Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема создания мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения .
1.1 Задачи интеграции информационного обслуживания пользователей в условиях перехода к информационному обществу 10
1.2. Оценка возможностей применения сетей кабельного телевидения (СКТВ) для предоставления информационных услуг пользователям 24
1.3. Формулировка проблемы построения мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения 32
1.4. Постановка задачи исследования 38
Выводы по главе 1 ...41
ГЛАВА 2. Подход к построению мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения .
2.1 .Анализ и оценка приоритетности информационных потребностей пользователей 43
2.2. Формулировка основных принципов построения мультисервисной системы 53
2.3. Выбор системы управления сетью 67
2.4.Построение обобщенной математической модели функционирования цифровой сети 74
2.5. Реализация интерфейсов по принципу «клиент-сервер» 88
Выводы по главе 2 93
ГЛАВА 3 . Разработка топологии и структуры мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения
3.1. Сравнительный анализ структур существующих сетей кабельного телевидения 95
3.2. Анализ возможных вариантов топологии и структуры мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения 109
3.3. Формирование поэтапного сценария создания мультисервисной системы 128
3.4. Выбор и обоснование архитектуры абонентского доступа 141
Выводы по главе 3 152
ГЛАВА 4. Методика получения и характеристики распределения объемов передаваемых программ информационных услуг (на примере телевизионных программ новостей и спорта).
4.1. Постановка задачи и математические основы эксперимента по статистическому анализу объемов информации передаваемых программ 154
4.2. Построение эмпирических моделей потоков информации 159
4.3. Аппроксимация экспериментальных зависимостей теоретическим законом распределения 166
4.4. Экранный пользовательский интерфейс поиска, записи и удаления программ информационных услуг 175
Выводы по главе 4 179
Заключение 181
Список использованных источников 183
Список сокращений и обозначений 189
Приложение. Возможные варианты мультисервисной системы
трехэтапного эволюционного пути ее создания 191
- Оценка возможностей применения сетей кабельного телевидения (СКТВ) для предоставления информационных услуг пользователям
- Постановка задачи исследования
- Формулировка основных принципов построения мультисервисной системы
- Анализ возможных вариантов топологии и структуры мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения
Введение к работе
Актуальность проблемы
В условиях перехода к информационному обществу возник и интенсивно развивается новый класс услуг - услуги информационные. Количество и качество этих услуг определяется возможностями их доставки. Совмещение различных видов обслуживания в одной сети привело к возникновению широкополосных сетей интегрального обслуживания. Условиям интеграции сигналов в каналах связи и пользователей на абонентском уровне могут удовлетворить широкополосные сети кабельного телевидения, входящие в структуру систем принципиально нового типа, так называемых, ^льтисервисных систем. Принципам построения мультисервисных сетей кабельного телевидения посвящены работы Шибанова B.C., Барабаша П А. Воробьева СП., Махровского О.В. Проблемы построения сетей интегрального обслуживания нашли отражение в работах Захарова Г.П., Лазарева В.Г. Мизина И.А., Яковлева С.А. Методология общей системологии, проблемы системного анализа, теория сложных систем раскрыты в трудах Месаровича М., Такахара Я, Вавилова А.А.. Моисеева Н.Н., Фомина Б.Ф. Несмотря на наличие этих работ, в настоящее время еще не сформировалась единая методика, охватывающая системно комплекс проблем построения развивающихся мультисервисных систем. Сохраняется противоречие между наличием в России развитого ресурса в виде сетей кабельного телевидения и низкой эффективностью его использования при все возрастающем уровне потребностей в информационных услугах. Актуальность предлагаемой темы диссертации подтверждается также постановкой проблемы построения мультисервисных систем во многих российских и зарубежных научно-технических программах. В «Стратегическом плане Санкт-Петербурга» по направлению телекоммуникаций и информатизации на первом месте стоит создание городской цифровой сети интегрального обслуживания. Целевая программа «Электронный Санкт-Петербург (2003 - 2007 гг.)» предусматривает увеличение объема информации и расширение перечня предоставляемых информационных услуг (второе направление), а также создание благоприятных условий для развития магистральной телекоммуникационной инфраструктуры Санкт-Петербурга и сетей доступа к ним (четвертое направление). В целом, построение мультисервисных систем на современном этапе требует разработки совокупности теоретических и прикладных проблем, не решенных комплексно ни в России, ни за рубежом, а поэтому исследование в данном направлении является актуальным.
Цель работы
Целью диссертационной работы является построение способной к развитию мультисервисной системы с интеграцией информационных услуг, предоставляемых пользователям, на базе интерактивной сети кабельного телевидения.
Задачи исследований
В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие задачи:
- системный анализ предметной области с использованием зарубежных и российских литературных источников, а также материалов исследований, выполненных коллективом ГУП «НИИ Рубин»;
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
СПепрйту J
Г Г fTf
- постановка задачи построения системы при ограничениях по приоритетам
востребованных информационных услуг и возможностей реализации такой системы
на имеющейся программно-технической базе;
- построение обобщенной математической модели функционирования
цифровой сети с описанием протоколов и интерфейсов и последующим их выбором;
разработка структуры системы и топологии сети с учетом их многоэтапного эволюционного развития;
построение математических моделей распределений объемов передаваемых программ информационных услуг для реальных каналов связи;
- выбор структуры абонентского адаптера с функцией записи программ в
отсутствии абонента.
Методы исследований Для достижения поставленной цели в диссертационной работе применен системный подход, что нашло отражение в формулировке цели, критериев, ограничений при формировании общей идеологии построения мультисервиснои системы, выборе топологии различных уровней сети, структур поэтапного развития системы. Постановка и решение конкретных задач исследования базируются на использовании математического аппарата конечных автоматов, теории графов и аппарата математической статистики. На защиту выносятся:
1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания как базовой составляющей мультисервиснои системы.
2.Поэтапный сценарий создания мультисервиснои системы, включающий набор структур системы и топологий сети, ориентированных на заданный уровень предоставляемых информационных услуг.
3.Методика построения способной к развитию мультисервиснои системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения
4.Архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box).
5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей.
б.Экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий управление поиском, записью и удалением программ информационных услуг. Научная новизна
1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети отличается учетом особенностей взаимодействия различных уровней сети при предоставлении информационных услуг, что позволяет формализовать поведение протоколов и интерфейсов с разделением функций, как по параметрам блоков данных, так и по подмножествам их значений.
2.Поэтапный сценарий создания мультисервиснои системы отличается возможностью выбора рационального варианта из альтернативных на каждом этапе, что позволяет на практике реализовать предложенную методику построения системы.
3.Методика построения способной к развитию мультисервиснои системы отличается тем, что базируется на оценке требуемой приоритетности предоставления информационных услуг и возможностей совершенствования существующей сети, что
позволяет реализовать эволюционный путь перехода к системе с полным набором услуг.
4.Архитектура абонентского доступа отличается использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS и абонентского адаптера STB, что позволяет впервые реализовать новые функции по интеграции предоставляемых услуг с записью программ по запросу абонента в его отсутствии.
5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ отличается использованием в качестве базовых экспериментальных данных исследования потоков информационных услуг в реальных каналах связи, что позволяет найти требуемый объем памяти абонентских адаптеров или других оконечных устройств.
6.Экранный пользовательский интерфейс отличается инвариантностью к способам реализации абонентских устройств, что дает пользователю возможность самому конструировать требуемый перечень информационных услуг с желаемой последовательностью их предоставления. Практическая ценность Разработанная в диссертации методика построения системы может быть непосредственно использована при системном проектировании перспективных мультисервисных систем на каждом этапе их создания. Рекомендации по выбору топологии сетей, системы управления сетью, типов протоколов и кабельных модемов могут найти практическое применение на стадии технического проектирования мультисервисных систем. Предложенный сценарий создания системы, принципиально отличающийся своей перспективностью от этапов реализации Санкт-Петербургской мультисервисной сети, может стать основанием пересмотра информационной политики города в части предоставления информационных услуг населению, деловым кругам и организациям. Разработанный автором экранный пользовательский интерфейс поддерживает расширение рынка доведения новых информационных услуг до абонентов.
Реализация в промышленности.
Предложенная архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS, и абонентского адаптера STB с записью программ информационных услуг в отсутствии абонента, а также реализованный автором экранный интерфейс были использованы в научно-исследовательской работе «Integrated Broadband Communications on Broadcast Networks (IBCoBN), выполненной ГУП НИИ «Рубин» по контракту с Европейской Комиссией, в ОКР «Мультиканал-Р», выполняемой в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база, в НИОКР по заказу Минсвязи России «Стратегия развития мультисервисных сетей» (НИР «Концепция») и «Обратный канал в мультисервисных сетях» (ОКР «Стандарт-ОК»). В указанных работах для оценки требуемого объема памяти абонентского адаптера нашли также применение методика получения и найденные автором характеристики распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей.
Реализация в учебном процессе.
Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания и базирующаяся на ней формализация протоколов и
интерфейсов, а также предложения автора по построению гибридных и оптоволоконных сетей использованы в учебном процессе при обучении студентов в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплинам: «Распределенные системы обработки данных» и «Новые информационные технологии в управлении и связи» специальности 220200 -Автоматизированные системы обработки информации и управления.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII и VIII Санкт-Петербургских Международных конференциях «Региональная информатика» (2000, 2002 гг.), на II Всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения» (Воронеж, 2002 г.), на 55-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2002 г.), на Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии УИТ-2003» (Санкт-Петербург. 2003 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, из них 4 статьи и тезисы к 5 докладам на международных и российских научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной источников, включающего 90 наименований, и приложения.
Основная часть работы изложена на 142 страницах машинописного текста и содержит 10 таблиц и 58 рисунков.
Оценка возможностей применения сетей кабельного телевидения (СКТВ) для предоставления информационных услуг пользователям
СКТВ возникли по причине выявившихся недостатков эксплуатации сетей эфирного телевидения, к которым прежде всего следует отнести наличие различного рода помех, некачественный прием, необходимость сооружения дорогостоящих приемо-передающих антенн и т.д. Предложенная в 1948 г. сотрудником фирмы «Сох Cable Communications» Эдом Парсоном передача ТВ сигнала по кабельной линии связи явилась новым этапом развития телевидения. Однако значимость этого события оказалась намного выше в настоящее время в условиях перехода к информационному обществу, когда возникает необходимость предоставления информационных услуг абонентам по их запросам, что требует наличия обратного канала, практически нереализуемого в рамках эфирного телевидения. Задача приобретает явно выраженный системный характер, имеющей цель построить большую по числу составляющих и сложную по связям между ними информационную систему, топология, структура и модели функционирования которой должны базироваться на идеи интеграции услуг пользователей и, как следствие, на интеграции сигналов в каналах связи. Топологически это предполагает выделение ряда уровней сети (магистральной, распределительной, абонентской), организацию интерфейса между пользователем и системой, понятного массовому абоненту, решение ряда проблем доставки информации с оптимальным использованием физических параметров ТВ канала связи [40].
Первые СКТВ формировались сначала в метровом, а затем в дециметровом диапазонах волн. При этом реализовывался коллективный прием программ эфирного ТВ с доведением сигналов до абонентов по кабельной сети с полосой пропускания до 230 МГц. При ширине одного канала до 8 МГц. возможно при идеальном разделении сигналов получить в кабельной линии связи до 25 каналов. Реально это число оказалось уменьшенным вдвое из-за перекрестных помех, вызванных низким качеством линий связи и коммутирующей аппаратуры. Наряду с недостаточными возможностями аппаратуры имеется принципиальное препятствие к интеграции услуг пользователей с использованием имеющихся СКТВ. Существующие СКТВ ориентированы на передачу аналоговых сигналов, что не может быть базой формирования сетей интегрального обслуживания. Кроме этого существующие сети, опираясь на программы эфирного телевидения, имеют в своем составе участки передач по эфиру, обладающих низким качеством и ограничивающих этим качество системы в целом. Участки сети каоксиального типа обладают малой пропускной способностью. Отсюда следует, что необходимо резко повысить пропускную способность системы в целом, что требует замены физической линии связи на одних участках и модернизации кабельной сети на других в направлении расширения полосы прямого канала, предоставляющего услуги, и организации обратного канала для передачи запросов абонентов. Определяя модели функционирования, топологию и структуру мультисервиснои системы, будем исходить из перспективы перехода от аналогового телевидения к цифровому, в основе которого лежит передача цифры по каналам связи. Цифровое вещание позволяет на единой цифровой основе решить проблему предоставления информационных услуг населению и означает применительно к мультисервиснои системе формирование цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО). Развитие таких сетей предполагает ряд этапов [13]:
.Начальный этап, на котором происходит разворачивание первых ЦСИО; 2.Промежуточный этап, нацеленный на создание узкополосной сети интегрального обслуживания с коммутацией каналов для служб телефонии и с коммутацией пакетов для телематических служб при едином базовом цифровом канале с пропускной способностью 64 кбит/сек. .Конечный этап, ориентированный на построение широкополосной ЦСИО. Единой стратегии формирования широкополосной сети на базе существующих сетей нет. Возможными представляются два подхода эволюционный, базирующий на замене устаревшего оборудования цифровым особо в части передачи и коммутации потоков информации, и революционный, реализующий стратегию наложения, когда наряду с существующей сетью создается цифровая сеть. Принципиальным вопросом является при этом выбор технологии доставки информации. На уровне транспортной сети асинхронный способ доставки информации (ATM - Asynchronous Transfer Mode) является стратегическим направлением развития, но требует практически полной замены оборудования и программного обеспечения [57]. Это направление полностью поддерживает создание мультисервиснои системы, а также новейшие технологии предоставления информационных услуг абонентам. Однако на пути перехода к ATM технологии имеются объективные трудности: экономические, социальные, квалификационные и др. Построение широкополосной ЦСИО на базе ATM технологии доставки информации требует прокладки волоконно-оптического кабеля, цифровизации аппаратуры, перехода к быстродействующим коммутирующим устройствам. Ориентируясь принципиально на использование ATM технологии, необходимо решить вопрос о моменте ее внедрения: после завершения создания узкополосной сети или параллельно с цифровизацией первичной сети, минуя этап полного разворачивания узкополосной сети. Более системный следует признать второй путь, который и предлагается как стратегический при формирования идеологии и принципов построения мультисервисной системы. Выбирая это направление, будем базироваться на существующей в Санкт-Петербурге СКТВ, которая будет служить основой разрабатываемой мультисервисной системы.
Для реализации будущей системы определяющей является архитектура существующей сети, которую представим в виде топологии и структуры на примере отдельного фрагмента сети. Топология существующей СКТВ дана на рис. 1.3 и представляет собой отдельные не связанные друг с другом «острова» с головными станциями (ГС), осуществляющими прием телевизионных программ центрального и спутникового телевидения, конвертирования их в сигналы кабельного телевидения и передачу этих сигналов (программ) по коаксиальному кабелю абонентам СКТВ. Коаксиальные кабели распределительной сети прокладываются к группам домов и к каждому дому в отдельности, а также развертываются внутри домов - между подъездами и между этажами. Распределительные и домовые усилители однонаправленного действия обеспечивает усиление телевизионных сигналов в диапазоне 45-5-600 МГц, что позволяет передавать абонентам до 12 телевизионных программ метрового и дециметрового диапазонов и 3 программы спутникового ТВ. Наряду с головными станциями топология существующей СКТВ предусматривает наличие районных станций (PC) с аналогичными кабельными распределительными сетями.
Постановка задачи исследования
Мулыисервисные системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения, обеспечивающие широкий спектр информационных услуг по запросу абонентов, делают как направление развития цифровых сетей интегрального обслуживания лишь первые шаги. В этих условиях решение даже таких первоначальных проблем как выработка концепции, научно-обоснованный выбор пути развития подобных систем с учетом российского и зарубежного опыта построения кабельных сетей аналогового телевидения представляется исключительно актуальным. С одной стороны вышло в свет значительное число теоретических и прикладных работ, посвященных построению цифровых сетей интегрального обслуживания и различным сторонам управления информационными потоками в таких сетях: методам коммутации, маршрутизации, ограничения нагрузки и т.д. С другой стороны накоплен опыт использования сетей кабельного телевидения. Отсюда вытекает проблема необходимости исследования возможности предоставления различных информационных услуг абонентам на базе реализации цифровой сети интегрального обслуживания с использования интерактивных каналов кабельного телевидения. Решение этой проблемы переводит жизнь людей на новый информационный уровень характерный для будущего постиндустриального общества. Научная значимость проблемы состоит в том, что возникает ряд задач, которые необходимо решить при создании перспективной мультисервисной системы, аналогов которой пока в мире не существует.
Создаваемая система является большой по числу абонентов, поэтому существует множество вариантов построения системы, связывающих пользователей. Поэтому в качестве методической основы используем системный подход, в соответствие с которым необходимо сформулировать цель функционирования системы, определить критерии эффективности, ресурсы и ограничения [3,51,68]. Как выше указывалось, основные требования задаются пользователями, исходя из востребованных ими информационных услуг. Источниками услуг могут выступать не только территориально разобщенные, но организационно сильно отличающиеся службы [87]. Интеграция этих разнообразных по характеру, по временным параметрам, по стоимости, по востребованности услуг осуществляется в рамках предлагаемой системы впервые. Это приводит к сложной проблеме интеграции разных сигналов в каналах связи при необходимости обеспечения самой высокой достижимой в настоящее время пропускной способности. Кроме совершенствования стандартного студийного оборудования кабельного телевидения возникает необходимость подключения у абонентов (в жилых домах и в офисах) дополнительной измерительной аппаратуры (например, по коммунальным услугам, по пожарной и охранной сигнализации), соответствующей аппаратуры (усилителей) обратного канала и т.д. Особую значимость приобретают устройства системы, устанавливаемые у абонентов. Наличие компьютера позволяет решить задачу на достаточно высоком уровне, возлагая основные функции управления на компьютер. Для абонентов, не имеющих компьютера, вывод информации о предоставляемых услугах, целесообразно осуществить на экране бытового телевизора, снабдив пользователя дополнительным абонентским оборудованием в виде приставки (абонентского адаптера) к телевизору. Такое оборудование должно обеспечить не только функцию управления, но функцию запоминания информации, затребованной пользователем в период его отсутствия. Учитывая случайный характер потоков информации справочного характера, информации видео, кино передач и др., необходимо математически оценить объем запоминающих устройств абонентского оборудования, для чего следует установить законы распределения потоков информации для различных типов передач и на их основе вычислить требуемые параметры абонентской части системы.
Варианты построения мультисервисной системы, связывающей источники и потребителей информационных услуг, могут отличаться топологией, структурой, методами управления информационными потоками, производительностью отдельных уровней сети, алгоритмами функционирования, надежностью, живучестью, затратами на создание и эксплуатацию. Будем считать, что основной задачей расчета и проектирования является выбор варианта, удовлетворяющего требованиям пользователей и требующего наименьших затрат на построение системы. В целом процесс проектирования системы далеко выходит за рамки диссертационной работы. Поэтому выделим два этапа: системное и техническое проектирование [30]. Основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе, соответствуют этапу системного проектирования, на котором осуществляется выбор принципов построения, топологии и структуры системы с последующим переходом к алгоритмам функционирования сети и других составляющих системы. Результаты системного проектирования позволяют осуществить этап технического проектирования, на котором выбираются конкретные технические решения по построению магистральной, субмагистральной и распределительной сетей разрабатываемой системы. Особое значение приобретает система управления сетью. Очерченный круг задач характеризует данную проблему в целом. В диссертации предполагается реализовать системный подход в соответствие с этапом системного проектирования.
Поставленная цель и соответствующие ей задачи исследования должны решаться с учетом ряда ограничений: 1.Переход к перспективной системе, удовлетворяющей требованиям абонентов, на первом этапе осуществляется на базе существующих служб и услуг мультисервисных сетей кабельного телевидения. Однако из существующих служб с учетом интеграции информационных услуг необходимо остановиться на интерактивных службах, причем придется использовать их совокупность, так как каждая из них в отдельности обеспечивает передачу лишь отдельных конкретных видов информации. 2.Переход к интерактивной сети должен основываться на принятых стандартах высокоскоростной передачи данных по кабельным сетям. За исходные для выбора альтернативные варианты стандартов примем: - спецификацию на передачу данных по кабелю DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), одобренную в 1998 г. сектором связи Международного союза электросвязи и предложенную в качестве рекомендации ITU J. 112. Стандарт оптимизирован под передачу IP - пакетов; - стандарт DVB (Digital Video Broadcasting), ориентированный на передачу данных с помощью транспортных пакетов MPEG-2. Этот стандарт работает с протоколом ATM [35,66,90].
Формулировка основных принципов построения мультисервисной системы
Принципы построения любой системы можно сформулировать, если известны требования к системе и принята идеология ее развития на перспективу. Особую значимость при этом имеет анализ российского и зарубежного опыта построения и эксплуатации подобных систем. Создание мультисервисных систем на базе интерактивных СКТВ является важнейшей перспективой развития сферы телекоммуникаций, которая определяется необходимостью обеспечения населения, организаций и предприятий делового сектора набором информационных и других услуг. Такая потребность выявлена в результате анализа развития зарубежных телекоммуникационных сетей, а также путем опросов кабельных операторов и абонентов кабельного телевидения, проведенных сотрудниками ГУП НИИ «Рубин». Предоставление услуг по СКТВ еще недавно сдерживалось законодательно. В США этот запрет был отменен только в феврале 1996 г., когда вступил в силу закон, разрешающий операторам кабельного телевидения предоставлять телекоммуникационные услуги. Аналогичный закон в странах Европейского Союза действует с января 1998 г. Массовое обеспечение населения услугами связи облегчается тем, что в Западной и Центральной Европе сетями КТВ охвачены около 50% квартир или частных домов, а в США и в Австралии - 96%. Отметим, что около 10% этих сетей строились с учетом двунаправленной передачи, однако обратные каналы использовались ограниченно (например, для контроля качества вещания). Использование обратного канала стало активизироваться после появления абонентских терминалов со встроенными микропроцессорами, которые позволили пользователю заказывать видеоматериалы и другие услуги (телемагазин, видеообучение, групповые телеигры и др.).
В Европе мультисервисные СКТВ разрабатываются координировано в рамках проекта «Интегральная широкополосная связь по сетям вещания» (IBCoBN) . В соответствии с программой в 14 населенных пунктах Европы были развернуты сети, на которых проводились эксперименты по предоставлению новых видов услуг различным группам населения. Рассмотрение желаемого спектра информационных услуг показывает, что для их предоставления требуется доведение до абонента широкополосного канала двусторонней связи (например, для обеспечения высокоскоростного доступа в Интернет). Существующие коммутируемые телефонные сети общего пользования не имеют такой возможности - максимальная скорость передачи по телефонному каналу не превышает 56 Кбит/с, что совершенно недостаточно даже для качественной видео конференц-связи. В то же время практически во всех крупных населенных пунктах функционируют СКТВ, в которых до каждого абонента доведен коаксиальный кабель, потенциально обеспечивающий передачу сигналов в диапазоне до 1000 МГц. Однако существующие СКТВ обеспечивают передачу информации только в одном направлении от головной станции КТВ к абоненту. В мультисервисной системе требуется двусторонняя передача информации, так как большинство услуг предполагают взаимодействие между абонентом и оператором, предоставляющим услугу. Для превращения СКТВ в интерактивную сеть необходима организация обратного канала от абонента до головной станции, а также установка различного дополнительного оборудования с соответствующим программным обеспечением, т.е. требуется всесторонняя модернизация существующих сетей КТВ. Переход к распределению вещательных ТВ-программ и услуг в рамках интегрированной цифровой сети требует разработки и внедрения широкого набора оборудования: видеосерверов, маршрутизаторов, широкополосных коммутаторов, мультиплексоров, кодеров сигнала изображения, скремблеров и дескремблеров, систем контроля и управления, биллинговых систем, абонентского оборудования для ввода/вывода различных видов информации [59, 76].
В настоящее время в мире связи формируется концепция создания сетей передачи информации с полным набором услуг на базе СКТВ. Их разработка и внедрение возможны в результате длительного процесса с постепенным введением все новых услуг при переоснащении СКТВ. Постепенность этого процесса определяется, с одной стороны, необходимостью больших финансовых затрат на модернизацию существующих СКТВ, а с другой стороны, инерционностью привычек населения, которое в большинстве своем (в России) не имеет представления о возможных услугах мультисервисной системы и не готово ими воспользоваться. Тем не менее, как за рубежом, так и в России появились первые СКТВ с набором дополнительных услуг (пока не полным).
Проведенная модернизации СКТВ в США (1996 - 1997 гг.) позволила увеличить долю сетей с обратным каналом с 10% до 15%. Стоимость модернизации составляет, по различным источникам, от 2 до 30 тыс. дол. на милю, причем основные расходы приходятся на замену абонентской разводки и оборудование коммутационных центров, а не на замену магистральных и домовых однонаправленных усилителей на двунаправленные (это обходится примерно в 100 дол. на абонента большой СКТВ). В связи с этим реализационный раздел данной диссертационной работы посвящен построению абонентской части мультисервисной системы.
Небольшой опыт модернизации СКТВ в России показывает, что стоимость ее существенно ниже, чем за рубежом. Так переход на гибридную (волоконно-коаксиальную) широкополосную СКТВ, обеспечивающую передачу 60 ТВ-программ, а также речи и данных, потребовал в подмосковном Троицке 40 дол. на абонента. Указанная сумма намного меньше затрат в США, что объясняется высокой плотностью абонентов в академгородке Троицке, а также низкой оплатой труда. Основная доля затрат также приходится на абонентскую разводку (домовые и абонентские ответвители). Следует отметить, что предоставление услуг, особенно требующих широкую полосу частот, экономически наиболее целесообразно производить именно по СКТВ. Так, например, быстрый Интернет по СКТВ обходится в 2-3 раза дешевле, чем обычный Интернет по городской телефонной сети даже до введения повременной оплаты. Однако для России предоставление этого вида услуги по СКТВ является серьезной проблемой. Исторически сложилось так, что первые сети КТВ строились по принципу коллективного приема телепрограмм, т.е. группа абонентов обслуживалась с помощью одной головной станции с коллективной антенной, от которой сигнал по кабелю передавался абонентам. Большинство действующих в России и странах СНГ систем КТВ до сих пор являются, фактически, системами коллективного приема программ эфирного телевидения. Истинное КТВ предполагает обеспечение населения дополнительными программами сверх передаваемых по эфиру в данной местности. Дополнительные программы могут создаваться на местной студии КТВ или приниматься по спутниковым, радиорелейным и кабельным линиям связи из других регионов и других государств.
Анализ возможных вариантов топологии и структуры мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения
Исходным требованием к мультисервисной системы I этапа является і предоставление следующих информационных услуг (параграф 2.1): і I -программы центрального, спутникового и местного телевидения; -доступ к ТфСОП и дополнительным телефонным службам (голосовая почта, информационно-справочные службы, теле будильник и т.д.); - широкополосный доступ в Интернет и к услугам электронной почты; - коллективные компьютерные игры; - доступ к сети передачи данных; - охранная и пожарная сигнализация; -автоматический учет потребления коммунальных услуг (телеметрия); -централизованное оповещение о ЧС. Простейшим способом организации этих услуг на базе существующей СКТВ является ее модернизация, осуществляемая путем замены усилителей одностороннего действия на двухсторонние, формирующие обратный канал с диапазоном 5-5-65 МГц, и установки на ГС коммутатора и контроллеров, обеспечивающих доступ абонентов к соответствующим службам. Однако даже для мультисервисной системы I этапа создания установка такого оборудования на каждой ГС района экономически неэффективна, так как это потребует существенных материальных вложений, а, учитывая сегодняшнюю пока еще недостаточно массовую потребность в интерактивных услугах, вложения окупятся только через несколько лет. Объединение кабельных сетей всех головных станций района в единую двунаправленную СКТВ района и организация узла абонентского доступа на базе одной из ГС, которая становится районной студией (PC), является более дешевым вариантом. Этот подход по можно положить в основу реализации системы. Территориальное расширение СКТВ вызывает целый ряд негативных явлений: ухудшение отношения сигнал/шум на выходах распределительных сетей, возрастание уровня нелинейных искажений из-за их накопления на последовательно включенных усилителях, появление промышленных помех, зависимость параметров получаемых абонентом информационных сигналов от погодных условий. Это снижает общую надежность коаксиальных сетей. Дальнейшее развитие услуг требует существенного увеличения пропускной способности сетей. Поэтому целесообразно при построении магистральных участков, соединяющих ГС с PC, отказаться от коаксиальных кабельных линий в пользу оптоволоконных линий связи. К тому же в отдельных случаях (при большой протяженности магистрального участка) установка оптоволоконной линии связи оказывается значительно дешевле линии связи на базе коаксиального кабеля. На рис. 3.13 представлена топология мультисервисной системы I этапа создания [15]. На базе одной из ГС создается PC, формирующая полный пакет аналоговых и цифровых широковещательных ТВ-программ, распределяемых по ГС района. Кроме того, на PC формируется местная программа ТВ, используемая местными администрациями для выступлений и информирования жителей района о проблемах района и способах их разрешения. Для осуществления передачи такой информации PC оснащается студийным оборудованием (видеокамерой, видеомагнитофоном, микшером и т. д.). PC может одновременно транслировать в распределительную сеть и программы ТВЦ, принимаемые «по эфиру». В этом случае на ГС отпадает необходимость в приеме программ «по эфиру», поскольку ГС принимает эти программы по кабелю. Как следствие, становятся ненужными антенны, приемники и конверторы «эфирного» телевизионного сигнала.
Однако на ГС появляется необходимость в приеме от PC амплитудно-модулированного (AM) оптического группового сигнала, передаваемого по отдельному волокну, преобразования его в электрические сигналы и передачи этих сигналов в прямой канал распределительной сети и далее абонентам. Кроме того, на ГС также появляется необходимость принятые от абонентов по обратному каналу электрические сигналы дополнительных услуг преобразовывать в AM оптические сигналы и передавать их на PC по обратному каналу, также организованному в отдельном волокне. Очевидно, для осуществления такого преобразования сигналов на ГС должны быть использованы ОВУ. При этом ГС превращается в оптико-электрический распределительный узел (ОРУз ГС), который выполняет только функции ретрансляции вещательных программ и сигналов дополнительных услуг. Поскольку особое место в сетях комплексного предоставления услуг занимает сеть доступа (абонентская и распределительная сети), на которую приходится до 80% стоимости всей сети, то, очевидно, что абонентские и распределительные сети должны оставаться коаксиальными. Отсюда следует, что коаксиальная сеть в процессе эволюции превращается в гибридную сеть, магистральные линии которой являются волоконно-оптическими (ВОЛС), а распределительные и абонентские сети — коаксиальными. Для доведения сигнала обратного канала от абонента до ОВУ, установленного на ГС, на кабельных линиях распределительной сети устанавливаются усилители сигналов обратного канала (УР и УД). Таким образом, на первом этапе объединяем головные станции в единую сеть района, заменяем усилители в распределительной коаксиальной сети с однонаправленных на двунаправленные, на базе одной из головных станций создаем районную студию. Благодаря этому на сетевом уровне решается поставленная задача: на базе СКТВ становится возможным предоставлять требуемые интерактивные услуги. Интерфейс по конкретным видам услуг реализуется с использованием специализированных КК. Для доступа к услугам ПД соответствующие КК подключаются к локальной сети (ЛВС) PC, к которой подсоединяются локальные информационные серверы и серверы коллективных игр. Для осуществления выхода в Интернет ЛВС PC подключается к Интернет-провайдеру через территориальную транспортную сеть общего пользования или по выделенным каналам связи. Для обеспечения доступа абонентов в ТфСОП контроллер абонентского доступа подключается к ближайшей районной АТС пучком соединительных линий. К контроллеру также подключаются выделенные сервера голосовой почты и голосовых информационно-справочных служб.
