: архив : архив журнала "625" : 2001 : #2

"ТВ-Информ" - цифровая система передачи информации
Леонид Чирков

В первом номере журнала "625" за 2001 г. мы сообщили о присуждении Государственной премии РФ в области науки и техники за разработку и внедрение цифровой системы передачи дополнительной информации для сетей общего и специального назначения (система "ТВ-Информ"). Лауреатами премии стали Ю. Б. Зубарев, Ю. М. Боловинцев, М. И. Кривошеев, – сотрудники НИИ Радио; С. В. Глубоков из Минсвязи; Ю. А. Прокофьев, В. К. Сарьян – АОЗТ "ТВ-Информ"; А. В. Овсянников из ВЦ МВД РФ; А. М. Мушкин – машиностроительный завод "Молния".

Последнее десятилетие ушедшего века отмечено глобальной информатизацией, охватившей весь цивилизованный мир. Этот исторически важный процесс сдерживался, да и ныне сдерживается состоянием каналов передачи данных. Старые сети не справляются с нагрузками, создание новых сопряжено с большими капитальными затратами. Это общие трудности. В нашей стране, по объективным причинам, они, быть может, несколько острее, чем, например, в Западной Европе или Северной Америке. Авторским коллективом, представленным выше, было предложено воспользоваться для передачи данных телевизионными каналами. Надо сразу же подчеркнуть, что в этой системе впервые в мировой практике удалось использовать, причем полностью, конструкционную избыточность ТВ-сигнала.

Основные работы по внедрению системы "ТВ-Информ" были выполнены в 1992…1999 гг. Исследования и опытно-конструкторские разработки были начаты примерно на семь лет раньше. Главной целью стало создание в России общегосударственной системы связи двойного назначения на базе каналов передачи дополнительной информации в сетях распределения телевизионных программ. Циркулярная информация в цифровом представлении выводится из традиционных сетей передачи данных и поступает в системы распределения ТВ-программ. При этом принимаются меры для повышения пропускной способности общей сети передачи данных путем перераспределения циркулярных информационных потоков. В мировой практике такая задача в государственном масштабе была поставлена и решена впервые.

Особенности

Географические особенности России (размеры и большое число регионов с очень низкой плотностью населения) предопределили недостаточное для огромной страны развитие телефонной сети. Развитие телефонных линий, к тому же, сдерживалось рядом объективных факторов, в частности, уровнем бюджетного финансирования телефонии, неадекватным новым задачам. Так, телефонная сеть страны была недостаточно широкой и густой. Наша страна объективно не располагала достаточным ресурсом, чтобы ориентировать сети передачи данных (даже узкополосные) на существовавшие к тому времени аналоговые сети. Поневоле приходилось уделять основное внимание созданию новых цифровых сетей. Но это путь, связанный с большими капитальными вложениями. На рис. 1 представлены некоторые исходные проблемы и конечная цель разработки и внедрения системы "ТВ-Информ".

Рис. 1 Проблемы и цели создания системы "ТВ Информ"

С другой стороны, уже к началу 1990 гг. Россия располагала развитой сетью распределения ТВ-программ. Охват населения двумя общесоюзными программами приближался к 100%. Сейчас охват двумя общефедеральными и одной региональной или местной ТВ-программой достигает 99,8%. Но во многих городах населению предлагается до пяти и более каналов. Не будет преувеличением сказать, что сеть распределения телевизионных программ России, несомненно, самая крупная и развитая в мире. Более того, российское телевидение можно принимать во многих странах мира. Все это создает уникальные условия для развития наложенных цифровых сетей передачи дополнительной информации и данных по сетям распределения ТВ-каналов. Телевидение – наиболее надежное средство передачи информации.

Ориентиры

Известные к концу 1980 гг. методы передачи в составе ТВ-сигнала дополнительной информации не отвечали требованиям к каналам передачи данных и не были достаточно надежными и достоверными. Для создания новой наложенной сети необходимо было решить ряд задач. Например, простота подключения абонента к сетям системы. В "ТВ-Информ" подключение сведено к простой операции установки у будущего абонента приемника (платы расширения) и бытовой телеантенны, если ее до этого не было. Система должна быть настолько разветвленной, чтобы абонентом мог стать любой житель России и других стран мира. Не менее важна инвариантность сети. Под этим следует понимать одинаково высокие качество и надежность приема по всей территории страны, на всех участках разветвленной сети распределения ТВ-программ. С этим требованием перекликается и требование доступности. Оно, в сущности, означает, что каждому жителю страны, где бы он ни проживал, гарантирован доступ к ТВ-программам и дополнительной информации и их достаточно высокое качество. Доступность распространяется и на жителей любой страны мира, где работают российские космические средства распределения и подачи ТВ-программ. Система "ТВ-Информ" удовлетворяет такому требованию.

Кроме того, в проект системы был заложен высокий показатель по скорости развертывания – не более месяца на развертывание сети любой конфигурации с любым числом абонентов. Перечисленные требования (рис. 2) – хорошие ориентиры совершенной системы передачи данных. Нельзя забывать и о перспективе. Если в настоящее время речь идет о передаче данных в составе стандартных сигналов цветного аналогового вещания, то в будущем можно говорить о цифровом телевидении и телевидении высокой четкости.

Рис. 2 Технические ориентиры системы "ТВ-Информ"

Можно утверждать, что использование наложенной сети передачи данных по каналам распределения ТВ-программ влечет громадный технико-экономический и социальный эффект. Для России выгоды, которые сулит такая система, особенно важны. Вместе с тем нельзя упускать из вида и общемировое решение такой задачи. Действительно, во всех странах телевидение давно стало существенной частью национальных систем доставки информации. Капитальные затраты на строительство новых сетей передачи данных – достаточно тяжелое бремя даже для самых богатых стран, например, США. Поэтому уникальные разработки российских специалистов могут найти применение и за рубежом.

Заботой разработчиков стала и система автоматического заполнения дополнительной информацией всего частотного спектра ТВ-каналов в перерывах вещания. Это вопрос рационального использования ресурсов телевизионных каналов как транспортных линий передачи данных. Отдельная задача – оптимальное сопряжение новой наложенной сети с существующими сетями передачи данных. Часть этой задачи – всестороннее изучение топологии существующих в стране сетей передачи данных и сетей распределения ТВ-программ, причем с перспективой на будущее.

Сети распределения ТВ

Современные сети распределения ТВ-программ формируются на базе самых различных каналов связи: спутниковых или радиорелейных линий, кабельных сетей, междугородних кабельных каналов связи, в том числе и оптоволоконных. Важной частью сети распределения ТВ-программ остаются передатчики, ретрансляторы, системы коллективного приема и непосредственного спутникового вещания. Поэтому к каждому пользователю ТВ-программа может поступить через самые различные сочетания фрагментов сети распределения. Следствием обширной территории страны стали шесть иерархических уровней сети распределения программ: глобальный, федеральный, межрегиональный, региональный, местный и локальный. Современная сеть распределения ТВ-программ доносит до телезрителей не менее трех общефедеральных программ и не менее одной региональной, республиканской или областной программы. Жители больших городов, кроме этого, принимают еще несколько местных и локальных программ. Надо сказать, что в последние годы у нас быстро росло число ТВ-программ наземного вещания, и сейчас во многих городах практически исчерпаны частотные ресурсы. Достаточно быстро растет и число абонентов непосредственного спутникового вещания, что также следует отнести к факторам, благоприятствующим созданию наложенной системы передачи дополнительной информации по ТВ-сети.

Быстро развивается и сеть обратных каналов, обеспечивающих связь регионов с Москвой и/или между собой. Такие сети используются для оперативного освещения событий в регионах или межрегионального обмена информацией. Все шире применяются и мобильные спутниковые передающие системы. Их работа особенно важна при подготовке новостей непосредственно из "горячих" точек страны и мира. В связи с этим надо вспомнить и о международной телевизионной компании "Мир", обеспечивающей интерактивный обмен программами между странами СНГ. Иными словами, существующие в России сети распределения телевизионных программ вполне подготовлены не только к циркулярной передаче дополнительной информации из единого центра, но и способны поддерживать двухсторонний информационный обмен.

Первый этап

Как сказано выше, первыми шагами в решении задачи создания наложенной сети передачи данных на базе каналов сети распределения ТВ-программ являются: взаимодействие создаваемой сети с существующими сетями данных и обеспечение инвариантности. Новая сеть должна обеспечить достоверность не хуже достигаемой в оптоволоконных кабелях. Появление и наращивание числа обратных каналов, а также рациональное использование существующих каналов передачи данных позволило подойти к решению еще одной проблемы – обеспечению интерактивности. Эффективная циркулярно-адресная передача дополнительной информации принципиально требует, чтобы число индивидуальных адресов в системе превышало число абонентов традиционных сетей связи. И еще одно важное требование – технико-организационное единство каналов передачи дополнительной информации при всех вариантах эксплуатации и, конечно, при замещении аналогового телевидения цифровым.

В традиционных сетях передачи данных России была сформирована единая трехуровневая система адресации, предусматривающая следующие режимы: "точка-точка", "точка-многоточие", "магистраль". Эти режимы применяются во всех существующих сетях передачи данных. Они должны быть распространены и на "ТВ-Информ". Так, систему "ТВ-Информ" можно оптимально вписать в существующие сети только при их стыковке на транспортном (физическом) уровне. Это необходимое условие совместимости "ТВ-Информ" с любыми действующими сетями передачи данных без требований существенного изменения передающих программно-аппаратных комплексов сопрягаемых систем. Именно это направление и стало на первом этапе главным для проектировщиков системы.

Проблема практической интеграции сетей была подвергнута тщательной проработке. Результаты исследований стали вкладом российских ученых в работу Международного Союза Электросвязи (МСЭ). В марте 1998 г. МСЭ принял две рекомендации по техническим характеристикам обратных интерактивных каналов для телевизионного вещания, которые стали, таким образом, международными стандартами. Это Рекомендация J.112 "Система передачи для интерактивных систем кабельного телевидения" и Рекомендация J.113 "Интерактивный канал цифрового вещания на основе коммутируемой телефонной сети общего пользования и цифровой сети с интеграцией служб". Эти рекомендации, принятые по результатам отечественных исследований и разработок, координировали усилия специалистов всего мира по созданию интерактивных систем передачи данных, в том числе, на базе систем распределения ТВ-программ.

Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ стали основой темы "Разработка концепции построения Единой сети документальной электросвязи в РФ". Работа выполнялась по заданию Министерства связи и информатизации РФ. Наложенную сеть на основе системы "ТВ-Информ" можно использовать в нескольких базовых вариантах, топология которых была разработана авторами. В эти варианты хорошо вписываются абоненты сотовых и транкинговых сетей, а также приемо-передающих терминалов спутниковых систем связи.

Решения

Тема ограниченного доступа – одна из важных, особенно применительно к сетям специального назначения. В рамках проекта "ТВ-Информ" были разработаны новые оригинальные методы ограничения доступа. Так что конфиденциальность сообщений в специальных версиях системы "ТВ-Информ" для корпоративных сетей можно считать надежно обеспеченной.

Создание двунаправленной (интерактивной) системы передачи информации потребовало достаточно масштабных исследований и экспериментальных проверок. Многочисленные альтернативные предложения по интерактивности обсуждаются до сих пор. Тем не менее, полезные решения найдены. Предложены и реализованы два варианта двунаправленной системы передачи информации с асимметричными (ДАСПИ) и симметричными (ДССПИ) каналами. В настоящее время в ряде регионов страны внедряется комплексная система документальной электросвязи (ДЭС) с использованием каналов "ТВ-Информ", где совместно используются симплексные каналы "ТВ-Информ" и дуплексные каналы традиционных сетей передачи данных.

Принципиально новыми разработками, защищенными рядом патентов, являются методы уплотнения телевизионных сигналов дополнительной информацией. Как и в системах сжатия видеосигналов, уплотнение идет за счет структурной избыточности телевизионных сигналов. Однако процесс интегрирования в ТВ-сигналы дополнительной информации не должен создавать помех, заметных телезрителю.

Результаты выполненных работ впечатляют. В системе "ТВ-Информ" впервые в мировой практике удалось на 80%, по сравнению с системой "Телетекст", повысить скорость передачи дополнительной информации. Это удалось сделать за счет использования не только полных строк интервалов гашения полей, но и строк с уравнивающими импульсами. Была улучшена битовая и байтовая синхронизации.

В системах типа "Телетекст" решаются исключительно вещательные задачи. Перед "ТВ-Информ" поставлена принципиально иная задача – передачи информации в одноразовом режиме. Таким образом решались не вещательные задачи, а задачи связи. При этом ТВ-каналу присваивались новые функции – распределения информационных потоков различным пользователям при временном уплотнении передаваемой информации. Условия передачи информации любого бинарного вида и вида текстовых файлов должны быть приемлемы для любого пользователя. Для этого необходимо обеспечить достаточно высокие показатели надежности доставки информации. Разработчикам удалось уменьшить число ошибок до одной на 10 млрд. символов. И это достигнуто при скорости передачи 200 кбит/с в составе ТВ-сигнала и при скорости 6 Мбит/с в случае полного замещения ТВ-сигнала (отсутствия вещательного сигнала). Таких высоких показателей еще никто не достигал! Поэтому с полным правом можно утверждать, что в системе "ТВ-Информ" реализован новый принцип передачи дополнительной информации в составе сигналов изображения.

Проекты и применения

Для реализации различных направлений применения системы "ТВ-Информ" в 1992 г. было создано АОЗТ "ТВ-Информ". Формирование новой системы передачи данных наиболее естественно начинать с создания приемо-передающего комплекса. Этот комплекс изначально ориентирован на интеграцию c цифровыми ТВ-каналами при постепенном или одновременном переходе на цифровое вещание. Итак, аппаратно-программный комплекс системы "ТВ-Информ" располагает всеми необходимыми интерфейсными возможностями для непосредственного подключения к оборудованию (кодекам) цифрового тракта, либо канальным мультиплексорам. Это серверы, формирователи потоков информации, программные средства выделения потоков информации. Систему можно легко адаптировать к различным режимам ввода дополнительной информации. Такая возможность, в частности, допускает быстрое внедрение системы "ТВ-Информ" на каналах телевидения высокой четкости.

"ТВ-Информ" использует один носитель – ТВ-сигнал. А это хороший фундамент для реализации сквозного канала передачи информации. Сквозной канал организован так, что по нему могут передаваться не только данные в виде файловых структур, но и синхронные данные, например, для передачи в синхронном режиме метеокарт. Иными словами, в этом случае в одном изображении-носителе передается второе изображение. Необходимость передачи синхронных данных возникает достаточно часто. Именно так решены, в частности, вопросы адресного распределения информации, распределения информации по классификационным признакам, организации дистанционной подписки и многое другое.

Заслуживают упоминания и типовые варианты применения системы "ТВ-Информ", которые стали темой специальных разработок. Так, была выявлена доля и значимость циркулярной информации в сетях передачи данных при решении информационных, управленческих, образовательных и других народно-хозяйственных задач. Исследования структуры трафика в сети передачи данных выявили место актуализированной информации, предназначенной для циркулярного распространения. Установлено также, что большую часть актуализированной информации создают корпоративные сети. Уже первые результаты практического освоения системы "ТВ-Информ", для которой оптимальным является режим "точка-многоточие", показали ее особое место в сети передачи данных. К такой системе явно тяготеют источники циркулярной информации, а именно информационные агентства, министерства и ведомства и т.п. Вывод: система "ТВ-Информ" позволяет оптимизировать информационные потоки корпоративных сетей на внутреннем и внешнем уровнях.

Если в традиционных сетях связи заметны периодические пиковые нагрузки, то в системе "ТВ-Информ" они практически отсутствуют (рис.4).

Рис. 4 Информационный эффект АОЗТ "ТВ-Информ"

АОЗТ "ТВ-Информ" было создано в 1992 г. и развивалось без каких-либо государственных кредитов. Учредители – крупные операторы связи ОАО "Ростелеком" и Главный центр радио и телевизионного вещания, а также Федеральное унитарное предприятие НИИ Радио. Предприятие объединяет во многом разнородные функции разработчика аппаратуры, ее производителя и оператора связи. Такая "многостаночность" была идеей основных авторов системы "ТВ-Информ". Идеей, быть может, весьма спорной, но на поверку оказавшейся жизнестойкой и плодотворной. Еще одна заслуга авторов – точное определение сектора телекоммуникационного рынка, который следовало занять. Традиционно слабым местом наших проектов, часто оригинальных и конкурентоспособных, была и остается их правовая защита. Из-за хронической слабости правовой защиты наша страна, зачастую, несет колоссальные убытки. С системой "ТВ-Информ" и в этом смысле все в порядке: пять патентов, разработка и внедрение Государственного стандарта "Система "ТВ-Информ", вклады в рекомендации МСЭ, многочисленные публикации, которые, наряду с патентами, удостоверяют приоритет России.

Для системы "ТВ-Информ" необходимо было разработать и внедрить специальные технические принципы функционирования. С этой целью АОЗТ разработало четырехуровневую систему управления, создало сеть гарантийного и послегарантийного обслуживания абонентов федеральных сетей "ТВ-Информ", а также сети регионального, местного и локального уровней. Сотрудники обслуживающей сети прошли обучение в АОЗТ "ТВ-Информ".

На рис. 5 представлена схема включения сетей "ТВ-Информ" в сети распространения ТВ-программ. Как обычно, сигнал с телестудии поступает в главный центр управления междугородней связи – ГЦУ МС. В состав аппаратной ГЦУ МС вводится аппаратная системы "ТВ-Информ" с коммутационно-передающим комплексом. Сюда подаются ТВ-сигнал и информация от клиента (рис. 5а). После соответствующей обработки смешанный сигнал ТВ + "ТВ-Информ" выводится в аппаратную ГЦУ МС, которая подключает его к требуемому каналу системы распределения ТВ. Это может быть эфирный, кабельный, спутниковый канал. Схема прохождения поступающих сигналов в аппаратной "ТВ-Информ" поясняется рис. 5б. Цифровая информация от клиента вводится в сервер. Сервер накапливает поступающую информацию и отмеренными порциями отправляет на передатчик в одном из оговоренных режимов (реального времени, по расписанию с привязкой к местному времени или экстренной передачи). Эти порции вводятся в интервалы гасящих и уравнивающих импульсов. На этот же передатчик поступает и сигнал телестудии. Затем смешанный сигнал проходит через устройство ввода и гашения сигнала и блок общего контроля. Задача системы контроля – отследить возможные искажения ТВ-сигнала дополнительной информацией. Если такие искажения выявлены, блок общего контроля отключает цепь ввода дополнительной информации, радикально устраняя помеху. ТВ-сигнал в этом случае напрямую проходит через аппаратную ГЦУ МС. Этим гарантирована прозрачность канала по ТВ-сигналу при случайных перегрузках дополнительной информацией.

Рис. 5 Подключение "ТВ-Информ" к ТВ каналу

Разработка, внедрение, развитие и обслуживание сетей "ТВ-Информ" опирались на экономико-эксплуатационные принципы, главным тезисом которых стало положение о высокой технико-экономической эффективности сетей "ТВ-Информ", полностью подтвержденное практикой. Чтобы создать высокоскоростную и надежную сеть передачи данных, достаточно установить коммутационно-передающие центры на всей территории страны. Они должны размещаться в центрах управления междугородними связями Ростелекома. Абонентов достаточно обеспечить соответствующими абонентскими приемниками (платами расширения). Не вызывает затруднений также быстрое, одновременное, независимое, но согласованное развитие сетей "ТВ-Информ" в различных регионах страны (естественно, опираясь на службы связи). По материально-техническим затратам альтернативы "ТВ-Информ", фактически, нет. Затраты на создание сети в расчете на одного абонента в сетях "ТВ-Информ" ниже в 15 раз для городского и в 40 раз для сельского жителя, чем в традиционных сетях. Нет сомнений и в возможности быстрого развертывания сетей "ТВ-Информ" любого уровня. Важно и отсутствие каких-либо региональных ограничений на развертывание сети. Более того, в ряде случаев сети "ТВ-Информ" являются единственным средством доставки информации и данных.

По мере развития АОЗТ "ТВ-Информ" были определены новые экономико-организационные основы взаимоотношений операторов связи системы "ТВ-Информ" с абонентскими сетями. Впервые коммерческая передача данных стала осуществляться по вещательным сетям общего пользования. А это означает, что необходимо правильно определить место новой услуги на информационном рынке страны. Без этого трудно в полной мере использовать возможности передачи данных по технологии сетей "ТВ-Информ" и учесть потребности в услугах подобного рода, как, впрочем, и предложения других операторов связи. Нельзя обойти и сложившуюся организационно-юридическую практику и финансовые взаимоотношения между субъектами этого рынка. Именно на этой основе были заключены соответствующие соглашения.

Следует подчеркнуть, что очевидные организационно-экономические преимущества системы "ТВ-Информ" позволили установить низкие тарифы на передачу информации, а это залог быстрого расширения системы. Но главным результатом проведенной работы стало предложение информационных услуг, в том числе таких, которые другим операторам связи или не по силам из-за иных технологических решений, или просто невыгодны. Эффективность внедрения технологии "ТВ-Информ" проявляется, в первую очередь, в основной деятельности абонентов сети. В то же время, по многим позициям рост эффективности деятельности абонентов сети оценить непосредственно в рублях невозможно.

Итоги

Переход от лабораторных исследований той или иной проблемы и опытно-конструкторских испытаний к решению системообразующих, производственных, маркетинговых и других задач всегда труден. Для системы "ТВ-Информ" таким переходным моментом стал 1993 г. Перенос центра тяжести с научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских испытаний на конструирование и налаживание серийного выпуска приемо-передающего комплекса системы "ТВ-Информ" осуществили ПО "Машиностроительный завод "Молния" и АОЗТ "ТВ-Информ". Изначально система "ТВ-Информ" разрабатывалась как система двойного назначения – общегражданского и специального, что стало хорошим отправным моментом. В частности, при производстве приемопередающего комплекса удалось использовать передовые технологии оборонной промышленности.

Хорошим итогом семи лет внедрения стало создание на базе системы "ТВ-Информ" более 50 корпоративных сетей глобального, межгосударственного, федерального и регионального уровней. Среди таких сетей назовем телекоммуникационную сеть "ТВ-Информ-Образование", информационно-управленческую связь Министерства связи и информатизации РФ "ТВ-Информ-Связь", сеть Исполнительного комитета СНГ "ТВ-Информ-СНГ" и отлично зарекомендовавшую себя сеть передачи матриц газетных полос "ТВ-Информ-ЦТ" (рис. 6а). Все они являются межгосударственными телекоммуникационными сетями. Многие из созданных сетей решают задачу распространения информации специального назначения. Система "ТВ-Информ" способна обеспечить ускоренное развитие Интернета в России, например, сделать рентабельной и реальной работу по обычным телефонным каналам и сотовой телефонии (рис. 6б).

Рис. 6 Примеры схем передачи данных: ЦППГ - центр передачи газетных полос

Разработка, внедрение и многолетний опыт эксплуатации системы передачи информации и данных с уникальными технико-экономическими показателями и высокой оперативностью – вот главный итог большой и напряженной работы, решающей важные народно-хозяйственные задачи. Система успешно функционирует, и на ее основе разработаны высокоэффективные типовые модели информационно-управленческих ведомственных и корпоративных сетей, которые могут быть рекомендованы для более широкого внедрения.

Результаты разработки и внедрения цифровой системы передачи дополнительной информации для сетей общего и специального назначения обобщены более чем в ста трудах (монографиях, вкладах, вошедших в рекомендации МСЭ, статьях, патентах, докладах, прочитанных на конференциях в России и за рубежом). Системы "ТВ-Информ" учтены в ряде федеральных концепций: построения и развития цифрового вещания России (1998 г.), систем спутниковой связи, аналогового и цифрового вещания России (1997 г.), единой сети документальной электросвязи в РФ (1995 г.).

В конечном итоге, новая сеть передачи данных, взаимоувязанная с традиционными сетями и каналами распределения ТВ-программ, создана. Сделано это при ограниченных капитальных затратах и без расширения спектра используемых радиочастот. Закреплен приоритет отечественной отраслевой науки в важнейших направлениях развития сетей передачи данных и уверенно занят заметный сектор телекоммуникационных услуг.

Государственная премия официально подтверждает впечатляющие итоги разработки и внедрения системы "ТВ-Информ".