一種多通道視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一種多通道視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1視頻點(diǎn)播的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀基于頻點(diǎn)傳輸系統(tǒng)的觀測(cè)系統(tǒng)可以被視為一個(gè)分布在一起的多媒體系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用的不同,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式也不一樣。目前應(yīng)用最廣泛的是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(包括Internet和Intranet)中的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。這種視頻點(diǎn)播系統(tǒng)采用流媒體控制協(xié)議RTP/RTCP/RTSP實(shí)現(xiàn),內(nèi)容的格式為WindowsMedia或rm格式,用戶(hù)端設(shè)備為計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性和帶寬的限制,服務(wù)提供商并不承諾給用戶(hù)提供有保證的服務(wù)質(zhì)量。這種方式廣泛應(yīng)用于各種提供視頻內(nèi)容的網(wǎng)站,包括小區(qū)局域網(wǎng)和校園網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。隨著IPTV的興起,作為核心業(yè)務(wù)之一的視頻點(diǎn)播將有很好的前景。IPTV的視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)一般采用先進(jìn)的視頻壓縮算法(MPEG-4或H.264)和流媒體協(xié)議,接收設(shè)備采用IP機(jī)頂盒和電視機(jī)。作為IPTV的運(yùn)營(yíng)商,將向用戶(hù)提供有保證的服務(wù)質(zhì)量。為此,在IPTV系統(tǒng)中采用了多播、CDN等技術(shù),但在具體實(shí)施時(shí),延遲、抖動(dòng)等同樣受到帶寬和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響,可運(yùn)營(yíng)和可管理的系統(tǒng)還處于試驗(yàn)階段。目前我國(guó)廣電正在有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)字電視的改造。利用數(shù)字電視的廣播信道傳輸用戶(hù)點(diǎn)播的內(nèi)容,利用接入網(wǎng)提供的交互信道傳輸用戶(hù)的點(diǎn)播等控制信息,使廣播信道和交互信道有機(jī)地結(jié)合,可以構(gòu)建視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和IPTV的視頻點(diǎn)播不同,這種視頻點(diǎn)播系統(tǒng)沒(méi)有采用流媒體技術(shù),用戶(hù)點(diǎn)播的內(nèi)容通過(guò)專(zhuān)門(mén)分配的廣播信道傳輸,圖像的清晰度和傳輸質(zhì)量可以得到保障;利用交互信道,可以使用戶(hù)在點(diǎn)播過(guò)程中隨時(shí)保持與各種服務(wù)器的連接,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播節(jié)目的前進(jìn)、快退、暫停等各種VCR操作。2視頻點(diǎn)播系統(tǒng)構(gòu)成本視頻點(diǎn)播系統(tǒng)包含廣播和交互兩個(gè)信道。廣播信道采用有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò),交互信道可以是基于IP的任何一種接入網(wǎng),包括CableModem及ADSL、以太網(wǎng)等。用戶(hù)點(diǎn)播內(nèi)容采用MPEG-2MP@ML格式在有線(xiàn)電視廣播信道傳輸,用戶(hù)的控制信息在交互信道中傳輸。接收設(shè)備采用具有以太網(wǎng)接口并支持IP的數(shù)字機(jī)頂盒和電視機(jī)。用戶(hù)點(diǎn)播的內(nèi)容存儲(chǔ)在視頻服務(wù)器中,內(nèi)容的傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視傳輸方式,廣播給用戶(hù)。機(jī)頂盒在接收時(shí)先通過(guò)交互信道獲得所點(diǎn)播節(jié)目使用廣播信道的信息,然后按該信息來(lái)接收所點(diǎn)播的節(jié)目。機(jī)頂盒與前端服務(wù)器的各種控制信息采用DSM-CC(數(shù)字存儲(chǔ)媒體-控制和命令)協(xié)議棧。圖1為視頻點(diǎn)播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,整個(gè)系統(tǒng)由視頻服務(wù)器、ITV子系統(tǒng)、VoD應(yīng)用服務(wù)器、視頻分配子系統(tǒng)、有條件接收子系統(tǒng)(包含用戶(hù)管理系統(tǒng))和數(shù)字機(jī)頂盒組成。視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中的視頻服務(wù)器可以是任何商業(yè)視頻服務(wù)器,主要功能是存儲(chǔ)和管理MPEG-2節(jié)目文件。同時(shí),在商業(yè)視頻服務(wù)器的基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)了控制軟件,可以接收ITV系統(tǒng)的命令,在指定的路徑上播放用戶(hù)點(diǎn)播的節(jié)目。視頻服務(wù)器的輸出可以是DVBASI或以太網(wǎng)。視頻分配子系統(tǒng)與視頻服務(wù)器相連接,并實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制、上變頻和射頻混合輸出等功能。它接收從視頻服務(wù)器輸出的MPEG傳輸流,并將其中的各個(gè)節(jié)目分配到相應(yīng)的頻道上。同時(shí),在有條件接收系統(tǒng)的控制下,實(shí)現(xiàn)對(duì)MPEG傳輸流的加擾。ITV系統(tǒng)由連接管理服務(wù)器CM與會(huì)晤和資源管理的邏輯實(shí)體SRM組成。實(shí)現(xiàn)了連接管理、系統(tǒng)資源包括服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)資源的管理,并實(shí)現(xiàn)了流控操作。ITV系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備,它與機(jī)頂盒中的視頻點(diǎn)播應(yīng)用軟件一起,實(shí)現(xiàn)了端到端的DSM-CC協(xié)議棧,包括會(huì)晤與資源控制和視頻流VCR控制協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了視頻點(diǎn)播的各種控制功能。VoD應(yīng)用服務(wù)器的主要功能包括為節(jié)目導(dǎo)航、用戶(hù)驗(yàn)證和用戶(hù)記賬。節(jié)目導(dǎo)航是為機(jī)頂盒提供視頻點(diǎn)播服務(wù)的節(jié)目列表,當(dāng)用戶(hù)選擇了某個(gè)節(jié)目時(shí),給機(jī)頂盒發(fā)送該節(jié)目的標(biāo)識(shí)。用戶(hù)驗(yàn)證是指當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)播某個(gè)節(jié)目時(shí),對(duì)用戶(hù)的合法性進(jìn)行檢查,以確定該用戶(hù)是否具有點(diǎn)播該節(jié)目的權(quán)利。用戶(hù)記賬是指當(dāng)用戶(hù)選擇一個(gè)節(jié)目后,將用戶(hù)觀看節(jié)目的記錄存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中,供計(jì)費(fèi)系統(tǒng)使用,計(jì)費(fèi)系統(tǒng)是用戶(hù)管理系統(tǒng)中一個(gè)重要的功能模塊。數(shù)字機(jī)頂盒是具有以太網(wǎng)接口的交互式有線(xiàn)數(shù)字電視機(jī)頂盒,內(nèi)置嵌入式瀏覽器和完整的TCP/IP協(xié)議棧,具有很好的交互功能。視頻點(diǎn)播應(yīng)用就是建立在廣播節(jié)目的接收、解碼、嵌入式瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。圖2所示的流程圖為描述用戶(hù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)目點(diǎn)播的系統(tǒng)各組成部分的工作流程。3音頻接口的實(shí)現(xiàn)數(shù)字機(jī)頂盒的軟件系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)嵌入式軟件系統(tǒng),其基本功能有節(jié)目搜索、節(jié)目播放、電子節(jié)目指南等。視頻點(diǎn)播是機(jī)頂盒的一個(gè)增值應(yīng)用。如圖3所示,該應(yīng)用包含三個(gè)任務(wù):節(jié)目選擇任務(wù)、會(huì)晤控制任務(wù)、流控任務(wù)。節(jié)目選擇任務(wù)完成節(jié)目的瀏覽、選擇,并獲得用戶(hù)所選擇的節(jié)目標(biāo)識(shí)。會(huì)晤控制實(shí)現(xiàn)會(huì)晤和資源的建立、釋放。流控任務(wù)完成各種流控操作。用戶(hù)進(jìn)入視頻點(diǎn)播應(yīng)用后,首先運(yùn)行節(jié)目選擇任務(wù),機(jī)頂盒通過(guò)HTTP協(xié)議與VoD應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信,獲得VoD應(yīng)用所提供的節(jié)目清單,并用嵌入式瀏覽器顯示;隨后,機(jī)頂盒等待用戶(hù)的選擇。當(dāng)用戶(hù)選擇了某個(gè)節(jié)目時(shí),VoD應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)用戶(hù)的操作了解到該用戶(hù)選擇了某個(gè)節(jié)目,然后將用戶(hù)所選擇的節(jié)目的標(biāo)識(shí)通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送給機(jī)頂盒。當(dāng)機(jī)頂盒收到節(jié)目的標(biāo)識(shí)后,會(huì)晤控制任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行,機(jī)頂盒使用DSM-CCU-N協(xié)議向SRM發(fā)送建立會(huì)晤的請(qǐng)求,該請(qǐng)求中包含了機(jī)頂盒的標(biāo)識(shí)、所在的網(wǎng)絡(luò)位置、所選擇的節(jié)目標(biāo)識(shí)和會(huì)晤標(biāo)識(shí)等信息。SRM在收到請(qǐng)求后,與連接管理服務(wù)器(CM)進(jìn)行通信,在獲得CM的響應(yīng)后,SRM向機(jī)頂盒發(fā)送客戶(hù)會(huì)晤建立確認(rèn)消息來(lái)確認(rèn)本次會(huì)晤的建立,機(jī)頂盒在收到確認(rèn)后,再向SRM發(fā)送客戶(hù)連接請(qǐng)求來(lái)進(jìn)行會(huì)晤連接,SRM將向CM發(fā)送服務(wù)器連接指示。機(jī)頂盒收到的客戶(hù)會(huì)晤建立確認(rèn)消息中包含用戶(hù)所選擇節(jié)目將要使用的QAM方式、頻率、符號(hào)率、以及MPEG傳輸流的節(jié)目號(hào)。同時(shí),在確認(rèn)消息中還包括CM的IP地址、IP端口號(hào)、以及流標(biāo)識(shí)。機(jī)頂盒與SRM和CM的通信過(guò)程如圖4所示。其中SRM和CM使用服務(wù)器增加資源請(qǐng)求/確認(rèn)消息進(jìn)行資源的管理。當(dāng)用戶(hù)退出VoD應(yīng)用時(shí),機(jī)頂盒通過(guò)客戶(hù)釋放請(qǐng)求和確認(rèn)消息來(lái)釋放所獲得的各種資源。機(jī)頂盒在收到客戶(hù)會(huì)晤建立確認(rèn)后,將啟動(dòng)流控任務(wù)。機(jī)頂盒首先使用會(huì)晤建立所獲得的IP地址、端口號(hào)、流標(biāo)識(shí)等參數(shù)與CM建立一個(gè)TCP連接,作好流控操作的準(zhǔn)備。然后,根據(jù)會(huì)晤建立所獲得的頻率、符號(hào)率、QAM模式以及節(jié)目號(hào)來(lái)調(diào)整調(diào)諧器、QAM解調(diào)器、MPEG解碼器的參數(shù),以便能正確地接收并解碼所選擇的節(jié)目。流控操作使用三個(gè)消息,分別是:客戶(hù)操作請(qǐng)求、客戶(hù)操作確認(rèn)和流狀態(tài)改變通知。機(jī)頂盒通過(guò)客戶(hù)操作請(qǐng)求告訴CM用戶(hù)所進(jìn)行的操作,CM通過(guò)客戶(hù)操作確認(rèn)對(duì)客戶(hù)的操作進(jìn)行確認(rèn)。在這兩個(gè)消息中包含了NPT,因此可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間定位。當(dāng)節(jié)目播放完畢,或快進(jìn)、快退到了節(jié)目的頭或尾,CM使用流狀態(tài)改變通知消息來(lái)告訴機(jī)頂盒。流程如圖5所示。本課題組在實(shí)驗(yàn)室建立了原型系統(tǒng),包括視頻服務(wù)器、視頻分配子系統(tǒng)、ITV子系統(tǒng)、VoD應(yīng)用服務(wù)器數(shù)字機(jī)頂盒,實(shí)現(xiàn)了視頻點(diǎn)播功能。視頻服務(wù)器內(nèi)保存多個(gè)已壓縮MPEG-2MP@ML節(jié)目,節(jié)目速率為4Mbps,視頻分配子系統(tǒng)包括1個(gè)QAM調(diào)制器,采用64QAM調(diào)制方式。此時(shí),系統(tǒng)支持9個(gè)機(jī)頂盒同時(shí)點(diǎn)播4Mbps的標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻節(jié)目,用戶(hù)可以通過(guò)遙控器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播節(jié)目的前進(jìn)、快退、暫停等VCR操作。當(dāng)采用2個(gè)QAM調(diào)制器時(shí),系統(tǒng)支持18個(gè)機(jī)頂盒同時(shí)點(diǎn)播。與IPTV和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的視頻點(diǎn)播相比,由于視頻的傳輸信道是有線(xiàn)電視廣播信道,該系統(tǒng)具有廣播級(jí)的圖像質(zhì)量,而且視頻音頻均無(wú)任何延遲和抖動(dòng),也就是說(shuō)與數(shù)字電視廣播節(jié)目的指標(biāo)相同。從以上結(jié)果可以推算,若使用10個(gè)QAM調(diào)制器(10個(gè)模擬頻道,占80MHz頻帶資源),系統(tǒng)將可支持90個(gè)用戶(hù)同時(shí)點(diǎn)播。按支持的同時(shí)點(diǎn)播用戶(hù)數(shù)為總服務(wù)用戶(hù)數(shù)的20%來(lái)計(jì)算,可支持450戶(hù)。若使用更高壓縮比的編碼器進(jìn)行壓縮以及使用更多的頻道資源,則可以支持?jǐn)?shù)千個(gè)用戶(hù)。如果在一個(gè)城市的有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)設(shè)置分前端或?qū)⒎?wù)器和視頻分配子系統(tǒng)放在小區(qū)的方式,復(fù)用有限