一种多通道视频传输系统的设计

一种多通道视频传输系统的设计

1视频点播的业务现状基于频点传输系统的观测系统可以被视为一个分布在一起的多媒体系统。根据具体应用的不同,系统的实现方式也不一样。目前应用最广泛的是计算机网络(包括Internet和Intranet)中的视频点播系统。这种视频点播系统采用流媒体控制协议RTP/RTCP/RTSP实现,内容的格式为WindowsMedia或rm格式,用户端设备为计算机。由于计算机网络拓扑的复杂性和带宽的限制,服务提供商并不承诺给用户提供有保证的服务质量。这种方式广泛应用于各种提供视频内容的网站,包括小区局域网和校园网等网络环境。随着IPTV的兴起,作为核心业务之一的视频点播将有很好的前景。IPTV的视频点播业务一般采用先进的视频压缩算法(MPEG-4或H.264)和流媒体协议,接收设备采用IP机顶盒和电视机。作为IPTV的运营商,将向用户提供有保证的服务质量。为此,在IPTV系统中采用了多播、CDN等技术,但在具体实施时,延迟、抖动等同样受到带宽和网络结构的影响,可运营和可管理的系统还处于试验阶段。目前我国广电正在有线电视网络中进行数字电视的改造。利用数字电视的广播信道传输用户点播的内容,利用接入网提供的交互信道传输用户的点播等控制信息,使广播信道和交互信道有机地结合,可以构建视频点播系统。与计算机网络和IPTV的视频点播不同,这种视频点播系统没有采用流媒体技术,用户点播的内容通过专门分配的广播信道传输,图像的清晰度和传输质量可以得到保障;利用交互信道,可以使用户在点播过程中随时保持与各种服务器的连接,实现点播节目的前进、快退、暂停等各种VCR操作。2视频点播系统构成本视频点播系统包含广播和交互两个信道。广播信道采用有线电视网络,交互信道可以是基于IP的任何一种接入网,包括CableModem及ADSL、以太网等。用户点播内容采用MPEG-2MP@ML格式在有线电视广播信道传输,用户的控制信息在交互信道中传输。接收设备采用具有以太网接口并支持IP的数字机顶盒和电视机。用户点播的内容存储在视频服务器中,内容的传输采用标准的数字电视传输方式,广播给用户。机顶盒在接收时先通过交互信道获得所点播节目使用广播信道的信息,然后按该信息来接收所点播的节目。机顶盒与前端服务器的各种控制信息采用DSM-CC(数字存储媒体-控制和命令)协议栈。图1为视频点播系统结构框图,整个系统由视频服务器、ITV子系统、VoD应用服务器、视频分配子系统、有条件接收子系统(包含用户管理系统)和数字机顶盒组成。视频点播系统中的视频服务器可以是任何商业视频服务器,主要功能是存储和管理MPEG-2节目文件。同时,在商业视频服务器的基础之上开发了控制软件,可以接收ITV系统的命令,在指定的路径上播放用户点播的节目。视频服务器的输出可以是DVBASI或以太网。视频分配子系统与视频服务器相连接,并实现QAM调制、上变频和射频混合输出等功能。它接收从视频服务器输出的MPEG传输流,并将其中的各个节目分配到相应的频道上。同时,在有条件接收系统的控制下,实现对MPEG传输流的加扰。ITV系统由连接管理服务器CM与会晤和资源管理的逻辑实体SRM组成。实现了连接管理、系统资源包括服务器资源和网络资源的管理,并实现了流控操作。ITV系统是整个系统的核心设备,它与机顶盒中的视频点播应用软件一起,实现了端到端的DSM-CC协议栈,包括会晤与资源控制和视频流VCR控制协议,实现了视频点播的各种控制功能。VoD应用服务器的主要功能包括为节目导航、用户验证和用户记账。节目导航是为机顶盒提供视频点播服务的节目列表,当用户选择了某个节目时,给机顶盒发送该节目的标识。用户验证是指当用户点播某个节目时,对用户的合法性进行检查,以确定该用户是否具有点播该节目的权利。用户记账是指当用户选择一个节目后,将用户观看节目的记录存入到数据库中,供计费系统使用,计费系统是用户管理系统中一个重要的功能模块。数字机顶盒是具有以太网接口的交互式有线数字电视机顶盒,内置嵌入式浏览器和完整的TCP/IP协议栈,具有很好的交互功能。视频点播应用就是建立在广播节目的接收、解码、嵌入式浏览器和网络协议基础上实现的。图2所示的流程图为描述用户实现一个节目点播的系统各组成部分的工作流程。3音频接口的实现数字机顶盒的软件系统是一个多任务嵌入式软件系统,其基本功能有节目搜索、节目播放、电子节目指南等。视频点播是机顶盒的一个增值应用。如图3所示,该应用包含三个任务:节目选择任务、会晤控制任务、流控任务。节目选择任务完成节目的浏览、选择,并获得用户所选择的节目标识。会晤控制实现会晤和资源的建立、释放。流控任务完成各种流控操作。用户进入视频点播应用后,首先运行节目选择任务,机顶盒通过HTTP协议与VoD应用服务器进行通信,获得VoD应用所提供的节目清单,并用嵌入式浏览器显示;随后,机顶盒等待用户的选择。当用户选择了某个节目时,VoD应用服务器通过用户的操作了解到该用户选择了某个节目,然后将用户所选择的节目的标识通过TCP/IP协议发送给机顶盒。当机顶盒收到节目的标识后,会晤控制任务开始运行,机顶盒使用DSM-CCU-N协议向SRM发送建立会晤的请求,该请求中包含了机顶盒的标识、所在的网络位置、所选择的节目标识和会晤标识等信息。SRM在收到请求后,与连接管理服务器(CM)进行通信,在获得CM的响应后,SRM向机顶盒发送客户会晤建立确认消息来确认本次会晤的建立,机顶盒在收到确认后,再向SRM发送客户连接请求来进行会晤连接,SRM将向CM发送服务器连接指示。机顶盒收到的客户会晤建立确认消息中包含用户所选择节目将要使用的QAM方式、频率、符号率、以及MPEG传输流的节目号。同时,在确认消息中还包括CM的IP地址、IP端口号、以及流标识。机顶盒与SRM和CM的通信过程如图4所示。其中SRM和CM使用服务器增加资源请求/确认消息进行资源的管理。当用户退出VoD应用时,机顶盒通过客户释放请求和确认消息来释放所获得的各种资源。机顶盒在收到客户会晤建立确认后,将启动流控任务。机顶盒首先使用会晤建立所获得的IP地址、端口号、流标识等参数与CM建立一个TCP连接,作好流控操作的准备。然后,根据会晤建立所获得的频率、符号率、QAM模式以及节目号来调整调谐器、QAM解调器、MPEG解码器的参数,以便能正确地接收并解码所选择的节目。流控操作使用三个消息,分别是:客户操作请求、客户操作确认和流状态改变通知。机顶盒通过客户操作请求告诉CM用户所进行的操作,CM通过客户操作确认对客户的操作进行确认。在这两个消息中包含了NPT,因此可以实现精确的时间定位。当节目播放完毕,或快进、快退到了节目的头或尾,CM使用流状态改变通知消息来告诉机顶盒。流程如图5所示。本课题组在实验室建立了原型系统,包括视频服务器、视频分配子系统、ITV子系统、VoD应用服务器数字机顶盒,实现了视频点播功能。视频服务器内保存多个已压缩MPEG-2MP@ML节目,节目速率为4Mbps,视频分配子系统包括1个QAM调制器,采用64QAM调制方式。此时,系统支持9个机顶盒同时点播4Mbps的标准清晰度视频节目,用户可以通过遥控器实现点播节目的前进、快退、暂停等VCR操作。当采用2个QAM调制器时,系统支持18个机顶盒同时点播。与IPTV和计算机网络的视频点播相比,由于视频的传输信道是有线电视广播信道,该系统具有广播级的图像质量,而且视频音频均无任何延迟和抖动,也就是说与数字电视广播节目的指标相同。从以上结果可以推算,若使用10个QAM调制器(10个模拟频道,占80MHz频带资源),系统将可支持90个用户同时点播。按支持的同时点播用户数为总服务用户数的20%来计算,可支持450户。若使用更高压缩比的编码器进行压缩以及使用更多的频道资源,则可以支持数千个用户。如果在一个城市的有线电视网络中通过设置分前端或将服务器和视频分配子系统放在小区的方式,复用有限