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本文作者:陳偉、李荊生、童曉光 單位:六安市廣播電視網(wǎng)絡(luò)傳輸中心
終端設(shè)備層主要負(fù)責(zé)視頻內(nèi)容的解碼,通過(guò)STB或PC機(jī)中內(nèi)嵌式客戶端軟件來(lái)完成媒體節(jié)目的解析。圖1給出了一種iptv系統(tǒng)體系架構(gòu)圖。圖1中包括以下關(guān)鍵組件[4-5]:用戶會(huì)話控制(UserSessionController,USC)負(fù)責(zé)用戶鑒權(quán)和發(fā)起計(jì)費(fèi)事務(wù);媒體主控/引擎(MediaDirector&MediaEngine,MD/ME)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存用戶媒體內(nèi)容和向STB提供媒體服務(wù);內(nèi)容引擎控制器(ContentEngineController,CEC/CE)實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目和影片實(shí)時(shí)編碼或轉(zhuǎn)換碼型,然后進(jìn)行組播與推流;中央元數(shù)據(jù)管理(CentralMetadataManagement,CMM)處理所有節(jié)目的元數(shù)據(jù),如節(jié)目名、節(jié)目ID、時(shí)間長(zhǎng)度、節(jié)目數(shù)據(jù)大小和節(jié)目描述;元數(shù)據(jù)復(fù)制(MetadataReplicator,MDR)同步不同Metadata數(shù)據(jù)庫(kù)中的媒體內(nèi)容元數(shù)據(jù),同時(shí)維護(hù)中心節(jié)點(diǎn)(CMS)、歸宿節(jié)點(diǎn)(HMS)與邊緣節(jié)點(diǎn)(EMS)中元數(shù)據(jù)的一致性,同時(shí)還負(fù)責(zé)媒體平臺(tái)EPG文件的同步;下載服務(wù)器(DownloadServer,DNLD)負(fù)責(zé)各種型號(hào)STB的軟件下載和升級(jí)。
ipqam體系架構(gòu)可劃分為3層結(jié)構(gòu),即業(yè)務(wù)支撐層、媒體基站層和終端設(shè)備層。除具備IPTV架構(gòu)中的基本組件外,由于要借助HFC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行媒體內(nèi)容的傳送,在內(nèi)容串流(ContentStreaming)部分做了相應(yīng)的調(diào)整,在MD/ME和STB之間增加了一個(gè)適配模塊UA(RTSPUserAdapter),負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換,另外還增加了資源管理模塊(RMM)對(duì)IPQAM資源進(jìn)行調(diào)度,以及增加了媒體資產(chǎn)管理器(MediaAssetsManagement,MAM)負(fù)責(zé)頻道元數(shù)據(jù)中的頻點(diǎn)、CA節(jié)目映射表(PMT)的包標(biāo)識(shí)符(PID)屬性引入等模塊。終端設(shè)備層主要是利用雙向機(jī)頂盒或基于窄帶技術(shù)的STB設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的接入,同時(shí)利用終端視頻瀏覽器中間件來(lái)展現(xiàn)EPG門(mén)戶內(nèi)容。圖2給出了一種IPQAM系統(tǒng)體系架構(gòu)圖。IPQAM架構(gòu)采用的是以“HFC下行+IP回傳”方式,即下行通過(guò)IPQAM的RF下發(fā),上行IP作為控制回傳的上行通道。與IPQAM相比,IPTV架構(gòu)是以雙向IP網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)絡(luò),即上行認(rèn)證、請(qǐng)求信息和下行媒體流都是通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹?/p>
關(guān)鍵技術(shù)比較與分析
兩種體系架構(gòu)因承載網(wǎng)絡(luò)、終端類(lèi)型等方面的差異,其視頻編碼、視頻處理、網(wǎng)絡(luò)接入等方面也存在一定的區(qū)別與聯(lián)系。
IPTV終端是從IP網(wǎng)絡(luò)接收媒體流的,對(duì)于IPTV終端的內(nèi)容,應(yīng)考慮壓縮效率更高的編碼格式,如H.264格式。假設(shè)在同樣的骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬下,與采用H.264編碼格式相比,MPEG-2編碼格式下可承載多一倍的用戶并發(fā)請(qǐng)求。采用H.264編碼格式對(duì)標(biāo)清內(nèi)容進(jìn)行壓縮時(shí),只需1.5Mbit/s左右的帶寬即可達(dá)到MPEG-2編碼格式下3.75Mbit/s的視頻質(zhì)量,對(duì)帶寬的占用只有MPEG-2格式的一半。對(duì)于直播、回看節(jié)目和點(diǎn)播節(jié)目,如果采用MPEG-2格式對(duì)節(jié)目進(jìn)行編碼,將對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出很高的要求,以1000并發(fā)用戶為例,需要3.75Mbit/s(標(biāo)清內(nèi)容碼率)×1000=3.75Gbit/s的骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬,如果計(jì)算傳輸流封裝和鏈路層的開(kāi)銷(xiāo)以及鏈路帶寬余量,至少需要5Gbit/s的骨干帶寬才能支持1000并發(fā)IPTV終端用戶的要求,而采用H.264編碼,1000用戶并發(fā)標(biāo)清內(nèi)容請(qǐng)求下所需的骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬則降低一半。IPQAM終端的媒體內(nèi)容是通過(guò)IPQAM傳送的,IPQAM傳輸方式可充分發(fā)揮有線HFC網(wǎng)絡(luò)帶寬高、QoS能力好,對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的帶寬和QoS要求較低的優(yōu)勢(shì),非常適合于在IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)方面經(jīng)驗(yàn)和能力相對(duì)欠缺的視頻服務(wù)運(yùn)營(yíng)商部署互動(dòng)電視系統(tǒng)。由于大部分運(yùn)營(yíng)商前期在進(jìn)行數(shù)字電視整體轉(zhuǎn)換時(shí)已發(fā)放了大量的MPEG-2標(biāo)清機(jī)頂盒,更換支持H.264的機(jī)頂盒成本巨大。考慮到機(jī)頂盒終端仍然采用MPEG-2編碼格式,互動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)容編碼格式可以采用MPEG-2視頻壓縮格式,音頻壓縮一般采用MP2(MPEG-1LayerII),流封裝格式一般采用MPEG-2TS傳輸流?;?dòng)系統(tǒng)中MPEG-2編碼與廣播節(jié)目的MPEG-2編碼相比,也存在一定的區(qū)別,主要表現(xiàn)在:互動(dòng)系統(tǒng)中的MPEG-2視頻壓縮要采用CBR模式,而直播節(jié)目中為了提高編碼效率一般采用VBR(可變碼率)格式編碼。這主要是便于系統(tǒng)管理和計(jì)算IPQAM資源。為了提高單個(gè)QAM通道承載的流數(shù)量,互動(dòng)系統(tǒng)中內(nèi)容的比特率一般壓縮為3.75Mbit/s,這樣一個(gè)QAM通道可承載10個(gè)并發(fā)流。廣播節(jié)目的碼率一般在4~6Mbit/s。
直播頻道的元數(shù)據(jù)信息包括CE(CX)輸出的組播地址、端口號(hào)信息,為了能夠處理IPQAM方式下的機(jī)頂盒終端直播電視業(yè)務(wù),直播頻道的元數(shù)據(jù)增加了兩個(gè)屬性,即頻點(diǎn)和PMT的PID,這些信息由MAM導(dǎo)入系統(tǒng)。IPTV終端需要通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)接收直播電視,所以IPTV終端關(guān)心的是直播頻道元數(shù)據(jù)中的組播地址、端口號(hào)信息,不關(guān)心頻點(diǎn)和PMT的PID信息。IPTV終端從USC獲取直播頻道的元數(shù)據(jù)信息,并從中提取感興趣的組播地址、端口號(hào)信息,然后通過(guò)組播接收由CE(CX)發(fā)送的直播頻道。圖3給出了IPTV視頻直播業(yè)務(wù)處理流程。IPQAM終端是通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò)獲取直播頻道內(nèi)容的,所以它關(guān)心的是直播頻道元數(shù)據(jù)中的頻點(diǎn)和PMT的PID信息。機(jī)頂盒從由USC提供的直播頻道元數(shù)據(jù)中獲取該直播頻道的頻點(diǎn)、PMT的PID信息,然后再調(diào)用機(jī)頂盒中相應(yīng)的程序鎖定相應(yīng)頻點(diǎn),通過(guò)PMT的PID找到相應(yīng)的節(jié)目進(jìn)行播放。圖4給出了IPQAM視頻業(yè)務(wù)處理流程。
對(duì)于時(shí)移電視和電視回看內(nèi)容,由系統(tǒng)中配置的轉(zhuǎn)碼器、編碼器對(duì)這些頻道進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼或編碼,并交由MD/ME存儲(chǔ),終端在請(qǐng)求時(shí)移電視和電視回看時(shí),由USC根據(jù)用戶終端的類(lèi)型分別進(jìn)行處理。如果終端是IPTV終端,USC對(duì)終端進(jìn)行認(rèn)證后把IPTV終端的時(shí)移電視或電視回看請(qǐng)求提供給MD/ME,MD/ME將媒體流直接發(fā)送給IPTV終端。圖5給出了IPTV視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)處理流程。如果終端類(lèi)型為IPQAM方式的雙向機(jī)頂盒,USC對(duì)終端進(jìn)行認(rèn)證后將請(qǐng)求發(fā)送給UA,UA對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送給MD/ME,MD/ME收到來(lái)自UA的用戶請(qǐng)求后向RMM請(qǐng)求IPQAM資源,根據(jù)RMM提供的資源將媒體流發(fā)送到相應(yīng)的IPQAM通道,同時(shí)將頻點(diǎn)、PMT的PID信息返回給UA,由UA提供給雙向機(jī)頂盒接收相應(yīng)的媒體流。圖6給出了IPQAM視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)處理流程。在基于IPTV架構(gòu)中,直播電視信號(hào)需要通過(guò)轉(zhuǎn)碼器、編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)碼、編碼后,由CEC/CE(CX)接收,然后組播出來(lái),同時(shí)CEC/CE(CX)通知MD/ME進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)后的內(nèi)容可供時(shí)移電視和電視回看業(yè)務(wù)使用,就像點(diǎn)播一樣,由MD/ME通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端。而IPQAM的電視回看、時(shí)移電視業(yè)務(wù)處理方式與點(diǎn)播一樣,媒體內(nèi)容是通過(guò)IPQAM設(shè)備發(fā)送到終端,而不是直接發(fā)送給終端。
互動(dòng)系統(tǒng)需要通過(guò)雙向網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進(jìn)行通信才能實(shí)現(xiàn)交互,無(wú)論采用IPTV架構(gòu)還是IPQAM架構(gòu)都需要通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向接入。但是,不同類(lèi)型的終端對(duì)雙向接入網(wǎng)的要求不同。對(duì)于IPTV系統(tǒng),由于所有信息和媒體流都是通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送,因此它對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)的要求要比雙向機(jī)頂盒要高,尤其是實(shí)時(shí)的直播電視業(yè)務(wù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、丟包和抖動(dòng)都很敏感,因此對(duì)于IPTV終端需要仔細(xì)規(guī)劃和部署接入網(wǎng)。一般來(lái)說(shuō),要提供標(biāo)清H.264格式的視頻業(yè)務(wù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求包括:帶寬不小于2Mbit/s;單向時(shí)延不大于50ms;丟包率不大于0.1%;抖動(dòng)不大于10ms。對(duì)于IPQAM系統(tǒng),IP網(wǎng)絡(luò)只承擔(dān)業(yè)務(wù)認(rèn)證和交互信息的通道,媒體流仍然是通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模虼怂鼘?duì)于IP網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求(丟包率、延時(shí)和抖動(dòng))不高。例如,帶寬方面只需300~500kbit/s即可,在延遲和抖動(dòng)方面的要求,只需提供與Internet接入業(yè)務(wù)相同的QoS即可滿足要求。
兩種架構(gòu)共存思考
對(duì)于系統(tǒng)中IPTV終端和IPQAM終端共存的情況,無(wú)論采用IPTV還是采用IPQAM部署前端互動(dòng)平臺(tái),對(duì)于播控平臺(tái)直播信源的植入都是需要將視頻源由可變碼率(VBR)變成恒定碼率(CBR),以滿足達(dá)到終端接入帶寬等要求。在業(yè)務(wù)訪問(wèn)控制方面,需要通過(guò)一個(gè)終端類(lèi)型屬性對(duì)兩種終端進(jìn)行區(qū)分。用戶在開(kāi)戶時(shí),系統(tǒng)需要登記終端類(lèi)型,這樣不同的終端在進(jìn)行業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的終端類(lèi)型進(jìn)行不同的業(yè)務(wù)區(qū)分處理。終端訪問(wèn)互動(dòng)平臺(tái)時(shí),首先訪問(wèn)USC,USC判斷終端的類(lèi)型從而將不同的終端類(lèi)型導(dǎo)向不同的電子節(jié)目指南(EPG)首頁(yè)。在IPTV終端和IPQAM機(jī)頂盒混合部署的系統(tǒng)中,兩種終端訪問(wèn)的EPG頁(yè)面不同,在IPTV終端的EPG頁(yè)面中只顯示H.264格式的媒體內(nèi)容,在IPQAM雙向機(jī)頂盒訪問(wèn)的EPG頁(yè)面中只呈現(xiàn)MPEG-2格式的媒體內(nèi)容,這樣就實(shí)現(xiàn)了不同的終端類(lèi)型訪問(wèn)不同的媒體內(nèi)容。在接入認(rèn)證方面,混合部署中的接入認(rèn)證方式可以采用統(tǒng)一的DHCP或PPPoE方式??紤]到帶寬管理、安全性和管理的復(fù)雜程度,一般建議采用PPPoE方式進(jìn)行接入認(rèn)證或DHCP+方式來(lái)進(jìn)行安全認(rèn)證。DHCP+通過(guò)在DHCP報(bào)文的option字段插入用戶名密碼等,確保未經(jīng)認(rèn)證的不會(huì)得到IP地址,達(dá)到對(duì)不同業(yè)務(wù)終端用戶鑒權(quán)和管理的目的,使互動(dòng)電視的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)更安全。具體的接入方式可以是EPON+LAN,EPON+EOC,IPDSAM或者ADSL等。兩種體系架構(gòu)下采用不同的媒體編碼格式所帶來(lái)的問(wèn)題之一就是如果同一個(gè)內(nèi)容需要分別針對(duì)MPEG-2和H.264兩種格式進(jìn)行編碼,也就是說(shuō)同一個(gè)節(jié)目源需要轉(zhuǎn)碼、編碼2次,并需要以兩種格式分別在系統(tǒng)中存儲(chǔ),占用的存儲(chǔ)空間較多。
小結(jié)
本文以互動(dòng)平臺(tái)中的IPTV與IPQAM兩種體系架構(gòu)為切入點(diǎn),綜合比較與分析了兩種體系架構(gòu)下的視頻編碼、媒體處理和網(wǎng)絡(luò)接入等關(guān)鍵技術(shù)。最后,對(duì)于兩種架構(gòu)共存中的業(yè)務(wù)訪問(wèn)控制與接入認(rèn)證方面進(jìn)行了一定的技術(shù)探討,希望為視頻服務(wù)運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行互動(dòng)平臺(tái)選型時(shí)提供一定的參考與借鑒。