ATSC 3.0 - стандарт ТВ нового поколения

Тестовое вещание стартовало в начале апреля 2018 года.

Американский стандарт ATSC 3.0 разработан на смену стандарту цифрового эфирного ТВ первого поколения ATSC 1.0. Вторая его версия, ATSC 2.0, создававшаяся для добавления интерактивных функций и мобильного приема, успела устареть еще до появления на свет.

В процессе ее разработки стало понятно, что требуется более радикальное обновление стандарта эфирного телевидения. В результате появилась система, которую в американских изданиях называют не иначе как «телевидением нового поколения» (Next generation TV). И не без оснований.

Разработчики ATCS 3.0 постарались создать комплексную систему, которая бы оптимально решала задачи вещателей и была конкурентной в условиях тотального распространения интернет-медиаплатформ. Чтобы не быть вытесненным на задворки истории телевидения она должна предоставлять те же бизнес-возможности, что и веб-платформы, и органично использовать общеиндустриальные технологии.

Стандарт также должен был оптимизировать загрузку эфирного спектра и учитывать, что телевидение сегодня транслируется на разные устройства - от UHD-экранов до портативных и карманных приемников.

Более предметно от стандарта требовалось:

- Сочетание традиционного вещания с IP-программированием.

- Инфраструктура формирования и доставки сигнала, базирующаяся на IP-технологиях.

- Эффективное использование эфирного спектра за счет оптимизации компрессии, мультиплексирования и выбора систем модуляции.

- Возможность мобильного приема, в том числе в движущемся транспорте.

- Передача видео форматов 4К HDR с расширенной цветовой гаммой.

- Передача иммерсивного 3D-звука и Dolby AC-4.

- Возможность динамической вставки рекламы, ориентированной на разные зрительские сегменты и географические зоны.

- Предоставление интерактивных услуг, в том числе с использованием второго экрана.

- Сбор информации о просмотре.

Все перечисленное нашло отражение в 19 спецификациях, последняя из которых, регламентирующая методы защиты передаваемого контента, была закончена в январе 2018 года. Четыре спецификации описывают РЧ-уровень, а остальные 15 - протоколы более высокого уровня, включая прикладной, в том числе реализацию VOD, PPV, систему экстренных сообщений и наложение водяных знаков с сигнализацией. Мощная прикладная надстройка над транспортными протоколами типична для американских стандартов, но и в США отмечают, что многое из заложенного в ATCS 3.0 основной массе потребителей пока не нужно.

Рассмотрим основные особенности нового стандарта.

В ATSC 3.0 отказались от восьмиуровневой амплитудной модуляции с частично подавленной несущей и боковой полосой (8-VSB) в пользу COFDM/QAM с LDCP. 8-VSB был в свое время выбран из-за выигрыша в 3 дБ в пороговом значении С/N относительно системы модуляции и помехозащиты, принятой в DVB-T. Но вскоре выяснилось, что недостатки амплитудной модуляции не перевешивают этого преимущества. Она непригодна для приема на движущиеся приемники, для которых порог С/N наиболее критичен. Кроме того, она не защищена от помех многолучевого распространения и создает взаимные помехи с аналоговым ТВ.

С тех пор появилась вторая версия европейского стандарта, DVB-T2, в которой заложены схемы модуляции и помехоустойчивого кодирования, близкие к теоретическому пределу эффективности использования спектра. Поэтому неудивительно, что в ATSC 3.0 принята та же система COFDM и помехоустойчивое кодирование LDPС. Только вместо QAM, используемой в DVB-T2, американский стандарт предусматривает более сложную, неоднородную модуляцию. Она усложняет модулятор, но позволяет принимать сигнал с несколько более низким уровнем SNR и обеспечивает еще более широкий спектр опций. В стандартной полосе 6 МГц ATSC 3.0 позволяет передавать до 57 Мбит/сек, что примерно на треть больше, чем в DVB-T2 (50 Мбит/сек в 8 МГц), и в три раза больше, чем в ATCS 1.0. Одновременно в самом помехоустойчивом режиме, предназначенном для приема на ручные носимые устройства внутри здания, прием возможен при отрицательном CNR -1.3 дБ. Но скорость передачи в этом режиме составит всего 590 кбит/с.

Так же, как и в DVB-T2, в сигнале ATCS 3.0 могут выделяться транспортные трубы PLP (physical layer pipes), которые могут различаться типом модуляции и уровнями помехоустойчивого кодирования. Но в DVB-T2 трубы мультиплексируются только по времени (каждая из них занимает несколько временных слотов в кадре (см. рис. 1), а после обратного преобразования Фурье распределяются по разным OFDM-поднесущим.

В ATCS 3.0 к этому добавляется еще и возможность уплотнения труб по энергетическим уровням. Уплотненный поток представляет собой многоярусную конструкцию. Каждый сигнал занимает определенный энергетический диапазон (ярус). Приемник сначала декодирует верхний ярус, для которого остальные сигналы являются шумом, затем вычитает этот декодированный сигнал из суммарного и при необходимости переходит к следующему ярусу.

Этот принцип уже реализован в ресиверах, используемых для приема трансляций ATCS 3.0 в Южной Корее. По оценкам корейского исследовательского института электроники и телекоммуникаций ETRI, в плане объема вычислений такой прием сложнее традиционного менее чем на 10%. Энергетическое уплотнение позволяет передавать часть уплотняемых информации потоков с более устойчивыми режимами модуляции и помехозащитным кодированием с большей избыточностью. Это дает выигрыш в SNR (сигнал/шум) примерно в 4-6 дБ в гауссовском канале и еще более значительный при мобильном приеме и в случае переотражений.

Подобная система приема сигнала предлагается и для технологии WiB (Wide Band), которую некоторые рассматривают в качестве претендента на стандарт DVB-T3. Однако в действующих вещательных стандартах такого механизма нет.

Как и в DVB-T2, в новом американском стандарте на физическом уровне трансляция ведется в формате кадров, но их структура различается. Кадр ATCS 3.0, помимо преамбулы и подкадров с данными, включает еще и предваряющий преамбулу компонент под названием Bootstrap (загрузка). Эта часть кадра передается с самом помехоустойчивом режиме - порог ее приема в гауссовском канале -10 дБ. Она, в частности, содержит информацию, необходимую для синхронизации приемника и демодуляции преамбулы. А в преамбуле, в свою очередь, передается информация, необходимая для декодирования подфреймов с данными.

На первый взгляд Bootstrap может показаться избыточным компонентом, однако он несет информацию о характере последующего кадра. Это дает возможность в перспективе поменять протокол передачи и сообщить об этом приемнику. Примечательно, что сигнал Bootstrap занимает не 6 МГц, как остальная часть кадра ATSС 3.0, а 4,5 МГц, то есть он может быть передан и по другим сетям. Строго говоря, Bootstrap это отдельный стандарт, который может использоваться для информирования разных приемников о формате поступающего сигнала. Смогут ли эксплуатируемые приемники перестроиться для приема нового формата, зависит от их программно-аппаратной начинки, а также от характера изменений формата, но возможность информировать об изменении заложена. Кроме того, Bootstrap может удаленно включать приемник для передачи экстренных сообщений.

ATCS 3.0 поддерживает как традиционные видеоформаты, чересстрочной SD- и HD-видео, так и видео с прогрессивной разверткой до разрешения 4К. Все форматы кодируются в HEVC, но только вариант с прогрессивной разверткой допускает использование разных версий HDR, расширенную цветовую гамму и скорость передачи кадров до 120 fps.

Для сжатия звука в стандарт включено два кодека: Dolby AC4 и недавно появившийся MPEG-H, рассмотренный в материале на стр. 50 данного номера. Dolby AC 4 выбран в качестве национального стандарта в США, а в Южной Корее, где ATSC 3.0 был внедрен раньше, чем в США, предпочли MPEG-H.

С мыслью о доставке сигнала на разные экраны ATCS 3.0 были включены две опции.

Во-первых, масштабируемое видеокодирование (Scalable Video Coding, SVC), позволяющее передавать в одном потоке видео, компрессированное в разном качестве. Другими словами, формируется базовый поток, к которому добавляется несколько дополнительных с улучшающими данными.

Во-вторых, добавлена опция мультивидового кодирования (Multi-View-Coding), то есть компрессия, сжатие сигнала от камер, снимающих сюжет с разных точек. Она используется для передачи панорамного видео.

Разработчики ATCS 3.0 целенаправленно старались уйти от узкоотраслевых технологий, характерных для предыдущего стандарта, таких как транспортные пакеты MPEG-2 и ASI-интерфейсы, и, напротив, использовать IP, HTML5, Java Script. Стек протоколов ATSC 3.0 показан на рис. 3. На физическом уровне уйти от вещательных технологий невозможно, но уже на канальном уровне в ATCS 3.0 добавлен слой ALP, позволяющий дальше применять протоколы IP-стека. Это должно упростить доставку сигнала ATCS 3.0 на устройства, предназначенные для приема из IP-среды. Один из вариантов доставки эфирного сигнала - на IP-устройства через домашний приемник-шлюз с эфирным тюнером. Такие приемники-шлюзы, обслуживающие домашнюю сеть в США, широко распространены. Эти устройства могут кэшировать получаемый контент, что позволяет использовать их, например, для персонализированной вставки рекламы.

Разработчики ATSC 3.0 полностью отказались от MPEG-2-транспорта в пользу IP-пакетов. В DVB-стандартах второго поколения также есть возможность заменить MPEG-2 TS на IP. Этот протокол получил название DVB-GSE (Generic Stream Encapsiulatation). Он используется в спутниковой связи, но никак не является основным для вещательного применения.

А вот в ATCS 3.0 IP-пакеты - единственный вариант транспортных контейнеров. Стек протоколов, заложенных в стандарт, показан на рисунке 3. Как можно видеть, он состоит из двух частей - Broadcast (вещание) и Broadband (ШПД).

Наличие двух стеков делает структуру ATCS 3.0 похожей, c одной стороны, на LTE Broadcast, а с другой - на HbbTV.

Оба стека имеют два общих слоя - IP-транспорт и слой приложений. Правая часть, Broadband, представляет собой стандартный стек TCP/IP, для unicast-передачи. Он предназначен для доставки персонифицированных услуг.

Левая часть диаграммы - Broadcast - включает ряд протоколов, недавно разработанных для решения новых задач.

Вещание реализуется по стандартному протоколу UDP, поверх которого могут использоваться два более новых протокола - MMTP и ROUTE.

MMTP расшифровывается как MPEG Media Transport Protocol. Он был разработан консорциумом MPEG на замену MPEG-2 и входит в состав нового стандарта MPEG-H. Под буквой H в названии стандарта скрывается фраза «high efficiency coding and media delivery in heterogeneous environments», которую можно перевести как «высоко эффективное кодирование и доставка медиа в гетерогенной среде распространения».

Пакеты MPEG-2 TS разрабатывались для вещательной среды и передачи по цифровым сетям АТМ. Они имеют фиксированную длину, не оптимизированную для инкапсуляции в IP-пакеты. Кроме того, они слишком малы для видео 4К/8К-форматов и уж совсем не приспособлены для передачи добавочных слоев, появляющихся в SVC- и MVC-форматах. Пакеты MPEG-2 включают помехозащиту, достаточную для надежных вещательных и АТМ-сетей, но слишком слабую для гетерогенной IP-среды. Все эти вопросы решаются в рамках нового формата.

Заметим только, что MMTP скомпилирован и на базе общеотраслевых форматов. В частности, в качестве контейнера для передачи видео, аудио и субтитров MPU (media Processing Unit) выбран ISO Base Media File Format. Он же как вариант заложен в основные стриминговые форматы и лежит в основе медиаконтейнеров для LTE - 3 GPP и 3GPP2.

Что касается ROUTE, то это версия протокола FLUTE, предназначенного для доставки карусели файлов по сетям IP-multicast. В ATCS 3.0 ROUTE добавили в первую очередь для передачи пакетов адаптивного стриминга MPEG-DASH.

Выше уровня транспортных протоколов и HTTP proxy размещаются декодеры видео и аудио, системы сигнализации и оповещения, триггеры событий и модуль асинхронного приема файлов с метаданными приложений.

Функционал ATSC 3.0 позволяет реализовать тот же спектр приложений, что и европейская технология HbbTV 2.0. Но дополнительно к этому в стандарт включены механизмы передачи экстренных сообщений и сбора информации о потреблении контента.

Из базовых приложений можно отметить более продвинутый вариант EPG, заложенный в ATSC 3.0 Помимо кратких текстовых описаний программы, он позволяет передавать картинки, клипы.

Транспортные форматы кабельного и спутникового телевидения не приспособлены для передачи сигнализации в таком же объеме. Поэтому в ATCS 3.0 предусмотрена возможность наложения на видео и аудио водяных знаков, информирующих приемник о том, где и когда надо запросить дополнительные данные через Интернет. Формат водяных знаков позволяет делать это с покадровой точностью.

Уровень приложений в верхней части диаграммы реализуется одинаково вне зависимости от протоколов нижнего уровня. Другими словами, интерфейс пользователя и формат предоставления услуги не зависит от технологии доставки.

А включение в стек HTML5, CSS и JavaScript позволяет вещателям делать приложения в формате стандартных веб-страниц. Они могут воспроизводиться на разных устройствах и органично встраиваются в инфраструктуру управления услугами в гетерогенной среде.

Хотя стандарт разработан американским комитетом ATSC (Advanced Television Systems Committee), первое внедрение он получил в Южной Корее. Он был объявлен национальным стандартом применительно к UHD-вещанию, которое было запущено в конце мая 2017 года в Сеуле и Инчхоне. Это позволило проверить работу всей инфраструктуры до начала зимних Олимпийский игр - 2018. Телевизоры с тюнерами ATCS 3.0 на корейский рынок поставляет только компания LG Electronics. Другой вариант приема - с помощью донглов, выпускаемых институтом ETRI.

Вещатели США, напротив, выбрали неспешную стратегию внедрения нового стандарта.

Пока выделено два города для запуска тестового вещания - Финикс (Аризона) и Даллас (Техас).

Но как будет проходить массовый переход с одного стандарта на другой, пока не очень понятно. Выделять дополнительный частотный ресурс каждому вещателю, желающему запустить трансляции в новом формате, не планируется. Вещателям предложено кооперироваться и работать с совместных передатчиков. А по мере снижения популярности старого стандарта - напротив, концентрировать на общих передатчиках оставшиеся трансляции в ATSC 1.0. В условиях дефицита спектра такой подход может столкнуться со сложностями. Сам вопрос, когда переходить на новый стандарт и переходить ли вообще, оставлен на усмотрение вещателей. Единственное требование - сохранить трансляции ATSC 1.0 как минимум до 2023 года.

Тестовое вещание в Финиксе стартовало в начале апреля 2018 года. Компания LG Electronics, а за ней Sony и Samsung высказали готовность в той или иной форме участвовать в этом тестовом проекте. Правда, информации о том, что они подготовили телевизоры с тюнерами ATCS 3.0 для американского рынка, пока нет. Если при переходе на цифровое телевидение Федеральная комиссия по связи (FCC) требовала от производителей в обязательном порядке поставлять на рынок телевизоры с цифровыми тюнерами, то в отношении тюнеров ATSC 3.0 такого требования нет.

ATCS 3.0 задуман как стандарт, конкурирующий с LTE- и ОТТ-технологиями, но чем дольше он будет внедряться, тем меньший объем рынка ему достанется в условиях жесткой технологической конкуренции.