网络电视与点播技术.doc

网络电视关键技术及其发展（一） 发布时间：2005.05.10 10:39 来源：广播电视信息作者：广播电视信息摘要：本文综合介绍了网络电视业务的特点，对网络电视系统的结构和关键技术进行了分析说明，并指出了当前开展网络电视业务所面临的主要技术难点；此外还对介绍了有关网络电视系统建设的实践和未来发展。 1、网络电视及其发展背景 进入21世纪以来随着宽带网络、流媒体、编解码、信息加密和存储技术的发展，以基于TCP/IP协议网络为承载基础的视频业务开始步入商业运营阶段。为了与基于DVB的数字电视广播业务区别起见，我们将以IP及其相关技术为基础的视频业务称为网络电视（IPTV）。 1.1 网络电视的特点 广义说来凡是将传统模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成二进制数字信号，并在获取、加工、存储、传输和接收等环节使用数字信号的系统都可以归为数字电视的范畴，但考虑到网络电视与数字电视的主要区别源于其各自不同的网络基础和发展途径，在目前的技术和市场条件下它们仍然存在许多重大的差异，见表1。 1.2 网络电视的发展背景 网络电视的蓬勃发展存在着巨大的市场驱动力。首先是使用宽带接入网络的用户群体增长迅速，这里所谓的宽带接入网络包括了xDSL、双向HFC、以太网和其它宽带接入技术。据中国互联网络信息中心的统计报告分析，截止到2004年年底我国的宽带上网用户数量已经达到了4280万；同时在全球范围内，宽带用户数量的发展也非常迅速，因此网络电视业务有着潜在的庞大用户基础。 其次是技术发展带来的业务融合加剧了市场竞争，以美国为例，在2003年其现有的宽带用户中大约2/3是使用双向HFC网络3，近两年以来有线电视运营商的标准化组织CableLabs提出了实现多媒体综合业务的PacketCable Multimedia规范5，从而使得当地的有线电视运营商不仅在三网融合业务的竞争中，在视频和数据业务方面继续领先，还对电信运营商的话音业务产生了冲击。在这种背景下电信运营商希望通过利用以 xDSL技术为代表的宽带接入网络开展视频业务，以拓宽自身的生存领域。 在我国宽带接入市场在2000年以后增长迅猛，以ADSL宽带接入用户发展为例，从2002年中开始短短的两年时间其数量就占了达到了2870万1，在所有的宽带接入手段周占有绝对主导地位。尽管电信运营商没有受到来自有线电视运营商的竞争压力，但是在我国进行了拆分后，电信运营商之间的竞争是存在的；同时为了更好地吸引用户使用宽带接入服务，以及提高每个宽带用户的平均收入值（Average Revenue per User, ARPU），大力发展视频内容以及相关业务就成为电信运营商们必用的关键手段之一。 2 网络电视系统模型 网络电视的基本系统模型如图1所示，整个系统总体上可以划分为三个组成部分：前端（Head End）、网络和接收端，每个部分都由一些关键设备组成，完成相应的基本功能以保证网络电视业务的顺利运营。 2.1 前端 网络电视系统的前端部分主要包括了流媒体系统、用户管理系统、存储设备、编码器、信源转换设备等： 流媒体（Streaming Media）系统。流媒体系统把经过数字化处理的视频内容以视频流的形式推送到网络中，使得用户可以在仅下载部分视频文件后即可开始观看，在观看的同时后续视频内容将继续传输。流媒体系统中包括了提供广播（broadcasting）和点播（On-demand）服务的视频服务器。 用户管理系统（Subscribers Management System, SMS）。用户管理包括了对网络电视业务用户的认证、计费、授权等功能，保证用户可以得到合理安全的服务。 存储系统。主要用于存储数字化后的供点播的视频内容和各类管理信息，考虑到数字化后的视频文件相当庞大，以及各类管理信息的重要性，因此存储系统必须兼顾海量和安全等特性。 编码器（Encoder）。按照一定的格式和码率特性要求完成视频信号的数字化，信源接收系统。完成各种视频信号源，如有线电视、卫星电视等的接收。 在网络电视系统的前端部分中实时性的视频信号（如卫星电视、有线电视等）或非实时性的视频节目（如DVD、录像带等）经过接收系统后进入编码器部分，输出的数字化文件按照实时广播或点播的要求分别被传送到广播流服务器和点播服务器，供点播的节目需要存储在存储设备中，流媒体服务器在用户管理系统的控制下把视频文件以视频流的方式推送到网络中去。(c001) 网络电视关键技术及其发展（二） 发布时间：2005.05.10 来源：广播电视信息作者：彭劲 何青2.2 网络 网络电视系统所使用的是以TCP/IP协议为主的网络，包括骨干/城域网络、宽带接入网络和内容分发网络等： 骨干/城域网络（Backbone/Metro Network）。骨干/城域网络主要完成视频流在城市范围和城市之间的传送，目前城域网络主要采用千兆/万兆以太网络，而长距离的骨干网络则较多选用SDH或DWDM作为IP业务的承载网络。 宽带接入网络（Broadband Access Network）。宽带接入网络主要完成用户到城域网络的连接，目前常见的宽带接入网络包括xDSL、LAN、WLAN和双向HFC等，可以为用户提供数百kbps至100Mbps的带宽。 内容分发网络（Content Delivery Network）。内容分发网络是一个叠加在骨干/城域网络之上的应用系统，其主要作用是将位于前端的视频内容分布存放到网络的边缘以改善用户获得服务的质量，减少视频流对骨干/城域网络的带宽压力。 一般而言网络电视系统的前端直接连接在骨干/城域网络上，视频流通过内容分发网络被复制到位于网络边缘的宽带接入设备或边缘服务器中，然后通过宽带接入网络传送到业务的接收端，由此可以看出网络电视业务中的视频流实际上是通过分布在全网边缘的各个宽带接入设备或边缘服务器与前端部分共同完成的。 2.3 接收端 网络电视系统的接收端包括了计算机、电视、手机和其他智能终端设备，计算机。计算机设备包括了各种台式计算机以及各种可以移动的计算机，如PDA等，此类设备的特点是自身具备较强的处理能力，不仅可以独立完成视频解码显示任务，同时还可以安装其它软件完成信息交互、自动升级和远程管理等功能，如浏览器和终端管理代理等。 电视。电视一般仅具备显示各类模拟和数字视频信号的能力，目前市场上大多数的模拟电视需要配备专门的数字视频处理设备，如机顶盒（Set Top Box, STB），后才可以完成数字视频的显示工作；近期才开始上市的数字电视产品可以接收基于DVB的数字电视信号，但对于网络电视业务来说仍然需要增加相应的功能。 手机。手机作为网络电视业务的终端显示设备必须具备处理和显示数字视频信号的能力，目前市场上出现的可以处理显示动态画面的手机由于其网络传输速率和视频解码处理能力的限制还无法提供比较流畅的视频信号，因此在3G网络投入运营以及有更为有效的编码方案后，手机会逐步成为网络电视的真正终端设备。 视频流在到达接收端的各类终端设备经过解码后显示出来，同时需要接收和显示的内容还包括了电子节目指南等信息。计算机与节目指南服务器间可以通过标准的HTTP协议以HTML格式传输节目指南信息，因此在服务系统中无须进行特殊的处理；而机顶盒在与节目指南服务器进行信息交换时尽管基本上也采用标准的传输协议和格式，但是由于机顶盒操作系统和中间件的不同，需要在机顶盒与节目指南服务器间进行相关的定制工作。此外，各类终端设备还可以通过网管代理实现远程监控、自动升级等功能。 3 相关技术问题 3.1 服务质量 基于TCP/IP的网络目前还是以提供“尽力发送（best effort）”服务为主，也就是说网络中所有的数据包将被同等地传送，不能保证一定的端到端的延迟或者不被丢弃，而网络传输所造成的延迟、抖动或丢包等因素对于具有实时交互特性的网络电视业务而言，其影响是至关重要的。为此IETF提出了区分服务、集成服务和流量工程等方法解决网络层的服务质量问题，同时各设备制造和软件开发商也根据网络的情况纷纷提出了应用层的服务质量解决方法，下面分别进行介绍。 3.1.1 网络层服务质量 网络层的服务质量主要涉及延迟、抖动和丢包等问题。延迟（delay）一般可以理解为数据包从网络入点到网络出点的单向花费时间，造成延迟的主要来源有4个： 物理介质所造成的信号传播延迟； 网络设备本身收发数据包的延迟； 数据包在进行调度（排队）处理时引起的延迟； 信号时钟引起的串行延迟； 抖动（jitter）是指网络延迟的变化，一般可以理解为同向传输的相邻数据包之间的时间差，造成抖动的原因主要有3个： 网络拓扑变化造成的传播延迟变化； 数据包处理要求不同带来的交换延迟变化； 队列的空和满引起的调度处理延迟变化； 丢包（packet loss）是指从网络中的入点到出点之间发生丢弃数据包的现象，一般用丢包率来衡量丢包现象发生的程度。 这三个问题对于具有时间敏感性的网络电视业务来说，会导致观看时出现画面不流畅、马赛克甚至是停滞的现象，极大地影响了网络电视的观赏性和用户体验。 目前的解决方法是在结合区分服务（Diffsev）模型，在网络边缘通过宽带接入设备将来自不同应用的数据包进行分类，对不同类别的数据包给予不同的优先级，按照优先级汇聚后进入骨干/城域网络，见图2；在网络的骨干/城域网络中不仅提供对汇聚后已经具有不同优先级流量进行粗颗粒的分类传输，同时还结合MPLS流量工程技术使得高优先级业务在带宽、延迟、抖动和可用性等方面得到保证。 图2 边缘区分服务实施示意 网络电视关键技术及其发展（三）2006-1-12 16:00:48 DVBCN数字电视中文网 人气(214 ) 作者：广播影视信息网络中心 彭劲 何青 来源: 广电在线3.1.2 应用层服务质量 流媒体应用可以根据网络层的情况和反馈采取一定的措施来消除影响视频质量的因素，例如在网络层出现拥塞的时候，应用可以根据网络的反馈信息通过控制发送数据的速率。在应用层控制数据发送的手段主要有两个，速率控制和速率整形，前者是根据网络的可用带宽情况来确定视频流的发送速率，后者则是通过转码、减帧、减层和重量化的方法使得已经按照一定速率编码压缩的视频流可以符合现有的网络通道条件。 针对在传输过程中出现的丢包和错误，应用层也有相应的处理措施，例如在发送端采取FEC、在发送和接收两端限定延迟进行重传、传输过程中采用纠错编码以及在接收端采用错误隐藏等手段提高和改善图像的质量。 虽然在网络中可以利用组播技术大大降低网络电视的广播业务所占用的带宽资源，但目前还缺乏在大型网络中统一部署组播的实践经验，但是可以通过构建一个内容分发系统叠加在传输网络之上，利用内容复制、应用层组播、分层组播和受限组播等技术实现视频流的边缘化，从而达到保障整体服务质量的目的。 3.2 视频处理 开展网络电视业务需要以高速骨干/城域网络和宽带接入网络为基础，尽管目前的宽带接入网络一般可以达到256kbps以上的传输速率，但是相对与数字视频信号来说仍然远远不足。以数字分量4:2:2电视信号为例，如果不采取任何压缩措施其原始码流高达216Mbps。因此视频信号的编码压缩是实现网络电视业务的关键技术。 一般说来视频编码压缩可以分为两大类型：可变码率和固定码率视频编码。固定码率编码包括基于波形编码和内容无关编码两类方法，这种类型的编码器仅输出单一固定码率的视频流；而可变码率编码则可以单独或组合利用信号在质量、时间、空间和频率域等方面的特性进行处理。可变码率编码产生一组包括了基本和增强两种类型的子码流，其中只有一个基本子码流，它可以单独进行解码，得到比较粗糙的图象质量，而其他的增强子码流则不能单独解码，只有在与基本子码流配合解码后可以显示效果更好的视频图像。所有的子码流结合在一起解码后可以得到最佳的视频图像观看效果，如果丢失了增强子码流，视频图像将在画面的质量、尺寸和帧率方面有所降低。 由于网络和接收端设备存在诸如带宽变化、处理能力等方面的不同，因此应用于视频流的编解码方法必须满足以下需求： 带宽：目前的IP网络还无法大规模地通过资源预留机制提供端到端的固定带宽，为此希望编码器可以输出动态变化的码流，适应在网络出现拥塞时带宽降低的情况。l 延迟：网络电视业务要求有固定的时延，以保证数据包在一定的时间内到达解码器解码后显示，为保证网络拥塞导致的数据包传送时延抖动的问题，接收设备需要在解码前进行数据缓存处理以保证播放出流畅的视频图像。l 丢包：数据包在传输过程中丢失后会在解码时损害图像的质量，因此视频流在进行网络传输的过程中需要采取相应的保护措施来降低丢包率。l 交互功能：网络电视中的点播业务需要具备诸如快进、快退、暂停/恢复、随机定位等的功能，目前已有视频编码方案支持类似功能的实现。l 解码复杂性：为了适应便携终端设备，如PDA、手机等的低功耗要求，解码器设计实现不能过于复杂。l 由于可变码率编码可以适应不同的网络带宽变化、不同的传输通道条件以及不同的计算复杂度等要求，因此是今后发展的主要方向。 数字视频的编码压缩分别在通信和消费电子两个领域中进行着各自的标准化工作，在通信领域的标准化工作由ITU-T负责推进，其所属负责多媒体技术的16研究组制订出了广泛应用的数字视频通信H系列标准，包括了H.261、263、263+等，普遍用于视频会议和可视电话等领域，主要目标是如何提高视频图像的传输效率；而在消费电子领域的标准化工作则由ISO/IEC的JTC1（联合技术委员会）负责，其所属的SC29中的WG11制订了MPEG系列音视频通信标准，包括了MPEG-1、2、4、7和21等，其中在94年提出的MPEG-2作为数字电视的编码压缩规范，有着非常广泛的市场应用基础，该系列标准的主要目标是如何为用户提供更高质量的画面。2001年12月隶属于ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（运动图像专家组）共同成立了JVT（联合视频工作组），致力于把传输效率和压缩质量两个目标结合起来得到2倍于现有编码压缩效率和更高容错能力的标准，并于2003年3月完成了该标准H.264/MPEG-4 AVC。网络电视关键技术及其发展（三）2006-1-12 16:00:48 DVBCN数字电视中文网 人气(215 ) 作者：广播影视信息网络中心 彭劲 何青 来源: 广电在线数字视频流在网络中实时传输的标准化工作主要由IETF进行。在完成编码压缩以后，流媒体应用将通过不同的网络传输协议实现数据的传输和控制，其中比较常用的有RTP和RTSP等。RTP协议主要的作用是将来自应用层的音视频数据块增加时间戳和序列号等信息后封装起来，再传递给传输层的UDP协议进行传送；RTP协议可以应用于单播和组播中，因此可以支持网络电视业务中广播和点播应用。RTSP协议用于在流媒体的服务器和播放器之间进行控制信息交