IPTV与IPQAM技术对比研讨

本文作者：陈伟、李荆生、童晓光 单位：六安市广播电视网络传输中心

终端设备层主要负责视频内容的解码，通过STB或PC机中内嵌式客户端软件来完成媒体节目的解析。图1给出了一种IPTV系统体系架构图。图1中包括以下关键组件[4-5]：用户会话控制（UserSessionController，USC）负责用户鉴权和发起计费事务；媒体主控/引擎（MediaDirector&MediaEngine，MD/ME）负责储存用户媒体内容和向STB提供媒体服务；内容引擎控制器（ContentEngineController，CEC/CE）实现电视节目和影片实时编码或转换码型，然后进行组播与推流；中央元数据管理（CentralMetadataManagement，CMM）处理所有节目的元数据，如节目名、节目ID、时间长度、节目数据大小和节目描述；元数据复制（MetadataReplicator，MDR）同步不同Metadata数据库中的媒体内容元数据，同时维护中心节点（CMS）、归宿节点（HMS）与边缘节点（EMS）中元数据的一致性，同时还负责媒体平台EPG文件的同步；下载服务器（DownloadServer，DNLD）负责各种型号STB的软件下载和升级。

IPQAM体系架构可划分为3层结构，即业务支撑层、媒体基站层和终端设备层。除具备IPTV架构中的基本组件外，由于要借助HFC网络进行媒体内容的传送，在内容串流（ContentStreaming）部分做了相应的调整，在MD/ME和STB之间增加了一个适配模块UA（RTSPUserAdapter），负责对指令进行转换，另外还增加了资源管理模块（RMM）对IPQAM资源进行调度，以及增加了媒体资产管理器（MediaAssetsManagement，MAM）负责频道元数据中的频点、CA节目映射表（PMT）的包标识符（PID）属性引入等模块。终端设备层主要是利用双向机顶盒或基于窄带技术的STB设备来实现对终端的接入，同时利用终端视频浏览器中间件来展现EPG门户内容。图2给出了一种IPQAM系统体系架构图。IPQAM架构采用的是以“HFC下行+IP回传”方式，即下行通过IPQAM的RF下发，上行IP作为控制回传的上行通道。与IPQAM相比，IPTV架构是以双向IP网络作为承载网络，即上行认证、请求信息和下行媒体流都是通过IP网络传输的。

关键技术比较与分析

两种体系架构因承载网络、终端类型等方面的差异，其视频编码、视频处理、网络接入等方面也存在一定的区别与联系。

IPTV终端是从IP网络接收媒体流的，对于IPTV终端的内容，应考虑压缩效率更高的编码格式，如H.264格式。假设在同样的骨干网络带宽下，与采用H.264编码格式相比，MPEG-2编码格式下可承载多一倍的用户并发请求。采用H.264编码格式对标清内容进行压缩时，只需1.5Mbit/s左右的带宽即可达到MPEG-2编码格式下3.75Mbit/s的视频质量，对带宽的占用只有MPEG-2格式的一半。对于直播、回看节目和点播节目，如果采用MPEG-2格式对节目进行编码，将对IP网络的带宽提出很高的要求，以1000并发用户为例，需要3.75Mbit/s（标清内容码率）×1000=3.75Gbit/s的骨干网络带宽，如果计算传输流封装和链路层的开销以及链路带宽余量，至少需要5Gbit/s的骨干带宽才能支持1000并发IPTV终端用户的要求，而采用H.264编码，1000用户并发标清内容请求下所需的骨干网络带宽则降低一半。IPQAM终端的媒体内容是通过IPQAM传送的，IPQAM传输方式可充分发挥有线HFC网络带宽高、QoS能力好，对IP网络的带宽和QoS要求较低的优势，非常适合于在IP网络设计、建设和维护方面经验和能力相对欠缺的视频服务运营商部署互动电视系统。由于大部分运营商前期在进行数字电视整体转换时已发放了大量的MPEG-2标清机顶盒，更换支持H.264的机顶盒成本巨大。考虑到机顶盒终端仍然采用MPEG-2编码格式，互动系统的内容编码格式可以采用MPEG-2视频压缩格式，音频压缩一般采用MP2（MPEG-1LayerII），流封装格式一般采用MPEG-2TS传输流。互动系统中MPEG-2编码与广播节目的MPEG-2编码相比，也存在一定的区别，主要表现在：互动系统中的MPEG-2视频压缩要采用CBR模式，而直播节目中为了提高编码效率一般采用VBR（可变码率）格式编码。这主要是便于系统管理和计算IPQAM资源。为了提高单个QAM通道承载的流数量，互动系统中内容的比特率一般压缩为3.75Mbit/s，这样一个QAM通道可承载10个并发流。广播节目的码率一般在4~6Mbit/s。

直播频道的元数据信息包括CE（CX）输出的组播地址、端口号信息，为了能够处理IPQAM方式下的机顶盒终端直播电视业务，直播频道的元数据增加了两个属性，即频点和PMT的PID，这些信息由MAM导入系统。IPTV终端需要通过IP网络接收直播电视，所以IPTV终端关心的是直播频道元数据中的组播地址、端口号信息，不关心频点和PMT的PID信息。IPTV终端从USC获取直播频道的元数据信息，并从中提取感兴趣的组播地址、端口号信息，然后通过组播接收由CE（CX）发送的直播频道。图3给出了IPTV视频直播业务处理流程。IPQAM终端是通过HFC网络获取直播频道内容的，所以它关心的是直播频道元数据中的频点和PMT的PID信息。机顶盒从由USC提供的直播频道元数据中获取该直播频道的频点、PMT的PID信息，然后再调用机顶盒中相应的程序锁定相应频点，通过PMT的PID找到相应的节目进行播放。图4给出了IPQAM视频业务处理流程。

对于时移电视和电视回看内容，由系统中配置的转码器、编码器对这些频道进行实时转码或编码，并交由MD/ME存储，终端在请求时移电视和电视回看时，由USC根据用户终端的类型分别进行处理。如果终端是IPTV终端，USC对终端进行认证后把IPTV终端的时移电视或电视回看请求提供给MD/ME，MD/ME将媒体流直接发送给IPTV终端。图5给出了IPTV视频点播业务处理流程。如果终端类型为IPQAM方式的双向机顶盒，USC对终端进行认证后将请求发送给UA，UA对用户请求进行转换后发送给MD/ME，MD/ME收到来自UA的用户请求后向RMM请求IPQAM资源，根据RMM提供的资源将媒体流发送到相应的IPQAM通道，同时将频点、PMT的PID信息返回给UA，由UA提供给双向机顶盒接收相应的媒体流。图6给出了IPQAM视频点播业务处理流程。在基于IPTV架构中，直播电视信号需要通过转码器、编码器进行转码、编码后，由CEC/CE（CX）接收，然后组播出来，同时CEC/CE（CX）通知MD/ME进行存储。存储后的内容可供时移电视和电视回看业务使用，就像点播一样，由MD/ME通过IP网络发送给终端。而IPQAM的电视回看、时移电视业务处理方式与点播一样，媒体内容是通过IPQAM设备发送到终端，而不是直接发送给终端。

互动系统需要通过双向网络与系统进行通信才能实现交互，无论采用IPTV架构还是IPQAM架构都需要通过IP网络实现双向接入。但是，不同类型的终端对双向接入网的要求不同。对于IPTV系统，由于所有信息和媒体流都是通过IP网络传送，因此它对于IP网络的要求要比双向机顶盒要高，尤其是实时的直播电视业务，对网络带宽、丢包和抖动都很敏感，因此对于IPTV终端需要仔细规划和部署接入网。一般来说，要提供标清H.264格式的视频业务，对网络的要求包括：带宽不小于2Mbit/s；单向时延不大于50ms；丢包率不大于0.1%；抖动不大于10ms。对于IPQAM系统，IP网络只承担业务认证和交互信息的通道，媒体流仍然是通过有线网络传输的，因此它对于IP网络的带宽和服务质量（QoS）要求（丢包率、延时和抖动）不高。例如，带宽方面只需300~500kbit/s即可，在延迟和抖动方面的要求，只需提供与Internet接入业务相同的QoS即可满足要求。

两种架构共存思考

对于系统中IPTV终端和IPQAM终端共存的情况，无论采用IPTV还是采用IPQAM部署前端互动平台，对于播控平台直播信源的植入都是需要将视频源由可变码率（VBR）变成恒定码率（CBR），以满足达到终端接入带宽等要求。在业务访问控制方面，需要通过一个终端类型属性对两种终端进行区分。用户在开户时，系统需要登记终端类型，这样不同的终端在进行业务请求时，系统会根据用户的终端类型进行不同的业务区分处理。终端访问互动平台时，首先访问USC，USC判断终端的类型从而将不同的终端类型导向不同的电子节目指南（EPG）首页。在IPTV终端和IPQAM机顶盒混合部署的系统中，两种终端访问的EPG页面不同，在IPTV终端的EPG页面中只显示H.264格式的媒体内容，在IPQAM双向机顶盒访问的EPG页面中只呈现MPEG-2格式的媒体内容，这样就实现了不同的终端类型访问不同的媒体内容。在接入认证方面，混合部署中的接入认证方式可以采用统一的DHCP或PPPoE方式。考虑到带宽管理、安全性和管理的复杂程度，一般建议采用PPPoE方式进行接入认证或DHCP+方式来进行安全认证。DHCP+通过在DHCP报文的option字段插入用户名密码等，确保未经认证的不会得到IP地址，达到对不同业务终端用户鉴权和管理的目的，使互动电视的应用网络更安全。具体的接入方式可以是EPON+LAN，EPON+EOC，IPDSAM或者ADSL等。两种体系架构下采用不同的媒体编码格式所带来的问题之一就是如果同一个内容需要分别针对MPEG-2和H.264两种格式进行编码，也就是说同一个节目源需要转码、编码2次，并需要以两种格式分别在系统中存储，占用的存储空间较多。

小结

本文以互动平台中的IPTV与IPQAM两种体系架构为切入点，综合比较与分析了两种体系架构下的视频编码、媒体处理和网络接入等关键技术。最后，对于两种架构共存中的业务访问控制与接入认证方面进行了一定的技术探讨，希望为视频服务运营商在进行互动平台选型时提供一定的参考与借鉴。