廖晶晶

（廣西師范大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來(lái)，IPTV吸引了越來(lái)越多的目光，他能向用戶提供各種數(shù)字媒體業(yè)務(wù)以及相關(guān)增值業(yè)務(wù)，包括電視節(jié)目、視頻點(diǎn)播、時(shí)移播放等[1]。由于目前業(yè)界還沒(méi)有形成對(duì)IPTV服務(wù)質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以用戶感知成了IPTV最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。然而從用戶感知角度來(lái)考慮，IPTV視頻圖像傳輸質(zhì)量成為影響用戶感知度的重要因素。所以，除了采用不同編解碼技術(shù)以保證視頻圖像質(zhì)量外，圖像的傳輸質(zhì)量成為IPTV業(yè)務(wù)主要追求的指標(biāo)。因此有必要從滿足IPTV網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸質(zhì)量要求的角度出發(fā)，在IPTV承載接入技術(shù)、糾錯(cuò)編碼及差錯(cuò)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等主要方面開(kāi)展分析研究。

1 幾種影響IPTV圖像傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

傳輸高質(zhì)量的IPTV視頻圖像，需要承載接入、糾錯(cuò)編碼及差錯(cuò)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)的支持，因此體系架構(gòu)必須滿足多種業(yè)務(wù)、多種技術(shù)的特定需求。

1.1 承載接入技術(shù)

視頻點(diǎn)播（VOD）、電視頻道（TV）節(jié)目和時(shí)移播放等是IPTV業(yè)務(wù)承載的最主要內(nèi)容。目前有線電視網(wǎng)播放質(zhì)量已被多數(shù)用戶認(rèn)可，為了保證IPTV的視頻圖像質(zhì)量與之相當(dāng)，IPTV業(yè)務(wù)在帶寬、頻道切換時(shí)延、QoS等方面對(duì)承載網(wǎng)提出了要求。如果采用MPEG-2編碼或MPEG-4編碼的視頻源為用戶提供DVD效果的視頻業(yè)務(wù)，單用戶至少需要3～4 Mbit/s或2 Mbit/s的下行帶寬，若為用戶提供標(biāo)清電視或高清電視業(yè)務(wù)，則需要更高的下行接入帶寬。目前國(guó)內(nèi)主流IPTV承載接入技術(shù)主要有DSLAM和PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)），PON又分為EPON和GPON兩大類。

1.2 糾錯(cuò)編碼及差錯(cuò)控制

IPTV業(yè)務(wù)承載于IP網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)的阻塞、延時(shí)和抖動(dòng)丟包等問(wèn)題是造成IPTV視頻圖像傳輸質(zhì)量不高的根源。針對(duì)這種現(xiàn)象，在不改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那疤嵯拢梢栽诰幗獯a過(guò)程中加入如擁塞控制、差錯(cuò)控制等應(yīng)用層的控制策略。主流的IPTV糾錯(cuò)控制技術(shù)包括應(yīng)用層差錯(cuò)控制技術(shù)和應(yīng)用層前向糾錯(cuò)技術(shù)。

1.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)交互（即向用戶提供個(gè)性化的選擇）的特點(diǎn)，視頻流須采用點(diǎn)播的方式進(jìn)行傳播；而為了向用戶提供不同內(nèi)容（表現(xiàn)為不同節(jié)目頻道），則要求采用廣播的方式進(jìn)行傳播。其中，IPTV業(yè)務(wù)視頻流的廣播方式對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)提出了組播的要求；而點(diǎn)播方式則要求能夠?qū)⒁曨l流完整可靠地傳送到用戶終端。目前，實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)傳輸方式的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括可控組播技術(shù)和CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)。

2 幾種影響IPTV圖像傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 承載接入技術(shù)

目前適合IPTV網(wǎng)絡(luò)的承載接入技術(shù)主要包括DSLAM和xPON。DSLAM是目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)存量較大的一種接入方式（見(jiàn)圖1），而xPON則是新增用戶主推的一種承載接入方式（見(jiàn)圖2），同時(shí)也代表了未來(lái)承載接入技術(shù)的主要發(fā)展方向。針對(duì)這兩種承載接入技術(shù)，各大運(yùn)營(yíng)商也提出了相關(guān)的IPTV解決方案。

DSLAM簡(jiǎn)稱為數(shù)字用戶線路接入復(fù)用器。早期DSLAM主要提供ADSL業(yè)務(wù)接入。隨著電信設(shè)備的IP化，是目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)網(wǎng)大量運(yùn)營(yíng)的承載接入方式。在DSLAM承載接入的基礎(chǔ)上，各大運(yùn)營(yíng)商提出了針對(duì)DSLAM承載接入技術(shù)的IPTV解決方案，如圖1所示。

由于DSLAM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、上下行帶寬和最大傳輸距離的限制（見(jiàn)表1），雖然能滿足IPTV的基本帶寬要求，但是無(wú)法滿足多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠹癐PTV網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。這個(gè)致命缺點(diǎn)，導(dǎo)致DSLAM技術(shù)很難在今后多種業(yè)務(wù)并存時(shí)得到大規(guī)模應(yīng)用。

表1 DSLAM業(yè)務(wù)基本參數(shù)

PON（Passive Optical Network）主要分為 EPON 和GPON兩大類。EPON（Ethernet PON）是一種近年來(lái)新興的光纖接入技術(shù)，它采用p2mp拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸過(guò)程中不含有源器件，在成熟的以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上提供多種業(yè)務(wù)；GPON（Gigabit-capable PON）技術(shù)是最新一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)，具有高帶寬、覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)。PON技術(shù)是國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商新增用戶的主要承載接入方式和接入網(wǎng)發(fā)展方向。圖2為IPTV在PON承載接入技術(shù)基礎(chǔ)上的解決方案。PON技術(shù)可以提供非常高的帶寬，并且覆蓋范圍也有很大的提高，相比DSLAM而言，PON更加適用于IPTV的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)（見(jiàn)表2）。

表2 PON基本參數(shù)

2.2 糾錯(cuò)編碼及差錯(cuò)控制

傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)并不能保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，但是IPTV業(yè)務(wù)恰恰具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。那么網(wǎng)絡(luò)中存在的延時(shí)、抖動(dòng)和阻塞等現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致視頻圖像質(zhì)量不高的問(wèn)題，降低用戶感知度。為了解決此類問(wèn)題，在編解碼過(guò)程中加入一些工作于應(yīng)用層的控制策略，一種是應(yīng)用層差錯(cuò)控制技術(shù)，另一種是應(yīng)用層前向糾錯(cuò)（AL-FEC）技術(shù)[3]。

2.2.1 應(yīng)用層差錯(cuò)控制技術(shù)

應(yīng)用層差錯(cuò)控制技術(shù)解決方案主要以終端為中心通過(guò)在接收終端以及信源編碼中加入如擁塞控制、差錯(cuò)控制等策略，來(lái)改善圖像質(zhì)量。應(yīng)用層差錯(cuò)控制技術(shù)主要分為編碼端前向糾錯(cuò)編碼、解碼端后處理差錯(cuò)隱藏、編解碼端交互差錯(cuò)控制等。

這些技術(shù)可以在一定程度上改善視頻傳輸?shù)姆€(wěn)健性，但同時(shí)也存在明顯的缺點(diǎn)。編碼端前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)是在視頻編碼流的基礎(chǔ)上，依據(jù)信道的最壞情形來(lái)增加冗余糾錯(cuò)編碼，它浪費(fèi)有限的帶寬資源且改變了原始碼流的結(jié)構(gòu)，不利于編解碼的進(jìn)行；解碼端后處理差錯(cuò)隱藏技術(shù)只能針對(duì)誤碼率較低的情況，一旦傳輸誤碼率較高，視頻圖像質(zhì)量受損過(guò)多，就無(wú)法還原出可接受的視頻圖像質(zhì)量；編解碼端交互差錯(cuò)控制技術(shù)依靠重傳機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞或丟包較多，就可能進(jìn)一步惡化網(wǎng)絡(luò)狀況。

2.2.2 AL-FEC技術(shù)

AL-FEC技術(shù)能夠較好地解決網(wǎng)絡(luò)阻塞丟包引起的IPTV業(yè)務(wù)視頻圖像傳輸質(zhì)量問(wèn)題。它同樣工作于網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用層，能夠在有丟包的情況下，使終端用戶接收到的視頻和原始視頻質(zhì)量一樣高。AL-FEC基于糾刪碼的運(yùn)用，在發(fā)送端，先將視頻流分割成大小相同的數(shù)據(jù)包，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)包產(chǎn)生修復(fù)數(shù)據(jù)包，并將視頻流數(shù)據(jù)包和修復(fù)數(shù)據(jù)包同時(shí)傳輸?shù)浇邮斩?；在接收端，通過(guò)修復(fù)數(shù)據(jù)包和視頻流數(shù)據(jù)包的處理，還原出原始的視頻數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞丟包的時(shí)候，接收端只需接收到發(fā)送端發(fā)送的部分?jǐn)?shù)據(jù)包，就能夠完全恢復(fù)所有的數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程如圖3所示。IPTV中的AL-FEC編碼大致可分為Raptor編碼、Pro-MPEG CoP3編碼以及FEC與重傳相結(jié)合。

1）Raptor編碼

Raptor碼基于數(shù)字噴泉技術(shù)，它針對(duì)原始數(shù)據(jù)流進(jìn)行分割并產(chǎn)生無(wú)限序列的編碼包，對(duì)于被分割成N個(gè)數(shù)據(jù)包的某一原始消息，在解碼端只需要接收到其中任意K個(gè)數(shù)據(jù)包，就能夠完全重構(gòu)這一消息，可以不考慮傳輸信道的刪除概率，具有很低的接收開(kāi)銷(xiāo)。這樣的特點(diǎn)，使得Raptor碼完全能夠勝任IPTV視頻圖像傳輸?shù)囊?，?shù)字視頻廣播、多媒體廣播在IPTV中的應(yīng)用都選擇Raptor碼作為AL-FEC編碼。

2）Pro-MPEG CoP3編碼

Pro-MPEG CoP3編碼基于奇偶校驗(yàn)技術(shù)，它可以單獨(dú)對(duì)行或列進(jìn)行編碼（Cop3 1D），也可以同時(shí)對(duì)行和列進(jìn)行編碼（Cop3 2D）。1D編碼只能保證網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)一個(gè)丟包情況下的視頻質(zhì)量，出現(xiàn)連續(xù)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的丟包時(shí)，視頻數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)損壞；2D編碼則要有20%的冗余數(shù)據(jù)來(lái)保證多個(gè)丟包情況下的視頻質(zhì)量。Pro-MPEG CoP3編碼是一類操作簡(jiǎn)單的奇偶校驗(yàn)碼，但是需要大量冗余視頻數(shù)據(jù)，使其大量消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，利用率很低。

3）FEC與重傳相結(jié)合

這種方式通過(guò)AL-FEC技術(shù)恢復(fù)傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)，丟失的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)重傳機(jī)制來(lái)獲取。它可以減輕重傳對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的負(fù)擔(dān)，增大視頻數(shù)據(jù)的恢復(fù)概率。但是由于重傳過(guò)程的存在，較難適用于頻道快速切換的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

2.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2.3.1 組播技術(shù)

在IPTV的直播（TV）類業(yè)務(wù)中，所有終端用戶都在觀看同一個(gè)內(nèi)容，這個(gè)特點(diǎn)表明此類業(yè)務(wù)是最適合采用組播技術(shù)來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)摹＝M播技術(shù)在IPTV中的應(yīng)用必須考慮下面幾個(gè)可能造成視頻圖像傳輸質(zhì)量受損的問(wèn)題[4]。

1）組播復(fù)制點(diǎn)

用戶IGMP的終結(jié)點(diǎn)就是組播復(fù)制點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在組播復(fù)制點(diǎn)根據(jù)用戶的IGMP請(qǐng)求來(lái)向端口復(fù)制組播流。為了不引起網(wǎng)絡(luò)繁忙，往往將組播復(fù)制點(diǎn)配置得比較接近用戶。

2）靜態(tài)組播和動(dòng)態(tài)組播

動(dòng)態(tài)組播每次根據(jù)用戶的請(qǐng)求，通過(guò)組播路由技術(shù)實(shí)時(shí)生成組播樹(shù)，再進(jìn)行節(jié)目源的傳輸。而靜態(tài)組播不需要實(shí)時(shí)生成組播樹(shù)，根據(jù)用戶請(qǐng)求直接在承載網(wǎng)組播數(shù)據(jù)的傳輸通道將節(jié)目源進(jìn)行傳輸。從響應(yīng)時(shí)間角度考慮，靜態(tài)組播技術(shù)更加適用于現(xiàn)階段的IPTV業(yè)務(wù)。

3）組播服務(wù)質(zhì)量(QoS)

組播基于UDP協(xié)議，僅提供不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致視頻圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量低下。目前可靠組播技術(shù)一直在研究中，還沒(méi)有進(jìn)入商用階段，但現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備QoS能力的提升，未來(lái)數(shù)年內(nèi)組播QoS還能夠基本保證。

2.3.2 CDN技術(shù)

CDN存在于視頻源服務(wù)器和緩存服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路上，是一種分布式內(nèi)容發(fā)布網(wǎng)絡(luò)。IPTV通過(guò)CDN網(wǎng)絡(luò)，將視頻流內(nèi)容發(fā)布到靠近用戶端的CDN節(jié)點(diǎn)后，就可以為用戶提供視頻點(diǎn)播服務(wù)。它能夠比較好地解決由于點(diǎn)播業(yè)務(wù)量大、視頻服務(wù)器分布不均勻而造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞問(wèn)題，保證了服務(wù)器端到用戶終端的QoS，提高點(diǎn)播業(yè)務(wù)的響應(yīng)速度，是IPTV中視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)的有效技術(shù)。

但是CDN系統(tǒng)采用不同于數(shù)字電視的視頻編碼格式（主要是REAL和WMV），對(duì)主流的MPEG-2，MPEG-4和H.264支持都非常有限，無(wú)法提供廣播級(jí)的視頻服務(wù)；它主要面向PC用戶設(shè)計(jì)，與TV節(jié)目源的要求相距甚遠(yuǎn)。并且，現(xiàn)有的CDN系統(tǒng)并不能提供完整的IPTV業(yè)務(wù)，還需要做很多復(fù)雜的集成工作。由此看出，CDN并不適合IPTV廣播業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大規(guī)模的廣播型TV業(yè)務(wù)必須依賴于可靠組播技術(shù)的成熟和應(yīng)用。

3 小結(jié)

DSLAM作為國(guó)內(nèi)最主要的固定寬帶接入網(wǎng)技術(shù)，由于受到本身技術(shù)的制約，在距離、速率和出線率等方面還存在不少問(wèn)題，且IPTV業(yè)務(wù)對(duì)接入帶寬有著明確的高要求，采用PON技術(shù)是較為理想的。在應(yīng)用層編解碼角度，基于Raptor編碼的AL-FEC技術(shù)已經(jīng)在IPTV業(yè)務(wù)中廣泛使用。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)角度，CDN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性較差，并且提供的是VOD業(yè)務(wù)，不是真正意義上廣播型的TV業(yè)務(wù)，所以CDN目前僅適用于VOD業(yè)務(wù)，不適合作為IPTV廣播業(yè)務(wù)的承載技術(shù)。隨著CDN技術(shù)和可靠組播技術(shù)的進(jìn)一步完善，未來(lái)的IPTV業(yè)務(wù)很可能會(huì)復(fù)用這兩種技術(shù)。

[1]Nortel Networks.Solutuions reference design:IP multicast television distribution version 1.2[EB/OL].[2011-10-28].http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.197.8451&rep=rep1&type=pdf.

[2] 張鵬，張興明.支持IPTV業(yè)務(wù)的可控組播設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2007，31（11）：60-62.

[3] 夏宏飛，呂曉鵬.IPTV業(yè)務(wù)中的應(yīng)用層差錯(cuò)控制技術(shù)分析[J].中興通訊技術(shù)，2009（6）：49-52.

[4]宋家友，桑紅濤.CDN技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2005，29（6）：75-77.