IPTV與IPQAM技術對比研討

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本文作者：陳偉、李荊生、童曉光 單位：六安市廣播電視網絡傳輸中心

終端設備層主要負責視頻內容的解碼，通過STB或PC機中內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系統體系架構圖。圖1中包括以下關鍵組件[4-5]：用戶會話控制（UserSessionController，USC）負責用戶鑒權和發(fā)起計費事務；媒體主控/引擎（MediaDirector&MediaEngine，MD/ME）負責儲存用戶媒體內容和向STB提供媒體服務；內容引擎控制器（ContentEngineController，CEC/CE）實現電視節(jié)目和影片實時編碼或轉換碼型，然后進行組播與推流；中央元數據管理（CentralMetadataManagement，CMM）處理所有節(jié)目的元數據，如節(jié)目名、節(jié)目ID、時間長度、節(jié)目數據大小和節(jié)目描述；元數據復制（MetadataReplicator，MDR）同步不同Metadata數據庫中的媒體內容元數據，同時維護中心節(jié)點（CMS）、歸宿節(jié)點（HMS）與邊緣節(jié)點（EMS）中元數據的一致性，同時還負責媒體平臺EPG文件的同步；下載服務器（DownloadServer，DNLD）負責各種型號STB的軟件下載和升級。

ipqam體系架構可劃分為3層結構，即業(yè)務支撐層、媒體基站層和終端設備層。除具備IPTV架構中的基本組件外，由于要借助HFC網絡進行媒體內容的傳送，在內容串流（ContentStreaming）部分做了相應的調整，在MD/ME和STB之間增加了一個適配模塊UA（RTSPUserAdapter），負責對指令進行轉換，另外還增加了資源管理模塊（RMM）對IPQAM資源進行調度，以及增加了媒體資產管理器（MediaAssetsManagement，MAM）負責頻道元數據中的頻點、CA節(jié)目映射表（PMT）的包標識符（PID）屬性引入等模塊。終端設備層主要是利用雙向機頂盒或基于窄帶技術的STB設備來實現對終端的接入，同時利用終端視頻瀏覽器中間件來展現EPG門戶內容。圖2給出了一種IPQAM系統體系架構圖。IPQAM架構采用的是以“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架構是以雙向IP網絡作為承載網絡，即上行認證、請求信息和下行媒體流都是通過IP網絡傳輸的。

關鍵技術比較與分析

兩種體系架構因承載網絡、終端類型等方面的差異，其視頻編碼、視頻處理、網絡接入等方面也存在一定的區(qū)別與聯系。

IPTV終端是從IP網絡接收媒體流的，對于IPTV終端的內容，應考慮壓縮效率更高的編碼格式，如H.264格式。假設在同樣的骨干網絡帶寬下，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)請求。采用H.264編碼格式對標清內容進行壓縮時，只需1.5Mbit/s左右的帶寬即可達到MPEG-2編碼格式下3.75Mbit/s的視頻質量，對帶寬的占用只有MPEG-2格式的一半。對于直播、回看節(jié)目和點播節(jié)目，如果采用MPEG-2格式對節(jié)目進行編碼，將對IP網絡的帶寬提出很高的要求，以1000并發(fā)用戶為例，需要3.75Mbit/s（標清內容碼率）×1000=3.75Gbit/s的骨干網絡帶寬，如果計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)標清內容請求下所需的骨干網絡帶寬則降低一半。IPQAM終端的媒體內容是通過IPQAM傳送的，IPQAM傳輸方式可充分發(fā)揮有線HFC網絡帶寬高、QoS能力好，對IP網絡的帶寬和QoS要求較低的優(yōu)勢，非常適合于在IP網絡設計、建設和維護方面經驗和能力相對欠缺的視頻服務運營商部署互動電視系統。由于大部分運營商前期在進行數字電視整體轉換時已發(fā)放了大量的MPEG-2標清機頂盒，更換支持H.264的機頂盒成本巨大?？紤]到機頂盒終端仍然采用MPEG-2編碼格式，互動系統的內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。互動系統中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，主要表現在：互動系統中的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。這主要是便于系統管理和計算IPQAM資源。為了提高單個QAM通道承載的流數量，互動系統中內容的比特率一般壓縮為3.75Mbit/s，這樣一個QAM通道可承載10個并發(fā)流。廣播節(jié)目的碼率一般在4~6Mbit/s。

直播頻道的元數據信息包括CE（CX）輸出的組播地址、端口號信息，為了能夠處理IPQAM方式下的機頂盒終端直播電視業(yè)務，直播頻道的元數據增加了兩個屬性，即頻點和PMT的PID，這些信息由MAM導入系統。IPTV終端需要通過IP網絡接收直播電視，所以IPTV終端關心的是直播頻道元數據中的組播地址、端口號信息，不關心頻點和PMT的PID信息。IPTV終端從USC獲取直播頻道的元數據信息，并從中提取感興趣的組播地址、端口號信息，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)務處理流程。IPQAM終端是通過HFC網絡獲取直播頻道內容的，所以它關心的是直播頻道元數據中的頻點和PMT的PID信息。機頂盒從由USC提供的直播頻道元數據中獲取該直播頻道的頻點、PMT的PID信息，然后再調用機頂盒中相應的程序鎖定相應頻點，通過PMT的PID找到相應的節(jié)目進行播放。圖4給出了IPQAM視頻業(yè)務處理流程。

對于時移電視和電視回看內容，由系統中配置的轉碼器、編碼器對這些頻道進行實時轉碼或編碼，并交由MD/ME存儲，終端在請求時移電視和電視回看時，由USC根據用戶終端的類型分別進行處理。如果終端是IPTV終端，USC對終端進行認證后把IPTV終端的時移電視或電視回看請求提供給MD/ME，MD/ME將媒體流直接發(fā)送給IPTV終端。圖5給出了IPTV視頻點播業(yè)務處理流程。如果終端類型為IPQAM方式的雙向機頂盒，USC對終端進行認證后將請求發(fā)送給UA，UA對用戶請求進行轉換后發(fā)送給MD/ME，MD/ME收到來自UA的用戶請求后向RMM請求IPQAM資源，根據RMM提供的資源將媒體流發(fā)送到相應的IPQAM通道，同時將頻點、PMT的PID信息返回給UA，由UA提供給雙向機頂盒接收相應的媒體流。圖6給出了IPQAM視頻點播業(yè)務處理流程。在基于IPTV架構中，直播電視信號需要通過轉碼器、編碼器進行轉碼、編碼后，由CEC/CE（CX）接收，然后組播出來，同時CEC/CE（CX）通知MD/ME進行存儲。存儲后的內容可供時移電視和電視回看業(yè)務使用，就像點播一樣，由MD/ME通過IP網絡發(fā)送給終端。而IPQAM的電視回看、時移電視業(yè)務處理方式與點播一樣，媒體內容是通過IPQAM設備發(fā)送到終端，而不是直接發(fā)送給終端。

互動系統需要通過雙向網絡與系統進行通信才能實現交互，無論采用IPTV架構還是IPQAM架構都需要通過IP網絡實現雙向接入。但是，不同類型的終端對雙向接入網的要求不同。對于IPTV系統，由于所有信息和媒體流都是通過IP網絡傳送，因此它對于IP網絡的要求要比雙向機頂盒要高，尤其是實時的直播電視業(yè)務，對網絡帶寬、丟包和抖動都很敏感，因此對于IPTV終端需要仔細規(guī)劃和部署接入網。一般來說，要提供標清H.264格式的視頻業(yè)務，對網絡的要求包括：帶寬不小于2Mbit/s；單向時延不大于50ms；丟包率不大于0.1%；抖動不大于10ms。對于IPQAM系統，IP網絡只承擔業(yè)務認證和交互信息的通道，媒體流仍然是通過有線網絡傳輸的，因此它對于IP網絡的帶寬和服務質量（QoS）要求（丟包率、延時和抖動）不高。例如，帶寬方面只需300~500kbit/s即可，在延遲和抖動方面的要求，只需提供與Internet接入業(yè)務相同的QoS即可滿足要求。

兩種架構共存思考

對于系統中IPTV終端和IPQAM終端共存的情況，無論采用IPTV還是采用IPQAM部署前端互動平臺，對于播控平臺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），以滿足達到終端接入帶寬等要求。在業(yè)務訪問控制方面，需要通過一個終端類型屬性對兩種終端進行區(qū)分。用戶在開戶時，系統需要登記終端類型，這樣不同的終端在進行業(yè)務請求時，系統會根據用戶的終端類型進行不同的業(yè)務區(qū)分處理。終端訪問互動平臺時，首先訪問USC，USC判斷終端的類型從而將不同的終端類型導向不同的電子節(jié)目指南（EPG）首頁。在IPTV終端和IPQAM機頂盒混合部署的系統中，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格式的媒體內容，在IPQAM雙向機頂盒訪問的EPG頁面中只呈現MPEG-2格式的媒體內容，這樣就實現了不同的終端類型訪問不同的媒體內容。在接入認證方面，混合部署中的接入認證方式可以采用統一的DHCP或PPPoE方式?？紤]到帶寬管理、安全性和管理的復雜程度，一般建議采用PPPoE方式進行接入認證或DHCP+方式來進行安全認證。DHCP+通過在DHCP報文的option字段插入用戶名密碼等，確保未經認證的不會得到IP地址，達到對不同業(yè)務終端用戶鑒權和管理的目的，使互動電視的應用網絡更安全。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內容需要分別針對MPEG-2和H.264兩種格式進行編碼，也就是說同一個節(jié)目源需要轉碼、編碼2次，并需要以兩種格式分別在系統中存儲，占用的存儲空間較多。

小結

本文以互動平臺中的IPTV與IPQAM兩種體系架構為切入點，綜合比較與分析了兩種體系架構下的視頻編碼、媒體處理和網絡接入等關鍵技術。最后，對于兩種架構共存中的業(yè)務訪問控制與接入認證方面進行了一定的技術探討，希望為視頻服務運營商在進行互動平臺選型時提供一定的參考與借鑒。