多媒體通信技術(shù)_多媒體通信技術(shù)概論

1、第1章 多媒體通信技術(shù)概論 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.1 引言引言 1.2 多媒體數(shù)據(jù)流的基本特征多媒體數(shù)據(jù)流的基本特征 1.3 多媒體通信的性能描述與需求多媒體通信的性能描述與需求 1.4 多媒體通信的服務(wù)質(zhì)量多媒體通信的服務(wù)質(zhì)量 1.5 多媒體通信的網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境多媒體通信的網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境 1.6 分布式多媒體應(yīng)用分布式多媒體應(yīng)用 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.1 引引 言言 人類的信息交流已從單一媒體過渡到多媒體的形式。多媒體信息形式有四種: 音頻、音頻、 視頻、圖形和文本視頻、圖形和文本。其中，音頻和視頻媒體與時(shí)間相關(guān), 稱為連續(xù)媒體; 圖形和文本媒體與時(shí)間無關(guān), 稱為靜態(tài)媒體。連

2、續(xù)媒體具有隱含的時(shí)間關(guān)系, 其播放速度將影響所含信息的再現(xiàn), 必須在一段特定的時(shí)間內(nèi)按特定的速度播放; 否則, 媒體信息的完整性就會(huì)受到影響。而靜態(tài)媒體則是與時(shí)間無關(guān)的媒體, 其播放速度不會(huì)影響所含信息的再現(xiàn)。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 多媒體數(shù)據(jù)多媒體數(shù)據(jù)文本，有：無格式文本、有格式文本、超文本；文本，有：無格式文本、有格式文本、超文本；超文本，是帶鏈接的有格式文本，超文本，是帶鏈接的有格式文本，HTML，是超文本的語言；，是超文本的語言；URL：internet網(wǎng)的統(tǒng)一資源定位符，包含存儲(chǔ)頁面的主機(jī)名、網(wǎng)的統(tǒng)一資源定位符，包含存儲(chǔ)頁面的主機(jī)名、文件名，供訪問頁面信息時(shí)使用；文件名，供訪問

3、頁面信息時(shí)使用；萬維網(wǎng)與超空間（萬維網(wǎng)與超空間（ internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的巨大的數(shù)字化信息空間）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的巨大的數(shù)字化信息空間）圖像，有：計(jì)算機(jī)圖形、數(shù)字化掃描文檔、數(shù)字化圖片；圖像，有：計(jì)算機(jī)圖形、數(shù)字化掃描文檔、數(shù)字化圖片；音頻，有：音頻，有：PCM（脈沖編碼調(diào)制）語音、（脈沖編碼調(diào)制）語音、CD的音頻、樂器合成的的音頻、樂器合成的音頻。音頻。PCM語音，主要用于公共電話交換網(wǎng)（語音，主要用于公共電話交換網(wǎng)（PSTN），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G.711；視頻，有：廣播電視、數(shù)字視頻、視頻，有：廣播電視、數(shù)字視頻、PC視頻。視頻。第1章 多媒體通信技術(shù)概論 PCM脈沖調(diào)制編碼原理脈沖調(diào)制編碼

4、原理第1章 多媒體通信技術(shù)概論 ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)），又稱窄帶ISDN、N- ISDN，起初是為了使PSTN用戶有能力享有其他服務(wù)，在ISDN中，接入電路稱為數(shù)字用戶線（DSL）。ISDN可支持多媒體通信的應(yīng)用。PSTN（公共電話交換網(wǎng)）B-ISDN（寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)），可支持多媒體通信的應(yīng)用。寬帶，指一次通信所占電路的比特速率超過ISDN最大的2M比特速率。大量使用ATM（異步傳輸模式）技術(shù)，寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)也叫ATM網(wǎng)。數(shù)據(jù)網(wǎng)（X.25和因特網(wǎng)）， X.25只用于低比特速率應(yīng)用，不適合多媒體通信。因特網(wǎng)（Internet）是數(shù)據(jù)通信的主要形式，支持多媒體通信。廣播電視網(wǎng)，使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

5、和地面廣播網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)電纜調(diào)制解調(diào)器集成到機(jī)頂盒時(shí)，可以為用戶提供低速信道和高速信道。低速信道可連接PSTN，高速信道可連接因特網(wǎng)，可支持多媒體通信。第1章 多媒體通信技術(shù)概論 PSTN網(wǎng)第1章 多媒體通信技術(shù)概論 N-ISDN應(yīng)用（接入速率較低）第1章 多媒體通信技術(shù)概論 因特網(wǎng)第1章 多媒體通信技術(shù)概論 網(wǎng)關(guān)因特網(wǎng)第1章 多媒體通信技術(shù)概論 廣播電視/因特網(wǎng)第1章 多媒體通信技術(shù)概論 B-ISDN應(yīng)用第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.2 多媒體數(shù)據(jù)流的基本特征多媒體數(shù)據(jù)流的基本特征比特率可變性比特率可變性 (1) 恒定比特率（Constant BitRate, CBR）傳輸 (2) 可變比特率（

6、Variable BitRate, VBR）傳輸 2. 時(shí)間依賴性時(shí)間依賴性 3. 信道對(duì)稱性信道對(duì)稱性 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 (1) 異步通信 異步通信用于在端系統(tǒng)之間交換那些不需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)或者處理的靜態(tài)媒體數(shù)據(jù)。 例如, 多媒體電子函件就是采用的就是這種通信方式。 (2) 等時(shí)通信 等時(shí)通信用于在端系統(tǒng)之間傳送諸如語音、 視頻之類需要實(shí)時(shí)處理的連續(xù)媒體數(shù)據(jù), 產(chǎn)生低延遲、低抖動(dòng)的連續(xù)位流（Bit Stream）。 例如, 在多媒體視頻會(huì)議系統(tǒng)中, 對(duì)于NTSC制式的視頻信號(hào), 網(wǎng)絡(luò)必須每隔33毫秒就應(yīng)向播放地點(diǎn)提交一個(gè)視頻幀, 端到端的延遲應(yīng)當(dāng)保持在250 毫秒以下。由于連續(xù)媒體通信

7、具有等時(shí)性, 通常采用“數(shù)據(jù)流”來抽象表示端到端連續(xù)媒體通信。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.3 多媒體通信的性能描述與需求多媒體通信的性能描述與需求1.3.1 多媒體通信的性能描述多媒體通信的性能描述 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù) (1) 吞吐量網(wǎng)絡(luò)吞吐量（Throughput）是指有效的網(wǎng)絡(luò)帶寬, 通常定義成物理鏈路的傳輸速率減去各種傳輸開銷, 如物理傳輸開銷以及網(wǎng)絡(luò)沖突、 瓶頸、 擁塞和差錯(cuò)等開銷, 它反映了網(wǎng)絡(luò)的最大極限容量, 測(cè)量?jī)?nèi)容與具體的對(duì)象相關(guān)。 例如: 在網(wǎng)絡(luò)層, 吞吐量可表示成單位時(shí)間內(nèi)接收、 處理和通過網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù)或比特?cái)?shù)。 它是一種靜態(tài)參數(shù), 反映了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況。 第1

8、章 多媒體通信技術(shù)概論 (2) 差錯(cuò)率 差錯(cuò)率（Error Rate）是一種重要的性能指標(biāo), 反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。它可以用三種方法定義: 一是位差錯(cuò)率（BER）, 它定義為出錯(cuò)的位數(shù)與所傳輸?shù)目偽粩?shù)之比; 二是幀差錯(cuò)率（FER）, 它定義為出錯(cuò)的幀數(shù)與所傳輸?shù)目値瑪?shù)之比; 三是分組差錯(cuò)率（PER）, 它定義為出錯(cuò)的分組數(shù)與所傳輸?shù)目偡纸M數(shù)之比。 它們分別用于在不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次上計(jì)算差錯(cuò)率。例如, 在分組交換網(wǎng)中, 其傳輸單位是分組, 通常使用PER計(jì)算差錯(cuò)率; ATM網(wǎng)絡(luò)上的傳輸單位是信元（Cell）, 可以使用FER計(jì)算差錯(cuò)率; 而物理傳輸網(wǎng)（如：同步光網(wǎng)絡(luò)SONET）以位為傳輸單位,

9、 故使用BER計(jì)算差錯(cuò)率。光纖傳輸網(wǎng)的BER范圍一般為10-910-12, 衛(wèi)星傳輸網(wǎng)的BER為10-7。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 (3) 延遲 延遲（Delay）是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù), 它可采用多種方式來表示。這里主要是從端到端延遲的角度來討論延遲問題。端到端延遲是指發(fā)送端發(fā)送一個(gè)分組到接收端正確地接收到該分組所經(jīng)歷的時(shí)間。端到端延遲包含了下列延遲時(shí)間: 傳播延遲: 表示端到端之間傳輸一個(gè)二進(jìn)制位所需要的時(shí)間。 這是一個(gè)受光速限制的物理參數(shù), 且是一個(gè)常數(shù), 為200 m/s。 它僅僅與所經(jīng)過的傳輸距離有關(guān)。 傳輸延遲: 表示端到端之間傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊（如分組）所需要的時(shí)間。該參數(shù)與網(wǎng)

10、絡(luò)傳輸速率和中間節(jié)點(diǎn)處理延遲有關(guān)。 網(wǎng)絡(luò)延遲: 表示傳播延遲與傳輸延遲之和。 接口延遲: 表示發(fā)送端從開始準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)塊到實(shí)際利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送所需要的時(shí)間。第1章 多媒體通信技術(shù)概論 2. 影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素 吞吐量吞吐量 網(wǎng)絡(luò)故障。 網(wǎng)絡(luò)擁塞。 瓶頸。 緩沖區(qū)容量。 流量控制。 (2) 差錯(cuò)差錯(cuò) 位出錯(cuò)。 分組丟失和亂序。 (3) 延遲延遲 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.3.2 多媒體通信的性能需求多媒體通信的性能需求 吞吐量需求吞吐量需求 高傳輸帶寬需求。 大緩沖容量需求。 流量需求。 2. 可靠性需求（差錯(cuò)）可靠性需求（差錯(cuò)） 3. 延遲需求延遲需求 第1章 多媒體通

11、信技術(shù)概論 1.4 多媒體通信的服務(wù)質(zhì)量多媒體通信的服務(wù)質(zhì)量 服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）是一種抽象概念, 用于說明網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“良好”程度。由于不同的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求不同, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)質(zhì)量期望值也不同。這種期望值可以用一種統(tǒng)一的QoS概念來描述。 在不同應(yīng)用系統(tǒng)中, QoS參數(shù)集的定義方法可能是不同的。例如, 可以使用上述的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)來定義QoS, 即: QoS = 吞吐量, 差錯(cuò)率, 端到端延遲, 延遲抖動(dòng) 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 表表 1.1 QoS 參參 數(shù)數(shù) 舉舉 例例多媒體對(duì)象 最大延遲/ms 最大延遲抖動(dòng)/ms 平均吞吐量/(Mb/s

12、) 可接受的位出錯(cuò)率 語音視頻(TV品質(zhì))壓縮視頻數(shù)據(jù)(文件傳送)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖像 0.250.250.2510.00111 10101- 0.064100210110010210 10-110-210-60010-9第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.5 多媒體通信的網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境多媒體通信的網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境 由于多媒體信息, 特別是連續(xù)媒體信息源將產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 必須經(jīng)過編碼壓縮處理后才能進(jìn)行傳輸, 傳送到目的地后再解壓播放。 這樣可以節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬。數(shù)據(jù)壓縮處理一般由兩個(gè)過程組成: 一是編碼過程, 即對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮, 以便存儲(chǔ)和傳輸; 二是解碼過程, 即對(duì)壓縮的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓, 恢復(fù)成

13、可用的數(shù)據(jù)。 經(jīng)過壓縮后的連續(xù)媒體數(shù)據(jù)流仍然需要較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。 例如, 經(jīng)MPEG-2壓縮后的視頻流仍需要大于 3.36 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬。 當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送連續(xù)媒體數(shù)據(jù)時(shí), 要求網(wǎng)絡(luò)能夠提供較大的帶寬, 傳統(tǒng)的10 Mb/s Ethernet很難滿足這一需求。因此, 多媒體通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（主要是指網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境）提出了較高的要求, 如高帶寬、低延遲、支持QoS以及資源動(dòng)態(tài)分配等。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 為了更好地支持多媒體通信, 無論是局域網(wǎng)還是廣域網(wǎng)都呈現(xiàn)出高速化的發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前, 網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到10 Gb/s, 為多媒體通信提供了高帶寬的保證。 對(duì)于

14、局域網(wǎng), 可提供100 Mb/s及以上傳輸速率的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有: 快速以太網(wǎng)(100BASE-T)、千兆位以太網(wǎng)、光纖環(huán)網(wǎng)(FDDI)、 100VGCD*2AnyLAN以及ATM網(wǎng)絡(luò)等, 這些網(wǎng)絡(luò)都是標(biāo)準(zhǔn)化的, 在實(shí)際中已得到廣泛的應(yīng)用。 此外, 萬兆位(10 Gb/s)以太網(wǎng)已經(jīng)研制成功, 不久將出臺(tái)有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。從支持QoS的角度, 100VG-AnyLAN、 FDDI以及ATM等網(wǎng)絡(luò)都具有一定的支持能力, 只是程度不同而已。其中，ATM對(duì)QoS的支持最為充分。各種以太網(wǎng)都不提供QoS支持能力。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 在這些局域網(wǎng)絡(luò)中, 根據(jù)所采用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件, 可以組成共享式網(wǎng)絡(luò)和

15、交換式網(wǎng)絡(luò)兩種網(wǎng)絡(luò)類型。 在共享式網(wǎng)絡(luò)中, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一段有沖突的介質(zhì), 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（節(jié)點(diǎn)）增加時(shí), 沖突將不可避免地發(fā)生, 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可用帶寬急劇下降。即使是100 Mb/s的高速網(wǎng)絡(luò), 也會(huì)因共享介質(zhì)而產(chǎn)生多個(gè)用戶同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)介質(zhì)來傳輸媒體數(shù)據(jù)的問題, 這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲的增加, QoS的下降。 在交換式網(wǎng)絡(luò)中, 通過交換機(jī)提供端點(diǎn)之間的并行的傳送通道和獨(dú)享的網(wǎng)絡(luò)帶寬, 因而不會(huì)發(fā)生任何沖突, 且大大降低了傳輸延遲, 有效地保證了網(wǎng)絡(luò)的QoS。 因此, 多媒體通信應(yīng)當(dāng)采用高速交換式網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 由于局域網(wǎng)通過高速交換式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠較容易地解決網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲問

16、題, 對(duì)多媒體通信的支持比較充分，因此多媒體通信技術(shù)的重點(diǎn)是解決廣域網(wǎng)支持多媒體流的綜合傳輸和QoS問題。 近幾年, 相繼推出了一些以光纖為傳輸介質(zhì)的廣域網(wǎng), 如同步光纖網(wǎng)(SONET)、 同步數(shù)字序列(SDH)和密集波分復(fù)用(DWDM)等, 其傳輸速率已達(dá)10 Gb/s, 大大改善了廣域網(wǎng)的擁擠狀況。 隨著Internet的發(fā)展, 大量的話音和視頻信息需要在基于分組交換的數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸, 這就需要在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上解決數(shù)據(jù)、話音和視頻流的綜合傳輸和資源協(xié)調(diào)問題, 實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的有機(jī)集成, 使整個(gè)廣域網(wǎng)絡(luò)具有高度的適應(yīng)性、 開放性和可伸縮性。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 一種有效的解決方案是寬帶I

17、P網(wǎng)絡(luò), 它是以ATM、SONET、 SDH和DWDM等高速網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ), 通過IP Over ATM、IP Over SONET 、 IP Over SDH以及IP Over DWDM等技術(shù)構(gòu)成基于IP協(xié)議的集成平臺(tái), 再通過IP v6、 RSVP和區(qū)分服務(wù)等協(xié)議協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源, 提供QoS保證和特性化服務(wù), 以滿足應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的需求。寬帶IP網(wǎng)絡(luò)也是下一代Internet (如Internet 2)的核心技術(shù)。 另一方面, 寬帶Internet必須和用戶高速接入技術(shù)相配合才能真正發(fā)揮作用, 使基于Internet的多媒體應(yīng)用能夠走進(jìn)千家萬戶, 也就是必須解決高速信息公路的“最后1公里”問

18、題。目前, 用戶高速接入技術(shù)主要有: 基于交互式電視網(wǎng)的Cable Modem的接入和基于電話網(wǎng)的ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)的接入, 它們分別適用于不同的用戶環(huán)境, 其接入方法和性能也不同。這些接入技術(shù)可以提供130 Mb/s的接入速率, 是當(dāng)前普遍使用的模擬Modem幾十kb/s接入速率所無法比擬的。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 1.6 分布式多媒體應(yīng)用分布式多媒體應(yīng)用 多媒體會(huì)議系統(tǒng)是一種在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持下, 利用多媒體信息進(jìn)行會(huì)議交流的會(huì)議系統(tǒng), 人們足不出戶就可以召開會(huì)議, 提高了會(huì)議的效率, 降低了會(huì)議開銷。 這種新型的會(huì)議系統(tǒng)

19、已成為典型的分布式多媒體應(yīng)用系統(tǒng)之一。多媒體會(huì)議系統(tǒng)是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng), 對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求除了高帶寬、 低延遲和支持QoS外, 還應(yīng)當(dāng)具有組播通信能力。此外, 高效的視頻/音頻編解碼器也是必不可少的。為了規(guī)范會(huì)議系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用, 有關(guān)國(guó)際組織制定了一系列有關(guān)會(huì)議系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn), 在編解碼器、 數(shù)據(jù)壓縮、通信協(xié)議等方面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。從Internet發(fā)展趨勢(shì)來看, 基于寬帶IP網(wǎng)的桌面會(huì)議系統(tǒng)將是今后多媒體會(huì)議系統(tǒng)的主流技術(shù)。 第1章 多媒體通信技術(shù)概論 視頻點(diǎn)播視頻點(diǎn)播 (Video On Demand, VOD) 系統(tǒng)是一種交互式多媒體信息服務(wù)系統(tǒng), 它采用客戶/服務(wù)器模型, 整個(gè)系統(tǒng)由視頻服務(wù)器、高速網(wǎng)絡(luò)和客戶端組成, 客戶可根據(jù)自己的需要和興趣選擇視頻服務(wù)器中的多媒體信息內(nèi)容, 并控制其播放過程。 這種新的多媒體信息服務(wù)形式被廣泛應(yīng)用于交互式有線電視系統(tǒng)、 賓館娛樂服務(wù)系統(tǒng)、 數(shù)字圖書館系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)以及各種公共信息咨詢和服務(wù)系統(tǒng)等。VOD系統(tǒng)的信息交互具有不對(duì)稱性, 客戶到視頻服務(wù)器的上行信道的通信量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于視頻服務(wù)器到客戶的下行信道的通信量。根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短, VOD系統(tǒng)可分成真點(diǎn)播TVOD（True VOD）和準(zhǔn)