Jak se signál dostává do vaší televize? Distribuční sítě pod drobnohledem

Před týdnem jsme jednotlivé distribuční platformy srovnávali na základě jedné studie z hlediska energetické náročnosti, která se v současné době neustálého zdražování dostává do popředí zájmu. Článek však jednotlivé způsoby distribuce nepopisoval, což nás vedlo k tomu, abychom to napravili. Všechny dnešní distribuční sítě přenášejí technicky digitální data, která slouží k uspokojení potřeb diváka. Ten ale velmi často netuší, jaké technologie za nimi stojí.

Infrastruktura televizní distribuce a streamování videa

Když mluvíme o online streamování videa, narazíme na mnoho termínů, mezi které patří internetová televize, IPTV nebo OTT. Zažíváme posun od tradičních režimů vysílání, jako je kabelová nebo satelitní televize, k streamování přes internet a IPTV sítě s rozdílnými technologiemi hrají v této přechodné fázi hlavní roli.

Výše uvedený obrázek – podle BBC White Paper WHP 372 – s barevně odlišenými způsoby dopravy datových signálů do domácností představuje blokově znázorněné schéma dnešní distribuce televizního, obecně mediálního obsahu a toky dat různých formátů terestrické televize, přes satelit, kabel a internetové televize. Pojďme si tuto složitou architekturu jednotlivých distribučních platforem popsat podrobněji na zjednodušených schématech.

Infrastruktura digitální terestrické televize (DTT)

Vyjdeme-li ze zjednodušeného blokového schématu, kterému je velmi podobná i satelitní distribuce a distribuce po kabelu vidíme, že distribuce DTT spočívá v přenosu signálu do sítě vysílacích stanic geograficky rozmístěny v pokrytí signálem. Jsou to obvykle stovky vysílacích stanic po celé zemi, každá s několika vysílači pro různé multiplexy. Digitální signál televizního kanálu se slučuje v multiplexy, obvykle 5 až 10 kanálů za multiplex tvořící síť, někdy též nazývaný buket DTT, dostupné na pokrytém území. Přenos mezi vysílači je prováděn vyhrazeným vysoce výkonným přenosem v distribuční síti (dnes převážně optické) jednoho nebo více multiplexů, z nichž každý je po modulaci zesilován vysílačem propojeným k jedné nebo sdružené anténě na každé vysílací stanici, která síří programy do volného prostoru na přidělených kmitočtech.

Referenční architektura digitální terestrické televize (DTT)

Podívejme se na některé odchylky od principiálního schématu. Na obrázku je naznačeno, že kódování a multiplexování je součástí společné vysílací infrastruktury, což u nás platí jen pro síť 21 České televize, která má ze zákona přiděleny své kmitočty. Kódování a multiplexování komerčních sítí provádí operátoři sítí (CRA, CDG a DB) a mohou tak sdružit více programů od různých vysílatelů do jednoho multiplexu. Toto řešení umožňuje také nastavit různé datové toky v disponibilní šířce pásma a slučovat v jedné síti programy SD, HD případně UHD ve statistickém multiplexu.

V současné době DTT obecně vyžaduje jednoduché nastavení domácí sítě. Signál je přijímán v individuální domácnosti přes anténu, následně demodulován a dekódován buď přes set-top box (STB) nebo v televizoru. Častým případem ve větších domech a zejména na sídlištích je realizován příjem přes rozvod se společnou TV anténou (STA), která by dnes neměla měnit vysílané kmitočty, jako tomu bylo dříve, ale pouze signál zesílit tak, aby byla dosažena potřebná úroveň na každé účastnické zásuvce.

I když digitální televizor nebo i „chytrý“ TV přijímač je dnes standardem, diváci mohou používat STB s PVR k nahrávání a sledování již odvysílaných programů (time shift). V některých případech lze živé televizní vysílání sledovat také prostřednictvím takových STB, které mohou nabízet další funkce, jako v případě placeného vysílání nebo integrace „televize přes anténu“ s další distribuční platformou pro ukládání do mezipaměti (caching). Domácí zařízení pro ukládání do mezipaměti je možnou technologií, která je považována za způsob využití sítí DTT pro doručování obsahu na vyžádání (VOD) časově posunutého vysílání místo datového streamu z IP platforem při snížení zátěže internetových sítí a nákladů za datové připojení.

Kabelové a satelitní sítě

Další dva tradiční způsoby distribuce, kabely i satelity, se od DTT schématu technicky odlišují jen jinou distribuční infrastrukturou a vyšším počtem přenesených programů v jednom multiplexu z důvodu větší šířky pásma satelitního transpondéru a vysoké odolnosti digitálního signálu v kabelových rozvodech, které tak mohou pracovat s modulacemi vyšších řádů. Pro diváka fungují tak, že umožňují uživatelům „naladit“ a okamžitě přepínat konkrétní kanály v rámci stovek programů podle zaplaceného balíčku. Rozdílem je i to, že kabelová TV je prostřednictvím pevného připojení, zatímco satelit je bezdrátový (dokud se stejně nedostane do vašeho domu) a vyžaduje rovněž vnější anténu. Zásadním rozdílem je z netechnického pohledu komerční přístup provozovatele k těmto službám, které jsou vždy placené divákem na rozdíl od volné (FTA) pozemní distribuce, kde náklady nese vysílatel.

Distribuce mediálního obsahu přes Internetový protokol (IP)

Internetové sítě se liší od kabelových, terestrických a satelitních tím, že nabízejí obsah prostřednictvím stejného modelu klient-server jako další internetové služby. Oproti tradiční distribuci, kde je obsah vysílán v reálném čase, IPTV ukládá programy na serverech na vysílajícím konci, což umožňuje uživatelům přes zpětný kanál požádat o obsah přes internet na vyžádání (VOD) z videotéky nebo po odvysílání pořadu. Složitá infrastruktura těchto sítí má za důsledek výrazné zpoždění oproti živému lineárnímu vysílání v délce desítek sekund.

Vžitá zkratka IPTV tj. „televize přes internetový protokol“ může budit dojem, že obsah je vysílán veřejně po celosvětovém internetu. To však neodpovídá realitě. Nabídka až stovek kanálů (programů), z kterých si můžete interaktivně vybírat, je náročná na datový objem, který původní ADSL/VDSL přípojky ke každému uživateli nemohly kapacitně zvládat a přiváděly tak pouze jediný vybraný televizní kanál v síti jednoho daného poskytovatele, který zato garantoval určitou kvalitu (QoS) pro své zákazníky (předplatitele služby). Postupem doby se profilovaly dva odlišné typy IPTV sítí.

Spravovaná síť IPTV

Tuto první a nejstarší internetovou službu nabízely a nabízejí telekomunikační společnosti, které mají vybudovanou vlastní pevnou internetovou (ethernetovou, optickou) síť. Jako příklad poslouží O2 TV se svými koncovými boxy sdružujícími televizi, telefon a data (tzv. „triple play“). V tomto případě, kdy na smluvním základě se od poskytovatele obsahu uzavírají dohody o úrovni služeb (SLA), se jedná o spravovanou/řízenou (managed) IPTV na rozdíl od otevřené sítě. Následující obrázek ukazuje základní rozdíly mezi řízenou a otevřenou sítí internetu, které jsou ve vnitřní infrastruktuře, a tak pro uživatele skryté.

Rozdíly mezi internetovými sítěmi IPTV a OTT podle Funkční architektury OIPF

Otevřená/neřízená síť Internetu pro OTT

Zákazník – divák – v této síti nemá žádnou záruku, že mu bude poskytnut kvalitní zážitek ze shlédnutého videa, protože příjem je realizován formou OTT (Over The Top), na síti jiného provozovatele, který není v žádném vztahu k poskytovateli obsahu. Proto také je často možnost ovládat kvalitu zobrazení v nastavení podle kvality přístupové linky. V případě vyčerpání datových limitů od poskytovatele ISP si však už nic dalšího nepřehrajete nebo v lepším případě jen s výrazně zhoršenou kvalitou. Výběr z nabídky se tvoří na portálu a dále je dopravován pouze vybraný stream jako unicast. Z obrázku také vyplývá, proč uživatelé rozdíly mezi oběma sítěmi prakticky nerozlišují. Je to tím, že na všech zobrazovacích zařízeních, případně set-top-boxech, je jednotné uživatelské rozhraní. Podívejme se na OTT podrobněji.

Principiální architektura otevřené OTT sítě

Over-the-top (OTT) doručení je místo, kde je obsah přístupný prostřednictvím aplikací ve webových prohlížečích (jako klientů) nebo proprietárních aplikací provozovatelů. Distribuce OTT probíhá prostřednictvím unicastového přepínání IP paketů, což znamená, že jednotlivé datové toky jsou přenášeny pokaždé, když divák požádá o sledování televize. OTT umožňuje uživatelům sledovat živé/lineární televizní kanály nebo video na vyžádání (VOD), přičemž všechny OTT služby jsou Na „poslední míli“ doručeny přes unicast. Obsah pro OTT je uložen v datových centrech, buď v místním úložišti nebo cloudové infrastruktuře a je distribuován do páteřní internetové sítě prostřednictvím zdrojového serveru CDN (Content Distribution Network).

Následující sítě pro doručování obsahu (Content Delivery Networks) jsou datová centra umístěná blíže koncovým uživatelům, než je původní obsah. CDN ukládají kopie mediálního obsahu. Obsah je odesílán z původní distribuční CDN přes backendovou streamovanou infrastrukturu a prostřednictvím základní internetové sítě. Datové pakety jsou pak přenášeny z doručovací CDN k uživateli přes místní přístupové sítě, které mohou být tvořeny jak kabelem, DSL (Digital Subscriber Line) a stále častěji optikou až do domu FTTH. Jako přístupové sítě dnes slouží i kapacitně se rozšiřující sítě mobilních operátorů.

Vstup streamovaných paketů do domácnosti zajišťují modemy a routery, často spojené s lokální WIFI, případně ethernetovým rozvodem pro připojení dnes již nejčastěji smart TV přijímače, které mají buď ethernetový nebo WIFI vstup domácí sítě pro multimediální obsah a umožňují prezentaci rozšířených a interaktivních aplikací určených pro provoz na hybridních terminálech, které zahrnují jak připojení v souladu s DVB T/S/C vysíláním, tak širokopásmové připojení k internetu.

Aplikace jsou OTT službou

Současné chytré televizory mají předinstalovány nebo aktualizovány aplikace operátorů, které jsou charakteru OTT služby. Tyto aplikace jsou schopny nahradit některá uživatelská rozhraní terminálu uživatele – televizoru nebo set-top boxu. Rozsah, ve kterém je uživatelské rozhraní terminálu nahrazeno operátorem aplikace závisí na typu aplikace operátora a obchodních modelech operátora a výrobce zařízení. Podmínkou funkčnosti těchto aplikací je vždy existence dvojstranné dohody mezi OTT operátorem a výrobcem zařízení. Určité výsadní postavení v těchto aplikacích má HbbTV –  globální iniciativa pro harmonizování broadcastu a broadbandu –  kde dohodu uzavírá výrobce přijímače s touto asociací po prověření kompatibility s verzí HbbTV specifikace.

Takže HbbTV je službou OTT, jakož i aplikace typu VOYO, HBO MAX či Disney+ nebo i Lepší TV a mnoho dalších. Vždy se jedná o placené služby, a to za obsah a poskytovateli připojení (ISP) za rychlost a objem dat. Zpětný datový kanál je využit nejen pro přepínání mezi požadavky, ale i pro autentifikaci uživatele a pro sběr a analýzu jejich diváckých zvyků. Česká televize své iVysilani nabízí přes internet samozřejmě volně bez registrace, iPrima vyžaduje registraci a pravděpodobně u programů bez reklamy i platby. Ale to jsem nezkoušel.

Spravovaná síť IPTV

Vraťme se ještě k podrobnějšímu popisu řízené IPTV. I když se vzrůstající datovou propustností internetu význam řízených sítí IPTV klesá, vraťme se pro úplnost k její technické charakteristice. Mimo jiné technické rozlišení IPTV, jako „televize přes internetový protokol“, zavedla asociace OIPF (Open Internet Forum), která se v roce 2014 sloučila s iniciativou HbbTV a jejíž specifikace funkční architektury je základem budování sítí pro mediální obsah.

Principiální architektura spravované IPTV sítě

Současné nabídky manažované IPTV v Evropě jsou obvykle poskytovány prostřednictvím internetových služeb poskytovateli (ISP) a využívají jejich IP sítě k doručování televizního obsahu koncovým uživatelům. Tento způsob doručení má mnoho podobností se způsobem doručení OTT, kromě toho, že na rozdíl od unicastu, jsou data směrována přes základní/páteřní sítě IP pouze jednou. Toto je označováno jako multicast IPTV a je jedinečný pro lineárně řízenou IPTV, kdy jeden datový tok dosáhne k více uživatelům.

Vícesměrového vysílání (multicasting) je dosaženo směrováním dat přes internet podle požadavků uživatelů na IPTV kanály. Pokud některé větve sítě nemají žádné uživatele, požadující konkrétní kanály, pak se jejich data neposílají po této větvi. Pouze kanál v příslušném kódování pro požadující zařízení je odeslán přes přístupovou síť do domu uživatele, a pokud se nikdo nedívá, do domácnosti se neodesílají žádná data IPTV. Tato dodávka „poslední míle“ spravované IPTV se chová podobně jako unicast OTT.

Multicastem spravované IPTV lze sledovat pouze pro lineární televizi, nikoli na vyžádání nebo OTT služby. Důvod je dvojí. Za prvé, způsob doručení – jeden k mnoha – by ztížil efektivní poskytování služeb na vyžádání pomocí multicast. Za druhé, obsah IPTV má v rámci sítě určitou „prioritu“, aby bylo možno zajistit konzistentní kvalitu služeb pro diváky, protože multicast prozatím netěží z adaptivní bitové rychlosti jako u OTT, i když příslušný standard DVB-MABR (Multicast Adaptive BitRate) již existuje.

Jakékoli konkrétní kódování lineární IPTV je distribuováno prostřednictvím páteřních IP sítí pouze jednou, bez ohledu na sledovanost každého kanálu. To vede ke zvýšení účinnosti v síti, zvláště když je sledovanost určitého programu vysoká. Celkově vzato, podíl síťového provozu požadovaný pro řízenou IPTV v daném okamžiku je relativně nízký ve srovnání s celkovými objemy dat přenášených prostřednictvím internetových sítí. Například ve Francii může poskytovatel internetových služeb distribuovat více než 500 kanálů při různých přenosových rychlostech a typů kódování, které mohou činit přibližně 10-20 Gbps a jsou odesílány z headendu poskytovatele ISP. Přitom celková data obsluhovaná v páteřní sítí v jakémkoli daném čase mohou být mezi 5-10 Tbps.

Spravovaná IPTV však stále používá k dodání obsahu do domácností přístupové sítě k internetu. Když uživatelé požadují konkrétní kanály, je vyslán přes uplink požadavek, aby kanál byl směrován podél této větve sítě a poté odeslán prostřednictvím přístupové sítě. Z místní přístupové sítě je doručení podobné jako u OTT. Jediný unicast stream dat je odeslán koncovému uživateli.

Řízená IPTV vyžaduje u zákazníka modem/router pro jednotné rozhraní se sítěmi IP a proprietární set-top box k dekódování obsahu pro sledování na klasickém televizoru. To je další rozdíl oproti OTT, který může být zobrazen na širším spektru zařízení. To se však může měnit, když dekódování se stává součástí televizorů. Kromě funkčnosti STB jako dekodéru obsahu jsou však set-top boxy důležitou součást řízeného systému IPTV, a to jak z pohledu produktové nabídky, tak i z hlediska energetické náročnosti. Zaprvé je používají poskytovatelé služeb k „balíčkování“ další placené nabídky, jako jsou předplatné SVOD a transakční video na vyžádání. Do takových set-top boxů může ISP potenciálně integrovat další způsoby doručení, jako je anténní vstup pro DTT pro bezplatný příjem veřejnoprávního vysílání, zatímco placené televizní kanály jsou poskytovány prostřednictvím spravované IPTV. Další možnosti s nativními aplikacemi operátorů (viz výše) v těchto STB by mohlo umožnit přístup ke službám OTT, jako jsou Netflix, VOYO nebo Disney. Problémem zde asi budou náklady na tyto aplikace a jejich údržba v případě výměny těchto jednoúčelových zařízení.

Jaký je výhled IPTV / OTT služeb?

Další rozvoj spravovaných sítí směrem naznačeným v předchozím odstavci asi nebude pokračovat. Typickým představitelem spravované IPTV u nás je O2 TV. Jako provozovatelé mobilní sítě jdou současně cestou OTT služeb. Obecně je snaha snižovat náklady na výrobu IPTV STB náhradou podmíněného přístupu moduly pro správu digitálních práv (DRM) a složité (drahé) čipsety nahrazovat univerzálnějšími a levnějšími. Je také třeba vzít v úvahu, že ekosystém OTT neustále prochází inovacemi, takže poskytování služeb ve stejném formátu umožňuje poskytovatelům udržovat své nabídky aktuální bez vlastního vývoje v softwarovém balíku IPTV. Dalším příkladem je i satelitní operátor Skylink, který se již dohodl s jedním výrobcem TV přijímačů o aplikaci na bázi HbbTV OpsApp, jak jsme o tom psali zde. Vzhledem k podstatné výhodě garantované kvality se tak renesance spravované IP sítě s inovovanou architekturou dá očekávat až s masivním nástupem 5G Broadcast v dlouhodobém horizontu.

Watching tv photo created by DCStudio – www.freepik.com