影响IPTV图像传输质量的关键技术分析及应用

廖晶晶

（广西师范大学，广西 桂林 541004）

0 引言

近年来，IPTV吸引了越来越多的目光，他能向用户提供各种数字媒体业务以及相关增值业务，包括电视节目、视频点播、时移播放等[1]。由于目前业界还没有形成对IPTV服务质量衡量标准，所以用户感知成了IPTV最重要的衡量标准。然而从用户感知角度来考虑，IPTV视频图像传输质量成为影响用户感知度的重要因素。所以，除了采用不同编解码技术以保证视频图像质量外，图像的传输质量成为IPTV业务主要追求的指标。因此有必要从满足IPTV网络图像传输质量要求的角度出发，在IPTV承载接入技术、纠错编码及差错控制技术、计算机网络技术等主要方面开展分析研究。

1 几种影响IPTV图像传输质量的关键技术简介

传输高质量的IPTV视频图像，需要承载接入、纠错编码及差错控制、计算机网络等关键技术的支持，因此体系架构必须满足多种业务、多种技术的特定需求。

1.1 承载接入技术

视频点播（VOD）、电视频道（TV）节目和时移播放等是IPTV业务承载的最主要内容。目前有线电视网播放质量已被多数用户认可，为了保证IPTV的视频图像质量与之相当，IPTV业务在带宽、频道切换时延、QoS等方面对承载网提出了要求。如果采用MPEG-2编码或MPEG-4编码的视频源为用户提供DVD效果的视频业务，单用户至少需要3～4 Mbit/s或2 Mbit/s的下行带宽，若为用户提供标清电视或高清电视业务，则需要更高的下行接入带宽。目前国内主流IPTV承载接入技术主要有DSLAM和PON（无源光网络），PON又分为EPON和GPON两大类。

1.2 纠错编码及差错控制

IPTV业务承载于IP网络上，网络的阻塞、延时和抖动丢包等问题是造成IPTV视频图像传输质量不高的根源。针对这种现象，在不改变原有网络拓扑的前提下，可以在编解码过程中加入如拥塞控制、差错控制等应用层的控制策略。主流的IPTV纠错控制技术包括应用层差错控制技术和应用层前向纠错技术。

1.3 计算机网络技术

为了实现IPTV业务实时交互（即向用户提供个性化的选择）的特点，视频流须采用点播的方式进行传播；而为了向用户提供不同内容（表现为不同节目频道），则要求采用广播的方式进行传播。其中，IPTV业务视频流的广播方式对IP网络提出了组播的要求；而点播方式则要求能够将视频流完整可靠地传送到用户终端。目前，实现IPTV业务传输方式的网络技术主要包括可控组播技术和CDN（内容分发网络）技术。

2 几种影响IPTV图像传输质量的关键技术分析

2.1 承载接入技术

目前适合IPTV网络的承载接入技术主要包括DSLAM和xPON。DSLAM是目前网络运营商现网存量较大的一种接入方式（见图1），而xPON则是新增用户主推的一种承载接入方式（见图2），同时也代表了未来承载接入技术的主要发展方向。针对这两种承载接入技术，各大运营商也提出了相关的IPTV解决方案。

DSLAM简称为数字用户线路接入复用器。早期DSLAM主要提供ADSL业务接入。随着电信设备的IP化，是目前国内现网大量运营的承载接入方式。在DSLAM承载接入的基础上，各大运营商提出了针对DSLAM承载接入技术的IPTV解决方案，如图1所示。

由于DSLAM技术标准、上下行带宽和最大传输距离的限制（见表1），虽然能满足IPTV的基本带宽要求，但是无法满足多业务数据传输的要求及IPTV网络建设需求。这个致命缺点，导致DSLAM技术很难在今后多种业务并存时得到大规模应用。

表1 DSLAM业务基本参数

PON（Passive Optical Network）主要分为 EPON 和GPON两大类。EPON（Ethernet PON）是一种近年来新兴的光纤接入技术，它采用p2mp拓扑结构，传输过程中不含有源器件，在成熟的以太网协议基础上提供多种业务；GPON（Gigabit-capable PON）技术是最新一代无源光网络接入标准，具有高带宽、覆盖范围大等优点。PON技术是国内网络运营商新增用户的主要承载接入方式和接入网发展方向。图2为IPTV在PON承载接入技术基础上的解决方案。PON技术可以提供非常高的带宽，并且覆盖范围也有很大的提高，相比DSLAM而言，PON更加适用于IPTV的网络建设（见表2）。

表2 PON基本参数

2.2 纠错编码及差错控制

传统的IP网络并不能保证数据通信的实时性，但是IPTV业务恰恰具有实时性强的特点。那么网络中存在的延时、抖动和阻塞等现象，就会导致视频图像质量不高的问题，降低用户感知度。为了解决此类问题，在编解码过程中加入一些工作于应用层的控制策略，一种是应用层差错控制技术，另一种是应用层前向纠错（AL-FEC）技术[3]。

2.2.1 应用层差错控制技术

应用层差错控制技术解决方案主要以终端为中心通过在接收终端以及信源编码中加入如拥塞控制、差错控制等策略，来改善图像质量。应用层差错控制技术主要分为编码端前向纠错编码、解码端后处理差错隐藏、编解码端交互差错控制等。

这些技术可以在一定程度上改善视频传输的稳健性，但同时也存在明显的缺点。编码端前向纠错编码技术是在视频编码流的基础上，依据信道的最坏情形来增加冗余纠错编码，它浪费有限的带宽资源且改变了原始码流的结构，不利于编解码的进行；解码端后处理差错隐藏技术只能针对误码率较低的情况，一旦传输误码率较高，视频图像质量受损过多，就无法还原出可接受的视频图像质量；编解码端交互差错控制技术依靠重传机制来实现，如果网络出现阻塞或丢包较多，就可能进一步恶化网络状况。

2.2.2 AL-FEC技术

AL-FEC技术能够较好地解决网络阻塞丢包引起的IPTV业务视频图像传输质量问题。它同样工作于网络模型的应用层，能够在有丢包的情况下，使终端用户接收到的视频和原始视频质量一样高。AL-FEC基于纠删码的运用，在发送端，先将视频流分割成大小相同的数据包，然后对这些数据包产生修复数据包，并将视频流数据包和修复数据包同时传输到接收端；在接收端，通过修复数据包和视频流数据包的处理，还原出原始的视频数据。在网络出现阻塞丢包的时候，接收端只需接收到发送端发送的部分数据包，就能够完全恢复所有的数据。整个过程如图3所示。IPTV中的AL-FEC编码大致可分为Raptor编码、Pro-MPEG CoP3编码以及FEC与重传相结合。

1）Raptor编码

Raptor码基于数字喷泉技术，它针对原始数据流进行分割并产生无限序列的编码包，对于被分割成N个数据包的某一原始消息，在解码端只需要接收到其中任意K个数据包，就能够完全重构这一消息，可以不考虑传输信道的删除概率，具有很低的接收开销。这样的特点，使得Raptor码完全能够胜任IPTV视频图像传输的要求，数字视频广播、多媒体广播在IPTV中的应用都选择Raptor码作为AL-FEC编码。

2）Pro-MPEG CoP3编码

Pro-MPEG CoP3编码基于奇偶校验技术，它可以单独对行或列进行编码（Cop3 1D），也可以同时对行和列进行编码（Cop3 2D）。1D编码只能保证网络出现一个丢包情况下的视频质量，出现连续的两个或两个以上的丢包时，视频数据就会出现损坏；2D编码则要有20%的冗余数据来保证多个丢包情况下的视频质量。Pro-MPEG CoP3编码是一类操作简单的奇偶校验码，但是需要大量冗余视频数据，使其大量消耗网络带宽，利用率很低。

3）FEC与重传相结合

这种方式通过AL-FEC技术恢复传输的视频数据，丢失的视频数据通过重传机制来获取。它可以减轻重传对网络造成的负担，增大视频数据的恢复概率。但是由于重传过程的存在，较难适用于频道快速切换的业务场景。

2.3 计算机网络技术

2.3.1 组播技术

在IPTV的直播（TV）类业务中，所有终端用户都在观看同一个内容，这个特点表明此类业务是最适合采用组播技术来进行传输的。组播技术在IPTV中的应用必须考虑下面几个可能造成视频图像传输质量受损的问题[4]。

1）组播复制点

用户IGMP的终结点就是组播复制点，网络设备在组播复制点根据用户的IGMP请求来向端口复制组播流。为了不引起网络繁忙，往往将组播复制点配置得比较接近用户。

2）静态组播和动态组播

动态组播每次根据用户的请求，通过组播路由技术实时生成组播树，再进行节目源的传输。而静态组播不需要实时生成组播树，根据用户请求直接在承载网组播数据的传输通道将节目源进行传输。从响应时间角度考虑，静态组播技术更加适用于现阶段的IPTV业务。

3）组播服务质量(QoS)

组播基于UDP协议，仅提供不可靠的数据传输，这个缺点导致视频图像传输的质量低下。目前可靠组播技术一直在研究中，还没有进入商用阶段，但现网设备QoS能力的提升，未来数年内组播QoS还能够基本保证。

2.3.2 CDN技术

CDN存在于视频源服务器和缓存服务器之间的网络链路上，是一种分布式内容发布网络。IPTV通过CDN网络，将视频流内容发布到靠近用户端的CDN节点后，就可以为用户提供视频点播服务。它能够比较好地解决由于点播业务量大、视频服务器分布不均匀而造成的网络阻塞问题，保证了服务器端到用户终端的QoS，提高点播业务的响应速度，是IPTV中视频点播业务的有效技术。

但是CDN系统采用不同于数字电视的视频编码格式（主要是REAL和WMV），对主流的MPEG-2，MPEG-4和H.264支持都非常有限，无法提供广播级的视频服务；它主要面向PC用户设计，与TV节目源的要求相距甚远。并且，现有的CDN系统并不能提供完整的IPTV业务，还需要做很多复杂的集成工作。由此看出，CDN并不适合IPTV广播业务的网络技术，大规模的广播型TV业务必须依赖于可靠组播技术的成熟和应用。

3 小结

DSLAM作为国内最主要的固定宽带接入网技术，由于受到本身技术的制约，在距离、速率和出线率等方面还存在不少问题，且IPTV业务对接入带宽有着明确的高要求，采用PON技术是较为理想的。在应用层编解码角度，基于Raptor编码的AL-FEC技术已经在IPTV业务中广泛使用。在计算机网络技术角度，CDN网络的可扩展性较差，并且提供的是VOD业务，不是真正意义上广播型的TV业务，所以CDN目前仅适用于VOD业务，不适合作为IPTV广播业务的承载技术。随着CDN技术和可靠组播技术的进一步完善，未来的IPTV业务很可能会复用这两种技术。

[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] 张鹏，张兴明.支持IPTV业务的可控组播设计[J].电视技术，2007，31（11）：60-62.

[3] 夏宏飞，吕晓鹏.IPTV业务中的应用层差错控制技术分析[J].中兴通讯技术，2009（6）：49-52.

[4]宋家友，桑红涛.CDN技术的发展及应用[J].电视技术，2005，29（6）：75-77.