IPTV技术简介（一）
IPTV技术简介
何宝宏 段世慧 金伟
泰尔网 2006-06-22 09:29:59 来源[通信技术与标准]
【关键词】 IPTV
http://view.catr.cn/jshqsh/200606/t20060622_394897.htm
1、什么是IPTV
从字面上讲，IPTV就是利用IP方式传输普通的电视节目（因此有时也被称为网络电视），但不同的行业和组织对IPTV的含意却存在不同的理解。
对于IPTV为什么是“TV”，或者说与TV相关的方面主要体现在两个方面：1）IPTV为用户提供的节目是社会广泛熟悉的TV节目，因此是“TV”；2）通过IP网络传播来的信息，经过机顶盒（STB）做处理后，利用普通或高清晰的电视机（TV）做显示终端，因此是“TV”。但对这两个条件需要同时满足，还是只需要满足第1个条件，就应该称为IPTV，存在不同的理解。随着技术的发展，目前的电视机已经不仅用做电视节目的显示终端，也已经可以作为其他多种业务（如游戏、股票行情）的显示终端；而且电视节目也已经不仅可以在电视机上收看，也可以在PC和手机等设备上收看了。因此，IPTV之所以被称作“TV”，是因为是以内容为核心定义的，仅指节目源是TV的，与显示终端是否是电视机没有必然关系。
对于“IP”与“TV”的关系，传统的广播电视行业通常将其理解为“IPTV=IP+TV”模式，即在这种实现方式中，IP业务和TV业务在CABLE中是完全独立并行的；传统的电信行业则相反，实现的方式是“IPTV=TV over IP”模式，即包括TV在内的所有业务都承载在IP之上。
实际上，如果把IPTV简单地理解为上面所说的在IP网络上模拟传统的电视节目，那就过于简单化和狭隘了，那么IPTV也是没有发展前途的。IPTV与传统的电视业务相比，最大的特点是能够进行个性化和实时交互特点的点播服务，还可以开展类似于传统电信业务和互联网业务的其他增值服务。概括的讲，IPTV业务利用IP网络（或者同时利用IP网络和DVB网络），把来源于电视传媒、影视制片公司、新闻媒体机构、远程教育机构等各类内容提供商的内容，通过IPTV宽带业务应用平台（该平台往往不仅支持TV，也支持其他业务）整合，传送到用户个人电脑、机顶盒+电视机、多媒体手机（用于移动IPTV）等终端，使得用户享受IPTV所带来的丰富多彩的宽带多媒体业务内容。
2、IPTV的实现方式
图1简单示意IPTV在广电和电信网络中实现方式，分别对应上面所说的“IP+TV”和“TV over IP”方式。
当广播电视数字化以后，广播电视领域的交互电视网络将拥有一个双向的交互通道和一个单项的广播电视通道，如图1中所示，交互电视需要通过交互通道提供方（即ISP）的网络通信资源，来与电视内容提供商交互，实现一些IPTV的基本功能。目前，广电部门在部分地区斥巨资积极进行网络的双向改造试验，力图采用IP over DVB的方式实现IPTV。但是由于广播电视网络的固有特性，从技术和经费上都需要巨大投入，实现起来十分困难，而投入和产出又会有相当大的差距。
电信行业有优良的网络基础设施，特别是在与互联网业务的融合上有丰富的运营经验，可以充分发挥网络优势，提供视频点播、网络游戏等交互性很强的业务。因此，在运营IPTV业务上具有一定的有利条件，但对网络改造也并非易事。
图1 IPTV的不同实现方式
3、IPTV的系统组成
IPTV是一种以家用电视机或PC为显示终端，通过互联网，提供包括电视节目在内的内容丰富的多媒体服务业务，IPTV是计算、通信、多媒体和家电产品崭新技术的融合，其关键技术是利用计算机或“机顶盒+电视”完成接收视频点播节目、视频广播及网上冲浪等功能。
IPTV实际系统组成如图2所示。
图2 IPTV系统组成
（1）节目提供系统
该部分主要完成节目的数字化，使原始节目成为能够在IP网络上传输的数字节目。其主要功能是直播节目的编码压缩、转换和传送。
（2）内容管理系统
内容管理系统主要功能是对IPTV的节目和内容进行管理，其主要是内容管理和用户管理，功能包括：内容审核、内容发布、内容下载、用户管理以及用户认证计费等。
（3）流媒体传送系统
流媒体传送系统主要包括的设备是中心／边缘流媒体服务器和存储分发网络。
存储分发网络可以由多个服务器组成，它们之间通过负载均衡来实现大规模组网，如CDN。
流媒体服务器是提供流式传输的核心设备。要求有很高的稳定性，同时能满足支持多个并发流和直播流的应用需求。
（4）接入系统
接入系统主要为IPTV终端提供接入功能，使STB能够顺利接入到IP网络，目前常见的接入方式为xDSL和LAN方式。
（5）IPTV终端
目前的IPTV可根据终端分为三种形式，即PC平台终端、IP-STB平台终端和手机平台（移动网络）终端。其中，IP-STB终端是IPTV的用户最常见的消费终端。
（6）运营支撑系统
运营支撑系统完成IPTV的营业受理、用户管理、计费管理、帐务管理、资源管理、ICP管理、产品管理、工单管理以及内容服务访问控制等功能，是IPTV系统实现“可运营、可管理”的关键。
4、IPTV的内容提供
4.1 节目制作
IPTV的节目制作系统通常包括内容采集、内容制作（包括编码与转码）、节目管理等组成部分。内容采集系统的节目源可以是摄像机、电视台节目、VCD光盘、卫星输入信号等等。
内容制作系统提供普通节目制作、直播节目制作和录播节目制作等等。同时，内容制作系统可以实时监听后台自动直播（录播）系统的管理信息，自动在预先设定好的时间使用视频捕捉卡直播（录制）特定频道正在播放的电视节目；当节目录制完成后，可以自动上传到流媒体文件服务器，并将节目相应信息存储于数据库中。
制作系统支持将VCD、DVD、WAV、AVI、MPG和MP3等文件转换格式为ASF、WMV、WMA、RM、MP4等流媒体格式，支持各种带宽大小的码流格式，同时支持将视频捕捉卡等设备得到的视频、音频数据（电视、录像带、摄像机等）转换为流媒体系统支持的文件的功能。
4.2 编码技术
20世纪90年代以来，随着视频编码技术的成熟，国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）相继推出了一系列视频压缩编码的国际标准，已经发布的有：H.261，H.262，H.263，H.264以及MPEG1，MPEG2，MPEG4等。目前，认为比较适合于流媒体系统中使用的标准主要有H.264和MPEG4。
MPEG-1应用于带伴音的数字活动图像的压缩编码，码率为1.5Mbps，一般家用VCD便是MPEG-1的一种应用；MPEG-2是一种应用于专业级的压缩编码标准，针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层有详细规定，其码率具有从3Mbps-80Mbps的可分级性
，MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。
为适应在互联网上多媒体的灵活传输，国际运动图像专家组（MPEG）于20世纪90年代末又发布了MPEG-4标准草案，MPEG-4是基于音视频对象的可分级编码技术，其码率可从5Kbps-2Mbps的范围变化，它综合了数字电视、交互图形学和Internet等领域的技术功能。它在要求高效压缩编码的同时，强调多媒体网络通信的灵活性和交互性。
目前，由ITU-T和ISO两个国际标准化组织的视频编码联合专家组JVT制订新的视频压缩编码标准H.264标准，称为AVC（Advanced Video Coding）标准，是MPEG-4的第10部分。H.264不仅比H.263和MPEG-4节约了50%的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。H.264标准使运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。
AVS是中国自行开发、具有自主知识产权的新一代编码方式。目前中国正在进行AVS的规格制定工作，不过其目标不仅限于中国，还准备作为国际标准规格对外推广。AVS是以取代MPEG-2规格为目标的高效编码方式之一，相当于H.264和Windows Media 9。当前，AVS视频主要面向高清晰度电视、高密度光存储媒体等应用中的视频压缩。
除了以上视频编码技术之外，目前互联网使用较多的流媒体格式主要是美国Real Networks公司的ReaMedia、Apple公司的QuickTime和微软公司的Windows Media。主要的编码方式包括：ASF、nAVI、AVI、DIVx、QuickTime、RealAudio、Real Video及Real Flash等。
4.3 内容管理系统
内容管理系统的主要功能是对IPTV的节目和内容进行管理。媒体节目经过制作后，手工或者自动入库到流媒体节目管理系统中，然后在内容管理系统中经过频道组织和内容编排，通过EPG展现给用户。
内容管理系统需要与IPTV支撑运营系统（BOSS）接口，通过用户接入门户，对用户身份进行认证（即完成机顶盒的访问认证），对用户服务获得授权，支持机顶盒检索节目内容和访问媒体内容的重定向，同时完成计费数据采集功能，并且对用户的账户进行扣费。
内容管理系统需要监视流媒体服务器或CDN的入口可用状况，当入口地址由多台服务器提供的时候，内容管理系统能够为这些服务器提供负载均衡。
内容管理系统需要对节目进行版权管理，为了防止用户采用虚拟播放器非法下载并传播流媒体文件；同时，为了提供可控流媒体文件下载观看服务，需要通过DRM版权管理进行控制。
以下简介内容管理系统中最主要的技术：EPG菜单和数字版权管理（DRM）。
（1）EPG菜单
电子节目指南（EPG）用于给用户提供一个容易使用、界面友好、可以快速访问想看节目的一种方式，用户可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的电视节目。
EPG是指在符合MPEG-2（13818.1）的TS传输流中插入DVB标准定义的业务信息（Service Information，SI），使机顶盒的综合接收解码器可以从TS流中提取出节目提供商播出节目的列表和播出参数，以直观的形式显示给数字电视用户，使得用户可以方便地接收、选择数字电视节目。
利用机顶盒收看数字电视节目，用户通过EPG不仅能够接收普通的电视节目、广播节目或图文电视节目，而且，还可以查看感兴趣的信息，比如：按节目分类（如音乐节目、体育节目、电影等）检索节目、按节目提供者检索节目、查看未来一段时间内节目播出表以及视频网络中节目播出情况等信息。
（2）数字版权管理（DRM）
数字版权管理（Digital Rights Management，简称DRM）是一项涉及到技术、法律和商业各个层面的系统工程。它为数字媒体的商业运作提供了一套完整的实现手段。DRM是保护多媒体内容免受未经授权的播放和复制的一种方法。DRM技术的出现，使得版权所有者不用再耗费大量时间和精力与客户进行谈判，来确保数字媒体内容能够被合法的使用。DRM将使各个平台的内容提供商们，无论是因特网、流媒体还是交互数字电视，提供更多的内容，采取更灵活的节目销售方式，同时有效地保护知识产权。
DRM技术的工作原理是：建立数字节目授权中心，编码压缩后的数字节目内容，利用密钥（Key）可以被加密保护（lock），加密的数字节目头部存放着KeyID和节目授权中心的URL。用户在点播时，根据节目头部的KeyID和URL信息，就可以通过数字节目授权中心的验证授权后送出相关的密钥解密（unlock），节目方可播放。需要保护的节目被加密，即使被用户下载保存，没有得到数字节目授权中心的验证授权也无法播放，从而严密地保护了节目的版权。
5、IPTV内容的存储分发
5.1 存储分发要求
IPTV系统中对存储网络的存储分发要求：
●根据用户的地理位置和连接带宽，让用户连接到最近的服务器上去，访问速度快，减少用户访问的延迟和响应时间，减少消耗的网络带宽；
●全局负载平衡，提高存储资源的利用率，提高分发服务的性能与质量；
●提高资源存储和内容分发的管理控制能力，智能分配路由和进行流量管理；
●对用户提供鉴权、认证机制，发送的内容受到保护，未授权的用户不能分发；
●具有高可靠、可用性，具有良好伸缩性和兼容性，能容错且很容易扩展。
5.2 组网方式
1）CDN模式
IPTV系统对于用户的服务质量有很高的要求，而且要保证播放的流畅。在广域网内，从用户的客户端到流媒体服务器之间经过了一个很复杂的路由以后，就很难保证播放的流畅了。为了克服网络复杂路线带来的制约，在IPTV中必须通过边缘服务来实现最终用户的点播服务，所以要把内容从中心服务器有效地分发到边缘服务器，实现把内容从中心存储服务器分发到边缘服务器的这样一个网络体系，称为内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）。
CDN的核心思想是将内容从中心推到靠近用户的边缘，使用户可以就近取得所需的内容，这样，不但有效提高了用户访问内容的性能，而且有效减轻了中心设备和骨干网络的压力。通过CDN，可以将内容分发从原来的单一中心结构变为分布式的结构，提高用户访问网站的响应速度。因而，CDN可以提高网络中信息流动的效率，从技术上全面解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题，提高用户访问网站的响应速度。
在一个CDN网络中，包含内容缓存设备、内容交换机、内容路由器、CDN内容管理等几个重要元素。典型的CDN组成如图3所示：
图3 CDN模式的网络组成示意图
内容缓存设备是CDN的业务提供点，是面向最终用户的内容提供设备