IPTV流传输技术的现状与分析

 

IPTV流传输技术的现状与分析

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http://www.ce.net.cn 技术时空  2005年12月26日

　　　　　　　　　　　　IPTV流传输技术的现状与分析
　　　　　　　　 罗斯青　　中国电信股份有限公司上海研究院

　　1、前言
　　IPTV是随着宽带网络、流传输、编解码等技术的发展而出现的互联网新业务，融合了Cable网和IP网的业务特点，被业界认为是“Triple Play”业务的体现，受到了业界的广泛关注。
　　本文简要介绍了IPTV中的流传输技术和两种典型流传输技术体制，分析了目前ISMA和MPEG-2 TS over IP两种流传输技术的应用现状，之后从适合IPTV业务发展的角度，对两种流传输技术进行了综合分析和比较。
　　2、 IPTV中的流传输技术
　　IPTV系统中，流传输技术主要完成媒体数据从服务器侧以流方式传输到用户端(见图1)。一般的，视频点播内容主要通过内容分发网络（CDN，Content Delivery Network）完成，即视频数据通过内容分发网络被复制到位于网络边缘的边缘服务器中，然后通过流传输技术传送到机顶盒，实现“边下载边播放”的功能。

　　图1 流传输在IPTV中的位置
　　流传输包括了流会话的建立、数据包封装格式、数据包传输格式、用户的暂停/快进/快退请求处理等，对应的，流传输技术包括了流控制协议、文件打包格式、流传输协议等。
　　当前在国内外应用的IPTV解决方案中，主要采用的流传输制式有两种，即ISMA方式和MPEG－2TS over IP方式。
　　2．1 ISMA方式
　　ISMA（Internet Streaming Media Alliance）即互联网流媒体联盟，是在2000年12月成立的标准化组织，其目标就是制定互联网流媒体编码器、服务器和播放器之间的开放标准，其原则是最大程度的利用现有互联网国际标准。
　　ISMA规范范围涵盖音视频编解码、文件格式、流传输机制和参考SDK。2001年2月发布的ISMA1.0版本规定了基于MPEG-4的音视频格式和流传输，2005年4月发布的ISMA2.0版本在1.0版本基础上，扩充了对H.264标准的支持。
　　ISMA的基本传输过程如图2所示。
　　图2 ISMA的流传输基本过程
　　从图2可见，ISMA通过服务器/客户端的结构实现流数据的传输，在应用层采用了RTSP控制协议，媒体数据采用RTP封装后承载在TCP或UDP上，并通过RTP/RTCP协议进行传输质量的监测。
　　ISMA协议栈如图3所示。

　　图3 ISMA的协议栈
　　2．2 MPEG2 TS over IP方式
　　MPEG-2 TS（Transport Stream）参考标准为MPEG-2的系统层，即ISO/IEC 13818-1。MPEG-2 TS是广播电视领域广泛采用的流传输标准。
　　MPEG-2 TS标准定义了复用一个或多个音频、视频和数据元素流的方法。为应用于IPTV，媒体数据经过MPEG-2 TS封装后，再通过TCP/IP协议栈，封装成IP数据包。
MPEG2 TS over IP方式的基本流传输过程如图4所示。

　　图4 MPEG2 TS over IP方式的流传输基本过程
　　MPEG－2 TS over IP方式同样采用服务器/客户端的结构。因为ISO/IEC 13818-1标准并未定义控制层协议，应用于IPTV后， MPEG－2 TS over IP方式在控制层可采用RTSP或HTTP协议，媒体数据采用MPEG2 TS封装后，一般承载在UDP上。为了防止网络抖动等，也可在UDP之上采用RTP协议封装TS包。
　　MPEG－2 TS over IP方式流传输协议栈如图5所示。

　　图5 MPEG2 TS over IP方式流传输协议栈
　　3 IPTV流传输技术现状
　　由于技术背景的不同，在目前国内外主要系统提供商的解决方案中，ISMA和MPEG2 TS over IP的应用情况不尽相同。
　　ISMA虽然制定的时间不长，但因为是面向新兴的IP网络上的流媒体应用制定，充分利用和适应IP网双向互动的特点，因此得到了IPTV产业链上众多新兴设备提纲商的支持，产业链上各环节的典型供应商如下：
IPTV系统设备　　ISMA制式设备提供商
编码器　　Envivio（4Caster系列），Optibase（MM400），Thales（ATGOS）等
平台系统（包括流服务器）　　以华为、中兴等为代表的国内系统提供商
机顶盒　　同洲，长虹等
芯片　　如TI，ADI，ST Micro等
内容保护（DRM）　　IBM等
　　可以看出，支持ISMA流制式的主要为国内系统和设备提供商，这也说明国内设备商主要采取的是遵循国际标准的路线。值得一提的是，虽然目前这些设备供应商中大部分采用MPEG-4编码格式，但在2005年4月制定的ISMA2.0中，已支持最新的H.264标准，相信很快就会有支持H.264的ISMA2.0系统产品。
　　相对ISMA来说，MPEG－2 TS 协议则要成熟的多，由于在广电领域的广泛应用，主流编码器厂商在支持IPTV时，一般都直接支持MPEG－2 TS over IP的流传输方式。在目前国外已部署的IPTV系统中，也较多采用了MPEG－2 TS over IP的流传输制式。IPTV产业链上支持该方式的设备提供商主要如下：
IPTV 系统设备　　MPEG-2 TS制式设备提供商
编码器　　Tandberg（59xx系列），Harmonic（MV100），Scientific-Atlanta，SkyStream等
平台系统　　以西门子，阿尔卡特等为代表的国外系统提供商。
流服务器　　SeaChange，SGI，nCUBE等。
机顶盒　　西门子，Amino，三星，同洲等
芯片　　TI，ADI，ST，SigmaDesign等
内容保护（CA）　　Verimetrix，NDS等
　　可以看出，支持MPEG2 TS流制式的主要为数字电视领域的供应商，包括编码器和机顶盒，这也说明MPEG2 TS流制式的支持者是很广泛的。
　　两种传输方式的比较
　　虽然ISMA和MPEG－2 TS over IP方式均可用于IPTV的流传输，但由于标准制定的机构和初衷不同，导致技术特性不同，在对IPTV业务支持方面各有优劣，具体分析如下：
　　（1）业务功能的比较
　　ISMA目前支持MPEG-4和H.264，不支持其他的编码标准。由于将视、音频流分开传输，ISMA对于多音轨、多字幕等DVD体验功能和未来交互式场景的观看支持更灵活，且无需占用额外带宽资源。由于ISMA采用RTP/RTSP等互联网已有协议，对于互动性业务的支持也更灵活。并且，未来要支持视频通信、VOIP等通信类业务，ISMA的协议栈在视音频数据封装上也可直接支持，业务扩展性好。由于与NGN主要业务基于相同的协议基础，ISMA未来更便于与NGN系统融合。
　　MPEG－2 TS over IP方式对编解码标准无限制，可支持MPEG-2/4，H.264以及VC-1等多种编解码标准。但由于是将视、音频流复用后单一流传输，MPEG－2 TS over IP方式对于多音轨、多字幕和未来交互式场景的观看的支持需要将所有流信息统一封装，势必要浪费用户不需要的那部分带宽。对于视频通信、VOIP等通行类业务，MPEG－2 TS over IP方式也需做扩展才能支持。
　　（2）业务关键属性的比较
　　ISMA引入了RTP/RTCP协议，因此可以通过RTCP来监测网络状况，便于对业务QOS控制。接收端通过RTP协议的时间戳实现视、音频数据流的同步。但由于采用了SDP描述流建立需要的信息，当进行直播频道切换时，客户端需要重新获取SDP文件，可能带来一定的切换时延。ISMA的封装协议开销主要来自RTP、TCP/UDP和IP的包头，开销相对较小，带来的传输效率就高。
　　MPEG2-TS over IP方式一般采用UDP承载，如果未部署应用层丢包重传措施，当网络出现丢包时就容易出现画面马赛克等现象。接收端用PES包中的DTS/PTS作为解码和显示时间戳，时间信息更丰富，频道切换时间的延迟则主要来自网络。由于采用固定长度的包结构，MPEG2 TS over IP方式需要占用更多的开销，也导致了其传输效率比ISMA低。
　　（3）协议成熟度
　　ISMA主要由互联网行业的公司联盟制定，而且主要针对IP网上的流媒体应用。因为流媒体兴起的时间不长，因此ISMA目前还没有大规模的商用案例。随着业务的应用，ISMA标准也将逐步完善成熟起来。
　　MPEG－2 TS协议则已在广播电视领域得到了广泛应用，目前国外的运营商，如意大利Fast Web、法国电信等较多采用了MPEG－2 TS over IP的传输方式。目前国际上也已制定DVB over IP的相关标准，用于规范IP网络承载数字视频广播节目的相关技术。
　　总体来说，ISMA最大的优势在于是面向互联网应用而制定的开放标准，IP网的双向互动性使其对未来增值业务的支持更灵活，而MPEG2 TS over IP方式最大的优势是成熟，尤其适合广播类业务，对互动性业务的支持则需要做一定的扩展。
　　由于国际上对于IPTV的传输协议尚无明确的结论，二者在相当长的时期内还可能并存，未来的传输协议标准，将是结合二者的优点，既适合电视广播类的单向传输，也可灵活支持双向互动的增值业务。
　　值得一提的是，虽然目前也有IPTV解决方案不是采用上述两种协议，而是采用私有协议，但其基本思想与ISMA相近，只是在具体实现时略有差别。
　　从前文可以看出，流传输技术与IPTV产业链上众多环节紧密相关，目前流传输技术未实现统一的标准，正说明了IPTV是一个跨行业、跨产业链、融合了多种技术的综合性业务。同时，对运营商而言，流传输机制的选择，不仅与技术本身的特点相关，还需要综合考虑产业链成熟度、系统成熟度、运营成本和网络环境等因素。由于流传输技术的重要性，目前业界也在积极探讨和制定相关的流传输标准，相信随着IPTV业务的开展，流传输技术也将逐步的成熟和完善。