سامانه پژوهشی – مکانیزم تشویقی برای جریان‌سازی ویدئو در شبکه‌های نظیر به نظیر- قسمت ۵

IPTV: یک معماری شبکه‌ است که تلویزیون دیجیتال و سرویس‌های VoD را با استفاده از پروتکل اینترنت بر روی یک زیرساخت اختصاصی و محصور تحویل می دهد. IPTV عمدتا توسط یک اپراتور باندپهن، به همراه سرویس VoIP و دسترسی اینترنت (که مجموعه‌ی سرویس‌ها “Triple Play” نامیده می شوند) تامین می‌شود. IPTV، تلویزیونی نیست که بر روی اینترنت و برای عموم پخش شود (بر خلافTV اینترنتی و یا P2PTV). با توجه به پیچیدگی های معماری IPTV و کمبود تجربه‌ی کمپانی‌های ارتباطاتی دوربرد سنتی، راه کار‌های IPTV توسط ائتلاف دهنده ها (integrator) تامین می‌شود. شرکت‌های مشهور بازار، در این حوزه در عبارتند از: Alcatel، Siemens و Cisco.
MobileTV: نامی است که برای سرویس تحویل ویدئو (زنده و ویدئوی VoD) به دستگاه‌های تلفن همراه، استفاده می شود. MobileTV عموما توسط اپراتور شبکه همراه فراهم می شود. یک تفاوت MobileTV با سیستم‌های قبلی، این است که MobileTV دو معماری در شبکه‌ی دسترسی دارد، یا به صورت دوطرفه در شبکه‌ی دسترسی سلولی (W-CDMA، CDMA2000، GSM، GPRS و … ) و یا به یک شبکه‌ی پخش دیجیتال اختصاصی (DVB-H، DMB، TDtv، ISDB-T و …. ) متکی است. پیشبینی شده است که شبکه‌ی سلولی برای ارسال ویدئو در زمان تقاضا و شبکه‌ی پخش، برای سرویس‌های جریان‌سازی چندگانه (TV زنده) استفاده شود. پیاده‌سازی‌های این سیستم با همخوان کردن معماری زیرسیستم چندرسانه ای IP (IMS) شروع می‌شود. همانند IPTV، این بازار، امروزه توسط شرکت های بزرگ ائتلاف‌دهنده قرق شده است.
کابل دیجیتال و ماهواره: تفاوت بین IPTV و کابل دیجیتال، در مرحله‌ی توزیع متمرکز می‌شود. کابل دیجیتال، تلویزیون را از طریق سیگنال‌های ارسال شده با فرکانس رادیویی و از طریق کابل‌های کواکسیال یا فیبر نوری، برای کاربران تدارک می‌بیند. این کابل می‌تواند یک سیستم توزیع یک طرفه یا دوسویه باشد. در استاندارد DVB-C، کابل دیجیتال یک طیف را با بیش از ۱۰۰ حامل کانال‌های ۶ مگاهرتز استفاده می‌کند که بطور نمونه برای انتقال ۷ تا ۱۲ کانال دیجیتال استاندارد (جریان‌های MPEG-2 MP@ML³ ۳ تا ۵ مگابیت بر ثانیه)، مدولاسیون بکار رفته در نسخه‌های ۶۴-QAM و ۲۵۶-QAM یک مدولاسیون دامنه‌ی تربیعی (QAD) است. CATV^[9] هم اکنون به عنوان تلویزیون کابلی شناخته می شود. تلویزیون ماهواره‌ای دیجیتال، از ماهواره برای ارسال سیگنال به کاربران استفاده می کند. این سیستم، از مدولاسیون دیجیتال کلید‌زنی شیفت فازی تربیعی (QPSK) به همراه استاندارد‌های MPEG-2 یا MPEG-4 AVC و DVB-S (یا DVB-S2) استفاده می‌کند.

کیفیت تجربه (QoE) در یک VDN

یک چالش مشترک در هر نوع پیاده سازی شبکه‌ی تحویل ویدئو،‌ اطمینان از این موضوع است که آن سرویس حداقل کیفیت مطلوب مورد انتظار کاربران را تامین ‌کند. کیفیت تجربه (QoE) اجرای کلی یک سیستم از نقطه نظر کاربران است. QoE، اساسا یک معیار ذهنی از عملکرد انتها به انتها در سطح سیستم از دید کاربران است. همچنین QoE‌ شاخصی از کارایی سیستم و رسیدن آن به اهداف از پیش تعیین شده است. برای شناسایی فاکتور‌های مهمی که در QoE وجود دارند، تعدادی از جنبه های عددی باید در نظر گرفته شوند. مهمترین جنبه برای سرویس‌های تحویل ویدئو، سنجش کیفیت ویدئوی دریافتی است.
در قسمت پیشین، موفق‌ترین کلاس‌های VDN امروزی را معرفی کردیم. هر نوع از VDN ها، بسته به سرویسی که ارائه می‌دهد، پروتکل‌ها و مولفه‌های خاص خود را دارد. در نظر داشته باشید که فرق مهمی در منابع ویدئو‌ی شبکه وجود ندارد. واضح است که کیفیت ویدئوی اصلی (آنالوگ یا دیجیتال) بازدهی کدگذاری و QoE را به شدت تحت تاثیر می‌گذارد. مطمئنا بهترین کیفیت را از شبکه‌های اختصاصی مانند IPTV،‌ کابل دیجیتالی و ماهواره انتظار داریم. (برای مثال،‌ این شبکه‌ها عمدتا از منابع ویدئویی MPEG-2 یا MPEG-4 بهره می برند؛ در حالی که P2PTV از تکنولوژی خانگی استفاده می کند). کدگذاری ویدئو با استفاده از کدک‌های مناسب هر شبکه‌ به صورت اختصاصی انجام می‌شود. در محیط اینترنت (TV اینترنتی و P2PTV) کدگذار‌های ویدئو توسط سرور‌های اختصاصی یا به سادگی توسط کامپیوتر‌های شخصی و خانگی پیاده‌سازی می‌شود. در شبکه‌های اختصاصی ‌(IPTV، Mobile TV،‌ کابل و … ) استفاده از تجهیزات سخت‌افزاری برای کدگذاری ترجیح داده می‌شوند.
پارامتر‌های کدگذار، (مانند: استاندارد انکودر استفاده شده، نرخ بیت، ساختار GOP، CBR/VBR و غیره ) با توجه به روش انتقال و ملزومات پهنای باند تعریف می شوند. از آنجایی که کدگذار‌ها و کدگشاها اساسا برپایه‌ی نرم‌افزار هستند، آزادی وسیعی برای طراحی آن ها در دنیای اینترنت وجود دارد. مورد استاندارد برای استفاده،‌ استفاده از کدک‌های اختصاصی (گاهی اوقات MPEG-4-xvid، H.264 و گاهی‌ اوقات Windows Media 9) است.
در IPTV و کابل‌های دیجیتال و ماهواره‌ها، پیاده‌سازی‌های MPEG-2 به آرامی، با کدگذار‌یهای جدیدی مانند H.264 و VC-1 جایگزین می شوند. در MobileTV، با توجه به توصیه ۳GPP، از MPEG-4 استفاده می شود. نرخ بیت اساسا بر کیفیت اثر می‌گذارد. TV اینترنتی و P2PTV عموما از اتصالات خانگی پهن‌باند (در حدود ۵۰۰ Kbps) استفاده می‌کنند. در MobileTV، شبکه‌ی دسترسی، پهنای باند موجود را به حدود ۱۰۰ Kbps در شبکه‌های ۲G و حداکثر ۲ Mbps در شبکه‌های ۳G محدود کرده است. در IPTV و کابل دیجیتال و ماهواره، حداقل پهنای باند ۱۲Mbps تا ۲۴ Mbps توصیه می شود.
بسته‌بندی MPEG به منظور ساده‌سازی توزیع، از مالتی‌پلکس کردن صوت و تصویر، و تقسیم آن به قطعات کوچکتر استفاده کرده است. معمولا برای توزیع تک کانالی (جریان‌های انتقال یک برنامه) همانند IPTV و برای توزیع چند کانالی (جریان انتقال برنامه‌ی چندگانه) همانند کابل دیجیتال، ازMPEG-TS استفاده شده است. در TV اینترنتی و P2PTV از استاندارد‌ها و پروتکل‌های اختصاصی بسیاری استفاده شده‌است. بعد از مرحله‌ی بسته‌بندی، بسته‌بندی انتقال صورت می‌گیرد که عموما توسط کدگذار یا سرور جریان ساز انجام می‌شود. برای این مورد نیز استاندارد‌ها و پروتکل‌های اختصاصی زیادی برای این عمل در اینترنت وجود دارد.
مشخص‌های توزیع، معماری‌های VDN مختلفی را مطرح می کند. مقداری تاخیر، پرش و تلفات در جریان، در اثر نحوه توزیع ایجاد می‌شود. در TV زنده و VoD مهم‌ترین فاکتور، تلفات بسته‌ها است؛ چرا که کیفیت ویدئو و QoE کلی، به شدت با توجه آن تنزل پیدا می کند. دسترسی ثابت و همیشگی IPTV و کابل دیجیتال (یعنی ADSL2+، مودم‌های کابلی، اترنت و … ) می‌تواند QoS توزیع را، توسط الگوریتم‌های علامت‌گذاری-اولویت هوشمند، کنترل کند؛ به جز در شبکه‌ی خانگی که از بیسیم (Wi-Fi) استفاده شده، که بطور بالقوه کیفیت را تنزل می‌بخشد. تلویزیون‌ ماهواره‌ای دیجیتال و MobileTV بطور عمده‌ای به شرایط محیطی وابسته اند. در P2PTV، شبکه‌ی دسترسی یک شبکه‌ی پوششی از نظیر‌هاست که پهنای باند خود (بخشی از آن) را به بقیه می‌دهد. مشکل اصلی در اینجا، این است که نظیر‌ها با تناوب بالایی، بصورت خودمختار و کاملا غیرهماهنگ، قطع و وصل می‌شوند. این به این معنی است که چالش اساسی در طراحی P2P، ارائه کیفیت مورد نیاز مشتریان، در یک چنین محیط پر تنشی است، که سعی بر کمینه کردن تلفات بسته‌ها دارد. مجموعه‌ای از روش ها، در شبکه‌های دسترسی برای کم کردن اثر تلفات بسته‌ها استفاده می شود. برای مثال، تصحیح خطای رو به جلو (FEC)، ارسال مجدد، متروک سازی انتخابی، و در موقعیت‌های خاصی در P2PTVها، جریان‌دهی چند منبعی یا چند مسیری است.
کدگشایی ویدئو عموما توسط یک سخت‌افزار اختصاصی (Set-Top-Box برای IPTV، کابل، ماهواره و MobileTV) صورت می‌گیرد؛ البته، به جز در اینترنت، که عموما از یک کامپیوتر شخصی برای آن استفاده می‌شود. سرانجام، همانطوری که در بالا ذکر شد، ترمینال نمایش، مولفه‌ی مهم دیگر در QoE است (با عوامل اصلی : نوع نمایشگر، اندازه و تفکیک پذیری آن). مولفه‌های شبکه‌ی تحویل ویدئو در شکل ۲-۳ خلاصه شده‌اند و پروتکل‌های آن در شکل ۲-۴ آورده شده است.
یک شبکه‌ی تحویل ویدئو (VDN) سیستمی است که ویدئو را بصورت ناپیدا به کاربران انتهایی تحویل می‌دهد. VDN ها معماری‌های متنوعی دارند: کابل‌ها و ماهواره‌های دیجیتال، تلویزیون اینترنتی، P2PTV، IPTV و MobileTV. صرفنظر از چگونگی طراحی شبکه یا QoS آن، همیشه امکان نقص در مولفه‌های شبکه وجود دارد، که می‌توانند از نوع ازدحام و یا از نوع خطاهای وارد شده به خود جریان ویدئو باشند. بنابراین لازم است که کیفیت کل در یک شبکه‌ی تحویل ویدئو و بخصوص کیفیت درک شده که نشان دهنده‌ی نقطه‌ نظر کاربر است، ردگیری و اندازه‌گیری شود. در بخش بعدی شبکه‌ی تحویل ویدئوی استفاده شده در اینترنت (TV اینترنتی و P2PTV) را با جزئیات بیشتری مطالعه خواهیم کرد.