ATSC 3.0: грандиозный прорыв ТВ-технологий?

Стандарт нового поколения может стать грандиозным прорывом технологий на фоне старого ATSC 2.0.

Технологии не стоят на месте; наоборот, они развиваются, постоянно набирая всё больший темп. И это особенно заметно в сфере доставки медиа к зрителю.

В прошлом домашние видео-развлечения были достаточно просты и примитивны: люди садились перед экраном телевизора и смотрели телепрограммы в соответствии с расписанием их выхода в эфир. Сегодня зритель желает иметь возможность смотреть в буквальном смысле всё, что он хочет, на любом устройстве, в любом месте – получая контент через эфир, кабель, спутник или Интернет, либо из собственного домашнего хранилища. Понятно, что вещательная индустрия должна также развиваться, дабы отвечать на эти запросы американского зрителя.

Как пишет TV Technology, текущие разработки стандарта вещания нового поколения ATSC 3.0 нацелены на решение этой проблемы путём использования современных технологий передачи, а также кодирования видео и аудиоконтента, чтобы в конечном итоге предоставить зрителю доступ к новым и креативным услугам.

Становится понятно, что для подстройки под постоянно меняющиеся привычки и запросы зрителя вещателям требуется новая система, которая бы поддерживала новое зрительское поведение. Такая система должна включать в себя возможность изменяться в соответствии с изменением запросов потребителя, обеспечивая тем самым расширяемость, которая позволит адаптировать её к новым потребностям и в будущем.

Программы телевидения сегодня просматривают множеством различных способов, с использованием широкого количества источников медиа и платформ доставки. Интернет занял, пожалуй, ведущее место среди всех прочих источников телевизионного контента для потребителей. Разработка новой системы цифрового телевидения, которая включала бы в себя все эти элементы, стала не только желаемым, но и необходимым делом.

Краеугольным камнем системы цифрового вещания нового поколения – ATSC 3.0 DTV – должна стать гибкость в выборе услуг, включая возможность бесшовно для эфирных вещателей отправлять гибридный контент на мобильные и фиксированные приёмные устройства – объединяя таким образом в одно целое эфирную трансляцию и передачу через широкополосные сети. Такие опции, как «мультипросмотр» и «многоэкранность» также являются чрезвычайно важными, как и опция выбора между стандартами разрешения – SD, HD и Ultra HD.

Система ATSC 3.0 также должна иметь возможность подстраиваться под инновационные решения будущего. Ключевыми словами, описывающими основные принципы работы ATSC 3.0, являются такие термины, как «масштабируемость», «взаимозаменяемость» и «приспосабливаемость».

Хотя уже идёт работа над расширением возможностей существующей системы ATSC TV путём включения в неё интернет-совместимости и возможностей кэширования для хранения программ (обратно совместимый пакет расширений назван «ATSC 2.0»), будущие потребности зрителей и вещателей являются ключевым вопросом для разработчиков ATSC 3.0. Технологии, разработанные для ATSC 2.0, как ожидается, будут поддерживаться и в новой системе ATSC 3.0.

Поскольку стандарт ATSC 3.0, по всей вероятности, не будет совместим с существующими вещательными системами, он должен обеспечивать улучшения в производительности, функциональности, и всё это должно быть эффективно настолько, чтобы оправдать само создание системы без обратной совместимости стандартов.

Важно помнить, что оригинальный стандарт A/53 DTV был запущен в 1996 году. С тех пор было разработано множество существенных и заметных нововведений, произошли прочие важные изменения, в частности:

• Частотный    спектр стал ещё более дефицитным.
• В    сфере кодирования видео сделаны значительные усовершенствования,    повысившие его эффективность.
• Растёт    спрос на видео высокого разрешения.
• Аудио    стало более качественным и даёт более сильный эффект погружения.
• Значительная    часть потребителей нацелена на получение интерактивных услуг.
• Стали    обычным явлением альтернативные вещанию пути раздачи контента.
• Широкое    распространение получили мобильные устройства.
• Широко    используются планшеты.

Все эти нововведения в своей совокупности изменили ландшафт телевидения, следствием чего и стала разработка стандарта ATSC 3.0. Работа над ATSC 3.0 в итоге была разбита на множество уровней, как это описано ниже.

Физический уровень

Физический уровень – это ключевая система передачи сигнала, которая является основой любой службы передачи контента через эфир. Физический уровень описывает вопросы модуляции, кодирования, передачи сигнала и прочие привычные элементы вещательной цепочки.

В качестве потенциальных устройств, которые будут работать с ATSC 3.0, в настоящее время рассматриваются различные типы телевизионных приёмников, включая устройства фиксированного приёма (такие как традиционные телевизоры с большими экранами, стоящие в гостиных и спальнях), носимые устройства, автомобильные экраны и портативные приёмники. Основной целью физического уровня ATSC 3.0 является создание стандарта, дающего возможность передавать ТВ-контент на устройства как фиксированного, так и мобильного приёма.

Приоритетными задачами также являются эффективное использование частотного спектра и повышение надёжности предоставляемых услуг. Приоритетными вопросами является поддержка высоких скоростей передачи данных, необходимых для предоставления услуг в новых стандартах – таких, как Ultra HD.

Кроме того, в настоящее время изучаются механизмы возможного дальнейшего расширения возможностей системы ATSC 3.0, дабы она могла продолжать использоваться и в будущем, после внедрения новых технологий и усовершенствований, без необходимости полной переработки. Определение механизмов лёгкой и изящной эволюции стандарта является неотъемлемой частью работы над системой ATSC 3.0.

Помимо обеспечения приёма традиционных, фиксированных служб, ATSC 3.0 должна будет дать возможность поддерживать надёжную работу служб передачи контента на мобильные устройства в процессе движения – на телефоны, лэптопы, планшеты и переносные телевизоры. Поскольку данные устройства часто берут с собой за границу, очень важно обеспечить в системе поддержку ключевых технологий, которые получили широкое международное признание и обеспечить совместимость на общемировом уровне.

Рисунок 1: Архитектурный скелет физического уровня

Общая скелетная архитектура физического уровня изображена на Рисунке 1. В настоящее время в перечне предварительно согласованных – следующие базовые функции:

• Модуляция    на основе OFDM, с    широким спектром защитных интервалов для смягчения многолучевости.
• Коррекция    ошибок (FEC) на    основе LDPC с    широким выбором скоростей кодирования в двух вариантах длины кода    (поддерживает мобильный и фиксированный приём).
• Широкий    выбор размеров «созвездий».

Ожидается, что физический уровень ATSC 3.0 обеспечит широкий выбор возможных точек работы для вещателей, каждая из которых – крайне близка к пределу Шеннона (теоретический предел, обуславливающий то, сколько информации можно передавать через канал с зашумлением), как показано на Рисунке 2, ниже. Базовые эксплуатационные компромиссы включают в себя выбор меньшего количества передаваемых данных / большей надёжности услуги и / или большего количества передаваемых данных / меньшей надёжности услуги, либо промежуточного уровня.

Рисунок 2: Пример кривой мощности для физического уровня ATSC 3.0

Вещатели имеют возможность выбирать рабочие точки, которые поддерживают их бизнес-модели. Используя различные каналы физического уровня (PLP), можно одновременно использовать различные рабочие точки – к примеру, выделять часть пропускной полосы в передаваемом сигнале для нужд UHD, а остаток – для мобильных служб.

Уровень управления и протоколов

Уровень управления и протоколов – это линия связи между физическим уровнем и презентационным уровнем, поддерживающая доставку услуг и синхронизацию, объявление услуги и персонализацию, а также интерактивные службы и службы сопутствующего экрана.

Был достигнут консенсус по поводу использования интернет-протокола в качестве транспорта для доставки вещательного контента – как потокового, так и файлового. Использование в качестве транспорта IP-протокола (вместо MPEG-2, который использовался в предыдущих системах цифрового телевидения), обеспечивает широкую степень унификации с прочими механизмами доставки. Потоковый контент (к примеру, программы живого ТВ) будет передаваться в виде пакетов (используя ISOBMFF в качестве формата контента), а не в виде непрерывного потока фрагментов.

Это, опять же, обеспечивает унификацию с прочими механизмами доставки, а также относительно упрощает такие вещи, как вставку локализованной или персонализованной рекламы.

Система ATSC 3.0 разрабатывается и для того, чтобы сделать возможным бесшовное использование вещания в сочетании с широкополосной передачей для доставки услуг и их компонентов. Одним из примеров такого использования может быть доставка через вещательный канал видеоряда и звуковой дорожки на одном языке (который может рассматриваться в качестве основного языка подавляющего числа зрителей), а через широкополосные каналы – дополнительных языков, позволяя пользователю выбирать нужную ему опцию. Одна из технологий, обеспечивающих гибридную доставку, состоит в использовании UTC (или какой-либо другой «абсолютной» формы времени) для синхронизации и управления буфером.

Детали ещё обсуждаются и прорабатываются, однако, на Рисунке 3 ниже можно увидеть пример стека протоколов для ATSC 3.0. Как вы можете видеть, в системе наблюдается унификация способов доставки через эфир и через широкополосные сети, особенно выше уровня протокола доставки, с полным слиянием на уровне приложений.

Рисунок 3: Пример модели стека протоколов для ATSC 3.0

В ряде ситуаций ресивер может иметь доступ исключительно к некомпрессированному аудио и видео; к примеру, через HDMI, подключённый к сет-топ-боксу. Желательно использовать в ATSC 3.0 дополнительные компоненты и службы, которые, возможно, не заставили бы его проходить весь путь к ресиверу на главном маршруте доставки.

Система автоматического распознавания контента (ACR) позволит ресиверу определить, что именно просматривается. Среди методов, применяемых в ACR, – системы «отпечатков пальцев» и «водяных знаков». ACR-совместимые ресиверы с широкополосным подключением могут запрашивать и получать через широкополосные каналы дополнительный контент из Интернета.

Уровень приложений и презентаций

Уровень приложений и презентаций представляет, по существу, элементы, которые используются зрителем, включая кодирование видео и аудио, а также рабочую среду. Модель службы для ATSC 3.0 позволяет более сложным службам давать вещателям возможность развивать свой бизнес. Основные элементы уровня включают в себя:

• Расширенную    поддержку линейного ТВ и видео по запросу.
• Поддержка    службы подписки и систему «плати за просмотренное».
• Возможности    условного доступа и управления цифровыми правами (DRM).
• Поддержку    устройств мобильного и фиксированного приёма, а также сопутствующих    устройств.
• Гибридную    доставку (эфир и широкополосные сети), в сочетании с продвигаемым    контентом.

Для систем кодирования видео первоочередной задачей является создание систем работы с UHD и HD, с изначальной поддержкой 4К и возможностью поддержки 8К в будущем, через реализацию расширения. Кодек HEVC (H.265) был выбран в качестве основного кодека видео. Портативные, переносные, автомобильные устройства и устройства фиксированного приёма – как для работы в доме, так и для работы на открытом воздухе – все они являются целевыми устройствами, и гибридная интеграция доставки через эфир и широкополосные сети является необходимым требованием для вещателей.

Каналы физического уровня (PLP) могут обеспечить гибкость компромиссов в плане надёжности в разрезе пропускной способности каждого компонента. Рассматривается возможность многослойного (масштабируемого) кодирования, возможно – на основе различных PLP. В последней ситуации, возможно, позволить доставку HD-версии для ключевых служб через надёжный канал и расширенный уровень в канале с более высокой скоростью для передачи видео в UHD.

Для кодирования аудио предлагаются к обсуждению новые функции, которые включают управление диалогом, использование альтернативных звуковых дорожек, а также смешивание вспомогательных аудио-служб, диалогов на другом языке, спецэффектов, комментариев и музыки. Кроме того, ожидается нормализация громкости контента и контуров динамического диапазона, основанная на специальных возможностях пользовательских устройств для мобильного или фиксированного приёма и уникальной звуковой среды.

Рассматривается возможность внедрения функций, дающих большее ощущение погружения, с более высоким пространственным разрешением в локализации источников звука (азимут, подъём, расстояние), для увеличения ощущения от звукового окружения. Функции будут включать выделенные для различных устройств (фиксированного и мобильного приёма) и наборов динамиков, поддержку гибридной передачи через эфирные и широкополосные каналы, а также поддержку сугубо звукового контента и смешанного – аудио / видео контента.

Среда для работы (или приложения) будут, скорее всего, основаны на HbbTV 2.0, с модификациями, необходимыми для подстройки под различные запросы и требования. Также возможно использование отдельных элементов среды приложений ATSC 2.0.

Расширяемость

Несмотря на то, что ATSC 3.0 разрабатывается в качестве стандарта, приходящего всерьёз и надолго, технологии продолжают развиваться, и запросы потребителей будут изменяться таким образом, который не может предсказать никто. Как следствие, в стандарте ATSC 3.0 должны быть предусмотрены способы, дающие возможность легко и без проблем развивать его с развитием технологий, по мере того, как будут появляться всё новые и новые разработки.

Разрабатываемые сегодня сигнальные системы связи должны позволить новым ресиверам задействовать новые технологии по мере их появления на рынке. Эти сигнальные системы начинаются на физическом уровне и проходят через уровень приложений / презентаций. Физический уровень будет иметь очень простую, сверхнадежную форму сигнальной системы, которая может определять, какая технология используется на самом физическом уровне. Как минимум, каждый уровень будет иметь возможность сигнализировать о том, какая из технологий используется уровнем выше.

Сигнальная система и информация об объявлениях будет включать возможность указывать на ресурсы, необходимые для успешной передачи услуг, с сохранением различия между теми, которые определены создателем контента как обязательные, и опциональными.

Рич Черноок, старший научный сотрудник Triveni Digital, имеет степень доктора естественных наук в области ядерных материалов от Массачусетского института технологий. Является одним из ведущих разработчиков стандарта ATSC 3.0.

Источник: журнал MEDIASAT : цифровое ТВ, радиовещание и телекоммуникации