（通信与信息系统专业论文）iptv接收机关键技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 i p t v 是在近几年涌现出来的一种全新电视业务，其特点就是将广播电视和互联 网这两大网络合二为一。结合了两者的优势，i p t v 体现出无与伦比的竞争力。在欧 美等国，已渐渐开始具有巨大的i p t v 市场雏形，其用户数量成倍增长。我国对i p t v 技术的研究起步稍晚，对于i p l v 市场的推广也是处于初期状态，整个市场缺乏一 个能够互连互通整合的i p t v 标准规范。但中国仍具有巨大的市场潜力，将对全球 的i p t v 技术发展起着举足轻重的影响。 i p t v 整个系统结构相当庞大，流媒体服务器、e p g 服务器、c d n 网络以及机 顶盒等都是其不可或缺的重要组成部分。本文丰要针对其中的i p t v 机顶盒中的关 键技术进行了较为深入的研究，其中包括了i p t v 传输技术、最新的h 2 6 4 编解码 技术以及软硬件实现方案。 本文首先对i p t v 作了简单的介绍，对其概念、国内外发展状况和本课题研究 的目的与意义进行了阐述；其次，研究了基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的工作原理， 并对基于h 2 6 4 的i p t v 的实时传输技术进行了研究，提出了一种新型的i p t v 实时 传输方案；然后，以e q u a t o r b s p 1 5 为主要开发平台，提出了基于h 2 6 4 的l p t v 机顶盒的硬件方案，并实现了机顶盒丰板、以太网、视音频解码等硬件模块。在实 时操作系统下，对软件功能模块也进行了实现；最后，对机项盒的功能模块及系统 整体进行了测试，给出了测试结果，验证了系统的性能，达到了实时多媒体播放的 要求。 本文对i p t v 机顶盒中的关键技术研究，将会为i p t v 技术的进一步发展起到积 极的推进作用。 关键词：i p t v ，机顶盒，h 2 6 4 ，流媒体，m p 2 t 传输技术，m p 2 e 传输技术 v 匕海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i p4 i 。vl sa ni n n o v a t i v et e l e v i s i o ns e r v i c ea n dc o m e so u ti nt h el a t ey e a r s i tc o m b i n e s b r o a d c a s tt va n di n t e m e ti n t oo n e t h u s ，w i t ht h em e r i t sf r o mb o t hb i gn e t w o r k s ，i p l v s h o w su n r a v e l e dc o m p e t e n c e i nu sa n de u r o p e ，t h em a r k e to f i p t vh a sg r a d u a l l y g r o w nv e r yb i ga n dt h en u m b e ro f u s e r sd o u b l e sp e ry e a r i nc h i n a , t h er e s e a r c ho f i p t v h a s j u s ts t a r t e di nt h e s et w oy e a r sa n dt h em a r k e ti sa l s oo nt h es t a r t i n gs t a g e b u tt h e r ei s s t i l lh u g ep o t e n t i a li nc h i n aa n di tw i l la f f e c tt h eg l o b a li p t vd e v e l o p m e n t t h ea r c h i t e c t u r eo f i p t v ，c o m p o s e do f s t r e a m i n gm e d i as e r v e r ，e p os e r v e r , c d n n e t w o r ka n ds e t - t o pb o x ，i sb i ga n dc o m p l e x t h et h e s i sd o e sm a j o rr e s e a r c h so nt h e c r i t i c a lt e c h n o l o g yo fi p t vs e t - t o pb o x i n c l u d i n gi 盯vt r a n s p o r t n e w l yh 2 6 4e n c o d e r a n dd e c o d e r , s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e f i r s t ，t h et h e s i ss t u d i e st h ep r i n c i p l e so f i p t va n da n a l y z e st h ei n l a n da n do u t s i d e m a r k e t s e c o n d l y ，i ts t u d i e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f h 2 6 4b a s e di p t vs e t t o pb o x ，a n d e s p e c i a l l yi tp r o v i d e saw h o l en e w h 2 6 4b a s e di p t vr e a l t i m et r a n s p o r tt e c h n o l o g y t h e t h e s i sg i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m ea n da l s od e s c r i b e sh o wt oi m p l e m e n ta l l m o d u l e si n c l u d e d f i n a l l y ，t h ei p t vs e t - t o pb o xh a sp a s s e dt e s ts u c c e s s f u l l y t h es e t t o p b o xh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f r e a l - t i m em u l t i m e d i a t h er e s e a r c ho fi 盯vs e t - t o pb o xs h o w st h eb e a u t i f u lf u t u r eo fi p t va n dw i l lp l a ya p o s i t i v ei m p e t u sf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fi p t v k e y w o r d s ：i p t v , s e t - t o pb o x ，h 2 6 4 ，s t r e a m i n gm e d i a ，m p 2 tt r a n s p o r t ，m p 2 e t r a n s p o r t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：爿旧日期：印。占工o 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：叁垄导师签名：逝日期： j “二o 海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着互联网的不断进步，宽带接入技术发展迅猛，已逐步取代了原有的窄带接 入技术。尤其是各种不同的高速宽带接入技术的出现，如d s l 、f 1 t r b 以及c a b l e 等，更使得互联网真正走进了千家万户。 宽带网络的稳定性和高效性不仅带给用户丰富的互联网信息服务，更带来了宽 带增值业务的巨大市场。宽带增值业务层出不穷，涌现出大量基于互联网的新兴的 业务如网上购物、网络游戏等，其中一些增值业务甚至改变了人们通常的生活和娱 乐方式。在今年崭露头角的i p t v 业务，正是这样一种宽带增值业务，其本身所具 有的意义己经完全超出了普通的增值业务。 1 1i p t v 的概述 i p t v ( i n t e m e t p r o t o c o l t v ) ，也称作网络电视或交互式网络电视n 相比传统 的数字和模拟广播电视业务，i p t v 不仅为用户提供了高质量的广播电视节目，更带 来了新颖的互动点播节目和时移节目。 受限于传输媒介的传输带宽、信道等局限性，传统的电视和近几年我国推广的 d v b 数字电视2 1 主要都是采用广播电视的形式。然而宽带网络的高速发展，使得电 视技术的发展又有了一个崭新的舞台，i p t v 正是这样一个由电视与宽带网络相结合 的产物。 互动性是i p t v 最显著的特点，它突破了传统的广播电视业务模式，具有里程碑 式的意义。i p t v 带来了众多前所未有的电视业射”，如：v o d 视频点播、b t v 组 播电视、时移电视t i m e s h i f t i n g 、n v o d 等新型互动的节目收看方式。除了上述这 些多媒体视音频娱乐服务，w e b 浏览、即时信息、网络游戏、电了邮件、v o l p 等 互联网服务也将作为增值业务融入i p l v 【4 】。 i p t v 技术创造了广阔的业务机会和市场空问，向宽带网络运营商展示了极具潜 力的市场前景和机遇。目前由于l p l l v 将d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 作为其主要 上海大学硕士学位论文 的宽带接入技术【5 1 ，因此各大电信宽带运营商也纷纷加盟，和生产厂商共同推动这 一全新的业务市场。随着宽带技术和宽带业务的进一步发展，在不久的将来，i p t v 将完全取代传统的电视业务，与3 g 、n g n 业务一起成为新世纪的最重要业务。 1 2i p t v 国内外的发展现状畸7 儿8 1 1 p t v 通常被喻为电视业中的3 g ，由此可见其重要性。i p t v 不仅仅是一项给宽 带用户带来全新用户体验的增值业务，更重要的是它对现有的传统电视收看模式带 来了革命性和颠覆性的改变，有着极为深远的意义。几十年一贯的频道切换收看模 式将被彻底改变，i p t v 使广大电视用户可以真正体验到“想看就看”的互动乐趣。 i p t v 对于电视行业的推动作用将远远超过数字电视等技术，甚至有可能改变整个电 视行业，具有广阔的市场前景。 自2 0 0 4 年以来，全球己有数十家电信运营商进入了i p t v 市场，到2 0 0 4 年年底， 全球i p t v 用户数已超过1 0 0 万户。在未来两三年的时间里，i p t v 业务将进入规模 发展阶段，用户数将持续增长。i n s t a t m d r 公司预测显示，到2 0 0 8 年，电信运营 商的i p t v 业务将覆盖全球超过7 5 0 0 万个家庭，而全球实际用户将达到1 4 0 0 万户。 随着用户数的增长，i p t v 业务收入也会快速增长，从现在到2 0 1 0 年i p t v 业务收入 的年复合增长率将接近1 0 2 。 国外的i p t v 技术相比我国要较早几年开始，目前部署i p t v 业务的运营商主要 集中在北美地区、欧洲地区以及亚太部分地区。 1 ) 北美地区 在北美i p t v 市场中，加拿大传统电信公司走在了前列，曼尼托巴电信( m t s l 和s a s k t e l 电信已经在v d s l 和a d s l 网络中开通了i p t v 业务，t e l u s 和加拿大贝 尔在今年也已进入了这一市场。从用户发展情况来看，到2 0 0 4 年9 月，加拿大电信 运营商的l p t v 用户数约有5 万户，占加拿大全部电视用户总数的2 左右。 与加拿大i p t v 市场相比，美国i p t v 市场的发展进程较为稳定。2 0 0 4 年1 0 月， 美国三家主要的地区性贝尔公司( r b o c 卜一s b c 、南方贝尔和v e r i z o n 己在2 0 0 5 年 上海火学硕士学位论文 进入i p t v 业务市场。与r b o c 相比，美国众多独立的本地运营商非常积极地在其 领地上开展d s l 网络和光纤网络上的i p t v 业务。 2 ) 欧洲地区 欧洲电信运营商也对l p t v 业务持积极的态度，意大利f a s t w e b 公司在i p t v 业 务上取得的成功改变了许多运营商原先持有的观望态度。几乎所有的欧洲传统电信 运营商均开展了i p t v 的实验，其中法国电信的态度最为积极，已经在里昂开通了 业务，比利时电信、荷兰电信、奥地利电信和挪威电信等都在进行i p t v 的商用实 验。 3 ) 亚太地区 宽带的发展大大促进了i p t v 在亚太地区的部署，许多电信运营商纷纷进入了 i p t v 市场。这些电信运营公司通常采用d s l 或光纤接入技术，为用户提供高速数 据、v o l p 及包括数字电视、视频点播在内的视频业务，其中开展较好的运营商是中 国香港的电信盈科及日本的y a h o o ! b b 。自2 0 0 3 年初y a h o o ! b b 的多频道广播电视 及视频点播业务在东京开通以来，y a h o o ! b b 的电视业务与原有的电话及宽带业务逐 渐融合，使用电视业务的d s l 用户数量也呈现出较快的增长趋势。中国香港电信盈 科在2 0 0 3 年9 月推出了基于d s l 的数字电视业务，到2 0 0 4 年1 1 月签约用户达到 了3 6 7 万户。 国外的i p t v 市场开展得如火如荼，今年我国也加大了i p t v 的发展力度。在国 内，上海文广集团获得了中国第一块i p t v 牌照，央视也在积极争取第二块牌照的 下发。中国电信和上海文广集团将在1 1 月初正式在上海发布其i p t v 商用试验。中 国电信正在全国2 3 个城市、中国网通正在全国2 0 个城市进行i p t v 的相关试验。 同时网通也与i p r r v 发展迅速的香港电信盈科之间开展了交流合作。 i p t v 关键技术之一视频压缩技术的进步使得视频节目能够以较低的码流达到 较高的画面质量，降低了i p t v 网络带宽的要求，因此目前电信运营商的高速d s l 或f 丌b 宽带接入技术完全能够为用户提供i p t v 业务。 电信运营商往往以t r i p l e - p l a y 的模式开展i p t v 业务9 1 。t r i p l e p l a y 在新的市场 环境中诞生的，不仅能够满足用户对话音业务的需求，同时也能满足用户对高端业 务如多媒体节目和数据传输的需求，更重要的是用户能够享受到业务捆绑所带来的 资费优惠。t r i p l e ，p l a y 的模式在很大程度上促进了i p t v 的发展，同时也为运营商带 来了持续增k 的a r p u 。 1 3 课题研究的目的和意义 随着i p t v 的不断y l 温，1 p t v 所蕴含的市场潜力受到越来越多的运营商和设备 制造j 家的关注，分别都将其作为发展战略重点。 中国的i p 2 1 v 业务刚开始起步，技术和市场相比美国和欧洲都非常不成熟。技术 和市场两方而是相辅相承的，好的技术和业务将吸引大量用户，大幅提升市场空间。 大的市场又将提出更多的发展需求，更多的新技术应用将引入i p t v 。因此对i p t v 技术现状的把握，以及对其主要功能模块的研究，具有相当大的现实意义，这也正 是本课题研究的目的。 本课题对现有i p t v 技术作了较为深入的研究，不仅较为详细地描述了i p t v 的 整体框架、系统功能、关键技术以及机顶盒硬件、软件实现方案，并且针对目前i p t v 中现有的传输方式的不足，提出了新型的改进方案。本课题的研究也将有助于i p t v 技术的进一步成熟，使其能够为用户提供更为稳定和高效的服务。i p t v 突破了传统 电视的收看模式，改变了用户的观念。电视网和互联网两大网络的高度集合，具有 巨大的市场前景。无论对于个人还是宽带行业，都是极具研究意义。在未来几年发 展中，1 p t v 必将成为新一代电丰见的代名词。本课题将对i p t v 行业起到抛砖引玉的 作用。 1 4 本文主要内容及贡献 作者在本文中的主要内容及贡献如下： 1 分析和研究了目前i p t v 中所采用的传输技术及其协议体系，针对其不足之 处提出了一种新型的基于m p 2 e 的i p t v 传输设计方案。耨方案采用整合 卜海大学硕士学位论文 的传输方案，提高了效率。 2 根据h 2 6 4 协议的网络传输特点，成功开发了基于h 2 6 4 的i p t v 接收机。 3 构建了基于e q u a t o r 主板的i p l v 机顶盒的硬件平台，给出了设计方案，并 设计了其硬件电路。分别实现了主板，以太网，以及视音频解码等重要功能 模块。 4 在实时嵌入式操作系统下，进行了软件开发，主要完成了i p t v 机顶盒的软 件框架设计，以及中间件应用开发和软件移植工作。 5 运用脱机测试模式，对各模块的功能进行了测试。并对系统整体性能进行了 测试，结果表明不仅能完全满足i p t v 传输速率和效率的要求，而且也能满 足实时播放的i p t v 系统性能，实现了设计的目标。 1 5 本文内容安排 本文主要对i p t v 一些关键技术作了研究与讨论。 第一章对l p t v 作了简单的介绍，对其概念、国内外发展状况和本课题研究的 目的与意义进行了阐述； 第二章概述了基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的工作原理。 第三章对基于h 2 6 4 的i p t v 的实时传输技术进行了研究，提出了一种新型的 i p t v 实时传输方案。 第四章以e q u a t o r b s p 1 5 为主要开发平台，给出了基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒 的硬件设计方案，并对机顶盒功能实现的各重要模块都进行了详细阐述。 第五章针对基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒给出了具体软件框架的设计方案。 第六章阐述基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的系统测试方法，以及所遇到的问题。 第七章对全文做了总结，并展望了i p t v 的发展前景与未来。 上海大学硕七学位论文 第二章基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒 的工作原理 2 1 i p t v 系统介绍 2 1 1i p t v 的系统架构 i p t v 系统与传统广播电视系统相比，无论是模拟的还是数字的d v b ，在电视 传输技术和运营模式上都有很大的区别，这是由i p t v 自身的互动性和多样性等特 点所决定的。用户不仅能够收看传统的广播电视即频道电视，还能够观看点播电视、 时移电视，对电视节目进行互动操作给电视传输模式带来了巨大的改变。同时，更 多的互联网业务也出现在了i p l v 系统中，如t w e b ( t vw e b ) 电视上浏览互联网、 t - m a i l ( t vm a i l ) 电视收发e m a i l 信件、以及网络游戏等新颖的增值业务 ”。这些形 式多样的业务融入，极大地丰富了i p t v 的用户市场。 图2 一li p t v 的整体系统结构 f i g 2 1i p t vs y s t e ma r c h i t e c t u r e 业务模式和功能的增多，也增加了i 阿v 的技术实现难度，对i p t v 系统的q o s 保证和鲁棒性1 川提出了高要求。i p t v 整个系统与宽带网络完全紧密结合，其中涉 及到了众多核心技术。不考虑运营方面所需要的一些技术，如业务管理平台、数字 6 上海大学硕士学位论文 版权管理、营帐系统等，仅从i 盯v 系统内容传输的技术角度，对i p t v 的整体系统 结构作一下简单介绍，见图2 - 1 。 整个i p t v 系统按功能框架划分可以由三部分组成： 一、i p t v 的内容头端。i p t v 系统在头端主要有三类内容：1 广播( 组播) 电 视；2 v o d i d e oo nd e m a n d ) 点播电视；3 互联网增值业务 4 o 时移电视( t i m e s h i l t t v ) 是针对广播电视的一种业务扩展模式 ”】，其功能主要由边缘服务器扩展实现， 因此不包括在i p t v 头端内。 i p t v 头端由不同的内容发布服务器设备组成，向用户推送各种内容。广播源主 要是各地区的广播电视节目、卫星电视节目。而点播源则是大量的影片库内容，两 种内容推送的技术要求并不相同。具体业务形式将在本章第三节具体介绍。在业务 内容头端中，除了不同的内容发布服务器外，还有与其配套的e p g ( 电子节目导航) 服务器【”】。e p g 服务器负责发布i p t v 推送内容的媒资信息( m e t a d a t a s ) 【1 3 】，如频 道或影片列表、节目介绍、预告片以及影片价格等重要信息。为用户提供了更为直 观的i p t v 节目选择菜单，缩短了用户与l p t v 之间的距离。 二、传输承载网络。目前，i p l v 中的承载网络和传统的宽带网络基本一致，由 核心层，汇聚层( 边缘结点) 以及接入层三部分组成。 接入层主要采用x d s l 、p o n 、以太网等接入技术，核心层则采用s o n e t 、a t m 、 i p m p l s 、v p l s 等方式。与传统网络稍有不同的是i p t v 中的核心网还必须具有节 目内容调度的功能。i p t v 中传输的是视音频节目内容，数据量相比一般互联网信息 数据要大得多，而且节目内容具有很高的实时性要求。因此对于传统的网络必须进 行一定的改造，使其实现内容分发( c d n ，c o n t e n td i l i v e r yn e t w o r k ) 【1 4 的功能，并 且在各汇聚层边缘结点处也必须采用流媒体设备对节目内容进行推送及控制。这样 传输网络才能完全担任i p t v 的节目内容承载任务，保证其传输质量和实时性。 时移节目的功能也是由c d n 网络控制实现的，通过对广播节目进行特定的时 移控制，使终端用户享受到一种灵活、实用的新颖服务。 上海大学硕士学位论文 三、家庭网关。这是i p t v 整个系统中的用户终端部分，机顶盒是其中主要的 终端设备。用户通过i p t v 机顶盒接入宽带网络，并收看头端所提供的各种节目内 容 1 5 】。 本文所写的基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒正是这样个终端设备，它具有实时接 收节目内容、实时解复用、视音频解码以及最终回放的能力。 2 1 2i p t v 的业务流程 i p t v 的内容头端、传输承载网络、家庭网关三者共同构成了一个完整的系统。 i p l v 系统流程从节目发布开始，再到传输网络内容推送，最终一直到机顶盒接收以 及用户呈现，这里的每一环节都起着至关重要的作用。下面将对整个系统的大致流 程作一下介绍： 曲内容提供商负责直播片源和媒体库中点播片源的提供，并负责对影片内容进 行审核。 b 1 直播内容和点播内容经过审核后，直接推送到内容管理平台，由其控制c d n 系统及e p g 系统对内容进行发布。 由于i p 网络是b e s te f f o r t 网络，没有q o s 保证，同时影片节目的传输也会占有 相当大的带宽。因此在直播内容和点播内容发布时，网络c d n 主要负责i p 网络传 输中负载均衡，对影片进行调度。根据二八原则，也就是2 0 的热点影片放在边缘 服务器，8 0 的影片放在中央服务器。 c 1e p g 系统负责对媒资文件( m e t a d a t a ) 进行管理，向用户提供节目选择菜单、 节目预告片等内容。e p g 系统不仅为用户提供了一个简洁、互动的服务界面， 也为各种游戏、购物等增值业务提供了平台。 m 通过c d n 网络，节目内容以及e p g 节目菜单被推送到边缘结点。边缘结点 主要由流媒体服务器组成，实现将媒体库中的影片内容以及直播内容发送到 用户，并执行点播或时移等功能。 e 1 机顶盒通过下发的e p g 菜单，对点播或者直播节目进行选择订购。内容管 理平台对内容的发布进行控制管理，控制边缘节点流媒体服务器向机顶盒发 上海大学硕十学位论文 送内容。 可以看到，i p t v 的功能实现是由整个系统框架作为基础支撑的，每个环节都非 常重要，不可或缺。在整个庞大的i p t v 体系结构中，作者主要针对i p l v 机顶盒作 了较为细致深入的研究。具体分析了机顶盒的主要功能、原理以及实现方案，提出 了新型的i p t v 的传输方案，并给出了机顶盒的硬件和软件的系统实现方案。本文 的第三、四、五章节将对其进行详细介绍。 2 2 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的关键技术 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒主要实现的功能既包括了接收点播、广播以及时移 节目，也包括了e p g 电子节目菜单和b r o w s e r 浏览器功能。作为i p t v 系统中的终 端设备，机顶盒是与用户关系最直接和密切的部分。其性能的好坏，会直接影响到 用户的体验。 i p t v 整个系统对网络传输和视音频编处理的能力都具有很高的实时性要求，因 此机顶盒主要涉及三种主要关键技术：流媒体实时传输技术，h 2 6 4 编解码技术以 及a a c 编解码技术。 2 2 1 流媒体实时传输技术 i n t e m e t 网络是一种尽力而为( b e s te f f o r t ) 网络，由于采用分组交换的方式进 行数据传输，无法保证传输数据的实时性，而多媒体视音频数据又对传输时延以及 传输可靠都相当敏感。流媒体技术很好地解决了实时性这一问题。 流媒体技术先于i p t v 的概念，很早就被提出。这是一种通过互联网“实时” 传输和播放视音频的技术，大大节省了用户视音频文件下载等待的时间。根据传统 i n t e r n e t 文件下载方式，用户只有经过漫长等待时间，下载完整文件后才能观看。流 媒体技术以“流”的形式进行视音频传输和控制，并且与编解码器协同工作，保证 视音频流畅播放【1 6 】。 上海大学硕士学位论文 流媒体技术主要采用实时传输协议r t p ( r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 和实时 传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，能够满足视音频数据 在网络传输时的实时性要求【1 7 】 ”l 。图2 2 流媒体数据传输的主要流程。 量 山 凸 。 图2 2 流媒体数据传输的主要流程 f i g 2 - 2t h em a i np r o c e d u r eo fs t r e a m i n gm e d i a 流媒体视音频接收技术由r t p 的流传输以及r t c p 的流控制这两种技术组 成。r t p 数据传输和r t c p 传输控制，分别通过实时传输协议( r t p ) 和实时控制 协议( r t c p ) 进行封装。这两个协议是整个机顶盒数据实时传输和控制的关键。 从图2 2 中可以看到，视音频节目在网络传输前，流媒体服务器对r t p 数据 包进行封装，将数据以流的形式进行传输，并且r t c p 会对传输数据进行统计，并 给出反馈控制。 在整个机项盒流媒体数据传输过程中，r t p 包和r t c p 包都采用了标准的r f c 协议标准( 详细可参见r f c1 8 9 0 ，r f c1 8 8 9 ) 。下面通过简化的r t p 和r t c p 协 议结构对流媒体传输和传输控制进行介绍，见图2 - 3 利图2 4 r t p h e a dr t p p a y l o a d p a y l o a d s e q u e n c e h c a d e t t i m e s t a m ps s r c t y p e n u m b e r 图2 - 3 简化的r t p 协议结构 f i g 2 - 3s i m p l i f i e dr t pp a c k e t 1 0 l 海大学硕士学位论文 r t c ph e a d e rr t c pp a y l o a d h e a d e rl t e i t ic o u n ts r ，r rs d e s b y e 图2 4 简化的r t c p 协议结构 f i g 2 4s i m p l i f i e dr t c pp a c k e t r t p 结构由r t p 头信息( r t ph e a d e r ) 和r t p 负载( r t pp a y l o a d ) 两部分组 成。r t p 负载中的内容主要是经过编码的视音频内容，将其根据一定的规则分片后 作为负载传输。而r t p 的头信息中既包含了协议版本、数据包长度等一些结构头信 息( h e a d e r ) ，也包括了r t p 负载类型( p a y l o a dt y p e ) 、序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 、 时间戳( t i m e s t a m p ) 以及同步源标识( s s r c ，s y n c h r o n i z a t i o n s o u r c er a n d o m c o u n t e r ) 。 r t c p 结构同样也由头信息和负载两部分组成。但不同的是，r t c p 的负载内 容是由多个更小单位的数据包组成。数据包类型主要有s r ( s e n d e r r e p o r t ) 、 r r ( r e c e i v e rr e p o r t ) 、b y e 、s d e s ( s o u r c ed e s c r i p t i o n ) 等。r t c p 头信息中的数据 包统计( i t e m c o u n t ) 表明了负载中数据包的数目。通常情况下，r t c p 在发送中都 由多个数据包组合而成，如s r 和s d e s 的组合等，因此整个r t c p 包也叫r t c p 综合包( r t c pc o m p o u n dp a c k e t ) 。 图2 - 5 流媒体的传输时序图 f i g 2 - 5t h et i m i n gs e q u e n c eo fs t r e a m i n gm e d i a r 海大学硕士学位论文 图2 - 5 是流媒体传输过程中，r t p 数据包和r t c p 数据包的时序图。r t p 传输 过程中，序列号( s e q u e n c en u m b s ) 和时间戳( t i m e s t a m p ) 尤为重要。依靠这两 个信息，流媒体技术解决了分组网络中的传输实时性的问题。从图中可以看出，r t p 数据包在发送的时候，序列号( s e q u e n c e n u m b e r ) 是递增的。而时间戳( t i m e s t a m p ) 则是根据流媒体服务器的本地时钟产生的视音频相对采样时间。 除了r t p 的序列号和时间戳外，r t c p 的一些时间信息同样也是解决网络传输 中的排序和丢包的重要参数。图2 5 中的r t c p 数据包主要是由s r ( s e n dr e p o r t ) 组成，主要的作用是服务器对客户机顶盒进行时间同步信息的报告。服务器和机顶 盒两者的时钟可能由于硬件的差异，导致时钟并不一致。然而在多媒体系统中，对 于时钟的要求相当高，编码端和解码端必须保证完全的一致，才能保证多媒体的重 现，微小的差异也会严重影响用户体验。 通过对r t c p 中所携带的n t p 时间戳和r t p 时间戳进行差异映射计算，能够 补偿异步差异2 “。当服务器与当地机顶盒时钟同步后，然后依靠每个视音频数据中 的r t p 时间戳就可实现流媒体的流间同步和流内同步，本文第三章中会进一步介绍 其同步算法。 r t c p 的s r ( s e n d e r r e p o r t ) 数据包除了起到同步作用，还携带了已发送r t p 数 据包的统计信息。依靠这些信息，机顶盒可以进行比对校验，并且回发一个r t c p r r ( r e c e i v e r r e p o r t ) 报告，汇报已收到r t p 数据包的统计信息，使服务器自适应调 整传输速度。在整个r t p 传输过程中，主要传输控制一般都由r t c p 的r r 和s r 数据包完成。而r t c p 的b y e 和s d e s 数据包则只是两个会话层( s e s s i o n ) 表示， 携带的都是一些基本信息，如机项盒终端离开流媒体会话组或会话组内的用户基本 信息。图2 - 6 是r t p 和r t c p 的传输框图： 上海大学硕士学位论文 复合包 图26 r t p 和r t c p 的传输框图 f i g 2 - 6t h ef r a m e w o r ko fr t pa n dr t c pt r a n s p o r t 流媒体技术很好地解决了不可靠网络传输的问题，更好地保证了“实时”要求。 通过对流媒体技术的运用，1 p t v 中的组播节目、v o d 点播节目以及时移节目等功 能得到实现。 本文第三章将对i p t v 的传输技术进行更为深入的介绍，针对目前i p t v 传输技 术的不足，提出基于m p 2 e 的新型i p t v 传输方案。 2 2 2h 2 6 4 视频编解码技术 本文所研究的机顶盒采用了最新的h 2 6 4 视频编解码技术。不同于其它的一些 编解码技术，h 2 6 4 具有高压缩率、传输带宽小的特点。因此特别适合于在带宽不 是十分理想的i n t e m e t 网络中传输。 h 2 6 4 视频压缩编码技术，也叫a v c ( a d v a n c ev i d e oc o d i n g ) 高级视频编码，是 最新的视频编解码技术口1 【2 2 】。h 2 6 4 最初是e hi t u t 的v c e g ( v i d c oc o d i n 2e x p e r t s g r o u p ) 视频编码专家组提出并制定的视频编码标准。最后由v c e g 视频编码专家 组和m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 运动图像专家组最后联合完成，并被 m p e g 协会接收为m p e g 4 1 0 ( m p e g 4p a r t1 0 ) 标准。m p e g 4 标准中包含了很多部分 ( p a r t ) ，各个部分都是针对不同的应用，如视频编解码、网络传输、质量检测等 上海大学硕士学位论文 方面。平时常见的m p e g 4 编码，其实仅是指m p e g 4 的第二部分( m p e g 4p a r t2 v i s u a l ) 。 目前在传统的数字机顶盒中应用的，基本上就是m p e g 2 和m p e g 4 这两种视频 编码技术。h 2 6 4 a v c 作为一项新的压缩编码技术，和原有的这两种编码技术相比 有过之而无不及，主要体现在其图像压缩的有效性上。 图2 7 是针对同样的一段2 0 0 帧( f r a m e ) 的原始视频图像，m p e g 4 和h 2 6 4 两种 编解码技术的性能比较图。图中主要采用峰值信噪比( p s n r , p e a ks i g n a l t o n o i s e r a t i o ) 这一指标来对编码器性能进行比较，p s n r 主要是原始图像与嵌入水印图像象 素值之差的平方和。h 2 6 4 常用有三种分级b a s e l i n e 、m a i n 以及e x t e n d e d 。而 m p e g 4 最常用的分级有s p ( s i m p l ep r o f i l e ) 、a s p ( a d v a n c es i m p l ep r o f i l e ) 两种，不 同分级的编码质量不同。 o c i f8 e q h m e i2 f r a m e ) 图2 7m p e g 4 和h 2 6 4 的性能比较 f i g 2 7t h ec o m p a r i s o no f p e r f o r m a n c eb e t w e e nm p e g 4a n dh 2 6 4 从图2 7 中可以看到不管是h 2 6 4b a s e l i n e 还是m a i n 的p s n r 峰值信噪比在所有 比特率都远远高出m p e g 4 各个档次( p r o f i l e ) 。如在图像质量为3 5 d b 的条件下， m p e g 4 的s p 需要1 2 5 k b p s 猷1 传输带宽，a s p 需要1 2 0 k b p s ，而仅用一个参考帧的h 2 6 4 4 上海大学硕士学位论文 b a s e l i n e 贝l j 只要不到1 2 0 k b p s 就可以传输同样图像质量的视频，用五个参考帧的 h 2 6 4m a i n 传输带宽更是少于7 0 k b p s 。相比之下，h 2 6 4 编码的传输带宽更低，图 像质量较好，使其成为i 盯v 机顶盒的首选关键技术。 h 2 6 4 编解码技术由视频编码层( v c l ) 和网络提取层( n a l ，n e t w o r k a b s t r a c t i o n l a v c r ) 两部分组成【2 3 】。视频编码层采用了大量先进的视频编码技术以提高编码效率， 其中包括v c l 编码器与v c l 解码器，主要功能是对视频数据压缩编码和解码，它包 括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。n a l 层对v c l 内容提供“网络友好性”， 使其能适用于不同的传输层和存储介质，即针对不同领域的应用有效定制传输的方 式，保障了网络应用的灵活性。 图2 8h 2 6 4 的编码过程 f i g 2 8h 2 6 4e n c o d e r 图2 9h 2 6 4 的解码过程 f i g 2 9h 2 6 4d e c o d e r 上海大学硕士学位论文 图2 8 和图2 9 分别是h 2 6 4 的编解码框图。和以往的视频编码标准如m p e g 2 、 m p e g 4 相比，视频编解码层的设计依旧采用了传统的基于块的运动补偿加变换的混 合编解码模式。但对于运动估计与补偿、d c t j x 块变化、熵编码模式有了新的扩充， 应用性更科2 4 【2 5 1 1 2 “。 1 增强的运动估计能力 a ) l 4 像素精度运动补偿。以前的多数标准最多只能采用1 2 像素运动向量，在 h 2 6 4 中可以达到1 4 像素甚至1 8 像素的运动估计。即真正的运动矢量的位移可能 是以1 4 甚至 8 像素为基本单位的。位移精度的增加，大大减小了帧间剩余误差， 压缩效率也由此提高。 b 1 多宏块( m a c r ob l o c k ) 模式预测。在h 2 6 4 的预测模式中，宏块最多可以有7 种不同尺寸，且每个宏块中可包含有1 、2 、4 、8 或1 6 个运动矢量。这种灵活的多模 式和细微宏块划分的功能，使得预测图像更接近实际运动物体的形状。 c ) 多帧参考。在h 2 6 4 中，可采用多个参数帧的运动估计，即在编码器的缓存中 存有多个刚刚编码好的参数帧，编码器从其中选择一个给出更好的编码效果的作为 参数帧，并指出是哪个帧被用于预测，这样就可获得比只用上一个刚编码好的帧作 为预测帧更好的编码效果。 d ) 参考帧顺序和显示顺序的无关性。在h 2 6 4 中，去除了运动补偿参考帧的顺序 与显示输出的顺序的相关性。在以前编解码技术中，对其有着严格的相关性要求。 增加了编码器决定参考帧顺序和显示顺序的灵活性，也消除了双向预测帧在显示时 的额外时延需求。 e 1 增强的跳跃( s k i p p e d ) 和直接( d i r e c t ) 运动宏块。在h 2 6 4 之前的标准中， “跳跃”预测编码的图像区域的运动矢量必须是零。这样的话，如果编码的当前帧 与参考帧之间的关系为全局运动，就无法采用“跳跃”模式来进行编码，所以不能 很好地提高码率。而在h 2 6 4 标准中，“跳跃”模式改进为采用相邻块的运动向量 的预测值来作为当前宏块的运动向量。对于双向预测区域，h 2 6 4 也采用了改进的 “直接”运动补偿模式，从而相比于h 2 6 3 + 和m p e g _ 4 ( p a r t 2 ) 的“直接”模式 更具有先进性。 上海大学硕士学位论文 2 增强的小块变换能力 a 1 4 x 4 d 块d c t 变换。这是h 2 6 4 所独有的小块变换能力，以前的视频编解码技 术最多使用8 8 的d c t 变换。更小的变换块，能够更为精确划分运动物体。同时也 减小了图像变换过程中的计算量，降低了运动物体边缘的衔接误差。 b 汾等级的块变换