IPTV中的视频编解码及CDN.pdf

3 4 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 5 Technique 3 4 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 5 I P融合 I PTV 即 Internet Protocol TV 也 称 网 络电视或交互式网络电视 广义地说 IPTV 是利用 IP 宽带网络 以 电视机 机顶盒 为主要终端设备 为用户提供互 动多媒体服务的宽带增值业务 IPTV 能提 供点播 广播 直播 视频通信 短信 彩 信 信息服务 游戏 PVR Personal Video Recoder 等业务 与现有的有线电视系统相比 IPTV 的 优势在于交互性 传统的有线电视网络是 以信号传输分配为主的单向广播式网络 如不进行双向改造 无法支持交互式业务 而双向改造投资大 普及有一定难度 有 线电视网络主要采用同轴光纤混合 HFC 体系 即使完成双向改造 仍有一些缺陷 其树型分支结构和共享型网络体系会占用 太多的带宽资源 现行的 Cable Modem 回 传技术容易产生漏斗噪声 从而影响回传 质量 支持交互式业务和管理的平台有待 建设 与目前的因特网上的 VOD 相比 IPTV 的优势在于 1 更优的用户体验 电视机 的显示效果优于电脑屏幕 机顶盒 遥控 器 操作简便且使用门槛降低 可实现快 速频道 节目切换 2 可控可管理 以机 顶盒为终端 运营商可对机顶盒进行定制 不仅能保证业务的安全和 QoS 也为收费 的赢利模式提供了技术基础 因此 IPTV 作为一种体现业务个性化 发展趋势 代表未来三网融合技术演进方 向的业务 同时受到了电信运营商和广电 运营商的高度关注 IPTV 总体技术介绍 IPTV 业务的总体技术原理框图如图 1 所示 IPTV 业务从内容源到终端用户可以 分为 业务支撑 业务应用提供 业务承载 终端接入 4 个环节 1 业务支撑 包括内容管理 播控管 理 认证计费 用户管理 SP 管理 业务 管理 统计分析 机顶盒管理等系统 2 业务应用提供 直播 点播内容和 增值应用的处理与提供 信息服务 视频通 信 电子邮件 短信 彩信 游戏等 也 包括与此密切相关的内容管理 播控管理 电子节目单 EPG 等系统 直播 点播的 节目源 通过内容处理系统 被编码成符 合要求的媒体流 由承载网提供给用户 3 业务承载 它基于 IP 网络 对于不 同业务形式的媒体流 有不同的承载方式 可以通过组播方式 也可以通过单播方式 承载 通常 广播流通过组播方式传送至 终端用户 点播流通过内容分发网络 CDN 方式分发 4 终端接入 对于电信运营商而言 主要有 xDSL FTTx LAN WLAN 3 种宽带 接入方式 IPTV 的关键技术有视频编解码 数字 版权管理 DRM 组播 CDN 终端实现等 限于篇幅 本文主要论述 IPTV 中的视频编 解码和 CDN 两项技术 IPTV 中的视频编解码 编码标准涉及 IPTV 内容源的制作和终 IPTV 中的视频编解码及 CDN 肖 晴 罗斯青 李 莉 中国电信集团上海研发中心 欧 洲 电 信 运 营 商 已 经 开 始 IPTV 商 业 运 营 意大利的 Fas Web 公司在 IPTV 业务 上的成功改变了 运营商原先的观 望态度 美 国 众 多 的 本地运营商非常 积极地在其领地 开 展 DSL 网 和 光 纤网上的 IPTV 业 务 2005 4 indd 342005 4 1 12 31 50 3 4 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 5 3 4 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 5 Technique I P融合 端解码芯片的选择 影响到 IPTV 所提供的 图像质量 对引导 IPTV 产业链的发展十分 重要 故必须尽早确定 IPTV 所用的视频编 码标准 目前主流的视频编码格式 目前在因特网应用和数字电视应用中 主流的几种视频编码格式有 MPEG 2 ISO IEC 13818 2 MPEG 4 Part 2 ISO IEC 14496 2 H 264 AVC 即 MPEG 4 Part 10 微软的 WMV 9 Real 公司的视频格 式 前三者为公开的国际标准 后两者为 企业的私有标准 其中 H 264 是 ITU T 的 VCEG 和 ISO IEC 的 MPEG 的联合视频 组 JVT 开发的视频编码标准 在 ITU T 体 系中称为 H 264 在 ISO IEC 体系中称为 MPEG 4 Part10 于 2003 年 5 月正式成为 ITU 和 ISO IEC 的共同标准 而微软公司已 将 WMV9 基本比特流语法和解码过程推荐 到电影电视工程师协会 SMPTE 使之成 为标准 VC1 目前正进展到最后草稿 Committee Draft 阶段 I P T V选择视频编码标准需考虑的因素 选择何种标准作为 IPTV 业务的视频编 码标准 对于运营商而言 不仅需要从技 术上进行比较 还需要从市场 内容和牌 照费用等方面进行综合考虑 具体的因素 有 1 编码标准的标准化程度和应用范 围 2 编码标准的先进性 包括算法的效 率 复杂性 解码图像的质量等 3 传输系统的支持 包括流封装格式 传输协议 对 IP 网络的性能要求等 4 产业化进程 包括编解码芯片支持 程度 编码器和机顶盒厂商支持程度 内 容提供商支持程度 DRM 技术支持程度 5 许可费用政策 图 1 IPTV 业务总体技术框图 2005 4 indd 352005 4 1 12 31 52 3 6 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 7 Technique 3 6 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 7 I P融合 几种主要视频编码格式的比较 根据上述因素 对上述提到的 4 种编 码格式 Real 除外 进行比较 结果如表 1 所列 从表 1 中可以看出 H 264 具有高的编 码效率和图像质量 代表了编解码技术的 发展方向 同时 由于标准的开放性以及 获得 3GPP DVD Forum 的支持 H 264 已 被大多数运营商和产业界看好 相信随着 产业链的成熟 H 264 将成为 IPTV 乃至互 联网上其他视频业务的编码标准 I P T V对视频编码的要求 IPTV 作为 IP 网络上的视频应用 有 其自身的业务特性 需要对视频编码提出 相应的适应性要求 包括 1 要求高的压缩效率和好的图像质 量 由于 IPTV 是基于 IP 网络的 在同等 的用户接入带宽条件下 压缩效率越高 图像质量越好 就意味着用户体验越好 2 要求 IPTV 传输方式独立于编解码 标准 由于编解码技术是在不断地发展中 运营商需要保护平台建设的投资 因此要 求 IPTV 平台能够兼容不同的编码标准的媒 体文件以适应今后业务的发展 3 要求尽可能短的媒体同步时间 由 于 IPTV 是采用电视作为显示终端 媒体同 步时间短可以使得频道切换时间短 让用 户体验与使用普通电视机相近 4 要求编解码方式必须具备成熟完善 的 DRM 系统支持 这一点主要是为了保护 内容提供商的利益 防止内容盗版和非法 传播 5 要求终端支持多种编码格式或具备 解码能力在线升级功能 灵活的解码能力 方便今后的业务发展 编解码需进一步研究的问题 为了适应 IPTV 业务的开展 在编解码 方面还需要研究和解决以下问题 1 对各编码标准的抗误码性提出具体 要求 抗误码性指的是当网络出现丢包时 解码器能够要求重传或根据前后收到的包 进行 补偿 从而避免马赛克或丢帧现 象 抗误码性实际上是解码器的一种应用 层差错补偿能力 表 1 主要视频编码格式的比较 编码标准MPEG 2MPEG 4 Part 2H 264 AVCWMV 9 VC 1 制定组织ISO IECISO IECJVT微软 标准化程度 标准开放 DVD 标准之 一 HD DVD 存储格式 之一 标准开放 标准开放 3GPP 编码标 准 之 一 HD DVD 存 储 格式之一 尚 未 形 成 国 际 标 准 HD DVD 存储格式之一 应用范围广播电视 DVD IP 网络IP 网络 3GIP 网络 3G DVDIP 网络 DVD 标准先进性 编码复杂度较简单 同等条件下 是 MPEG 2 的 3 倍 同等条件下 是 MPEG 2 的 4 倍 同等条件下 是 MPEG 2 的 1 5 2 倍 图像质量 同等码率下 是 MPEG 2 的 1 5 3 倍 同等码率下 是 MPEG 2 的 4 8 倍 同等码率下 是 MPEG 2 的 1 5 3 倍 传输系统支持以 TS 流方式为主 RTP UDP TCP 方式 也支持 TS over IP 方式 RTP UDP TCP 方式 也支持 TS over IP 方式 WMV RTP UDP TCP 方式 产业化进程 芯片 编 码器和机顶盒厂商支持 内容商支持 DRM 支持 产 业 链 支 持 厂 商 多 内 容 多 卫 星 电 视 DVD DRM 技术成熟 产业链支持厂商多 内容 较多 互联网视频内容 DRM 相关标准已制订 但 实际应用尚在发展中 产业链支持厂商较少 2005 年将增多 内容较 少 预计 2006 年会有少 量商业应用 DRM 技术 发展中 芯片和机顶盒支持厂商 较多 编码器以软件编 码 方 式 为 主 内 容 很 多 互联网视频内容 DRM 技术成熟 许可费用政策 对编解码器厂商 费用 很高 内容提供商收费 对编解码器厂商 内容提 供商和业务运营商均收费 同左 主要对编解码器厂商 收费 注 图像质量和复杂度比较数据由 ITU T 测试报告获得 2005 4 indd 362005 4 1 12 31 53 3 6 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 7 3 6 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 7 Technique I P融合 2 对传输方式和流文件格式的研究 媒体编码数据在进行网络传输之前 必须 封装进相应的文件 容器 中以适应 边 下载边播放 功能 这样的 容器 就叫 流文件格式 流文件格式是和传输方式紧 密相关的 如果要做到编码与传输方式独 立 就需要对流文件格式进行详细的定义 3 转码技术和转码器的研究 目前大 多数的内容源是以 DVD 等格式保存的 如 果采用 播放 采集 压缩 的方式对图像 质量会有较大损伤 且效率低 好的转码 技术能够直接将内容从 DVD 等原始格式转 成相应的目标格式 效率高并且对图像质 量损伤最小 4 如何保证 IPTV 终端回放的图像质 量 影响 IPTV 终端回放图像质量的因素很 多 包括 源图像的质量 传输码率 压 缩编码的算法精度 传输系统的稳定性 机顶盒质量 显示设备质量等 确定编码 标准和传输标准 解决了一部分问题 但如 何确定编码 转码相关参数 提高编码 转 码后的源图像的质量 如何确定机顶盒输 出接口的电气特性指标等 还需进一步研 究和测试 IPTV 中的 CDN C D N基本概念和特点 CDN 是在 IP 基础网络上构建的内容服 务承载网 其核心思想是通过一个分布式 的应用层网络将流媒体内容和服务推向网 络的边缘 实现就近为用户服务 故 CDN 称为 平台 似更合适 通过引入和建设 CDN 平台 可以实现流媒体内容的推送和 静态页面的加速 提高 IP 网络中信息流动 的效率 从技术上解决了由于网络带宽小 网点分布不均等原因造成用户访问媒体内 容响应速度慢的问题 CDN 平台具有 集中管理 统一承载 分布服务 的特性 把管理和传输功能从 业务提供的功能中独立出来 从而可构成 一个具有良好的可扩展性 经济性 开放 性的适合大规模经营的宽带流媒体应用承 载平台 C D N在 I P T V中的应用 CDN 通过引入主动的内容管理层和全 局负载均衡 并结合内容缓存等技术 使 用户能以最快的速度 从最接近用户的地 方获得所需的内容信息 提高响应速度和 服务质量 CDN 的这一建设目标 与 IPTV 业务的需求是完全吻合的 因此 CDN 可 以作为 IPTV 的内容承载网 完成 IPTV 的 内容分发 把 IPTV 媒体内容高效 稳定地 发布到尽可能离用户最近的地方 从而缩 短服务响应时间 同时减轻骨干网络负荷 提高网络的整体性能 典型应用方式 对于点播 直播等不同的业务类型 CDN 支持 IPTV 业务的方式也不同 以下 给出在 IPTV 点播业务中采用基于 DNS 调 度的 CDN 应用方式 在这种方式下 CDN 中的 Cache 节点也就是 IPTV 的边缘服务节 点 其工作过程如下 1 机顶盒通过接入 认证等环节后 通过 EPG 获得要访问内容的连接地址 如 RTSP 2 机顶盒向本地 DNS 请求对该域名 的解析 图 2 IPTV 业务中基于 DNS 的 CDN 应用方式 IPTV 的 推 广 还需要解决资费 成 本 节 目 源 质量 产业链的 利益分配等诸多 瓶颈问题 2005 4 indd 372005 4 1 12 31 54 3 8 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 9 Technique 3 8 现代通信 2 0 0 5 4 现代通信 2 0 0 5 4 3 9 I P融合 3 本地 DNS 将解析请求发到 IPTV 的 授 权 DNS 授 权 DNS 通 知 本 地 DNS IPTV 调度服务器的地址 4 本地 DNS 向调度服务器发出域名 解析请求 5 调度服务器根据机顶盒地址和内 容信息 根据就近选择和 Cache 健康状况 选择最佳 Cache 节点 并将其地址信息返 回本地 DNS 6 本地 DNS 将该 Cache 节点的地址 信息发给用户 7 用户向最佳 Cache 节点发出请求 8 Cache 服务器响应用户的请求并提 供相应节目内容 上述 IPTV 中 CDN 的应用方式是最简 单的一种 现网环境复杂 同时还要考虑 对直播 组播业务的需求 CDN 实际应用 于 IPTV 业务的方式会比上述复杂得多 IPTV 平台与 CDN 的关系 如果大规模开展业务 IPTV 平台和 CDN 都要采用分层架构部署 IPTV 平台分 成全国中心平台 省级中心平台 边缘服 务节点 3 层 CDN 网络分成全国核心层 省级骨干层和地市边缘层 3 层 IPTV 边缘 服务节点中的流媒体播放服务器与 CDN 地 市边缘层 POP 节点的 Cache 服务器功能重 合 IPTV 平台和 CDN 的关系如图 3 所示 目前 C D N应用于 I P T V的问题 由于 CDN 建设的最初目的并不是为了 IPTV 业务服务的 因此目前的 CDN 支撑 IPTV 业务尚存在一系列问题 1 CDN Cache 节点尚不具备多编码 格式支持能力 而且目前的 CDN 产品以支 持 WMV 格式为主 支持 MPEG 4 的产品 不多 尚无支持 H 264 格式的产品 2 命中率低 PC 流媒体点播业务的 用户群的使用习惯一般适用 2 8 规则 即 80 的用户