Пример практической реализации технического решения по передаче высококачественного цифрового видеоизображения по сети транснационального оператора «ТрансТелеКом»

 

1.             Введение

Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственный центр «Интелком» является отечественным системным интегратором и предлагает услуги по созданию и внедрению корпоративных информационных систем комплексной автоматизации и управления коммерческой и производственно-хозяйственной деятельностью предприятий и их объединений (холдингов).

Управление систем связи и сетевых технологий осуществляет проектирование современной компьютерной, сетевой и связной инфраструктуры предприятий и корпораций.

Данный материал подготовлен специалистами этого управления.

 

2.             Сети и каналы связи

Сети и каналы связи для передачи медицинской информации являются базовой составляющей систем телемедицины, поскольку основной задачей телемедицины является дистанционная диагностика, требующая, как правило, предоставление визуальной информации.

2.1.       Характеристика каналов связи для видео

Проблема передачи видеоинформации состоит в том, что канал связи должен быть достаточно скоростным, т.е. обладать высокой пропускной способностью. Сегодня для видеоконференций можно использовать практически любые цифровые каналы связи с достаточно широкой полосой пропускания.

Использование каналов и сетей с гарантированным качеством связи (ISDN, V.35, E1/T1, и др.) регламентируется серией рекомендаций H.320, разработанных Сектором по стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-Т). Однако в последние время все более широкое распространение получают видеоконференции, использующие IP - сети, как локальные, так и территориально распределенные и глобальные.

2.2.       Преимущества и недостатки передачи видео по сетям IP

Практика показывает, что качество потокового видео приблизительно одинаково при использовании трех BRI-каналов ISDN (384 Кбит/с) или IP-канала шириной 450-500 Кбит/с.

  К недостаткам IP-связи можно отнести существенную избыточность передаваемой информации: прибавляются заголовки, служебные пакеты протоколов RTP и RTCP, некоторый объем повторно передаваемых пакетов, что обычно увеличивает необходимую полосу пропускания на 20-30%.

 Преимуществом IP сети, по сравнению с сетями коммутации каналов, является более рациональное использование ресурсов сети, поскольку полоса IP канала занимается только в моменты наличия передаваемой информации. Стоимость эксплуатации сетей с коммутацией пакетов существенно ниже, чем сетей с коммутацией каналов.

 

3.             Магистральная  IP сеть ТрансТелеКом  с MPLS

Сеть ТрансТелеКом - представляет собой совокупность Магистральной цифровой сети связи (МЦСС), сети АТМ, сети IP MPLS и сетей доступа, интегрированных в единую взаимоувязанную мультисервисную сеть. 

 

Применяемое оборудование в совокупности с SDH-технологией позволяют повысить надежность первичной транспортной сети за счет объединения ее узлов в кольцевые структуры, что дает возможность системе управления сетью автоматически переключать основной канал на обходной в случае отклонения качественных параметров основного канала от нормы. Переключения в сети происходят без потери передаваемой информации.

 Высокая надежность сети обеспечивается резервированием ВОЛС по географически разнесенным маршрутам и налаженной системой эксплуатации линейно-кабельных сооружений. Созданная топология сети позволяет обеспечить резервирование связи в случае аварии на кабельных трассах.

3.1.       Территориальный охват

Магистральная цифровая сеть связи (МЦСС) ЗАО "Компания ТрансТелеКом" имеет протяженность более 40 тысяч километров и представляет собой единый технический комплекс, основу которого составляют: волоконно-оптический кабель, кабельные сооружения, каналообразующее оборудование, единая система контроля и управления, а также обеспечивающие системы электропитания, синхронизации и служебной связи.

По масштабам развития магистральная сеть сопоставима с сетями других крупных национальных операторов, предоставляющих услуги связи операторам и абонентам сетей общего пользования. Магистральная сеть фактически охватывает всю густонаселенную территорию России, имеет более 950 точек выделения ресурса, в том числе и потенциальные точки взаимодействия с операторами других государств.

3.2.       IP-сеть

Компания ТрансТелеКом располагает магистральной IP-сетью, наложенной на магистральную первичную сеть, что позволяет предоставлять IP-услуги во всех регионах присутствия Компании.

Созданная на базе перспективной технологии многопротокольной коммутации меток MPLS (Multiprotocol Label Switching) IP-сеть, строится по иерархической двухуровневой архитектуре, включающей опорный слой (ядро) MPLS-коммутации IP-трафика и граничный слой, который несет основную нагрузку по обслуживанию абонентов и составляет основной "интеллект" сети.

В качестве основной транспортной среды для IP-сети используются каналы первичной сети уровня STM-1, с перспективой наращивания до уровня STM-4 и STM-16, так же предусматривается резервирование основных соединений IP-сети с помощью организации постоянных виртуальных соединений (PVC) магистральной ATM-сетью.

Ядром IP-сети являются высокопроизводительные коммутирующие маршрутизаторы производства компании Cisco Systems. Граничный слой состоит из маршрутизаторов Cisco Systems, обеспечивающих агрегирование клиентского трафика абонентов IP-сети и коммутаторов Fast Ethernet для объединения инфраструктуры узла и подключения оборудования пользователей. В состав IP-сети входит система управления устройствами и услугами и комплекс серверов, обеспечивающих традиционные Интернет-сервисы, такие как DNS, SMTP, WWW.

В настоящее время развитие сети продолжается.

3.3.       Преимущества MPLS технологии

Магистральная IP -сеть Компании ТрансТелеКом построена на основе самой передовой IP технологии – MPLS (MultiProtocol Label Switching).

Безопасная и эффективная передача данных в сети осуществляется за счет коммутации IP-пакетов, содержащих дополнительные байты данных (Labels) c информацией о маршруте их следования. Благодаря такой технологии IP-пакеты коммутируются, а не маршрутизируются, что резко увеличивает скорость их передачи.

Компания ТрансТелеКом предоставляет услугу IP VPN - это создание виртуальных частных сетей связи на базе IP-сети с использованием технологии MPLS. По сравнению с другими технологиями, на базе которых также строятся виртуальные частные сети (например, Frame Relay, выделенные подключения, шифрование трафика в Интернет), MPLS является самой эффективной для передачи IP-трафика и, соответственно, оптимальна для работы в сети IP-ориентированных приложений.

В число основных задач, которые можно решить с помощью IP VPN входит  передача трафика с гарантированным качеством для нескольких классов передачи данных, в том числе и для «видео»:

• видеоконференцсвязь,
• телемедицина.

Такая возможность доступна более чем в 900 городах и населенных пунктах России по единому контракту с ЗАО "Компания ТрансТелеКом".

 

4.             Технологии цифрового видео

4.1.       Обработка видео, использование кодеков

Для трансляции полноценного телевизионного сигнала требуется полоса пропускания 160 Мбит/с поэтому, для более рационального использования полосы пропускания канала, проводится предварительная обработка видеосигнала. Для этого используют специальные и весьма эффективные алгоритмы сжатия потока (в десятки и сотни  раз), причем  передаются не сами аудио- и видеосигналы, а только их важнейшие параметры, которые позволяют восстанавливать сигнал на приемном конце с приемлемым качеством.

Видеоинформация может быть сжата двумя методами, предполагающими исключение как можно большего объема данных. Первый метод — внутрикадровое сжатие. Каждый кадр делается насколько возможно меньше по размеру с помощью графических  технологий Второй метод — межкадровое сжатие. При этом методе первый (опорный) кадр записывается с максимально возможной детализацией, а последующие хранятся в виде «дельта-кадров». Дельта-кадры содержат информацию только об изменившихся по отношению к опорному кадру пикселах. Применяемые совместно, обе методики совместно позволяют кардинально уменьшить объем цифрового видео. Кодеков для компрессии/декомпрессии видео существует множество, в том числе H.261, MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4 (предварительный стандарт). Каждый из них обычно рассчитан на определенную пропускную способность. Однако для профессионального вещания общепризнан кодек MPEG-2.

Основная проблема для разработчиков кодеков заключается в достижении высокого качества передаваемого видеоизображения при обеспечении приемлемой скорости обработки видеопотока.

 

5.             Оборудование MediaEdge фирмы Canopus

Система MediaEdge фирмы Canopus предназначена для передачи по IP-сетям видеоинформации вещательного ТВ качества в форматах MPEG-1/2. Система отличается высокой эффективностью при низкой стоимостью оборудования.

Для реализации телемоста в минимальной конфигурации используется следующий состав оборудования:

-         два  видеосервера MediaEdge., обеспечивающих сбор, хранение и передачу видео- и аудиоинформации с помощью программного обеспечения MediaEdge Server,

-         две платы кодера Canopus Amber, обеспечивающего подготовку и передачу аудио- видеопотока по сети IP, установленные по одной на каждом  сервере,

-         две телевизионные приставки - SetTopBox (STB), подключаемые к любой точке локальной сети и позволяющие подключить  по два монитора, каждая,

-         до четырех цветных мониторов высокого разрешения, соответственно,

-         два профессиональных цифровых комкодера для создания передаваемого видеосигнала.

 

Требования к видеосерверу MediaEdge:

-         Intel Pentium III, процессор 800 МГц и выше,

-         128 Мбайт и выше оперативная память,

-         1024 х 768 монитор,

-         ПО Microsoft Windows 2000 Server.

 

Рис.1.  Схема подключения оборудования MediaEdge к транспортной сети оператора связи

 

 

6.             Практическая проверка технического решения

Техническое решение состояло в адаптации оборудования MediaEdge фирмы Canopus под требования конкретной задачи и обеспечения возможности подключения его к Магистральной IP сети  оператора ТрансТелеКом. 

6.1.       Постановка задачи

Одно из крупных Московских предприятий, имеет свои представительства в регионах находящихся на значительном удалении от Москвы, городах Иркутск и Комсомольск-на-Амуре. Специфика производства такова, что часть технологического процесса, а именно стендовые испытания изделий осуществляются на предприятиях означенных городов. На проводимых испытаниях должны присутствовать специалисты (технологи) головного производства, для визуального контроля и осуществления руководства над их прохождением. В связи с большой удаленностью представительств командированные специалисты вынуждены использовать авиатранспорт, что выливается в очень существенные финансовые затраты для предприятия (около 400 $ за билет туда обратно на одного человека, плюс командировочные). Поэтому руководство предприятия стало прорабатывать вопрос дистанционного контроля процесса испытаний и поставило перед рядом фирм системных интеграторов, в том числе и нашей, задачу по трансляции высококачественного видеоизображения, при соблюдении приемлемых ценовых показателей.

Ряд фирм предложил решения, базирующиеся на сравнительно недорогом оборудовании для видеоконференцсвязи. Были продемонстрированы видеоизображения реальных изделий, как в статическом, так и динамическом режимах, на различных скоростях передачи, от минимальных, вплоть до 1,5 Мбит/сек (оборудование компании PictureTell), но ни один из вариантов не удовлетворил Заказчика.

В результате Заказчиком было выдвинуто требование обеспечить передачу изображения в формате MPEG-1 или, а по возможности MPEG-2, то есть практически студийного  ТВ качества.

6.2.       Полученные результаты

Найдено и проверено опытным путем техническое решение, оптимально обеспечивающее передачу высококачественного видеоизображения в форматах  MPEG-1/2 по сети передачи данных с коммутацией пакетов на большое расстояние (свыше 15 000 км). Была практически подтверждена пригодность использования VPN IP сетей c технологией MPLS в качестве транспортной среды для создания систем видеоконференций и телемостов.

 

7.             Сведения об авторах

Желдаков Олег Григорьевич. Нач. управления систем связи и сетевых технологий.

Клен Роман Викторович.      Нач. отдела перспективных интегрированных решений

 

НПЦ “Интелком”. Г. Юбилейный Моск. Обл. Ул. Тихонравова д. 29.

тел.: 502-8860, факс: 502-8861, E-mail: intelcom@intelcom.ru.