多媒体通信的网络的需求

第二章多媒体通信网络的需求多媒体通信网络的需求本章内容•22■.多1音媒频体和通视信频网基络础的需求典型的分布多媒体应用需求性能需求服务质量2.1音频和视频基础•3通多通多信媒信媒网体网体络通络通对信对信网多网多络媒络体的体传需传需输求输的支持主要是解决音频和视频流实时传输的问题。因此我们首先需要详细了解音频和视频媒体的一些基本特性和概念，包括听觉特性、视觉特性，以及数字化的基本概念。2.1音频和视频基础•4听觉感知多0－媒20体HZ

通听不信见网，络20－的2需0kH求Z可听见，20kHZ－1GHZ超声波数字音频视觉感知数字视频多媒体通信网络的需求•5多媒体通信网络的需求•6多媒体通信网络的需求•7多媒体通信网络的需求•82.2典型的分布多媒体应用需求•9多为多媒了媒体更体通清通除信除信地网地网理络理的解的需多需求媒求体传输的需求，我们首先从典型的分布多媒体应用的出发，看看它们具有哪些特性。从应用出发，看多媒体应用对通信网络有什么需求。2.2典型的分布多媒体应用需求•10音多音多频媒频媒流体流体和通和通视信视信频网频网流络流络的需求对话及其多方通信点到点通信Web中的多媒体分布多媒体应用的需求2.2.1音频流和视频流•11流媒体（streaming）应用多主媒要体是通音信频网流和络和络视的频需流求的应用，包括网络上的广播和电视频道。流媒体的特点是发送端（服务器）不断地发送媒体数据，数据在网络上传送，接收端同时在接收并播放出来。从发送端到接收端，媒体信息通过网络有向流动，称之为流媒体，以区别于下载后播放的模式多媒体通信网络的需求•12

媒体单向流动，接收端要求媒体流能够及时从发送端到达接收端，因为是边接收边播放，如果媒体多数媒据体包通没信有网及时络到的达需，求播放器就不能连续播放。

穿越网络，由于网络节点的处理、排队和转发，每个数据包将经受不同时延，因此，需要设置缓冲区，吸收一些时延的波动。•132.2.2对话及其多方通信•14

对话的单向时延要求小于100ms，超过350ms的时延，对话过程就难以接收。多媒体通信网络的需求

多方通信是多媒体应用的重要方面，多媒体会议系统。

对话方式的双向媒体传输与分配方式的单向媒体传输对话式流媒体VS分配式流媒体多媒体通信网络的需求•152.2.3点到点通信•16单播、组播和广播客户－服务器模式和P2P模式多媒体通信网络的需求多媒体通信网络的需求•17多媒体通信网络的需求•182.2.5分布多媒体应用的需求•19

媒体具有多种类型和形式，其经传输并交付给用户时，各个媒体之间必须同步地向用户表现■■媒多体媒数体据通源信和网目络的的是的是分需布求的，通信可能是在一个群组内进行，由于多媒体数据量大，需要同步表现，组播方式是分布式多媒体应用的重要需求。

交互会话中，音视频媒体的通信必须达到严格的时延要求，用户的感知才能够接受。

单向流媒体的时延要求比交互会话应用的要求低，区别在于媒体表现的启动时延可以大一些。

多媒体数据量大，虽经压缩，数据量仍然较大，因此需要一定量的通信网络带宽支持。2.3性能需求•20如多如多媒何媒何确体确体定通定通一信一信个网个网网络网络的络是需是需否求否求能够承载多媒体通信流呢？方法是：从应用角度出发，用一组参数说明应用对网络的需求；或从通信网络的角度出发，用一组相似的参数说明该网络可以提供什么样的传输性能。2.3.1网络多媒体应用的特点•21可变比特率

多媒多体媒通体信信网息络源通的常需具求有动态的特性，在不同的时间周期，会产生数目不定的数据，信息数据常常以突变和跳变的形式出现。为了获得连续、真实的效果，网络的传输速率也要随时间的变化而变化，这样的网络传输方式称为可变比特率（VBR）传输。多媒体网络不但要具有通常的恒定比特率（CBR）传输能力，能很好传输以恒定比特率产生的数据，而且还要能以VBR传输突发数据。目前，只有ATM网络技术能够较好地处理这种类型数据。(2)流式传输•22在网络上传输音频、视频等多媒体信息的方式：下载传输流式传输：声音、影像和视频动画等时基媒体由音频、视频服务器向用户计算机连续、实时传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，只需短暂的启动延迟即可进行观看。流式传输对硬件资源和环境要求不高，且使用缓冲存储技术较好地克服了网络延迟和抖动，成为多媒体网络的一种主要的数据传输模式。多媒体通信网络的需求(3)对称信道与不对称信道下行信道目的端根据多媒体应用类型的不同，对信道的要求也不同，上行和下行信道的通信量可能是对称的，也可能是非对称的。如在交互式电视系统：下行信道用来传输语音视频流，上行信道用于传输少量的控制信息，是典型的非对称信道。多点视频会议系统：由于每个点的与会者都可参与讨论，故该系统的上行信道和下行信道是对称的。对称信道对于实现网络多媒体系统较强的交互功能是必要的。•23源多媒体通端信网络的需求上行信道(4)实时性在多媒体信息中，大部分是与时间密切多相媒关体的通，信这网些络信的息需具求有时间连续性和实时性的特点，因此要求对媒体的传输必须是实时的，具有较低的时延。端到端的等待时间应当控制在一个很短的时间段内。如语音系统，延迟应控制在150ms内；视频系统，延迟应在250ms内。•242.3.2多媒体应用对网络的性能需求•25综合业务要求多媒由体于通多媒信媒信体网数络据的包需含求了文本、图形、图像、

音频、视频等多类媒体对象，不同类型的数据有

着不同的特点，对网络通信系统有着不同的需求，所以，网络多媒体系统应当能够为不同类型的数

据提供与其特点和需求相适应的通信性能，能够

将不同的业务有机结合起来，提供和支持多种通

信模式，如点到点、点到多点、多点到多点，并

完成相关管理任务。（2）吞吐量要求（带宽）•26网络吞吐量，也称为有效带宽：一般指单位时间内网络传送数据的有效速率，单位为位/秒（多b媒ps体）。通信网络的需求网络吞吐量与网络传输速率(带宽)严格来说是有区别的，网络吞吐量通常定义成物理链路的传输速率减去各种传输开销，如物理传输开销以及网络冲突、瓶颈、拥塞和差错等开销，它反映网络的最大极限容量，测量内容与具体的对象有关系。吞吐量实际上要小于传输速率，但在许多情况下，人们习惯将额外开销忽略不计，直接把网络传输速率当作吞吐量。无论是局域网还是广域网，网络的吞吐能力•27一般都是随时间变化而变化的。有时因发生网络故障或者出现峰值的数据流而造成网络拥塞，使网络的吞吐能力发生剧变。影响网络吞吐量的因素主要有网络故障，网络拥塞，瓶径、缓冲区容量等。多媒体通信的吞吐量要满足高传输率，大缓冲容量及流量的需求。音频和视频是多媒体系统两种重要的媒体类型，音频和视频信息对网络带宽有其特殊需求。多媒体通信网络的需求质

量技术或标准比特率(Kbps)电话质量高级的较差的G.711PCMG.722

SB-ADPCM6448,56,6416CD质量（立体声）G.728LD-CELPCD音频CD-DA1411CD音频MPEG音频192演播室质量MPEG音频384多媒体通信网络的需求标准•28质量压缩/未压缩技术或标准比特率(Mbps)HDTV(高清 未压缩MPEG-2120025~40演播室质量未压缩压缩ITU-601MPEG-21663~6常规广播质量压缩MPEG-22~4电视VCR质量压缩MPEG-11.2视频会议质量压缩H.2610.1多媒晰媒电体视)通信网压络缩的需求•29（3）时延要求传输时延是衡量网络性能的重要参数。多媒在体交通互信式网的络实的时需多求媒体应用中，端到端时延应当在40~500ms之间。一般说来：语音信号，端到端时延应在40ms左右；高质量品质的电视：不超过50ms；广播质量的电视：不超过100ms；视频会议质量：不超过400ms。•30

在端到端的传输过程中，延迟指从发送端发送一个分组，到接收端正确地接收到该分组所经历的时间。一般传输延迟时间由以下三个部分组成：•31传播延迟：表示端到端之间传输一个二进制位所需的时间。这是一个固定的物理参数，仅与传输距离有关。网络传输延迟：表示端到端之间传输一个数据块（如分组）所需要的时间，该参数与网络传输速率和中间节点处理延迟有关，也可以分为发送延迟和处理延迟。（■1多）端媒口体延通迟：信表网示络发送的（需或求接收）端等待网络调度并从开始准备发送（或接收）数据块到实际利用网络发送（或接收）所需要的时间。对于视频流，每秒25幀（PAL制式）或30幀（NTSC）制式，则每幀的实时压缩或解压时间不多能媒超体过通40信ms网或络3络33.的3m需s，求即每幀解码或编码时间最大为30－40ms。接收数据在缓冲区等待是利用一个幀解码的时间。

假设端到端单向时延按照150ms计算，那么只剩下60ms的时间用于传输，可见这段约束时间是非常短的。•32多媒体通信网络的需求•33延迟抖动：•34与延迟有关的另一个性能参数是延迟抖动。在以分组方式传输一个很大的文件或数据流时多，媒各体个通分信组网到达络接的收需端求的延迟时间是不相同的。所谓延迟抖动是指各个分组到达接收端延迟时间的最大变化量，即端到端延迟的最大值与最小值之差。例如，在视频点播系统，视频节目的连续数据流被从视频服务器发往用户端，有的分组传输延迟只用了几个毫秒的时间，有的却可能达到零点几秒，当这种延迟比较大时，画面就会出现抖动，影响到播放的质量。对于连续媒体流的传输来说，应将延迟抖动限制在一定的范围内，以有利于改善所接收的音频和视频的质量。

电视质量的音频和视频：

时延变化<

10ms，压缩视频和高质量立体声，抖动<1ms多媒体通信网络的需求

会话式音频，100－500ms的单向时延，则时延抖动小一个数量级。HDTV时延小于50ms，TV时延小于100MS。•35多·

媒理体想通情信况端网到络端的延需迟求是一个恒定值（零抖动 ），但是由于网络故障，传输错误以及网络 拥塞等延迟抖动总是不能避免的。·

在接受端设置足够的缓冲区容量可以缓和延迟和延迟抖动问题。•36多媒体通信网络的需求•37多媒体通信网络的需求•38（4）差错控制•39反映网络传输可靠性的一个重要性能指标是差多错媒率体。通差信错网率是络对的网需络求传送过程中数据发生丢失、改动、重复和失序等现象的比率的描述，也是对网络正确传送数据和出错恢复能力的度量。在网络传输中，主要有以下几种情况可能导致差错的发生：数据包丢失或改动。数据失序。具有检测机制的网络在检测到错误时，将有错误的数据包丢弃。差错率的定义：•40

位差错率（BER）。定义为出错的位数与所传输的总位数之比。帧差错率（FER）。定义为出错帧数与所传输的总帧数之在不同的网络协议层次上，可用不同方法计算差错率。例如在物理传输层中，以位为传输单位，则以BER计算差错率。光纤传输网的BER范围一般为10-9~10-12；在帧中继网中，一般以

FER计算差错率；在分组交换网或ATM中，则以

PER计算差错率。比多。媒体通信网络的需求

包差错率（PER）。定义为出错的分组或数据包与所传分组总数之比。人的听觉与视觉对多媒体传输的影响：由于人类感知能力有限，对图像和声音的微小多差媒异体，通人信的网视觉络和的听需觉求很难察觉，所以，多媒体网络传输允许存在一定程度的错误。通常人的听觉比视觉更为敏感一些，一个冗长的视频流，个别数据分组的出错是很难被人察觉出来的，但在音频流中，如果出现相同数量的出错分组，则可能被人的听觉察觉出来。因此，音频信息对网络的抖动、差错率的要求要比视频信息高。•41语音图像视频压缩视频BER<10-3<10-4<10-2<10-6PER<10-4<10-9<10-3<10-9多媒体通信网络的需求•42反馈重传的策略不适合实时媒体流的传输，差错控制应该在接收端完成•43传统的前向纠错多媒体实时传输新技术:差错掩盖：视觉、听觉掩盖差错恢复：部分恢复、感知变好多媒体通信网络的需求多媒体通信网络的需求•442.4服务质量•45Q多Q多o媒S的体概通念信网络的需求QoS参数编码与QoS协议层中的QoS2.4服务质量•46多媒体应通应信用信用网系网络统络统可的可的以需以需求用求上节介绍的性能参数表示应用的需求，或通信网络用这些参数表示通信网络能够支持的性能。把这些参数分类并规范化描述和表示，就是表示服务质量的QoS参数。服务质量（QoS，Quality

of

Service）是一种用于说明网络服务好坏程度的抽象概念。在计算机网络开放系统互连（OSI）参多考媒模体型通中信，网有络一的组需Q求oS参数，描述传输速率、差错率、抖动等网络特性，以表示某种特殊应用对网络性能的要求与对所提供的服务质量的期望值。多媒体通信网络需要定义合适的QoS。•47服务质量（Quality

of

Service,QoS）是一种抽象概念,用于说明网络服务的“良好”程度。由于不同的应用对网络性能的要求不同,对网络所提供的服务质量期望值也不同。这■种多期多望媒值体可以通用信一网种统络一的的需QoS求概念来描述。在不同应用系统中,QoS参数集的定义方法可能是不同的,经常使用吞吐量、差错率、端到端延迟、延迟抖动等网络性能参数来定义QoS。对连续媒体传输来说,端到端延迟和延迟抖动是两个关键的性能参数。多媒体应用,特别是交互式多媒体应用对延迟有严格的限制,不能超过人所能容忍的极限,否则将会严重地影响服务质量。同样,延迟抖动也必须维持在严格的界限内,否则将会严重地影响人对语音和图像信息的识别。•48QoS的基本概念QoS参数多媒在体网通络信多网媒体络体络应的用需中求，QoS是分布式多媒体 信息系统为了达到应用要求的能力所需要的一组 定量和定性的特性。它用一组参数表示。例如QoS={吞吐量，差错率，延迟，抖动}由于不同应用对网络性能要求不同，因此对服务质量的期望值也不同，这种期望值可用统一的QoS概念来表达。•49按性能：端到端延迟、吞吐量、抖动等；

按格式：视频分辨率、帧率、存储格式、压缩方法等；•50按同步：音频和视频序列起始点之间的时滞；按用户可接受性：主观视觉和听觉质量。用户根据应用需要使用QoS参数，系统根据可用资源（如CPU、缓冲区、I/O带宽以及网络带宽等）容量来确定是否满足应用的QoS需求。经过

双方协商，最终达成一致的QoS基本保证。如果

不能履行所承诺的QoS，须提供必要的指示信息。多媒体通信网络的需求分类方法举例参数按性能分端到端延迟，比特率等■按格多式媒分体通信网视络频的分需辨率求，帧率，存储格式，压缩方法等按同步分音频和视频序列起始点之间的实滞按费用分连接和数据传输的费用和版权费按用户可接受性分主观视觉和听觉质量•51

对于交互式多媒体应用来说，对延迟有严格的限制，不能超过人所能容忍的限度。否则会严重影响对语言和图像的理解和识别。•52■多多媒体媒对象体通最信大延网迟络/ms最的大延需迟求抖动/ms平均吞吐量Mb/s可接受的比特差错率语音0.25100.064<10-1视频（TV）0.251010010-2压缩视频0.2512〜1010-6数据1-1〜1000实时数据0.001-1-<100图像1-2〜1010-9（2）QoS参数体系结构在一个分布式多媒体信息系统中，通常采用层次化的QoS参数体系结构定义QoS参数。在QoS参数体系统结构中，通信双方的对等层之间表现为一种对等协商关系，双方按承诺的

QoS参数提供相应的服务。多媒体通信网络的需求•53应用层：应用层QoS参数是面向端用户的，故采用直观、形象的表达方式和描述方法。例多如媒，体可通通信过网播络放的不需同求演示质量的音频或视频片断作为可选择的QoS参数，或者将音频或视频传输速率分成若干等级，每个等级代表不同的QoS参数，并且通过可视化方式提供用户选择。•54表7.1一个视频QoS分级的例子•55■QoS多级视媒频体帧传通输信速率网/(帧络/秒的)需求分辨率/%主观评价损害程度525～3065～100很好细微415～2450～64好可察觉36～1435～49一般可忍受23～520～34较差很难忍受11～21～9差不可忍受

传输层协议主要提供端到端的、面向连接的数据传输服务。通常,这种面向连接的服务能够保证数据传输的正确性和顺序性,但以多较媒大体的通网信络网带络宽的和需延求迟开销为代价。传输层QoS必须由支持QoS的传输层协议提

供可选择和定义的QoS参数。传输层QoS参数主要有:吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、分组差错率和传输优先级等。国际标准化组织(ISO)在1986年颁布的

ISO/OSI

8072标准中明确地定义了传输层

QoS参数:•56·建立连接延迟:用户发出连接请求到接收到连接确认之间的时间间隔。•57·建立连接失败率:在最大建立连接延迟内不能建立连接的可能性。·吞吐量:每秒接收的用户数据字节数。·传输延迟:发送方发出数据到接收方接收到该数据所经历的时间间隔。·固有差错率:在取样时间段内丢失和出错的信息数占总信息数的比率。多媒体通信网络的需求·传输失败率:在数据传输阶段因各种原因所造成失败的信息占总信息数的比率。•58■·释多释多放媒放媒连体连体接通接通延信延信迟网迟网:络一的方需发求出释放请求到对方执行释放之间的时间间隔。·保护:用于说明建立安全连接需求的参数,如没有窃听或修改。·优先级:规定在该连接上传输的优先级。·弹性:用于说明传输层自动终结的可能性。网络层：网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务。这种服务通常是无连接的多，媒通体过通路信由网器络的存需储求-转发机制实现。在数据报的转发过程中，路由器将可能产生延迟（如排队等待转发），延迟抖动（选择不同路由），分组丢失及差错等。网络层QoS同样由支持QoS的网络层协议提供可选择和定义的QoS参数，如吞吐量、延迟、抖动、分组丢失率和差错率等。•59网络层协议主要是IP协议,其中IPv6可以通•60过多报媒头体中通优信先网级和络流的标需识求字段支持QoS。一些连接型网络层协议,如RSVP和SIP等可以较好地支持QoS