IPTV與IPQAM技術(shù)對(duì)比研討

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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STB或PC機(jī)中內(nèi)嵌式客戶端軟件來完成媒體節(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展現(xiàn)EPG門戶內(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銷以及鏈路帶寬余量，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，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)需要通過雙向網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進(jìn)行通信才能實(shí)現(xiàn)交互，無論采用IPTV架構(gòu)還是IPQAM架構(gòu)都需要通過IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向接入。但是，不同類型的終端對(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)。一般來說，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，媒體流仍然是通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，因此它?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)訪問控制方面，需要通過一個(gè)終端類型屬性對(duì)兩種終端進(jìn)行區(qū)分。用戶在開戶時(shí)，系統(tǒng)需要登記終端類型，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)用戶的終端類型進(jìn)行不同的業(yè)務(wù)區(qū)分處理。終端訪問互動(dòng)平臺(tái)時(shí)，首先訪問USC，USC判斷終端的類型從而將不同的終端類型導(dǎo)向不同的電子節(jié)目指南（EPG）首頁。在IPTV終端和IPQAM機(jī)頂盒混合部署的系統(tǒng)中，兩種終端訪問的EPG頁面不同，在IPTV終端的EPG頁面中只顯示H.264格式的媒體內(nèi)容，在IPQAM雙向機(jī)頂盒訪問的EPG頁面中只呈現(xiàn)MPEG-2格式的媒體內(nèi)容，這樣就實(shí)現(xiàn)了不同的終端類型訪問不同的媒體內(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。考慮到帶寬管理、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+方式來進(jìn)行安全認(rèn)證。DHCP+通過在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的問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。