Дисциплина Службы мультимедиа изучается на первом курсе магистратуры по специальности 5А Телекоммуникационный инжиниринг. Эта дисциплина является логическим продолжением курса Сети и системы передачи данных, изучаемой в бакалавриатуре. Целью курса Службы мультимедиа является формирование знаний, умений и навыков у студентов по научно обоснованному проектированию, построению и технической поддержке сетей передачи данных с коммутацией пакетов, обеспечивающих предоставление услуг мультимедиа с заданными показателями качества.

В курсе Службы мультимедиа рассматриваются следующие вопросы: - Основные принципы перехода к мультисервисным сетям. Цели и требования к мультисервисным сетям. - Кодирование аудио информации. Кодирование видео информации - Классификация трафика по приложениям. Требования к различным видам трафика. - Стек протоколов TCP/IP. IP протокол как основа перехода к сетям следующего поколения. - Сети передачи аудио и видео данных. Аудио-видео кодеки и их применение. Организация передачи речи и видео по сетям с коммутацией пакетов. - Архитектура мультимедийной структура IMS (IP Multimedia Subsystem) - Показатели качества обслуживания. Архитектура и механизмы предоставления качественных мультимедиа услуг. Международные рекомендации ITU-T,ETSI и др. - Тестирование сетей NGN. Международные стандарты для тестирования сетей NGN.

В настоящее время наиболее востребованными услугами являются услуги с комплексным предоставлением информации, которые в рекомендациях МСТ-Т определяются как мультимедийные. Термином "мультимедиа" принято обозначать интеграцию данных, текста, графики, аудио, видео и речи в рамках единой пользовательской платформы, позволяющей одновременно использовать сразу несколько из перечисленных видов информации. При этом необходимо иметь в виду, что мультимедиа - это не просто одновременная передача по сети сигналов разных служб, а такая интеграция передаваемой информации, при которой в каждый момент передается информация разных видов (звук, текст, данные, неподвижные и подвижные изображения), посвященная одному и тому же процессу.

Спектр услуг Безопасный беспроводной высокоскоростной доступ в Интернет Высокоскоростная передача данных Организация виртуальных частных сетей Голосовая IP-телефония (VoIP) (фиксированная и мобильная) Привлекательная по цене альтернатива традиционной мобильной связи. Видео и конференцсвязь IPTV Видео/ аудио по запросу Пакеты дополнительных услуг (on-line игры в режиме real-time и пр.) Видеонаблюдение

Причины роста мультимедийного трафика Web, электронная почта, пересылка файлов Аудио-видео приложения, включая аудио-видео телефонию, IPTV, видео по требованию приложения обработки мультимедийных данных, в которых программное обеспечение предоставляется пользователю как Интернет-сервис Мультимедийные игры, распространяемые через Интернет приложения, связанные с теле участием (telepresence) – телеобучение, телемедицина и др. Появление служб мультимедиа обусловлено в основном двумя причинами: a) возникновением в них потребности; b) наличием соответствующей технической и технологической базы.

Прогноз международных экспертов в области основных направлений развития телекоммуникаций : a) основное направление развития телекоммуникаций; b) движущую силу развития телекоммуникаций. Основным направлением развития телекоммуникаций является усиление интеграционных процессов, которое подразумевает объединение в одно целое: a) множества различных технологий; b) множества различных сетей; с) множества различных услуг, включая услуги мультимедиа.

Телефонная сеть Сеть мобильной связи Сеть IP Интернет Переход от раздельных сетей к мультисервисной сети для всех видов трафика

Другие сети Комстар GSM GPRS NGN КОНТЕНТ Другие сети UMTS Алгоритмы обслуживания IP cdma2000 EV-DO Конвергентные услуги среда Другие IP-сети EDGE Wi-Fi WiMAX ПЕРСПЕКТИВНАЯ КОНВЕРГЕНТНАЯ СРЕДА КОМСТАР

Эволюция от модели ISO/OSI к NGN Модель TCP/IP прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой Модель ISO/OSI прикладной транспортный сетевой физический канальный Уровень подсетей Уровень услуг Транспортный уровень Модель NGN

Движущей силой развития телекоммуникаций является стремление пользователя получать информацию максимально приближенную к той, которую он имеет при непосредственном общении. В ведущих странах мира исследовались информационные возможности различных видов телекоммуникаций. В результате данных исследований были определены относительные объемы информации при различных способах передачи сообщений. Исследование показало, что при общении людей только 7% «эмоционального содержания» передаются значениями слов, еще 38% - за счет таких нюансов, как тон голоса и скорость речи, а 55% «контента» скрыто в неречевых формах – это жесты, выражения лица и т.п.

Мультимедиа Завершающим этапом развития телекоммуникации является создание мультимедийных видов, основанных на передаче текстовой, звуковой и видеоинформации. Этим завершился один из важных этапов приближения информационных возможностей средств телекоммуникации к возможностям непосредственного обмена информацией между людьми. Этот этап охватывает все виды сообщений, которые передаются и принимаются органами зрения, слуха, движения, мимики и жестов.

Информационные возможности видов телекоммуникации

Тип сообщения Типичный размер 2,2 кВ длинные документы (~ 20 стр.)44 кВ графическое изображение 330 кВ 1 мин. аудио 475 кВ 1 мин. видео 2400 кВ Средний объем сообщения

Один из наиболее важных вопросов – какая полоса пропускания необходима, чтобы соединять между собой людей с помощью системы телекоммуникаций. Отсюда будут следовать важные выводы о том, как выбирать технологии и строить сети для передачи мультимедийного трафика. Рассмотрим особенности человеческого восприятия информации и его связь с полосой пропускания. В таблице представлены пять органов чувств, и для каждого органа приведены данные по скоростям восприятия информации различными органами и скоростям обмена информацией между органами чувств и мозгом человека.

Виртуальное чувство СЛУХ СЛУХ - восприятие звуковых колебаний органами слуха. У человека и высших животных звуки улавливаются наружным ухом и через барабанную перепонку и слуховые косточки (среднее ухо) передаются в улитку лабиринта (внутреннее ухо), где колебания т. н. основной перепонки вызывают возбуждение в чувствительных нервных окончаниях кортиева органа, которое передается в головной мозг. Человек воспринимает колебания частотой от Гц до 20 к Гц. Для сравнения дельфины от 100 Гц до 200 к Гц. Передача звуков посредством Интернет никогда не являлась особой проблемой, так как любой современный компьютер снабжен звуковой платой и колонками.

ЗРЕНИЕ ЗРЕНИЕ - восприятие организмом объектов внешнего мира посредством улавливания отражаемого или излучаемого объектами света. У человека и высших животных световые колебания в диапазоне длин волн нм (видимая часть спектра) воспринимаются светочувствительными клетками сетчатки глаза. Нервное возбуждение через зрительный нерв и проводящие пути центральной нервной системы передается в зрительные центры головного мозга, где возникает зрительное ощущение.

Органы/чувства Скорость передачи Передача на нейронном уровне Глаза/зрение 200 Gbit/s200 Mbit/s Уши/слух 4 Mbit/s2 Mbit/s Кожа/осязание 1,5 Gbit/s10 Mbit/s Язык/вкус 150 Mbit/s11 Mbit/s Нос/обоняние 20 Gbit/s30 Mbit/s =~ 220 Gbit/s~ 250 Mbit/s Скорости передачи для различных органов восприятия информации

Сети передачи аудио-видео как основа мультисервисных сетей. Основой для передачи мультимедийной информации все чаще становятся мультисервисные сети. Они способны к передаче данных разных типов и интеграции различных видов трафика. Одним из наиболее ярких и сложных примеров использования мультисервисных сетей является сети передачи аудио-видео. Преобразование аудио-видео сигнала Дискретизация Квантование амплитуды Кодирование квантованных амплитуд

Организация передачи речи по IP-сети алгоритм обнаружения пауз кодер пакетизация анализатор Речевой сигнал джиттер-буфер декодер алгоритм нивелирования потерь синтезатор Cинтезированный речевой сигнал IP-сеть

Дискретизация аналоговый сигнал превращается в последовательность импульсов (отсчетов), величина которых равна амплитуде аналогового сигнала в определенные моменты времени Теорема Котельникова: Аналоговый сигнал может быть восстановлен из последовательности отсчетов с частотой f, которая больше или равна умноженной на 2 максимальной частоте, используемой в спектре сигнала F:

Квантование непрерывная величина амплитуды сигнала накладывается на дискретную шкалу квантования и округляется до ближайшего меньшего значения используется нелинейная (логарифмическая) шкала квантования, то есть квантованию подвергается не амплитуда сигнала, а ее логарифм 2 закона квантования: А-закон (применяется в европейских странах и России) -закон (применяется в Северной Америке)

Формирование аудио-видео сигнала в кодеке

Организация системы IPTVна абонентском участке Видеосервер STB провайдеры, предоставляющие VoD, IPTV или internetTV VoD Блок доступа к видеосерверу Система биллинга и учета трафика, мониторинг SLA абонент

Видео-кодеки используемые в IPTV Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены - например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно - только для опорных изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Классификация мультимедийного трафика по приложениям

В таблице 1.3 приведены требования к полосе пропускания для различных приложений. Таблица 1.3 Требования к полосе пропускания для различных медиа-приложений Приложения Тип передачи Формат передачи Структура передачи Скорость передачи без сжатия Скорость передачи со сжатием Речь и музыка ТелефонияG G Кбит/с * 8 бит 64 кбит/с 8-32 кбит/с Телеконференция 16Кбит/с * 8 бит 128 кбит/с Кбит/с CD-audioMP Кбит/с * 16 бит 705,6 кбит/с 128 кбит/с Изображение Изображение обычного разрешения SVGA640 пикс/лин*480 лин/с * 8 бит/пикс 2,458 Мбит/с кбит/с JPEG720 пикс/лин*576 лин/с * 16 бит/пикс 6,636 Мбит/с кбит/с Изображение высокого качества 1280 пикс/лин лин/с *24 бит/пикс 31,46 Мбит/с 0,3-3Мбит/с Бизнес видео Видеофон QSIF (H.261) 176 Пикс/лин*144 лин/к * 12 бит/пикс*30 к/с 9,115 Мбит/сР*64 кбит/с (р=1,2) MPEG-4 (H.320) 176 Пикс/лин*144 лин/к * 12 бит/пикс*10 к/с 3.04 Мбит/с 64 кбит/с Видео конференции CIF (H.261) 352 Пикс/лин*288 лин/к * 12 бит/пикс*30 к/с 36.5 Мбит/с M*368 кбит/с (m=1,2,3,4,5) MPEG-1 (PAL) 352 Пикс/лин*288 лин/к * 12 бит/пикс*25 к/с 30.4 Мбит/с Мбит/с MPEG-1 (NTSC) 352 Пикс/лин*288 лин/к * 12 бит/пикс*30 к/с 30.4 Мбит/с Мбит/с Развлека тельное видео VCRCIF (MPEG-2) 352 Пикс/лин*288 лин/к * 12 бит/пикс*30 к/с 30.4 Мбит/с 4 Мбит/с Широковещательное ТВ MPEG-2 (PAL) 720 Пикс/лин*576 лин/к * 12 бит/пикс*25 к/с Мбит/с 15 Мбит/с MPEG-2 (NTSC) 720 Пикс/лин*576 лин/к * 12 бит/пикс*25 к/с Мбит/с 15 Мбит/с ТВ высокого разрешения HDTV 1920Пикс/лин*1080 лин/к * 16 бит/пикс*30 к/с Мбит/с 135 Мбит/с MPEG Пикс/лин*1080 лин/к * 12 бит/пикс*30 к/с Мбит/с Мбит/с

РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ Y.1541

Технология ДостоинстваНедостатки АТМ Динамическое управление полосой пропускания каналов связи, обеспечение устойчивости сети при почти 100 % утилизации полосы пропускания; Предоставление QoS для различных типов трафика; Возможность управления трафиком – управление перегрузками; Возможности эффективного резервирования каналов связи и оборудования; Возможность интегрирования самых различных типов трафика, включая голос, данные, видео высокого качества; Возможность экономии полосы пропускания за счет специальных, стандартных технологий обработки голосового трафика; Возможность эмуляции «прозрачных» каналов связи. Используя технологию MPLS, оператор опорной сети АТМ может динамически коммутировать трафик IP по опорной сети АТМ а реальном масштабе времени. При этом появляется уникальная возможность предоставлять средствами АТМ необходимый QoS для IP – трафика. Сложность технологии. Относительно высокие цены оборудования; Наличие частных решений от отдельных производителей Таблица Достоинства и недостатки технологий передачи данных

Технология Достоинства Недостатки GIGABIT ETHERNET Низкая удельная стоимость на порт оборудования; Передача мультимедийного трафика технически может осуществляться за счет соответствующих технологий и протоколов IP Для подключения сторонних организаций и предоставления услуг по транспорту трафика необходимы специальные меры по защите сетевых и информационных ресурсов мультисервисной сети, что потребует установки дополнительного оборудования и существенно увеличит стоимость проекта; Достаточно сложно проводить дифференцированную политику безопасности для различных участков сети; Возможным решением здесь является использование технологии MPLS; Возникнут сложности в отношении учета трафика при предоставлении услуг сторонним организациям; Масштабируемость опорного участка сети будет иметь значительные ограничения, связанные с работой маршрутизирующих протоколов на коммутаторах опорных узлов и с количеством узлов в опорной части сети. Кроме того, в значительной мере возрастет время восстановления сети при отказах

Технология Достоинства Недостатки MPLS Отделение выбранного маршрута от анализа IP-адреса (дает возможность предоставлять широкий спектр дополнительных сервисов при сохранении масштабируемости) Ускоренная коммутация (сокращает время поисков в таблицах) Гибкая поддержка QoS интегрируемых сервисов VPN Эффективное использование явного маршрута Разделение функциональности между ядром и граничной области сети. Высокую эффективность использования полосы пропускания (малый размер заголовка пакетов) Эффективность при перегрузках и отказов элементов В MPLS нет понятия безопасности в отличии от АТМ, где безопасность определяется на логическом уровне Приоритетом MPLS для является быстрота продвижения пакета, а не QoS Не всегда совместима с оборудованием разного производства.

Определение IMS IMS (IP Multimedia Subsystem) является открытой архитектурой сетей связи следующего поколения, которая поддерживает интеграцию голоса, видео и данных в фиксированных и беспроводных сетях, при использовании широкого набора терминальных устройств – от ПК до мобильного телефона. Архитектура IMS является сетевой архитектурой для перспективных мультимедийных IP-услуг, таких, как разделение контента, а также различных интерактивных применений, включая игры.

Традиционная архитектура и архитектура IMS

Структура IMS

Актуальность работ по тестированию технических средств мультисервисной сети основывается: увеличением количества производителей оборудования вследствие роста - доли программного продукта в технических средствах электросвязи; уменьшением периода разработки и внедрения новых услуг; отставанием процесса стандартизации от процессов разработки и - внедрения новых технологий, увеличением доли корпоративных стандартов; увеличением стоимости тестирования сетей с коммутацией пакетов из-за большей функциональности оборудования.

Для проведения тестирования оборудования мультисервисной сети и протоколов передачи информации разработаны новые методы тестирования. Процесс тестирования технических средств разделяется на следующие этапы: тестирование соответствия требованиям технических стандартов; тестирование совместимости оборудования разных производителей; тестирование взаимодействия с сетью связи.

Анализ рис. показывает, что для реализации тестирования взаимодействия из конца в конец требуется либо использование сетей и сетевых элементов, находящихся в эксплуатации, либо организация опытных зон, причём при использовании максимальной конфигурации и на территории разных стран.. Архитектура тестирования из конца в конец МЦК - международный центр коммутации ССПС - сотовая сеть передвижной связи ЦКП - центр коммутации для подвижных (мобильных) пользователей ЦСИС - цифровая сеть с интеграцией служб