第2卷第1期 贵阳学院学报(自然科学版) (季刊) Vol-2 No.1 JOURNAL OF GUIYANG UNIVERSnY 2007年3月 Natural Sciences(Quarterly) Mar.20o7 IPTV技术及标准浅析 车 君 (重庆邮电大学信科公司,重庆400065) 摘要:WIN技术含I V管理系统、承载与传输网络和用户终端接收系统;IP1V涉及的关 键技术有数字视频编解码技术、数字版权管理技术、IPQOS技术、流媒体技术和组播技术; I V技术标准有MPEC—l标准、MPEC一2标准、MPEC-4标准和H.264/AVC标准、AVS标 准。 关键词:IPrrV技术;概念;分析;关键;I V技术标准 ‘ 中图分类号:TN949.291文献标识码:A 文章编号:1673—6125(2007)01-0013-07 An Analysis of IPTV Technology and Standard CHE Jun (Xinke Company,Chongqing Post and Telecommunications University,Chongqing 400065,China) Abstract:I V technology includes systems of nmnaging,c ̄,ins and transmitting network,and the system of the user’S terminal receiving.The key technologies about TV are encoding nad decoding tceh- nologies of diigtal video frequency,managing technologies diigtla copyr/ght,JPQQ tcehnology,flowing medium technology nad group broadcasting tcehndogy.The tecnhological stnadards ofI are MPEC一 1 standard,MPEC-2 stnadard,MPEC一4 standard,H-264/AVC standard and AVS standard. Key words:IPTV technology;concept;analysis;key;I tcehnological stnad 1 TV的基本概念 向家庭用户提供包括数字电视在内的多种 交互式数字媒体服务。这种应用将电视、通 IP1 即交互式网络电视,它利用宽带 信和PC三个领域结合在一起,不仅可以向 网的基础设施,以家用电视机(或计算机) 用户提供数字广播电视、VoD点播、视频录 作为主要终端设备,集互联网、多媒体、通信 像等宽带业务,而且还可以将互联网浏览、 等多种技术于一体,通过互联网络协议(IP) 电子邮件收发以及多种在线信息咨询、娱 收稿13期:2006—10—09 作者简介:车君(1973一),男,浙江杭州人,重庆邮电大学信科公司助理工程师。 一l3一 维普资讯 http://www.cqvip.com 乐、教育功能结合在一起,实现真正的互动。 IP1V系统主要包括流媒体服务、节目 采编、存储及认证计费等系统,涉及的主要 技术包括视频编解码、流媒体、数字版权管 理、CDN、组播、电子节目单和中间件技术 等。视频编解码技术是IPTV的关键技术之 一赖以生存和发展的根本。前端的IP1 管理 系统包括节目源内容管理系统、用户管理系 统、节目播送与传输控制管理系统、网络安 全监管系统等。(1)节目源内容管理系统 对节目源内容管理可采用媒体资产管理技 术。(2)用户管理系统对用户的管理和授 权通常不采用DVB—C的CA技术,而使用 ,目前视频编解码技术国际上有ISO的 MPEG(Moving Pictures Experts Group:运动 图像专家组)标准MPEG—l,MPEG一2, MPEG—g等。有国际电联(rI'u—T)的标 准H.261,H.263,H.263+等。H.264 标准是ITu—T的VCEG(视频编码专家 组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像专家 组)的联合视频组J、,1r(J0int Video Team)开 发的标准。还有中国牵头制定的AVS(Au— dio Video Coding Standard)数字音视频编解 码技术标准)。目前宽带网络环境下适用于 IP1、 业务的编码标准有MPEG-4,H.264/ AVC和AVS。 2 TV技术分析 IP1V节目播送服务系统对IP1 节目 流媒体数据播送与传输的实现方式,主要有 支持IP协议的流媒体广播、组播、单播等方 式,并需要流媒体服务器和流媒体播放软件 支持。流媒体服务器在用户管理系统的控 制下把加密的Im 节目流媒体数据播送到 传输网络中,同时IP节目播送服务系统要 对用户或用户终端设备进行认证,并从 DRM授权密钥服务器向被认证的用户或用 户终端设备传送ORM授权密钥,使用户能 够对接收到的加密的IP1V节目流媒体数据 进行解密和播放。 2.1 IPTv管理系统 IP传输网络、节目源、用户群是IP1 一1g一 认证技术、数字版权管理(DRM)技术、数字 加密技术和水印技术等,进行服务认证和版 权保护,IP1 对用户的管理和授权是点到 点的安全机制,能够实现对信息和IP1 用 户的认证、计费、授权等功能,保证合法用户 可以得到安全合理的服务。(3)节目播送 与传输控制管理系统负责IP1 节目流媒体 数据播送与传输的控制与管理。(4)网络 安全监管系统负责宽带用户传输网络的安 全监控与管理。 2.2 IPTV的承载与传输网络 为了保证所传送的IP1 节目的实时收 看质量与广电模拟电视节目收看质量相当, IP1 承载与传输网络性能必须满足以下要 求: (1)带宽:采用MPEG—g或H.264压 缩编码时要求每个IP1 用户接人带宽达到 1.5M-2M。 (2)频道切换时延:广电模拟电视的频 道切换非常快,IP1V也应尽量减少切换时 延。 (3)网络QoS:IP宽带传输网络应尽可 能减少丢包、抖动,以保证IP1’v的收视 (听)质量。 (4)IP1V要采用组播/广播方式提供 IP1 节目流媒体数据广播类业务。 (5)为了提高对IP1 点播/交互业务 (如VoD)的响应和传输实时性,要求IP宽 维普资讯 http://www.cqvip.com 带传输网络能够有效地将IP1V节目流媒体 数据推送到内容分发网(CDN/VDN),缓解 冲击性和波动性的点播/交互业务请求对前 端的压力,IP1V系统的IP骨干网/城域网 采取中心服务器和边缘服务器分布式部署, 构建CDN/VDN内容分发网,将IP1V节目 流媒体数据内容从中心服务器分发到边缘 服务器。 IP1V的承载与传输网络采用支持互联 网IP协议的IP宽带传输网络,包括骨干网 /城域网、宽带接入网和内容分发网(CDN/ VDN)等。 骨干网/城域网主要完成IP1V节目流 媒体数据在城市范围和城市之间的传送。 目前城域网主要采用千兆/万兆以太网,长 距离的骨干网可以采用IP over SDH、IP oYer ATM或IP oYeY DWDM opticM等方式。 宽带接入网主要完成用户到城域网的 连接,IP1V支持丌TI’H接人、丌TI’B+LAN接 人、ADSL接人、HFC/Cable Modem接人、 WLAN无线接人等接入方式。 CDN/VDN内容分发网是叠加在骨干 网/城域网之上的应用系统,它是将前端的 视频节目流内容分布存放到网络的边缘服 务器,以改善用户获得服务的质量,减少节 目流对骨干网/城域网的带宽压力。IP1V 系统的前端与骨干网/城域网络相连,节目 流通过内容分发网被复制到网络的边缘服 务器中,然后通过宽带接入网传送到业务接 收端,因此IP1V业务中的节目流是通过分 布在网络边缘的各个边缘服务器与前端共 同完成的。 2.3 Il,TV用户终端接收系统 IP1V用户终端接收系统负责接收、存 储和播放或转发IP1V节目流媒体数据、电 子节目指南。If,IV用户终端接收系统功能 包括: (1)支持LAN/ADSL等接人方式。 (2)支持MPEG一4、H,264、WMV、Re— al、QuickTime等视频解码,支持硬件解压和 软件解压。 (3)不仅能够接收及处理IP1V节目流 媒体数据,还支持网页浏览和网络游戏等。 (4)带有数字版权管理技术的客户端 应用软件和开放式业务的中间件软件,支 持视频点播、电视屏幕显示和数字版权管 理。 (5)各类终端设备可由前端的网管系 统实现远程监管和自动升级等功能 3 TV涉及的关键技术 IP1 涉及的关键技术有:数字视频编 解码技术、媒体资产管理技术、流媒体技术、 内容分发网(CDN/VDN)技术、IP组播(多 播)技术、数字版权管理(DRM)与用户授权 认证、管理和收费系统技术、IP1V机顶盒与 中间件技术、LAN/ADSL cable Modem等IP 宽带接入网技术以及各种应用业务相关软 件技术等。 3.1数字视频编解码技术 目前适用于IP1V的编解码标准有 MPEG一4,AC一1(WMV9)和H.264等。 (1)MPEG一4是IS0/IEC的MPEG(运 动图像专家组)制定的标准,目前应用的是 MPEG一4的第二部分。 (2)AC一1是Micorsotf的视频编解码 标准,是WMV9向编解码标准组织提交采 用的编解码标准。 (3)H.264是ITU—T的VCEG(视频编 码专家组)和ISO/IEC的MPEG共同成立的 一15— 维普资讯 http://www.cqvip.com
JVT(联合视频工作组)联合开发的视频编 解码标准,它既是ITu—T的H.264,也是 ISO/IEC的MPEG一4的AVC(高级视频编 码部分)。H.264致力于把如何提高视频图 像的传输效率和如何为用户提供更高质量 的画面两个目标结合起来,在与MPEG一4 同等视频图像质量条件下,H.264可将编码 压缩效率和容错能力提高1倍,且提高了视 频传输质量的可控性,H.264可以应用于 IPTV、广播电视、会议电视等领域。 (4)IPTV系统可以采用多种编码格式 混合使用。 3.2数字版权管理技术 数字版权管理是授权和认证技术.主要 采用数据加密、密钥管理、版权保护、数字水 印和签名技术确保IPTV节目流媒体数据内 容只有通过DRM系统授权才能够接收、访 问、解密、解码和收视(听),防止非法接收 和使用。 (1)版权保护首先将合法节目内容的 条款信息进行编码,嵌入到IfrIV节目流媒 体数据中。只有当条件满足时,节目内容才 允许被使用。 (2)数字水印和签名:把代表著作权者 身份的特定信息、发行商的信息和使用条款 信息嵌入到IPTV节目流媒体数据中,给节 目打上水印记,防止使用者非法传播。 (3)在节目流到达接收端开始播放前, 播放器将自动根据节目内容的要求访问许 可证服务器,以获得正常播放所需要的密 钥,在收到密钥后结合授权使用规则播放 IP1V节目内容。 3.3 IP Qos技术 IPTV多媒体业务采用流媒体传输,对 网络带宽、时延和时延抖动的要求很高。因 一16一 此IP1T、,系统必须应用IP QoS技术,IP QoS 主要需要解决时延(delay)、抖动(jitter)和 丢包(packet loss)三个问题,以防止用户接 收端出现画面不流畅、马赛克甚至停滞的现 象。 时延是指数据包从网络人点到网络出 点的单向花费时间。造成时延的来源有物 理介质所造成的信号传播时延、网络设备本 身收发数据包的时延、数据包在调度(排 队)处理时引起的时延、信号时钟引起的串 行时延。 抖动是指网络时延的变化,可理解为同 向传输的相邻数据包之间的时间差,造成抖 动的原因有网络拓扑变化造成的传播时延 变化、数据包处理要求不同带来的交换时延 变化、队列的空和满引起的调度处理时延变 化。 丢包是指从网络中人点到出点之间发 生丢弃数据包的现象,可用丢包率来衡量丢 包程度。 针对在传输过程中出现的丢包和错误, IP应用层相应的IP QoS处理措施主要是: (1)在发送端采取前向纠错(FEC)、在 发送和接收两端限定时延进行重传、传输过 程中采用纠错编码以及在接收端采用错误 隐藏等手段提高和改善图像质量。 (2)通过构建一个内容分发网叠加在 传输网络之上利用内容复制、应用层组播、 分层组播和可控组播等技术实现IP1V节目 流媒体服务和响应的边缘化.以提高和保证 IP QoS。 3.4流媒体技术 IP1V中,流传输采用服务器/客户端 (机顶盒)结构,通过缓存技术实现边下载 边播放。IPTV流传输原理图如下: 维普资讯 http://www.cqvip.com
音乐播放,并支持多个窗口的同步播放。 3.5组播技术 大规模的If,IV直播电视业务必须运用 可控组播技术,组播可以大大地节省网络带 流媒体技术是采用流式传输方式使音 视频等多媒体信息在互联网上传输与播放 宽及服务器资源,改善网络传输性能,以改 变网络流量结构,提高数据传送效率,减少 的技术。流媒体传输系统采用流式传输和 可变带宽技术,流媒体技术通常将音视频等 多媒体文件经过压缩分成一个个压缩包,由 流媒体服务器向用户终端连续地传送,用户 不必像文件下载方式那样等到整个文件全 部下载完毕,而是只需要经过几秒或十数秒 的启动延时,即可在用户终端上利用解压缩 设备(或软件)对压缩的音视频文件解压缩 后进行播放,同时多媒体文件的剩余部分在 后台从流媒体服务器内继续下载。 一个完整的流媒体系统应是相关软硬 件的完美集成,一般包括多媒体编码工具 (Encoders)及内容制作工具(Content—crea. tion tools),流媒体数据(Streaming Media da. ta),各种服务器(Servers),传输网络,播放 器(Players),实时传输协议。 目前Internet流媒体系统主要有三种: (1)Real Networks公司的Real Media。 Real Media包括三类文件:Real Audio音频 数据、Real Video视频数据及Real Flash动 画数据。 (2)微软公司的Windows Media,其媒 体播放器(Windows Media Player)是一款具 有极强的扩展性、灵活性和方便性的音视频 多媒体播放软件。 (3)苹果公司的Quicklime。Quicklime 是苹果公司推出的面向专业视频编辑开发 的多媒体技术平台,它的音视频播放软件支 持多媒体播放、图片浏览、Flash动画及MP3 主干网出现拥塞的可能性,减轻网络传输的 压力。组播技术是采用一次发送,组内广 播,组内一个或多个用户可以接收同一个组 播流数据,组播源只需发送一份数据。组播 源把数据包发送到特定组播组,只有属于该 组播组地址的用户才能接收到数据包。 If,IV的广播类节目最适合利用组播技术传 输,因为广播类节目的所有用户收看的是同 一个内容。 静态组播和动态组播:静态组播指组播 分发树静态建立,组播流不管有没有用户接 收都沿分发树传输。动态组播指利用组播 路由协议动态建立组播分发树,然后再进行 组播数据的传输。组播分发树的建立根据 用户的IGMP(Internet Group Management Protocol:因特网组管理协议)请求而建立, IGMP提供Internet网际多点传送的功能,就 是将一个IP数据包拷贝给多个主机,用于 支持主机和路由器进行组播。 4 TV技术的标准 MPEG的任务是开发运动图像及其声 音的数字编码标准,MPEG公布的标准有 MPEG一1标准,MPEG一2标准,MPEG一4 标准、MPEG一7标准和MPEG一21标准。 4.1 MPEG一1标准 MPEG一1是用于传输1.5Mb/s的数字 存储媒体运动图像及其伴音的编码,所支持 的输入图像格式是SIF格式,其图像质量仅 一】7一 维普资讯 http://www.cqvip.com
相当于VHS视频的质量,不能满足广播级 的要求。它需要的存储空间比较大,因此这 种技术不能广泛推广,主要用于家用VCD MPEG一1是MP3(MPEG一1 Audio Layer3)的 起源。 4.2 MPEG一2标准 .MPEG-2全称为“运动图像及其伴音的 编码”,主要针对高清晰度电视(HDTV)所 需要的视频及伴音信号,传输速率为 10Mpbs,适用于1.5~60 Mbps甚至更高的 编码范围,是为高级工业标准的图像质量以 及更高的传输率而设计的,力争获得更高的 分辨率(720X486),提供广播级视频和CD 级的音频。它是高质量视频音频编码标准, 在常规电视的数字化、高清晰电视H DTV 和交互式电视等各个领域都是核心的技术 之一。用于网络方而则需要较高的网络带 宽。 4.3 MPEG4标准 MPEG-4为交互式多媒体通信制定的 压缩标准。MPEG-4不仅是针对一定比特 率下的视频、音频编码,而且更加注重多媒 体系统的交互性和灵活性。它主要应用于 视像电话(Video Phone)、视像电子邮件 (Video Email)和电子新闻(Electronic News)等。其传输速率要求较低,利用很窄 的带宽,通过帧重建技术压缩和传输数据, 以求得最少的数据获得最佳的图像质量。 MPEG-4标准是面向对象的压缩方式, 是根据对像内容将其中的对象(物体、人物、 背景)分离出来分别进行帧内、帧间编码压 缩,并允许在不同的对象之间灵活分配码 率,对重要的对象分配较多的字节,对次要 的对象分配较少的字节,从而大大提高了压 缩比,使其在较低的码率下获得较好的效 一1 8一 果。 4.4 H.264/AVC标准 H.264标准也称为MPEG一4 AVC或 AVC,它作为MPEG一4 Partl0是高级视频 编码。AVC既然是当前MPEG一4标准的 拓展,作为MPEG一4高级简洁框架(Ad— vanced Simple Profile ASP)的MPEG一4 AVC 将会优化当前的MPEG一4视频压缩标准, 它将主要应用在具有高压缩率和分层次质 量需求的方向。 H.264标准利用的技术有:运动预测 技术,能够将时间冗余最小化;帧内预测编 码模式技术,能够将空间冗余最小化;将运 动预测及帧内编码技术变换到频域中;减少 压缩错误的编码,它采用可变字长无损编码 方法,能减小数字表示的信号的冗余度。 H.264定位于覆盖整个视频应用领域,包 括低码率的无线应用、标准清晰度和高清晰 度的电视广播应用、Intenet上的视频流应 用、传输高清晰度的DVD视频以及应用于 数码相机的高质量视频应用等。 H.264最具价值的部分无疑是更高的 数据压缩比。压缩技术的基本原理就是将 视频文件中的非重要信息过滤,以便让数据 能够更快地在网络中传输。在同等的图像 质量条件下,H.264的数据压缩比能比当前 DVD系统中使用的MPEG一2高2~3倍, 比MPEG一4高1.5~2倍。正因为如此, 经过H.264压缩的视频数据在网络传输过 程中所需要的带宽更少,也更加经济。H. 264具有很强的抗误码特性,可适应丢包率 高、干扰严重的信道中的视频传输。 4.5 AVS标准 AVS是我国第一个具有自主知识产权 的数字音视频编解码技术标准。AVS标准 维普资讯 http://www.cqvip.com
在国家标准计划中的正式名称为信息技术 间,对网络传输带宽要求不高,能够在各种 带宽范围提供专业质量的音频和视频流服 先进音视频编码。它是我国第一个具有自 主知识产权、达到国际先进水平的数字音 务。H.264使图像压缩技术上升到更高阶 段,能够在较低带宽上提供高质量的图像传 输,这正好适应目前国内接人网带宽有限的 状况,但目前专利收费较高。 视频编解码标准,是高清晰度数字电视、高 清晰度激光视盘机、网络电视、视频通信等 重大音视频应用所共同采用的基础性标 准。 AVS标准包括系统、视频、音频、数字版 权管理等4个主要技术标准和一致性测试 等支撑标准。AVS视频标准在整个AVS标 准体系中,拥有90%以上的分量。AVS视频 标准的编码效率是MPEG一2的2~3倍。 AVS在保证编码效率的前提下,其实现复杂 度比最新的MPEG一4 AVC更低,在高清晰 度应用方而处于领先水平。目前AVS有两 个产业联盟:一个是总部在北京的AVS产 业联盟,另一个是总部在上海的移动AVS 产业论坛,两者的定位和目标不一样,一个 是以数字电视、DVD等为目标,另一个是以 IPTV等移动通信应用为目标。 5 IP1.I'V的应用前景 经过lO多年演变,音视频编码技术和 产业应用都发生了明显变化。从发展阶段 分,MPEG一2是第一代信源标准,MPEG一 4,AVC/H.264和AVS 3个标准为第二代 标准。比较它们的主要技术指标编码效率, MPEG一4是MPEG一2的1.4倍,AVS与 AVC相当,都是MPEG一2的两倍以上。 由于技术陈旧需要更新等原因,MPEG 一2即将退出历史舞台。MPEG一4是目前 比较流行的技术,使用这种技术可以节省空 AVS是基于我国创新技术和部分公开 技术的自主标准,编码效率比MPEG一2高 2~3倍,与AVC相当。其芯片实现复杂度 低,达到了第一代标准的最高水平,而通过 简捷的一站式许可解决了AVC专利许 可问题的死结,是一套包含系统、视频、音 频、媒体版权管理在内的完整标准体系,能 为数字音视频产业提供更全而的解决方案。 随着全球范围的电信、广电基础建设和 网络技术的高速发展,带宽成本迅速下降, IP视频传输市场的需求开始被激活,它是一 种新型电视传播形式,填补了宽带视频应用 方而的空白,同时宽带网络的普及伴随着第 二代数字音视频编码技术的发展,IPTV将 走进千家万户。 参考文献: [1]胡兴军.我国IPⅣ发展现状、存在问题及促进 措施[J].智能建筑与城市信息,2006(3):29—33. [2]孙杰贤.I V对决有线电视[J].通讯世界, 2006(4):54—55. [3]庞涛,唐伦.IPTV前端系统关键技术[J].中国 有线电视,2006(5):423—425. [4]何宝宏.IPⅣ技术标准发展现状[N].人民邮 电报,2006—1—5. [5]徐贵宝.IPTV关键技术综述[EB/OL].[2006— 03—06].http://www.sina.corn.cn. 一19—
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