影響IPTV圖像傳輸質量的關鍵技術分析及應用

廖晶晶

（廣西師范大學，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來，IPTV吸引了越來越多的目光，他能向用戶提供各種數字媒體業(yè)務以及相關增值業(yè)務，包括電視節(jié)目、視頻點播、時移播放等[1]。由于目前業(yè)界還沒有形成對IPTV服務質量衡量標準，所以用戶感知成了IPTV最重要的衡量標準。然而從用戶感知角度來考慮，IPTV視頻圖像傳輸質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以保證視頻圖像質量外，圖像的傳輸質量成為IPTV業(yè)務主要追求的指標。因此有必要從滿足IPTV網絡圖像傳輸質量要求的角度出發(fā)，在IPTV承載接入技術、糾錯編碼及差錯控制技術、計算機網絡技術等主要方面開展分析研究。

1 幾種影響IPTV圖像傳輸質量的關鍵技術簡介

傳輸高質量的IPTV視頻圖像，需要承載接入、糾錯編碼及差錯控制、計算機網絡等關鍵技術的支持，因此體系架構必須滿足多種業(yè)務、多種技術的特定需求。

1.1 承載接入技術

視頻點播（VOD）、電視頻道（TV）節(jié)目和時移播放等是IPTV業(yè)務承載的最主要內容。目前有線電視網播放質量已被多數用戶認可，為了保證IPTV的視頻圖像質量與之相當，IPTV業(yè)務在帶寬、頻道切換時延、QoS等方面對承載網提出了要求。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，單用戶至少需要3～4 Mbit/s或2 Mbit/s的下行帶寬，若為用戶提供標清電視或高清電視業(yè)務，則需要更高的下行接入帶寬。目前國內主流IPTV承載接入技術主要有DSLAM和PON（無源光網絡），PON又分為EPON和GPON兩大類。

1.2 糾錯編碼及差錯控制

IPTV業(yè)務承載于IP網絡上，網絡的阻塞、延時和抖動丟包等問題是造成IPTV視頻圖像傳輸質量不高的根源。針對這種現象，在不改變原有網絡拓撲的前提下，可以在編解碼過程中加入如擁塞控制、差錯控制等應用層的控制策略。主流的IPTV糾錯控制技術包括應用層差錯控制技術和應用層前向糾錯技術。

1.3 計算機網絡技術

為了實現IPTV業(yè)務實時交互（即向用戶提供個性化的選擇）的特點，視頻流須采用點播的方式進行傳播；而為了向用戶提供不同內容（表現為不同節(jié)目頻道），則要求采用廣播的方式進行傳播。其中，IPTV業(yè)務視頻流的廣播方式對IP網絡提出了組播的要求；而點播方式則要求能夠將視頻流完整可靠地傳送到用戶終端。目前，實現IPTV業(yè)務傳輸方式的網絡技術主要包括可控組播技術和CDN（內容分發(fā)網絡）技術。

2 幾種影響IPTV圖像傳輸質量的關鍵技術分析

2.1 承載接入技術

目前適合IPTV網絡的承載接入技術主要包括DSLAM和xPON。DSLAM是目前網絡運營商現網存量較大的一種接入方式（見圖1），而xPON則是新增用戶主推的一種承載接入方式（見圖2），同時也代表了未來承載接入技術的主要發(fā)展方向。針對這兩種承載接入技術，各大運營商也提出了相關的IPTV解決方案。

DSLAM簡稱為數字用戶線路接入復用器。早期DSLAM主要提供ADSL業(yè)務接入。隨著電信設備的IP化，是目前國內現網大量運營的承載接入方式。在DSLAM承載接入的基礎上，各大運營商提出了針對DSLAM承載接入技術的IPTV解決方案，如圖1所示。

由于DSLAM技術標準、上下行帶寬和最大傳輸距離的限制（見表1），雖然能滿足IPTV的基本帶寬要求，但是無法滿足多業(yè)務數據傳輸的要求及IPTV網絡建設需求。這個致命缺點，導致DSLAM技術很難在今后多種業(yè)務并存時得到大規(guī)模應用。

表1 DSLAM業(yè)務基本參數

PON（Passive Optical Network）主要分為 EPON 和GPON兩大類。EPON（Ethernet PON）是一種近年來新興的光纖接入技術，它采用p2mp拓撲結構，傳輸過程中不含有源器件，在成熟的以太網協議基礎上提供多種業(yè)務；GPON（Gigabit-capable PON）技術是最新一代無源光網絡接入標準，具有高帶寬、覆蓋范圍大等優(yōu)點。PON技術是國內網絡運營商新增用戶的主要承載接入方式和接入網發(fā)展方向。圖2為IPTV在PON承載接入技術基礎上的解決方案。PON技術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的網絡建設（見表2）。

表2 PON基本參數

2.2 糾錯編碼及差錯控制

傳統的IP網絡并不能保證數據通信的實時性，但是IPTV業(yè)務恰恰具有實時性強的特點。那么網絡中存在的延時、抖動和阻塞等現象，就會導致視頻圖像質量不高的問題，降低用戶感知度。為了解決此類問題，在編解碼過程中加入一些工作于應用層的控制策略，一種是應用層差錯控制技術，另一種是應用層前向糾錯（AL-FEC）技術[3]。

2.2.1 應用層差錯控制技術

應用層差錯控制技術解決方案主要以終端為中心通過在接收終端以及信源編碼中加入如擁塞控制、差錯控制等策略，來改善圖像質量。應用層差錯控制技術主要分為編碼端前向糾錯編碼、解碼端后處理差錯隱藏、編解碼端交互差錯控制等。

這些技術可以在一定程度上改善視頻傳輸的穩(wěn)健性，但同時也存在明顯的缺點。編碼端前向糾錯編碼技術是在視頻編碼流的基礎上，依據信道的最壞情形來增加冗余糾錯編碼，它浪費有限的帶寬資源且改變了原始碼流的結構，不利于編解碼的進行；解碼端后處理差錯隱藏技術只能針對誤碼率較低的情況，一旦傳輸誤碼率較高，視頻圖像質量受損過多，就無法還原出可接受的視頻圖像質量；編解碼端交互差錯控制技術依靠重傳機制來實現，如果網絡出現阻塞或丟包較多，就可能進一步惡化網絡狀況。

2.2.2 AL-FEC技術

AL-FEC技術能夠較好地解決網絡阻塞丟包引起的IPTV業(yè)務視頻圖像傳輸質量問題。它同樣工作于網絡模型的應用層，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量一樣高。AL-FEC基于糾刪碼的運用，在發(fā)送端，先將視頻流分割成大小相同的數據包，然后對這些數據包產生修復數據包，并將視頻流數據包和修復數據包同時傳輸到接收端；在接收端，通過修復數據包和視頻流數據包的處理，還原出原始的視頻數據。在網絡出現阻塞丟包的時候，接收端只需接收到發(fā)送端發(fā)送的部分數據包，就能夠完全恢復所有的數據。整個過程如圖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與重傳相結合。

1）Raptor編碼

Raptor碼基于數字噴泉技術，它針對原始數據流進行分割并產生無限序列的編碼包，對于被分割成N個數據包的某一原始消息，在解碼端只需要接收到其中任意K個數據包，就能夠完全重構這一消息，可以不考慮傳輸信道的刪除概率，具有很低的接收開銷。這樣的特點，使得Raptor碼完全能夠勝任IPTV視頻圖像傳輸的要求，數字視頻廣播、多媒體廣播在IPTV中的應用都選擇Raptor碼作為AL-FEC編碼。

2）Pro-MPEG CoP3編碼

Pro-MPEG CoP3編碼基于奇偶校驗技術，它可以單獨對行或列進行編碼（Cop3 1D），也可以同時對行和列進行編碼（Cop3 2D）。1D編碼只能保證網絡出現一個丟包情況下的視頻質量，出現連續(xù)的兩個或兩個以上的丟包時，視頻數據就會出現損壞；2D編碼則要有20%的冗余數據來保證多個丟包情況下的視頻質量。Pro-MPEG CoP3編碼是一類操作簡單的奇偶校驗碼，但是需要大量冗余視頻數據，使其大量消耗網絡帶寬，利用率很低。

3）FEC與重傳相結合

這種方式通過AL-FEC技術恢復傳輸的視頻數據，丟失的視頻數據通過重傳機制來獲取。它可以減輕重傳對網絡造成的負擔，增大視頻數據的恢復概率。但是由于重傳過程的存在，較難適用于頻道快速切換的業(yè)務場景。

2.3 計算機網絡技術

2.3.1 組播技術

在IPTV的直播（TV）類業(yè)務中，所有終端用戶都在觀看同一個內容，這個特點表明此類業(yè)務是最適合采用組播技術來進行傳輸的。組播技術在IPTV中的應用必須考慮下面幾個可能造成視頻圖像傳輸質量受損的問題[4]。

1）組播復制點

用戶IGMP的終結點就是組播復制點，網絡設備在組播復制點根據用戶的IGMP請求來向端口復制組播流。為了不引起網絡繁忙，往往將組播復制點配置得比較接近用戶。

2）靜態(tài)組播和動態(tài)組播

動態(tài)組播每次根據用戶的請求，通過組播路由技術實時生成組播樹，再進行節(jié)目源的傳輸。而靜態(tài)組播不需要實時生成組播樹，根據用戶請求直接在承載網組播數據的傳輸通道將節(jié)目源進行傳輸。從響應時間角度考慮，靜態(tài)組播技術更加適用于現階段的IPTV業(yè)務。

3）組播服務質量(QoS)

組播基于UDP協議，僅提供不可靠的數據傳輸，這個缺點導致視頻圖像傳輸的質量低下。目前可靠組播技術一直在研究中，還沒有進入商用階段，但現網設備QoS能力的提升，未來數年內組播QoS還能夠基本保證。

2.3.2 CDN技術

CDN存在于視頻源服務器和緩存服務器之間的網絡鏈路上，是一種分布式內容發(fā)布網絡。IPTV通過CDN網絡，將視頻流內容發(fā)布到靠近用戶端的CDN節(jié)點后，就可以為用戶提供視頻點播服務。它能夠比較好地解決由于點播業(yè)務量大、視頻服務器分布不均勻而造成的網絡阻塞問題，保證了服務器端到用戶終端的QoS，提高點播業(yè)務的響應速度，是IPTV中視頻點播業(yè)務的有效技術。

但是CDN系統采用不同于數字電視的視頻編碼格式（主要是REAL和WMV），對主流的MPEG-2，MPEG-4和H.264支持都非常有限，無法提供廣播級的視頻服務；它主要面向PC用戶設計，與TV節(jié)目源的要求相距甚遠。并且，現有的CDN系統并不能提供完整的IPTV業(yè)務，還需要做很多復雜的集成工作。由此看出，CDN并不適合IPTV廣播業(yè)務的網絡技術，大規(guī)模的廣播型TV業(yè)務必須依賴于可靠組播技術的成熟和應用。

3 小結

DSLAM作為國內最主要的固定寬帶接入網技術，由于受到本身技術的制約，在距離、速率和出線率等方面還存在不少問題，且IPTV業(yè)務對接入帶寬有著明確的高要求，采用PON技術是較為理想的。在應用層編解碼角度，基于Raptor編碼的AL-FEC技術已經在IPTV業(yè)務中廣泛使用。在計算機網絡技術角度，CDN網絡的可擴展性較差，并且提供的是VOD業(yè)務，不是真正意義上廣播型的TV業(yè)務，所以CDN目前僅適用于VOD業(yè)務，不適合作為IPTV廣播業(yè)務的承載技術。隨著CDN技術和可靠組播技術的進一步完善，未來的IPTV業(yè)務很可能會復用這兩種技術。

[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)務的可控組播設計[J].電視技術，2007，31（11）：60-62.

[3] 夏宏飛，呂曉鵬.IPTV業(yè)務中的應用層差錯控制技術分析[J].中興通訊技術，2009（6）：49-52.

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