Obecnie wzrasta zainteresowanie operatorów telekomunikacyjnych świadczeniem usług multimedialnych. Upatrują oni w tego typu usługach przyszłościowe, bardzo obiecujące źródło dochodów. Publiczny dostęp do takich usług jest możliwy jedynie poprzez sieci transmisyjne, które w zasadniczy sposób ograniczają ich rozwój.

WPROWADZENIE

Systemy multimedialne to systemy umożliwiające integrację danych, tekstu, wszelkiego typu obrazów i dźwięku w środowisku informatycznym. Taki sposób widzenia tych systemów implikuje wymagania w stosunku do technik służących do wytwarzania, przesyłania, przetwarzania i prezentacji usług multimedialnych. Jeżeli tworzenie takich usług może odbywać się w wyspecjalizowanych systemach, to ich dostarczenie do odbiorcy muszą zapewnić: zintegrowana sieć oraz wielofunkcyjne terminale. Różne rodzaje usług stawiają różne wymagania w odniesieniu do zdolności transmisyjnych sieci oraz mocy przetwarzania sygnałów.

Najbardziej wymagające są usługi związane z przesyłaniem obrazów. Ich integracja w systemie jest związana z przesyłaniem, przechowywaniem, przetwarzaniem i wyświetlaniem na ekranie wielkiej ilości danych w postaci obrazu. Cyfrowa reprezentacja obrazu to często ogromne zbiory informacji, podczas gdy jeden bajt reprezentuje całą literę. Jeśli ponadto obraz zmienia się w czasie, to ogromna ilość danych musi być składowana, przekazywana i przetwarzana, by spełnić wymagania związane z dostarczaniem ruchomych obrazów.

W systemach multimedialnych można wyróżnić cztery podstawowe wymagania:

Po pierwsze - wymagają one ogromnych pamięci, wielkości setek megabajtów.

Po drugie - wymagają specjalizowanych i o dużej mocy obliczeniowej procesorów do przetwarzania i wizualizacji danych.

Po trzecie - muszą mieć odpowiednią architekturę, by oprócz danych i tekstu mogły dostarczać obraz i dźwięk w wymaganym przez daną aplikację standardzie.

Po czwarte - tak bogate otoczenie informatyczne nie będzie dużo warte, jeśli użytkownik nie będzie w stanie z łatwością poruszać się w nim, wyszukiwać informacje oraz mieć do nich dostęp, a także uruchamiać wybrane aplikacje realizujące wybrane usługi.

Ponadto system multimedialny powinien zapewnić pełny dostęp do usług wielu odbiorcom jednocześnie. Narzuca to ogromne wymagania dla każdego z elementów systemu, a w szczególności wobec stosowanych sieci transmisyjnych.

Transmisje multimedialne to połączenie transmisji obrazu, dźwięku i danych - w dowolnych kombinacjach -w celu realizacji takich usług jak: telekonferencje, wideo-konferencje, telefonia, systemy rozsiewcze foniczne i wizyjne.

Cechą pożądaną współczesnych sieci transportowych i dostępowych jest możliwość dynamicznego udostępnienia łącza o ustalonych parametrach na potrzeby transmisji multimedialnych. Rolę sieci transportowych i dostępowych mogą spełniać: Internet lub sieć szerokopasmowa. Obecnie obserwujemy gwałtowny rozwój usług multimedialnych. Najczęściej na potrzeby multimediów adaptuje się i rozwija rodzinę protokołów internetowych.

Wraz z rozwojem sieci zbudowanych zgodnie ze standardem ATM pojawiają się implementacje systemów transmisji, które wykorzystują właściwości ATM w zakresie usług multimedialnych. Znane są rozwiązania systemów telekonferencyjnych dla sieci typu Frame Relay. Dobrze zdefiniowane są systemy telekonferencyjne wykorzystujące ISDN.

STRUKTURA PODSTAWOWA

Współczesne i przyszłe systemy, zdolne do świadczenia usług multimedialnych, składają się z czterech podstawowych elementów:

• terminalu użytkownika (stacjonarnego lub ruchomego)

• sieci dostępowej

• sieci szkieletowej (kręgosłupowej)

• usług.

W przyszłości na rynku będzie dostępnych wiele typów terminali użytkownika, stosowanych do połączenia z różnorodnymi typami usług przy użyciu różnorodnych sieci dostępowych. Terminale te będą kompatybilne z istniejącymi sieciami dostępowymi i będą umożliwiać użytkownikowi dostęp do multimedialnych usług szerokopasmowych.

Usługi będą dostarczane użytkownikowi przez różnorodne sieci dostępowe - publiczne lub prywatne, stacjonarne albo ruchowe. Różnice pomiędzy sieciami dostępowymi będą ulegać stopniowemu zacieraniu. Sieć dostępowa będzie dołączona do jednej lub kilku sieci szkieletowych. Dynamiczny sposób wykorzystania kilku różnych sieci dostępowych umożliwi jednocześnie stopniowany dostęp do usług wymagających szybkich transmisji oraz dostosowanie do wymagań rynkowych i możliwości transportowych sieci szkieletowych.

Sieci szkieletowe zostaną oparte w początkowej fazie na sieciach GSM, ISDN, ATM i TCP/IP, a w późniejszym okresie na B-ISDN. Będą one zawierać elementy tzw. sieci inteligentnych i umożliwiać rozproszone przetwarzanie jako usługę świadczoną w sieci lub pomiędzy sieciami, w tym:

• zarządzanie

• marszrutowanie połączeń oparte na inteligencji sieci szkieletowej

• taryfikację użytkowników korzystających z innych sieci przy użyciu osobistego konta

• wykorzystywanie usług świadczonych przez inne sieci. Tego typu usługi narzucają konieczność zapewnienia

odpowiedniej współpracy połączonych ze sobą różnych sieci szkieletowych w celu realizacji wyszukiwania abonenta oraz świadczenia usług poza granicami wykorzystywanych sieci.

Usługi aplikacyjne (aplikacje) świadczone przez sieci multimedialne będą „przezroczyste" w stosunku do sieci dostępowych i szkieletowych lub też będą wykorzystywać specyficzne właściwości logiczne tych sieci. Usługi aplikacyjne są rozumiane jako usługi tworzone, dostarczane i konsumowane poza sieciami dostępowa i szkieletową (rys. 1). Obejmują one również platformę do przetwarzania rozproszonego, wymaganą dla niektórych aplikacji.

Obecnie obserwuje się trend do ujednolicania usług świadczonych przez systemy stacjonarne i ruchowe. W opracowaniach przyszłościowych występuje zbieżność stosowanych rozwiązań. Konwergencję określonych elementów systemów multimedialnych przedstawiono na rysunku 2. Inteligentne urządzenia końcowe mogą być dołączone bezpośrednio do sieci szkieletowej, do sieci wąskopasmowych usług stacjonarnych i ruchowych lub do sieci dostępowej.

Wiele nowo opracowanych sieci dostępowych umożliwia realizację usług multimedialnych. Sieci te wykorzystują istniejące rozwiązania. Na rysunku 3 przedstawiono rozwiązania poszczególnych elementów systemów - zarówno już stosowane, jak i znajdujące się w fazie opracowania i standaryzacji.

USŁUGI MULTIMEDIALNE

W przyszłości systemy multimedialne będą służyć do świadczenia wielu usług. Będą one rozszerzeniem usług, które użytkownik będzie mógł uzyskać wykorzystując systemy ruchowe i osobiste. ETSI (European Telecommunica-tions Standards Institute) opracował zestaw tego typu usług:

• transmisja interaktywna dźwięku

• transfer obrazów w czasie rzeczywistym

• poczta elektroniczna

• dostęp do dokumentów multimedialnych

• wideo na życzenie

• interakcyjne usługi wideo

• usługi przetwarzania danych

• systemy rozsiewcze telewizyjne, radiowe i danych

• procesy rozproszone.

Usługi te będą w dalszym etapie rozwoju dostępne również z użyciem terminalu osobistego. W rezultacie użytkownik otrzyma dostęp do usług według własnych potrzeb i możliwości finansowych. Wiąże się to oczywiście z istnieniem odpowiedniej infrastruktury telekomunikacyjnej, zapewniającej świadczenie tego typu usług.

WYMAGANIA STAWIANE SIECI TRANSMISYJNEJ

Usługi multimedialne charakteryzują się dużym zapotrzebowaniem na pasmo i w przypadku usług czasu rzeczywistego wrażliwością na fluktuacje opóźnienia. Wymagania stawiane sieciom do transmisji danych niosących dźwięk i obraz są inne niż w przypadku transmisji danych komputerowych. Najtrudniejsze w realizacji są transmisje multimedialne dokonywane w czasie rzeczywistym, związane z przesyłaniem ruchomego obrazu. Podstawowe parametry sieci transmisji danych to:

• dostępne pasmo (Bandwidtli)

• czas opóźnienia (Latency)

• fluktuacje opóźnienia (Jitter).

Czas i fluktuacje opóźnienia są dobrze zdefiniowane dla sieci z komutacją łączy. W sieciach z komutacją pakietów opóźnienie i fluktuacje opóźnienia kompensuje się przez inteligentne buforowanie sygnału. Kompensacja jest

możliwa, jeżeli wymagane do transmisji pasmo jest znacznie mniejsze od dostępnego pasma kanału transmisyjnego, jak to pokazano na rysunku 4.

Zmniejszenie zapotrzebowania na pasmo realizuje się przez kompresję cyfrowych sygnałów wizji i fonii przed wprowadzeniem ich do kanału transmisyjnego. Zalecanym standardem do zastosowań w kompresji sygnałów wizyjnych jest MPEG 2 (opracowany przez Motion Picture Expert Group). System kodowania sygnałów wizyjnych jest zdefiniowany dla różnych algorytmów wybierania obrazów dla telewizji:

• o dużej rozdzielczości obrazu HDTV

• konwencjonalnej

• o małej rozdzielczości obrazu.

Określa on zasady kodowania sygnałów wizyjnych z użyciem różnych metod kompresji, wykorzystujących:

• dyskretną transformację kosinusoidalną

• prognozowanie

• kompensację ruchu.

Strumień danych potrzebny do przesłania programu telewizyjnego zależy nie tylko od rodzaju wybierania, lecz również od rodzaju programu. Przykładowe wielkości strumienia danych po kompresji MPEG 2, w zależności od jakości uzyskiwanego obrazu dla telewizji konwencjonalnej, przedstawiono w tabeli.

MPEG 2 jest stosowany w telewizji cyfrowej {Digital Video Broadcasting) i zalecany do stosowania w sieci ATM. W sieci ATM MPEG 2 jest zdefiniowany dla warstwy adaptacyjnej AAL1 (zalecenia europejskie) i dla AAL5 (zalecenia amerykańskie).

W Europie problemami normalizacji w dziedzinie multimediów zajmuje się głównie ETSI (European Telecom-

munications Standards Institute). W zakresie norm międzynarodowych główną rolę odgrywa ITU-T.

DOSTĘP DO USŁUG MULTIMEDIALNYCH

Struktura sieci multimedialne jest obecnie silnie uzależniona od typu zastosowanej sieci dostępowej - od jej architektury. Okazuje się, że w zależności od charakteru usług, przeważającego w danej sieci multimedialne), można dobrać optymalną sieć dostępowa. W chwili obecnej nie ma również standardów dla sieci dostępowych. Dlatego też ostatni odcinek sieci transmisyjnej do abonenta można realizować na trzy różne sposoby:

• jako radiową sieć dostępu abonenckiego

• linie miedziane

• linie światłowodowe.

Podstawowym parametrem decydującym o wyborze określonej techniki jest wykorzystywany strumień danych. Określa się go na podstawie procentu użytkowników zdolnych do odbioru określonej usługi (przyłączonych do sieci), na którą wykupili abonament. Niestety, sieci bardziej wydajne pod względem kosztów przypadających na jednego abonenta i jednostkę transmitowanych danych wymagają większych nakładów początkowych i dłuższego czasu instalacji. Dlatego też większość firm wybiera obec-

nie rozwiązania umożliwiające szybkie wejście na rynek. Polega ono na zastosowaniu systemu o architekturze pozwalającej na szybką instalację, poniesieniu niskich kosztów początkowych, oraz późniejszą przebudowę w kierunku systemów o większych możliwościach świadczenia usług multimedialnych (jeżeli w fazie wstępnej znaleziono odpowiednią liczbę abonentów na tego typu usługi).

Systemy radiowego dostępu abonenckiego (SRDA) wymagają mniejszych nakładów początkowych i umożliwiają szybką instalację sieci dostępowej. Stają się jednak mało wydajne, gdy zwiększa się zapotrzebowanie na usługi interaktywne lub wzrasta liczba tego typu usługobiorców. Zaleta tych systemów, polegająca na uniknięciu kładzenia kabli (miedzianych lub światłowodowych), staje się wadą, gdy łącza radiowe zaczynają być przeciążone. Przykład multimedialnego systemu RDA przedstawiono na rysunku 5.

Innym sposobem relatywnie taniego rozszerzenia oferty - o niektóre usługi multimedialne na obszarach z istniejącą siecią miedzianych przyłączy abonenckich (last drop) - jest zastosowanie techniki ADSL i VDSL (rys. 6.). Użycie zaawansowanych metod modulacji sygnału umożliwia wykorzystanie przewodów miedzianych o znacznej przepływności do transmisji na odległość od 1 do 5 km. Łącza asymetryczne ADSL są dobrym rozwiązaniem dla interaktywnych usług multimedialnych. Na rysunku 7 przedstawiono rozwiązanie umożliwiające transmisję sygnału do abonenta z szybkością od 32 kb/s do 8 Mb/s oraz od abonenta z szybkością od 32 kb/s do 1 Mb/s, z jednoczesnym zapewnieniem podstawowych usług telefonicznych POTS, wykorzystując tę samą Unię telefoniczną.

Jednoczesne dostarczanie usług telefonicznych i transmisji danych stanowi duże udogodnienie dla abonenta: np. może on poruszać się po sieci Internet nie pozbawiając reszty rodziny dostępu do telefonu. Ponadto dzięki odseparowaniu podstawowych usług telefonicznych od transmisji danych technologia DSL pozwala operatorom skierować ruch związany z transmisją danych do sieci transmisji danych z komutacją pakietów (PDN), a sygnału telefonicznego do sieci z komutacją łączy (PSTN). Rozwiązanie to umożliwia odciążenie sieci telefonicznej, opóźniając lub eliminując konieczność jej rozbudowy.

W celu zapewnienia abonentowi pełnego dostępu do usług multimedialnych należy doprowadzić do gniazda abonenckiego analogowe sygnały telewizyjne, cyfrowe sygnały telewizyjne, zapewnić dostęp do publicznej komutowanej sieci telefonicznej i dostęp o odpowiedniej przepływności do publicznej sieci transmisji danych umożliwiającej w pełni interaktywną pracę. Spełnienie tych wszystkich warunków wymaga tak szerokiego pasma transmisyjnego, że jedynym realnym rozwiązaniem jest doprowadzenie szerokopasmowego łącza do mieszkania abonenta. Łącze to może być wykonane przy użyciu przewodu współosiowego, jako przyłącze abonenckie systemu typu HFC (Hybrid Fiber/Coax), lub przy użyciu światłowodu, jako przyłącze abonenckie systemu typu FTTD (Fiber To The Door). Analizując wymagane przez poszczególne aplikacje szerokości zajmowanych pasm i szybkości transmisji można dojść do wniosku, że głównym problemem technicznym jest transmisja sygnałów telewizyjnych. Pozostałe usługi mają znacznie mniejsze wymagania transmisyjne i dlatego mogą być transmitowane wraz z sygnałami telewizyjnymi, a wymagane do ich transmisji pasmo jest pomijalnie małe w stosunku do pasma zajmowanego przez sygnały telewizyjne. Należy również zwrócić uwagę na fakt, że system multimedialny wymaga transmisji w obu kierunkach, by możliwa była praca interaktywna. W typowych warunkach łącze abonenckie będzie wykorzystane asymetrycznie, tzn. strumień danych generowany przez abonenta jest znacznie mniejszy niż strumień docierający do abonenta. Omówione wcześniej wymagania transmisyjne dla systemu multimedialnego powodują, że pełna integracja systemu zarówno na poziomie warstwy fizycznej (media transmisyjne i interfejsy fizyczne), jak i na poziomie warstw wyższych nie jest prosta. Dotychczas nie opracowano również żadnego międzynarodowego standardu w tym zakresie. Dlatego też istniejące współcześnie i znajdujące się w fazie końcowej opracowania systemy dostępowe cechują się dość małą skalą integracji usług. W większości opracowań stosuje się niezależne systemy do obsługi klasy usług o przepływności do 2 Mb/s i do transmisji sygnałów telewizyjnych. W zależności od rozwiązania systemy te wykorzystują wspólną warstwę duktów, wspólne media transmisyjne (np. przewód współosiowy), wspólne szafki, obudowy i zasilacze, wspólne końcówki abonenckie z rozdzielonymi złączami oraz wspólny system nadzoru i zarządzania. Dotychczas brak jest informacji o systemach, w których integracja poszła dalej.

Jednym z podstawowych wyróżników współczesnych sieci do transmisji usług multimedialnych jest miejsce, do którego dochodzi światłowód. Wyróżnia się następujące architektury sieci:

• FTTE (FTTSA) (Fiber To The Environment/Service Area) -światłowód do obsługiwanego obszaru

• FTTC {Fiber To The Curb) - światłowód do szafki ulicznej

• FTTB (Fiber To The Building) - światłowód do budynku

• FTTH (FTTD) (Fibre To The Home/Door) - światłowód do mieszkania.

Oprócz ostatniego rozwiązania, w którym światłowód dochodzi do gniazda abonenckiego ONT (Optical Network Termination), we wszystkich przypadkach sygnał należy doprowadzić do abonenta przy użyciu przewodu miedzianego w postaci skrętki lub przewodu współosiowego. Stosując przewód współosiowy mamy do dyspozycji łącze do abonenta o szerokości pasma wystarczającej do świad-czenia wszystkich usług multimedialnych. Stosując skrętkę Ograniczamy pasmo. Usługi związane z dostarczaniem sygnałów telewizyjnych są w tym przypadku realizowane w inny sposób.

Połączenie architektury systemu FTTE z zastosowaniem przewodu współosiowego jako łącza abonenckiego typu systemy określa się również skrótem SDV (Swit-ched Digital Video). W przypadku, gdy łącze światłowodowe jest doprowadzane bliżej abonenta, pojawia się problem z zapewnieniem zasilania. Dotyczy on utrzymania funkcji transmisyjnych sieci dla usług wymaganych w przypadku niebezpieczeństwa (klasyczny telefon musi działać). Jednym z rozwiązań jest nałożenie na sieć światłowodową klasycznej drzewiastej sieci przewodów współosiowych dostarczającej analogowych sygnałów telewizyjnych i zasilania oraz części światłowodowej dostarczającej sygnałów cyfrowych. Tego typu systemy stosują niesymetryczne łącza z dużą przepustowością w kierunku abonenta (np. 50 Mb/s) i z mniejszą od abonenta (np. 2 Mb/s).

TERMINAL UŻYTKOWNIKA

W relacji usługodawca-klient istotną rolę w rozwoju usług multimedialnych odgrywa terminal użytkownika. Należy się spodziewać, że w okresie kilku, kilkunastu lat terminal sieciowy użytkownika zostanie zunifikowany. W tym celu konieczne jest opracowanie standardowego styku. Umożliwi on świadczenie usług multimedialnych przez wszystkie sieci dostępowe i tranzytowe w ten sam sposób.

SIECI SZKIELETOWE

Dane związane z usługami multimedialnymi muszą być przesyłane na większe odległości przy użyciu sieci szkieletowej. W tego typu sieciach stosuje się bardzo szybkie szerokopasmowe łącza pracujące np. w technologii SDH. Dlatego też operatorzy i dostawcy usług są bardzo ostrożni w inwestowaniu w kręgosłupowe sieci ATM, szczególnie wtedy, gdy dysponują dopiero co wybudowanymi sieciami SONET/SDH. Rozważają oni przenoszenie ruchu związanego z cyfrowymi sygnałami telewizyjnymi przez te sieci. Jednakże istnieje kilka istotnych przesłanek, by do tego celu stosować sieci ATM:

• Przełączanie usług. Techniki PDH i SDH, zapewniające transport na poziomie warstwy fizycznej, nie umożliwiają przełączania. ATM umożliwia przełączanie, bez którego trudno wyobrazić sobie połączenia na żądanie z od-

dalonymi dystrybutorami usług lub innymi abonentami sieci w celu realizacji bezpośrednich połączeń.

• Dynamiczna alokacja pasma. Dynamiczna alokacja pasma umożliwi stworzenie specyficznych usług na rynku lokalnym. Już obecnie operatorzy usług telewizyjnych eksperymentują z różnymi szerokościami pasma w porze dziennej i wieczornej. W ciągu dnia wykorzystują oni to samo pasmo do transmisji kilkunastu lokalnych programów ograniczonych do jakości VHS, kierowanych do określonych grup ludzi. Wieczorem, w porze największej oglądalności, przesyłają natomiast kilka popularnych programów wysokiej jakości.

• Łatwa adaptacja do szybkości transmisji. Adaptacja szybkości transmisji w technice ATM przez wprowadzenie do strumienia danych „pustych" komórek jest znacznie prostsza niż wprowadzanie pakietów zerowych standardu MPEG 2. Dodatkowe przetwarzanie wymagane do obsługi zerowych pakietów powoduje wzrost fluktuacji opóźnienia.

• Kompatybilność warstwy usług. ATM obsługuje wszystkie usługi w taki sam sposób. Pomimo że sieć może zmieniać się w warstwie fizycznej i może przechodzić na radykalnie inne technologie transmisji, nie będzie to miało wpływu na wyższe warstwy usług.

Obserwowany jest trend do wdrażania w sieciach tranzytowych standardu ATM. Przy zachowaniu różnorodności interfejsów sieci dostępowych (ISDN, xDSL, łącza radiowe, łącza telewizji kablowej, dedykowana łącza cyfrowe) należy się spodziewać realizacji usług o zbliżonej jakości.

Obecnie nie istnieją znormalizowane modele sieci multimedialnych. Prowadzone są prace normalizacyjne w zakresie sieci szerokopasmowych, w których możliwe będzie kreowanie sieci wirtualnych udostępniających usługi multimedialne niezależnie od lokalizacji usługodawcy i klienta. Duży wpływ na ostateczną formę oferowanych usług będą miały wdrożenia realizowane obecnie w sieci Internet.

Analiza istniejących i znajdujących się w opracowaniu sieci transmisyjnych do świadczenia usług multimedialnych pokazuje, że przez najbliższe lata wprowadzanie w jednolity i zintegrowany sposób usług multimedialnych wymagających: wąskiego i szerokiego pasma transmisyjnego, interaktywności i pracy w czasie rzeczywistym napotka na liczne bariery, związane przede wszystkim z realizacją dostępu do abonenta. Sieci dostępowe zapewniają obecnie transmisję danych i sygnałów telewizyjnych z szybkością do 2 Mb/s. Realizują to jednak w większości przypadków przy wykorzystaniu niezależnych mediów transmisyjnych, np. skrętka - przewód współosiowy. Przykładami tego typu rozwiązań stosowanymi w Polsce są: system FastLink firmy Siemens, systemy FDS-1 i Hi-Link firmy I/O Networks oraz Hytas firmy Alcatel. Stopień integracji systemów dostępowych jest niski. Postęp w tej dziedzinie będzie zależeć od rozwoju technologii oraz względów ekonomicznych, które wyznaczą stopień integracji tego typu systemów.

Autorzy sq pracownikami Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej