Сравнительный анализ моделей отключения аналогового ТВ-вещания

Показано, что процессы перехода от аналогового к цифровому наземному телевизионному (ТВ) вещанию и между различными профилями (этапами) цифрового вещания носят многовариантный характер. Представлены наиболее вероятные стратегии переходов на более сложные профили цифрового вещания. Приведен анализ факторов, присущих периоду смешанного аналогового и цифрового вещания. Систематизированы статистические данные по четкости изображения, стандартам сжатия и спектральной эффективности, имеющим место при вещании цифровых мультиплексов ряда европейских стран.

Авторы:
И.Н. Красносельский, начальник лаборатории ФГУП НИИР, к.т.н.; inkras@mail.ru
Ю.Д. Шавдия, начальник отдела ФГУП НИИР; y_shavdiya@mail.ru

17 июня 2015 г. была отмечена важная веха в области телевидения. В этот день «отключения аналогового вещания» (Analogue Switch-Off, ASO) в соответствии с международным соглашением, принятым в 2006 г. в Женеве на конференции МСЭ [1], истек предельный срок перехода от аналогового на цифровое наземное ТВ-вещание, установленный для 119 стран Европы, Афри-ки, Ближнего Востока и Центральный Азии. Начиная с этого дня аналоговые системы ТВ-вещания, по крайней мере вдоль национальных границ, могут работать только на вторичной основе, т. е. при условии, что они не будут вносить помех в работу цифровых систем. Свыше девяти лет назад, когда было принято соглашение Geneva 2006, будущее цифровизации телевидения казалось намного проще сегодняшней реальности.

Система DVB-T имела прочные позиции, до появления стандарта на систему DVB-T2 оставалось еще три года, стандарт сжатия MPEG-4/AVC воспринимался как дорогая экзотика, а далекий момент ASO казался почти недостижимой благодатью, уравнивающей всю Европу в придачу с Африкой и половиной Азии. И вот эта славная дата уже не в будущем, а в прошлом. Аналоговое эфирное телевидение во многих странах как работало, так и работает, и на семинаре в МСЭ по случаю этого торжества никто не говорит об ASO, а скромно ведут речь о переходе на цифровое вещание (Digital Switchover, DSO) [2]. Итак, что же мы получили от «переключения на цифру» и куда движемся?

Технологии и модели развития цифрового ТВ-вещания

Согласно последним представлениям, перспективы развития цифрового наземного ТВ-вещания обусловлены тремя технологиями [3]:

  • традиционной технологией линейного вещания (наземная платформа);
  • дополнительной технологией, связанной с предоставлением услуг нелинейного вещания и сервисов типа «видео по запросу» (гибридное телевидение);
  • технологией мобильного телевидения для приема с помощью планшетов, смартфонов и иных подобных устройств.

Однако характеристики и возможности каждой технологии, а соответственно, стоимость и сложность внедрения варьируются очень сильно в зависимости от выбора ключевых параметров в пределах следующих трех уровней:

  • четкости изображения (стандартная SD, высокая HD, сверхвысокая UHD1.1, UHD1.2, UHD2);
  • стандартов кодирования и сжатия данных (MPEG-2, MPEG-4.2/ASP, MPEG-4.10/AVC, MPEG-H/HEVC 4.1, MPEG-H/HEVC 5.1);
  • стандартов системы цифрового наземного вещания (DVB-T, DVB-T2, DVB-T2 Lite, DVBNGH).

Основываясь на этих известных технологиях и уровнях, а также на их прогнозируемых вариантах, DigiTAG и Analysys Mason в совместном отчете определяют три рыночных этапа, или профиля, через которые проходит эволюция цифрового наземного вещания в своем поступательном развитии (рис. 1 [3]).


Рисунок 1. Рыночные профили по DigTAG

Рисунок_1.jpg Красн.


Одновременно в том же отчете [3] справедливо отмечается, что в реальности может быть гораздо больше различных комбинаций ключевых параметров, сроков и вариантов переходов между профилями. Также нельзя не учитывать большое разнообразие стандартов кодирования и сжатия звуковой информации, которые допускается использовать в системах цифрового ТВ-вещания [4, 5] и выбор которых определяет не только художественную составляющую воспроизводимого звукового сопровождения, но также объем передаваемых данных и показатели стоимости/сложности. Основываясь на уже состоявшихся и планируемых переходах «аналог-цифра» и «цифра-цифра», а также на современных тенденциях развития телевизионной отрасли, авторы считают наиболее вероятными стратегии переходов DSO, представленные на рис. 2.

На сегодня же состоялись в различной степени первые два характерные перехода между этапами: 0−1.1 (условно Западная Европа), 0−2 (Восточная Европа). Технологически развитые страны осваивают третий знаковый переход 1.1−3 (например, Великобритания и Франция). Некоторые переходы имели свои нюансы. Великобритания, прежде чем частично перейти на систему DVB-T2 с форматом HDTV, испытала три варианта системы DVB-T (2K и 8K) с форматом SDTV. Кроме того, в двух мультиплексах имеются сочетания этапа 3 (H.264 + HDTV) с этапом 2 (H.264 + SDTV) [6]. Россия начала переход по варианту 0−1.2, но очень быстро изменила стратегию и приняла более перспективный вариант 0−2. Однако при этом какое-то время оба варианта существовали одновременно [7]. Во Франции после первоначального перехода 0−1.1 состоялся перевод ряда программ на этап 1.3 (HDTV со сжатием по H.264 и вещанием по системе DVB-T). В настоящее время там проводятся тестовые передачи программ сверхвысокой четкости UHDTV со сжатием по H.265 (HEVC) в мультиплексе DVB-T2 (этап 4) [8].


Рисунок 2. Наиболее вероятные стратегии переходов DSO

Рисунок_2.jpg Красн.


Приведенные примеры показывают, что прогресс цифровых технологий находит своеотражение в разнообразии одновременно используемых комбинаций форматов четкости изображения, стандартов сжатия и стандартов систем доставки по эфиру. И в этих комбинациях, по-видимому, наиболее консервативным элементом является стандарт эфирного вещания, а остальные составляющие могут перестраиваться более оперативно, зачастую, программным путем. Если рассматривать вопрос цифровизации эфирного вещания с чисто технической точки зрения, то оптимальным представляется последовательный переход от этапа 1 к 6. Но в реальности многие страны, в виду различных обстоятельств, задерживаются с началом переключения, пропуская первые фазы. И здесь приходится учитывать следующий факт: по мере появления на рынке оборудования новых технологических профилей, старое оборудование постепенно будет сниматься с производства, причем в первую очередь будет прекращен выпуск профессионального, а следом и потребительского аналогового оборудования.

При слишком большой задержке начала переключения или при продолжительной эксплуатации оборудования более раннего поколения естественными вариантами будут либо перепрыгивание" через профиль и освоение нового и сложного оборудования, либо приобретение снимаемого с эксплуатации в других сетях оборудования предыдущего профиля. И в том и другом случаях можно ожидать повышения расходов относительно варианта последовательных переходов от этапа к этапу. В первом случае рост затрат связан с высокой ценой на новое оборудование, необходимостью обучения и дополнительного набора квалифицированного персонала, с возможной модернизацией приемной сети, рекламной кампанией, побуждающей телезрителей к покупке новых приемных устройств. Во втором случае цены на устаревающее оборудование, приобретаемое для поддержания эксплуатации сети вещания, могут даже увеличиваться по мере того, как возможности получать выгоду от эффекта роста производства не будет. Странам, не переходящим на цифровое вещание, станет все труднее и дороже приобретать и ремонтировать аналоговое оборудование. То же самое относится и к чрезмерно длительной эксплуатации устаревшего цифрового оборудования [8, 9].

Важное значение приобретают соображения социально-экономического плана. В ряде стран может отсутствовать социальный заказ, например на передачу программ высокой и тем более сверхвысокой четкости, поскольку часто такие услуги носят платный характер. Поэтому не исключены случаи построения сетей цифрового вещания, сочетающие, в частности, передовую систему передачи по каналу и ограниченное по возможностям оборудование сжатия предыдущего поколения. Вещание общедоступных бесплатных программ обычно предполагается в течение протяженного периода; вещание же мультиплексов со смесью бесплатных и платных услуг, а также с новейшими дорогими услугами может занимать, напротив, более короткий период. Такие специфические, а для некоторых стран, возможно, и типичные варианты перехода отражены на рис. 2 штриховыми линиями со знаком вопроса, поскольку не могут быть определены заранее.

Анализируя текущее состояние переключений типа «аналог-цифра» и «цифра-цифра», можно сделать вывод, что реальные процессы цифрового вещания, особенно в больших странах, должны основываться на одновременном использовании нескольких технологических профилей с поэтапным переходом от низших профилей к высшим. Это даст возможность своевременно обучать персонал отрасли ТВ-вещания новым технологиям, отрабатывать оптимальные варианты вещания на пилотных сетях, учитывать и исправлять допущенные ошибки и недочеты, вводить новые мультиплексы с последующей плановой модернизацией старых.

Сценарии цифрового переключения

В преддверии конференции «Geneva 2006» и в последующие девять с лишним лет действия одноименного соглашения были проведены многочисленные исследования по теме «цифрового переключения» (DSO) и «аналогового отключения» (ASO), рассматривающие самые разные аспекты этой проблемы. Среди наиболее значимых работ — руководства и отчеты DigiTag [9−11] и МСЭ [12, 13], акты Европейской комиссии [14, 15], путеводитель ОБСЕ [16]. В этих и других работах детально изложены технические, административные, законодательные, социальные и другие вопросы, связанные с переходом на цифровое вещание. Учитывая актуальность происходящего перехода, хотелось бы отметить несколько наиболее важных выводов из упомянутых документов.

При отключении в стране аналогового наземного ТВ-вещания регулирующие органы должны выбрать один из двух подходов: поэтапный или национальный, а также определить скорость процесса отключения аналогового вещания. При национальном подходе отключение происходит практически в один срок по всей стране, а скорость отключения может быть высокой и даже одномоментной. Условием национального подхода к отключению является не очень большой размер страны и развитая инфраструктура альтернативных систем доставки ТВ-программ — кабельных и спутниковых. При этом отключение наземных аналоговых платформ имеет минимальный риск для зрителей потерять ТВ-услуги. Такой подход имел место, например, в Люксембурге, Нидерландах и Швейцарии.

При поэтапном подходе выключение аналогового вещания в стране происходит регион за регионом. Для планирования перехода должен быть подготовлен и строго выполняться подробный график отключения аналоговых передатчиков по всей стране. В странах, где наземная платформа является доминирующей, критерием отключения становится достигнутый уровень охвата цифровым наземным вещанием. Но соображения по необходимому уровню охвата тоже не носят единообразный характер. В Великобритании на момент ASO уровень охвата цифровым наземным вещанием составлял только 80%, а в Финляндии и Дании достигал почти 100% [10].

Как правило, расчет размера приемных платформ производится для одного основного телевизора домохозяйства, но обычной практикой является наличие в домохозяйстве второго телевизора, относящегося в большинстве случаев к наземной платформе, что повышает ее значимость. Запуск услуг цифрового наземного ТВ-вещания может быть напрямую связан с отключением аналоговой платформы и с повторным использованием частот, доступных сразу после момента ASO, для запуска цифровых услуг. Альтернатива этому — запуск цифровых услуг при значительном периоде одновременного аналогового и цифрового вещания и последующем отключении аналогового вещания.


Рисунок 3. Типичные процессы и затраты при переключении на ЦНТВ

Рисунок_3.jpg Крас 3


При поэтапном отключении аналогового вещания, в отличие от одновременного отключения, можно выделить четыре фазы процесса аналого-цифрового перехода и неизбежный момент полного выключения (ASO). Эти фазы показаны на рис. 3 (стык этапов 2 и 3 является датой ASO).

Время, затраченное на завершение перехода на «цифру», может отличаться в разных странах и зависит от принятой стратегии и успешного выполнения деятельности на каждом этапе. В верхней части рис. 3 ступенчатой линией показано поэтапное отключение передатчиков аналогового телевидения (АТВ), вплоть до момента ASO. Падающая кривая — сокращение численности действующих приемных устройств, ориентированных на прием АТВ; возрастающая кривая — рост приемников цифрового наземного телевидения (ЦНТВ). Эта кривая отражает тот факт, что даже после наступления ASO охват цифровым вещанием еще в течение длительного времени остается ниже 100% [8].

В нижней части рис. 3 приведены эксплуатационные расходы сетей ТВ-вещания по мере перехода от аналогового к цифровому вещанию с привязкой к тем же этапам, показанным в верхней части рис. 3. На первом этапе запуска ЦНТВ и одновременного вещания АТВ+ЦНТВ расходы возрастают, пропорционально перераспределяясь по мере роста числа цифровых передатчиков и снижения числа аналоговых. После отключения аналогового вещания затраты на эксплуатацию цифровой сети немного снижаются относительно затрат для чисто аналоговой сети, но остаются сопоставимыми, так как почти вся инфраструктура аналоговой сети переходит в состав цифровой сети. Но, поскольку в одном мультиплексе ЦНТВ размещается несколько ТВ-программ и/или других цифровых услуг, расходы на вещание одной программы в цифровом формате становятся существенно ниже, чем при вещании одной программы в аналоговом формате.

Таблица 1. Даты ASO

0001[1]

Таким образом, при длительном периоде DSO, т. е. одновременного цифрового и аналогового вещания, эксплуатационные расходы имеют максимальное значение. По этой причине Европейской комиссией были изданы директивы о целесообразности ускорения перехода с переносом даты ASO с 2015 на 2012 г., что и было осуществлено в большинстве стран Евросоюза [14, 15]. В табл. 1 приведены состоявшиеся (до 2016 г.) и планируемые даты ASO для ряда стран [9].

Спектральная эффективность при переходе на цифровое вещание

Помимо технических, технологических и потребительских преимуществ, цифровое наземное ТВ-вещание многопрограммных мультиплексов играет важную роль в экономии спектрального ресурса и повышении эффективности использования полосы частот радиоканала. При этом вводится понятие выигрыша в эффективности использования спектра радиоканала, под которым понимается число программ цифрового вещания, передаваемых в полосе одного аналогового ТВ-канала. К сожалению, этот показатель весьма условный, поскольку пропускная способность мультиплекса варьируется очень широко в зависимости от выбора параметров физического уровня, которые, в свою очередь, определяются условиями окружающей среды, назначением мультиплекса, планируемым процентом охвата, инфраструктурой сети и другими факторами.

Кроме того, необходимо учитывать возможности различных стандартов сжатия и кодеров одного типа, но разного времени выпуска, изначальное качество программ (от стандартной до сверхвысокой четкости или, напротив, пониженного качества — в целях экономии объема передаваемых данных, в частности для мобильного телевидения). Поэтому анализ на спектральную эффективность имеет смысл проводить только в пределах групп мультиплексов со схожими признаками по их назначению и программному наполнению.

Большую неоднозначность вносят также применяемые подходы к масштабированию форматов изображений на экране (DAR) при различных вариантах четкости изображений на выходе подсистемы сжатия (SAR). Прежде всего это относится к ТВ-программам стандартной четкости (SDTV), хотя многообразие используемых вариантов ставит под сомнение само понятие «стандартная четкость». Для подтверждения сказанного в табл. 2 приведены реальные измеренные параметры изображений ТВ-программ, вещаемых в составе мультиплексов ряда европейских стран [17].

При сжатии изображений SDTV по стандарту MPEG-2 применяется опция profile/level=Main@Main структуры 4:2:0, а при сжатии по стандарту MPEG-4 — profile/level=High@L3.0 структуры 4:2:0. При сжатии изображений HDTV по стандарту MPEG-4 используется опция profile/level=High@L4.0 структуры 4:2:0. При компоновке вещательных многопрограммных мультиплексов применяется статистическое мультиплексирование, ведущее к сильным вариациям мгновенных скоростей отдельных компонентов. Приведенные на веб-сайте [17] значения средних скоростей конкретных программ определялись по результатам измерений мгновенных скоростей в течение интервала от нескольких часов до одних суток. В табл. 2 представлены значения средней скорости потока видеоданных для одной условной ТВ-программы, рассчитанные как среднее для нескольких программ с одинаковыми характеристиками сжатых изображений, передаваемых в одном мультиплексе.


Таблица 2. Параметры изображения в мультиплексах

555555 (1)


Полная ТВ-программа, помимо видеоданных, содержит другие компоненты: звукоданные (часто несколько каналов на разных языках плюс канал звукового описания), телетекст, субтитры, данные системы условного доступа, служебную информацию и пр. Поэтому средняя скорость одной полной программы может быть получена путем увеличения скорости видеоданных на 510 кбит/с. Это — результат усреднения скоростей всех дополнительных компонентов по всем мультиплексам и программам, приведенным в [17].

Заключение. Текущее состояние перехода от аналогового на цифровое наземное ТВ-вещание, а также переходов между профилями цифрового вещания отличается большим разнообразием. Анализ показывает, что чем больше страна, тем дольше период совместного аналогового и цифрового вещания. С другой стороны, чем сильнее экономика и выше технологическое развитие страны, тем больше мультиплексов с различными вариантами (профилями или этапами) цифрового вещания находятся одновременно в эфире и тем интенсивнее идут отработка новых технологий вещания и переход от устаревающих вариантов к перспективным.

Если говорить о качестве цифрового вещания, в частности кодирования со сжатием, то зачастую четкость изображений существенно ниже номинальных значений 704×576 для SDTV и 1920×1080 для HDTV, а низкие скорости передачи видеоданных свидетельствуют об их сильном «пережатии». В результате число программ в составе некоторых мультиплексов с одинаковой пропускной способностью может различаться в несколько раз (например, 17 программ SDTV в мультиплексе Italy Bari >> RETE-A-2 и девять программ SDTV в мультиплексе Italy Bari >> Consorzio-MTN-Canale7 [17]).

Таким образом, формальная спектральная эффективность при цифровом наземном ТВ-вещании может достигать в разных ситуациях от трех-четырех до полутора десятков раз, но при этом не нужно забывать о качестве «картинки» у конечного пользователя, причем этому аспекту следует уделять первостепенное внимание.

ЛИТЕРАТУРА

  1. ITU. Regional Radiocommunication Conference (RRC-06). Geneva, Switzerland, 15 May 2006 to 16 June 2006. Final Act RRC-06. — http://www.itu.int/pub/R-ACTRRC.14−2006/en
  2. ITU International Symposium on the Digital Switchover — Presentations. — http://www.itu. int/en/ITU-R/GE06-Symposium-2015/Pages/ presentations. aspx
  3. Roadmap for the Evolution of DTT — A bright future for TV // DigiTAG & Analysys Mason Limited, 2014. — http://www.digitag.org/wpcontent/uploads/2015/01/0694-RoadmapReport_web-2.pdf
  4. Recommendation ITU-R BS.1196−4 (02/2015). Audio coding for digital broadcasting. — http://www.itu.int/rec/R-RECBS.1196−4-201 502-I/en
  5. ISO/IEC 23 003−3:2012. Information technology — MPEG audio technologies. — Part 3: Unified speech and audio coding. — http://www.iso.org
  6. Ofcom. Reference Parameters for Digital Terrestrial Television Transmissions in the United Kingdom, Version 6.11. — Publication date: 19th November 2009. — http://stakeholders.ofcom.org.uk/binaries/broadcast/guidance/tech-guidance/dttt_uk.pdf
  7. Решение Правительственной комиссии по развитию телерадиовещания от 22 сентября 2011 года «О результатах опытной эксплуатации наземной сети цифрового телевизионного вещания в стандарте DVB-T2». — http://ртрс.рф/files/50/e1/50e1b 94 5518b74a191138319eae108d6/49e4137fd 9c75994b1ed996d5bdcb4ed. pdf
  8. Benefits of digital broadcasting. A Report Produced by Plum Consulting for the GSMA / Plum Consulting, January 2014. — http://www. gsma.com/spectrum/the-benefits-of-digitalbroadcasting
  9. DigiTAG. Guide to Digital Switchover: Focus Africa and Asia. — http://www.digitag.org/wp-content/uploads/2015/09/0780-Guide-toDigi-Switchover-2.pdf
  10. DigiTAG. Analogue Switch-off Handbook. — 2008, Version 1.0 — http://www.digitag.org/wp-content/uploads/2013/12/ASOHandbook. pdf
  11. DigiTAG. Guide to Digital Switchover. — http://www.digitag.org/wp-content/uploads/2013/12/Guide_to_Digital_Switchover_v1.0.pdf
  12. Report ITU-D. Guidelines for the transition from analogue to digital broadcasting / Telecommunication Development Sector. Switzerland, Geneva, January 2014. — http://www.itu.int/en/ITU-D/Spectrum-Broadcasting/Documents/Guidelines%20final.pdf
  13. Report ITU-R BT.2140−8 (02/2015). Transition from analogue to digital terrestrial broadcasting. — http://www.itu.int/pub/R-REPBT.2140
  14. Commission of the European Communities. Switchover from analogue to digital broadcasting. — http://eurlex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=URISERV:l24223a
  15. Commission of the European Communities. Document 52005DC0204. Communication from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social committee and the Committee of the Regions on accelerating the transition from analogue to digital broadcasting {SEC (2005)661} / Brussels, 24.05.2005. — http://eur- lex.europa.eu/legalcontent/EN/TXT/?uri=celex:52005DC0204
  16. ОБСЕ. Путеводитель по вопросам перехода на цифровое телерадиовещание // Австрия, Вена, 2010. — http://www.osce.org/ru/fom/73 721? download=true
  17. Digital Television Scanning. — http://www.digitalbitrate.com
Рубрики и ключевые слова