστες στο διαδίκτυο. Υπάρχει μια μόνο ροή πακέτων δεδομένων που αποστέλλεται από τον server και φτάνει μέχρι τον δρομολογητή που συνδέει το Intranet με το διαδίκτυο και στη συνέχεια δημιουργούνται, τοπικά στον δρομολογητή, αντίγραφα της ροής, ένα για κάθε ξεχωριστό τμήμα του τοπικού δικτύου, π.χ. ένας εκπαιδευτής μπορεί να επικοινωνεί με περισσότερους μαθητές μέσω κάμερας και μικροφώνου κατά τη διάρκεια που αυτοί βρίσκονται στο σπίτι τους, στη δουλειά τους ή σε κάποια αίθουσα που διαθέτει τον απαραίτητο εξοπλισμό με μικρό κόστος[6][7][10]. Τρόπος μετάδοσης ενός Unicast / Multicast δικτύου 29
3.8 Διανομή IPTV με διάφορες τεχνολογίες δικτύου Λόγω της φύσης του IPTV απαιτείται γρήγορο δίκτυο για την μεταφορά των δεδομένων του, με ικανοποιητική ταχύτητα από και προς τους συνδρομητές. Ο κύριος σκοπός αυτού του δικτυού είναι να μεταφέρει τα bits των δεδομένων μεταξύ του STB του συνδρομητή και του κέντρου δεδομένων του παρόχου της υπηρεσίας. Αυτό πρέπει να γίνει έτσι ώστε να μην επηρεάζεται η ποιότητα του βίντεο και ο ρυθμός μετάδοσης του. Είναι στο χέρι του παρόχου να επιλέξει την αρχιτεκτονική του δικτύου που απαιτείται για να υποστηρίξει τις υπηρεσίες IPTV. Ένα δίκτυο IPTV χωρίζεται σε 2 μέρη: το δίκτυο διανομής ή δίκτυο πρόσβασης (Last mile broadband distribution ή access network) και κεντρικό δίκτυο ή δίκτυο πυρήνα (core backbone). Μια πληθώρα δικτύων, συμπεριλαμβανομένων καλωδιακών συστημάτων, δικτύων τηλεφωνίας, ασύρματων δικτύων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μεταφέρουν υπηρεσίες IPTV[11]. Μια από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι πάροχοι είναι να παρέχουν αρκετά μεγάλη χωρητικότητα-bandwidth στον τομέα του δικτύου μεταξύ του κεντρικού δικτύου πυρήνα και των σπιτιών των συνδρομητών. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η παρά κάτω έξι τύποι ευρυζωνικών δικτύων μπορούν να ικανοποιήσουν τις μεγάλες ανάγκες του IPTV σε bandwidth: Δίκτυα οπτικών ινών Δίκτυα DSL Δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης Ασύρματα δίκτυα Internet Οι πιο ευρέως χρησιμοποιημένοι τύποι δικτύων όσο αφορά το IPTV είναι τα DSL δίκτυα και τα ασύρματα δίκτυα κυρίως για λόγους οικονομίας και ευχρηστίας. ADSL Η τεχνολογία αυτή είναι η πιο διαδεδομένη στο κόσμο και χρησιμοποιείται στα περισσότερα δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Είναι μια τεχνολογία point- to point που προσφέρει τη δυνατότητα στους παρόχους να υποστηρίζουν υπηρεσίες που απαιτούν μεγάλο bandwidth, όπως το IPTV μέσα από τις υπάρχουσες τηλεφωνικές γραμμές. Βασικό μειονέκτημά της είναι ότι υπάρχει όριο στη διαθεσιμότητά της ανάλογα με την απόσταση από το κέντρο του παρόχου, επηρεάζεται δηλαδή από την απόσταση. Έτσι οι συνδρομητές που είναι κοντά στο κέντρο δεδομένων απολαμβάνουν καλύτερη ποιότητα της υπηρεσίας σε σχέση με αυτούς που είναι πιο μακριά. Μια σύνδεση ADSL έχει όριο τα 4,8 χιλιόμετρα από το κοντινότερο τηλεφωνικό κέντρο για να δουλέψει σωστά[11]. 30
ADSL 2 Είναι μία βελτιωμένη έκδοση της ADSL και υποστηρίζει μεγαλύτερες ταχύτητες από αυτήν. Υπάρχουν τρείς διαφορετικές εκδόσεις της ADSL 2: ADSL 2. H αρχικής της έκδοση αναπτύχθηκε από την ITU το 2003 και περιλαμβάνει διάφορες βελτιώσεις όπως μεγαλύτεροι ρυθμοί μετάδοσης στο download και δυνατότητα μεγαλύτερης απόστασης του modem του συνδρομητή από το κέντρο. ADSL 2+. Αυτή η έκδοση βασίστηκε στην προηγούμενη και επιτρέπει ταχύτητες στο downstream ως και 20Mbps σε συνδρομητές που βρίσκονται ως και 1,5 χιλιόμετρο από το κέντρο του παρόχου. ADSL Reach Extended. Στην ουσία αυτή η έκδοση επιτρέπει σε συνδρομητές που βρίσκονται σε απόσταση μεγαλύτερη από 1,5 χιλιόμετρο να έχουν σύνδεση. Δείχνει καλή συμπεριφορά και ταχύτητα και λειτουργεί πάνω σε καλώδια χαλκού. VDSL Βασίζεται στην ίδια τεχνολογία που βασίζεται και η ADSL2+ και δημιουργήθηκε με σκοπό να ξεπεράσει τα προβλήματα των προηγούμενων εκδόσεων. Διορθώνει την συμφόρηση που προκαλούνταν στο δίκτυο σε προηγούμενες εκδόσεις και υποστηρίζει μεγάλες ταχύτητες που επιτρέπουν στους παρόχους IPTV να προσφέρουν μία πληθώρα υπηρεσιών στους συνδρομητές τους. Η VDSL δημιουργήθηκε για να υποστηρίζει την εκπομπή ΑΤΜ και ΙΡ κίνησης σε ένα δίκτυο. Ένα βασικό πλεονέκτημά της είναι ότι έχει συμβατότητα με όλες τις προηγούμενες εκδόσεις ADSL. Αυτό επιτρέπει στους παρόχους να αναβαθμίσουν τα δίκτυά τους ομαλά και σταδιακά σε VDSL δίκτυα[11]. 3.9 Προστασία περιεχομένου Ο διαχειριστής του δικτύου IPTV αναθεωρεί όλο το περιεχόμενο που υπάρχει μέσα στο σύστημα και αποφασίζει ποιο χρειάζεται προστασία. Συνήθως το περισσότερο περιεχόμενο χρειάζεται κάποιο είδος προστασίας γιατί αλλιώς οποιοσδήποτε θα μπορούσε να συνδεθεί και να παρακολουθήσει περιεχόμενο χωρίς να το πληρώσει. Ο διαχειριστής θέλει να προστατέψει περισσότερο περιεχόμενο το οποίο οι δημιουργοί του απαιτούν να προστατευτεί, όπως τα βίντεο κατά ζήτηση, ποδοσφαιρικοί αγώνες και κανάλια που προσφέρουν πρεμιέρες ταινιών και πολύ σημαντικά προγράμματα. Περιεχόμενο που δεν είναι ανάγκη να προστατευτεί είναι ορισμένα κανάλια τα οποία είναι για διαφημιστικούς σκοπούς και τοπικά ελεύθερα κανάλια. 31
3.10 Διαχείριση ψηφιακών δικαιωμάτων (DRM) To DRM μπορεί να αξιοποιήσει αποτελεσματικά το αμφίδρομο ΙΡ δίκτυο και να ασφαλίσει τα ΙΡ πρωτόκολλα, προσφέροντας στον διαχειριστή του IPTV δικτύου ένα ασφαλή μηχανισμό για να μπορεί να παραδίνει υψηλής αξίας περιεχόμενο πάνω σε ένα δίκτυο. Το DRM μπορεί να εφαρμοστεί με πάρα πολλούς τρόπους και πολλαπλοί DRM πωλητές προσφέρουν προϊόντα για IPTV δίκτυα. Έτσι η αρχιτεκτονική του συστήματος IPTV έχει διάφορες επιλογές και ο διαχειριστής μπορεί να διαλέξει μια λύση που ταιριάζει στις δικές του ανάγκες [4]. Η ψηφιακή κωδικοποίηση χρησιμοποιείται για παρεμβάλλει το περιεχόμενο έτσι ώστε να το προστατεύει από μη εξουσιοδοτημένη προβολή. Η αρχιτεκτονική του συστήματος IPTV πρέπει να περιλαμβάνει δύο λύσεις οι οποίες θα κωδικοποιούν το περιεχόμενο μόλις εισέλθει στο σύστημα και να το αποκωδικοποιούν μόλις φτάσει στον συνδρομητή, για να μπορεί ο συνδρομητής να το παρακολουθήσει. Υπάρχουν δύο τύποι περιεχομένου που χρειάζεται να αναφερθούν για κωδικοποίηση, ο καθένας με τις δικές του ανάγκες: Mη ζωντανής ροής περιεχόμενο. Παράδειγμα είναι το βίντεο κατά ζήτηση και το προπληρωμένο βίντεο, τα οποία είναι μαγνητοσκοπημένο υλικό. Όταν αυτό το περιεχόμενο εισέλθει στο σύστημα αποθηκεύεται στον διακομιστή για αναπαραγωγή. Συνήθως μόλις το περιεχόμενο εισέλθει σε έναν διακομιστή, το DRM το κωδικοποιεί και το προστατεύει σαν είναι αποθηκευμένο στους σκληρούς δίσκους του διακομιστή. Αυτή η κωδικοποίηση μπορεί να γίνει με ένα DRM διακομιστή σε σειρά με ένα VOD διακομιστή πάνω σε ένα ασφαλές ή τοπικό δίκτυο. Έτσι οι DRM διακομιστές πρέπει να βρίσκονται μέσα στους VOD διακομιστές για να διατηρούν τις επικοινωνίες ασφαλής. Περιεχόμενο ζωντανής ροής. Παράδειγμα είναι τα κανάλια μετάδοσης, τα οποία θα εισέλθουν στο σύστημα από τον Super Headend. Μόλις αυτό το υλικό επεξεργαστεί και κωδικοποιηθεί, θα κρυπτογραφηθεί πριν φύγει από τον Super Headend. Έτσι το σύστημα προστασίας περιεχομένου θα πρέπει να έρθει σε επαφή με τον εξοπλισμό προετοιμασίας του περιεχομένου, ψηφιακοί απόκωδικοποιητές, για να έχουμε ως αποτέλεσμα μια αποκρυπτογραφημένη ροή bit του καναλιού. Όταν οι καταναλωτές θέλουν να παρακολουθήσουν το περιεχόμενο, το οποίο έχει προστατευτεί από ένα DRM, τότε οι συσκευές τους θα πρέπει να επικοινωνήσουν με τον DRM διακομιστή για να πάρουν την εξουσιοδότηση. Συνήθως οι DRM και VOD διακομιστές βρίσκονται στο δίκτυο πυρήνα για να ελαχιστοποιήσουν την κίνηση του δικτύου μεταξύ του δικτύου περιεχομένου και δικτύου πυρήνα. Τα επόμενα βήματα θα μας επιδείξουν ένα πιθανό σενάριο μιας αγοράς VOD ταινίας και την επικοινωνία αναμεταξύ ενός IP STB,VOD server και ενός DRM server. 32
1. Χρησιμοποιώντας το IP STB, ο καταναλωτής πλοηγείται μέσα στο μενού της οθόνης του και τελικά καταλήγει σε μια ταινία VOD. 2. Το IP STB στέλνει ένα ασφαλές μήνυμα στον DRM διακομιστή ζητώντας μια άδεια για να μπορέσει να δει σχετικό περιεχόμενο ή την VOD ταινία. 3. Ο DRM διακομιστής λαμβάνει το αίτημα του πελάτη και ελέγχει την βάση δεδομένων του για να δει αν ο συνδρομητής είναι έμπιστος και αν δικαιούται να παρακολουθήσει VOD περιεχόμενο. 4. Αν ο DRM διακομιστής δεν βρει κάποιο λάθος με το αίτημα, τότε στέλνει μια κρυπτογραφημένη άδεια στο IP STB. 5. Το IP STB λαμβάνει την άδεια, την αποκρυπτογραφεί με τα ασφαλή ιδιωτικά του κλειδιά και την αποθηκεύει. 6. Τώρα το IP STB είναι ικανό να δείξει το VOD περιεχόμενο και στέλνει στον VOD διακομιστή ένα αίτημα για να ξεκινήσει η ροή του περιεχομένου. 7. Ο VOD διακομιστής παραλαμβάνει το αίτημα από το IP STB. 8. Ο VOD διακομιστής επεξεργάζεται το αίτημα και κάνει μια διαδικασία επικύρωσης για να προσδιορίσει αν μπορεί να μεταδώσει και μια δεύτερη ταινία, αν υπάρχει αρκετό εύρος ζώνης και άλλα. 9. Μόλις ο VOD διακομιστής είναι ικανός να υποστηρίξει το αίτημα, θα ανοίξει μια σύνδεση δικτύου και θα στείλει το επιθυμητό περιεχόμενο στο IP STB. 10. Το IP STB θα ξεκινήσει να παραλαμβάνει την VOD ροή, να αποκρυπτογραφεί τα πακέτα, να αποκωδικοποιεί την ροή των bit και να μεταδίδει το περιεχόμενο στην τηλεόραση. 33
3.11 Ψηφιακό δίκτυο σπιτιού (Digital Home Networking) Το ψηφιακό δίκτυο σπιτιού έγινε πολύ δημοφιλή διότι ένας σημαντικός αριθμός σπιτιών απέκτησε πολλούς υπολογιστές και ανέπτυξε την επιθυμία να τους συνδέσει μεταξύ τους. Οι χρήσεις του DHN περιλαμβάνουν μοίρασμα της σύνδεσης του διαδικτύου, δικτυακά παιχνίδια, ανταλλαγή αρχείων, γενική χρήση συσκευών όπως εκτυπωτές και IPTV υπηρεσιών. Όσο μεγαλώνει η χρήση του DHN, η προσοχή στρέφεται στις μεθόδους που θα συνδέσουν αυτές τις συσκευές στο δίκτυο και ποια τεχνολογία θα χρησιμοποιηθεί. Η πρώτη προσέγγιση ήταν να περαστεί καλώδιο Ethernet Cat.5 από όλο το σπίτι για να συνδέει όλες τις συσκευές μεταξύ τους. Αυτή όμως η λύση είναι χρονοβόρα και πολύ ακριβή και οι καταναλωτές μαζί με τους διαχειριστές δικτύου ήθελαν απλές και γρήγορες για να δημιουργήσουν ένα DHN. Το ψηφιακό δίκτυο σπιτιού Όσο η τεχνολογία αναπτύσσεται και η αγορά μεγαλώνει, περιμένουμε από τις εγκαταστάσεις DHN να γίνονται στα μέτρα του κάθε πελάτη, ανάλογα με το περιβάλλον και την δομή του σπιτιού. Το κοινό στοιχείο του DHN θα είναι το ΙΡ, το οποίο χρειάζεται και για την IPTV. Ακόμη τα περισσότερα σπίτια θα έχουν υβριδικό δίκτυο με πολλαπλές εφαρμογές και διαφορετικές τεχνολογίες. Για παράδειγμα σήμερα στα περισσότερα σπίτια υπάρχει μια μίξη ασύρματου δικτύου και καλωδίου Cat.5 που χρησιμοποιείται ταυτοχρόνως για να συνδέει υπολογιστές στα σπίτια. Όταν ο καταναλωτής προσθέσει δεδομένα βίντεο στο δίκτυο, θα πρέπει να βρεθούν νέες λύσεις γιατί η τεχνολογία του ασύρματου δικτύου που χρησιμοποιείται σήμερα δεν είναι κατάλληλη για διανομή βίντεο, λόγω ανεπαρκούς εύρους ζώνης, παρεμβολών και πολλών άλλων παραγόντων. 34
3.12 Μέσα μετάδοσης DHN Περνώντας καλώδια μέσα σε όλο το σπίτι μπορεί να είναι ένα δύσκολο έργο και ακριβό έργο. Ακόμη με την ευρεία χρήση των φορητών υπολογιστών είναι σχεδόν αδύνατο κάποιος να έχει συνδεμένο καλώδιο και να κυκλοφορεί σε όλο το σπίτι. Τα μέσα μετάδοσης που είναι κατάλληλα για ένα ψηφιακό δίκτυο σπιτιού είναι τα εξής : Καλώδιο Cat. 5. To καλώδιο αυτό προσφέρει την καλύτερη τεχνολογική απόδοση που υπάρχει σήμερα. Δεν επηρεάζεται από το εξωτερικό περιβάλλον και έχει τεράστιο εύρος ζώνης. Επίσης σε όλες τις ΙΡ συσκευές υπάρχει υποδοχή RJ 45 στην οποία συνδέεται το καλώδιο και έτσι είναι πολύ εύκολο να συνδεθούν αναμεταξύ τους. To Cat 5 είναι καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών UTP. Το καλώδιο UTP αποτελείται από 4 ζεύγη συνεστραμμένων μονωμένων μεταξύ τους αγωγών, που είναι γνωστοί και ως διπλαγωγοί και έχει την πιο διαδεδομένη χρήση εδώ και δεκαετίες, λόγω της εύκολης εγκατάστασής τους και της χαμηλής τους τιμής. Τα 8 σε σύνολο χρωματιστά καλώδια με αγωγό πάχους 1mm είναι στριφογυρισμένα ανά 2 μεταξύ τους για την αποφυγή παρεμβολών. Ανάλογα με τη χρήση που προορίζονται διακρίνονται σε 5 κατηγορίες. Η διάκριση αυτή γίνεται με βάση τους ρυθμούς μετάδοσης, τις παρεμβολές που αντιμετωπίζουν και τις ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις που έχουν τα ζεύγη μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, όσο πιο σφιχτά είναι πλεγμένα τα καλώδια των ζευγών τόσο μεγαλύτερη μετάδοση έχουμε και τόσο λιγότερες απώλειες και παρεμβολές από ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις. Το Cat 5 είναι η πιο διαδεδομένη κατηγορία λόγω των μεγάλων ρυθμών μετάδοσής της που φτάνουν μέχρι το 1 Gbps. Ασύρματο δίκτυο. Το να συνδέεις ΙΡ συσκευές στο σπίτι με ασύρματη τεχνολογία είναι η ευκολότερη λύση, δεν χρειάζονται καλώδια. Η βιομηχανία των υπολογιστών προσφέρει ασύρματες δικτυακές λύσεις εδώ και πολλά χρόνια, αλλά παρόλα αυτά οι ασύρματες τεχνολογίες δεν μπορούν να υποστηρίξουν σωστά διανομή βίντεο. Γραμμές ρεύματος. Το ρεύμα διανέμεται σε όλα τα δωμάτια του σπιτιού, έτσι είναι μια ελκυστική λύση για ψηφιακά δίκτυα σπιτιού. Οι προσαρμογείς γραμμών ρεύματος (PLCs-Power Line Communicators) γεφυρώνουν ένα ΙΡ δίκτυο πάνω σε ένα καλώδιο Cat.5 στην ηλεκτρική πρίζα. Τα δεδομένα ταξιδεύουν μέσα στους τοίχους και καταλήγουν στην πρίζα όπου βρίσκεται ο άλλος προσαρμογέας. Αυτός λαμβάνει τα δεδομένα και τα διανέμει σε όλες τις ΙΡ συσκευές που είναι συνδεδεμένες μαζί του. Τηλεφωνικές συνδέσεις. Τα περισσότερα σπίτια έχουν τηλεφωνικές συνδέσεις και πολλά από αυτά έχουν τηλεφωνικές πρίζες σε κάθε δωμάτιο, κάτι το οποίο κάνει την DHN τεχνολογία που είναι βασισμένη στις τηλεφωνικές γραμμές πολύ ελκυστική λύση. 35
Ομοαξονικό καλώδιο. Με την δημοτικότητα της καλωδιακής τηλεόρασης, πολλά σπίτια έχουν ομοαξονικό καλώδιο δρομολογημένο μέσα τους. Επίσης τα ομοαξονικά καλώδια είναι εγκατεστημένα εκεί που βρίσκεται η τηλεόραση. Το καλώδιο αυτό αποτελείται από ένα δύσκαμπτο εσωτερικό χάλκινο αγωγό, ο οποίος περιβάλλεται από μονωτικό υλικό και στη συνέχεια από κυλινδρικό και πυκνό πλέγμα. Το πλέγμα αυτό καλύπτεται με το εξωτερικό πλαστικό κάλυμμα που φαίνεται σε μας, ενώ και ο κεντρικός χάλκινος αγωγός και ο εξωτερικός έχουν τον ίδιο άξονα και γι αυτό το λόγο ονομάζεται το καλώδιο ομοαξονικό ή και «coaxial cable». Ο κάθε καταναλωτής έχει την επιλογή να διαλέξει τον τρόπο που τον εξυπηρετεί καλύτερα για να δημιουργήσει το δικό του ψηφιακό δίκτυο σπιτιού. Όλοι οι τρόποι που προαναφέρθηκαν χρησιμοποιούνται σε πολλά σπίτια αλλά η τεχνολογία που εξασφαλίζει την καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών είναι το καλώδιο Ethernet Cat. 5. Cat 5e 3.13 Δικτυακές συσκευές Modem. Το modem (διααποδιαμορφωτής) είναι όρος που προέρχεται από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων modulator (διαμορφωτής) και demodulator (αποδιαμορφωτής). Περιγράφει την περιφερειακή συσκευή η οποία μετατρέπει το ψηφιακό σήμα που προέρχεται από ένα ηλεκτρονικό υπολογιστικό σύστημα σε αναλογικό σήμα, το οποίο είναι κατάλληλο για την μεταφορά του μέσω κοινής τηλεφωνικής ή άλλου τύπου ενσύρματης γραμμής, ή ακόμα και μέσω ασύρματης ζεύξης. Επίσης διαθέτει και τμήμα αποδιαμόρφωσης για την αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Για τη 36
σύνδεση δύο συστημάτων μέσω modem, χρησιμοποιούνται πάντοτε δύο τέτοιες συσκευές. Το αναλογικό σήμα που στέλνει το ένα σύστημα, μέσω του δικού του modem, αποδιαμορφώνεται από το δεύτερο modem, στην άλλη άκρη της γραμμής. Έτσι μετατρέπεται ξανά σε ψηφιακό σήμα, προκειμένου να διαβαστεί από το άλλο σύστημα [6]. Το modem συνήθως έχει και ενσωματωμένο router ( δρομολογητή ), ο οποίος συνδέεται με καλώδιο Cat5 με το STB. Modem Μια απλή σύνδεση modem με STB Δρομολογητής router. Οι routers είναι δικτυακές συσκευές οι οποίες συνδέουν δύο ή περισσότερα δίκτυα μαζί ίδιου και διαφορετικού τύπου. Αναλαμβάνουν την αποστολή και λήψη πακέτων δεδομένων μεταξύ ενός ή περισσοτέρων διακομιστών, άλλων δρομολογητών και πελατών, Σε περίπτωση κίνησης οι routers επανακατευθύνουν τις πληροφορίες για γρηγορότερη και ασφαλέστερη δρομολόγηση τους. Διαβάζουν τα ψηφιακά σήματα που αποστέλλονται και απo τις δύο πλευρές του δικτύου, ενώ εξασφαλίζουν ότι αυτά φτάνουν στον προορισμό τους απαγορεύοντας την πρόσβαση από άλλα δίκτυα και μη επιτρέποντας να φτάνουν στον λήπτη οι άχρηστες πληροφορίες. 37
Περιέχουν firewalls και πληροφορίες αποφάσεων που γνωρίζουν προς τα πού αποστέλλονται τα σήματα. Οι πληροφορίες αυτές είναι προτεραιότητες συνδέσεων και κανόνες για τη διαχείριση λειτουργιών. Σύνδεση μέσω router Κατανεμητής καλωδίων Hub. Το Hub είναι μια δικτυακή συσκευή μέσω της οποίας διασυνδέονται οι υπολογιστές ενός οποιαδήποτε δικτύου. Η λειτουργία του βασίζεται στη λήψη των ψηφιακών σημάτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών και στη συνέχεια την αναπαραγωγή, την ενίσχυση και τέλος την επανεκπομπή τους ξανά προς τους υπολογιστές. Η χρήση των hubs είναι μεγάλη λόγω του χαμηλού κόστους τους, όμως μεγάλο μειονέκτημα είναι ότι σε μεγάλη κίνηση του δικτύου η ταχύτητα ανταπόκρισής τους είναι χαμηλή. Αξιοσημείωτο είναι επίσης το γεγονός, ότι όλοι οι χρήστες που εξυπηρετούνται από ένα hub τρέχουν με ταχύτητα διασύνδεσης ίση με αυτού που έχει τη μικρότερη [6]. Hub 38
Μεταγωγέας switch. Είναι μια συσκευή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύνδεση μεταξύ συσκευών μετά το router. Οι μεταγωγείς είναι δικτυακές συσκευές παρόμοιες με τα hubs, δηλαδή εξυπηρετούν τη διασύνδεση ηλεκτρονικών υπoλογιστών και άλλων συσκευών μεταξύ τους. Οι συσκευές αυτές επιτρέπουν σε όλους τους χρήστες που είναι συνδεδεμένοι να στέλνουν πληροφορίες στο δίκτυο, χωρίς να καθυστερεί ο ένας τον άλλον, με αποτέλεσμα τη γρήγορη αποπεράτωση εργασιών. Επίσης μέσω αυτών των συσκευών εξοικονομείται χώρος δικτύου με την αποστολή των ψηφιακών σημάτων στη συσκευή παραλήπτη που χρειάζεται και όχι σε όλο το δίκτυο, όπως γίνεται με τα hubs, ενώ κάθε φορά γίνεται επίβλεψη του αποστολέα και του παραλήπτη. Σε σχέση με τα hubs εμφανίζουν πλεονεκτήματα, για το λόγο ότι κρατάνε τις διευθύνσεις από τις κάρτες των ηλεκτρονικών υπολογιστών στη μνήμη, φτιάχνοντας πίνακα διευθύνσεων. Σύνδεση με switch 39
4. H IPTV σήμερα Ο όρος IPTV εμφανίστηκε αρχικά το 1995 με την ίδρυση της εταιρίας Precept Software που είχε έδρα τις Η.Π.Α και που αργότερα πωλήθηκε στην Cisco Systems. Σχεδίασαν και έχτισαν λοιπόν ένα τηλεοπτικό προϊόν διαδικτύου που ονομάστηκε «IP/TV». Το IP/TV ήταν μια εφαρμογή συμβατή με τα Windows και τα Unix και μπορούσε να προσφέρει από χαμηλή ποιότητα ως την ποιότητα DVD, χρησιμοποιώντας το unicast και το IP πολλαπλής διανομής (multicast). Η Cisco διατηρεί το εμπορικό σήμα «IP/TV». Στο παρελθόν, αυτή η τεχνολογία είχε περιοριστεί από το χαμηλό εύρος ζώνης. Στα ερχόμενα έτη, το IPTV που θα χρησιμοποιείται από τους χρήστες στα σπίτια τους, αναμένεται να αυξηθεί με μεγάλο ρυθμό δεδομένου ότι η τεχνολογία ευρείας ζώνης ήταν διαθέσιμη σε περισσότερες από 200 εκατομμύρια οικογένειες παγκοσμίως στο έτος 2005, για να αυξηθεί σε 400 εκατομμύρια μέχρι το έτος 2010. Πολλοί από τους σημαντικούς προμηθευτές τηλεπικοινωνιών παγκοσμίως εκμεταλλεύονται το IPTV ως νέα ευκαιρία εισοδήματος από τις υπάρχουσες αγορές τους και ως αμυντικό μέτρο ενάντια στις συμβατικότερες υπηρεσίες καλωδιακών τηλεοράσεων. Στο μεταξύ, υπάρχουν χιλιάδες εγκαταστάσεις IPTV μέσα σε σχολεία, εταιρίες, και άλλα όργανα που δεν απαιτούν τη χρήση συνδέσεων ευρείας ζώνης. [7] 4.1 Πάροχοι IPTV στην Ελλάδα Τα πρώτα πακέτα IPTV έκαναν την εμφάνισή τους στην ελληνική αγορά περίπου δύο χρόνια πριν, με την Vivodi και την On Telecoms. Πριν λίγο καιρό όμως ο ανταγωνισμός οδήγησε άλλες δύο εταιρείες να παρουσιάσουν τα δικά τους προϊόντα IPTV. Ο OTE και η Hellas Online είναι οι δύο νεότεροι πάροχοι στον τομέα της τηλεόρασης μέσω internet. Τηλεόραση από τον ΟΤΕ Υπηρεσίες Conn-X TV: Film Express. Η υπηρεσία Film Express είναι ένα εικονικό Video Club όπου οι πελάτες έχουν τη δυνατότητα να ενοικιάσουν ταινίες μέσα από μια συλλογή. Film Club. Με το Film Club, οι συνδρομητές γίνονται μέλη στην υπηρεσία του συνδρομητικού Video Club και μπορούν να παρακολουθούν απεριόριστα γνωστές τηλεοπτικές σειρές, ταινίες, μουσικά video clip, ντοκιμαντέρ, παιδικές σειρές κ.α. 40
Conn-X TV Games. Μια σειρά αγαπημένων παιχνιδιών, για να περνάς την ώρα σου ευχάριστα. Εξοπλισμός. Αποκωδικοποιητής χωρίς ενσωματωμένο σκληρό δίσκο ή προαιρετικά αποκωδικοποιητής με ενσωματωμένο σκληρό δίσκο για όσους επιθυμούν να επωφεληθούν των δυνατοτήτων για «πάγωμα» εικόνας ζωντανού προγράμματος (Time Shifted TV) και εγγραφής τηλεοπτικών προγραμμάτων (Personal Video Recording).[9] Τιμές υπηρεσίας. Τηλεόραση από την ON Telecoms Υπηρεσίες ΟΝ Telecoms: ON Cinema. Η υπηρεσία On Cinema σου επιτρέπει να επιλέξεις από μια τεράστια συλλογή τίτλων που περιλαμβάνει από τελευταίες κυκλοφορίες, που ανανεώνονται συνεχώς, έως και κλασικές ταινίες. ON Multiplex. Με το On Multiplex βλέπεις την ταινία που σε ενδιαφέρει, οπότε εσύ το επιθυμείς, όσες φορές επιθυμείς χωρίς χρονικούς περιορισμούς. 41
ON TV games. Διάφορα παιχνίδια διασκέδασης. ON Rec. Με το On Rec έχεις πρόσβαση στο τηλεοπτικό πρόγραμμα των 3 τελευταίων ημερών, όποτε το επιθυμείς. Το On Rec είναι η υπηρεσία που αποθηκεύει όλα τα προγράμματα των τελευταίων 3 ημερών, από τα κυριότερα ελληνικά κανάλια, για να τα έχεις στην διάθεσή σου, οποιαδήποτε στιγμή.[9] Εξοπλισμός. Αποκωδικοποιητής χωρίς ενσωματωμένο σκληρό δίσκο. Τιμές υπηρεσίας. 42
Τηλεόραση από την Hellas OnLine Υπηρεσίες HOL TV: HOL Video Club. Στο HOL Video Club θα βρείτε μία μεγάλη ποικιλία ταινιών και προγραμμάτων προς ενοικίαση 24 ώρες την ημέρα, 7 ημέρες την εβδομάδα. Home Νetworking. Με τον εξοπλισμό home networking απολαύστε την απόλυτη ελευθερία. Απαλλαγείτε από τα καλώδια, συνδέοντας τον αποκωδικοποιητή με το modem σας δικτυακά, μέσω ηλεκτρικού ρεύματος, όπου κι αν αυτά βρίσκονται μέσα στο σπίτι. HOL TV games. Παιχνίδια διασκέδασης. PVR, Personal Video Recording. Παίξτε με το «ζωντανό» πρόγραμμα. Παρακολουθήστε το πρόγραμμα που προβάλλεται χωρίς να χάσετε λεπτό ακόμη κι αν σας διακόψουν. «Παγώστε» το πρόγραμμα ανά πάσα στιγμή και επανέλθετε αργότερα. Παίξτε ξανά και ξανά τη σκηνή της αγαπημένης σας ταινίας ή την αμφισβητούμενη φάση ενός live αγώνα. Γράψτε έως και 80 ώρες προγράμματος. Προγραμματίστε την εγγραφή του προγράμματος που επιθυμείτε αυτόματα, με βάση μόνο το όνομα του προγράμματος ώστε να μη χρειάζεται να ρυθμίσετε τη μέρα και ώρα προβολής. Εξοπλισμός. Αποκωδικοποιητής με ενσωματωμένο σκληρό δίσκο για όσους επιθυμούν να επωφεληθούν των δυνατοτήτων για «πάγωμα» εικόνας ζωντανού προγράμματος (Time Shifted TV) και εγγραφής τηλεοπτικών προγραμμάτων (Personal Video Recording).[9] Τιμές υπηρεσίας. 43
Τηλεόραση από την Vivodi Telecom Υπηρεσίες Vivodi Telecom: Cable TV VOD. Οποιαδήποτε ταινία ενοικιάσετε, θα είναι διαθέσιμη για ένα ολόκληρο 24ωρο (από τη στιγμή που επιβεβαιώσετε την παραγγελία), κατά τη διάρκεια του οποίου μπορείτε να την παρακολουθήσετε, όσες φορές εσείς επιθυμείτε. Πιο συγκεκριμένα, δίνεται η δυνατότητα στο συνδρομητή να χρησιμοποιήσει τις εντολές:pause (πάγωμα εικόνας) - rewind (επιστροφή σε σημείο του βίντεο που έχει παρέλθει με ταυτόχρονη προεπισκόπηση) - forward (προώθηση του βίντεο με επιλογή ταχύτητας και ταυτόχρονη προεπισκόπηση) - Δυνατότητα μετάβασης σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή του βίντεο που είναι διαθέσιμο κατά απαίτηση - Επιλογή υποτίτλων ή όχι. [9] Δεν υπάρχουν παιχνίδια. Εξοπλισμός. Αποκωδικοποιητής χωρίς ενσωματωμένο σκληρό δίσκο Τιμές υπηρεσίας 44
Συγκεντρωτικός πίνακας διαθέσιμων καναλιών 45
46
47