IPTV体系结构

       ITU-T FG IPTV在其体系架构中给出的IPTV逻辑域如图1-1所示。

图1-1   IPTV逻辑域

       ① 内容提供者(ContentProvider):拥有或被授权出售内容或内容资产的实体。

       ② 业务提供者(ServiceProvider):运营商通过收费或契约的方式提供电信业务给消费者和其他用户的一个一般的平台。业务提供者可以是，也可以不是网络运营者，一个业务提供者也可以是另一个业务提供者的用户。

       ③ 网络提供者(NetworkProvider)：组织、维护和运营可以提供IPTV功能的网络要素。一个网络提供者有时也充当业务提供者的角色。

       ④ 终端用户(End-User)：能够接入网络，并且通过网络能够与提供的业务通信的人、组织或通信系统进行通信。

       根据这个逻辑域，以及对网络部件的重用情况以及控制方式的不同，目前主要有两种IPTV体系架构：一种是非基于NGN的IPTV架构；另一种是基于NGN的IPTV架构。对于基于NGN的IPTV架构，又根据是否重用IMS相关功能部件而分成基于IMS的IPTV架构和非基于IMS的IPTV架构。不管是哪一种架构，都需要提供一些基本的功能来实现IPTV业务。

       本文将重点介绍视听类节目制作系统、业务管理系统、业务导航系统、媒体分发系统、IPTV承载网以及IPTV终端。由于除了视听类业务外，IPTV还可以提供众多的增值类业务，但这些业务的实现方式千变万化，与系统的集成方式也多种多样，因此，本文将对其只作简单的说明和介绍；另外，任何业务的运营需要有支撑系统，包括业务运营支撑和网络运营支撑（即网络管理系统），由于这些系统都是由运营商来完成的，因此本文不对其作专门的介绍，可参考专门的网管书籍。

IDTV系统的功能框架如图1-2所示。

图1-2  IPTV系统de的功能框架图

1、节目制作系统

       视听类节目制作系统的作用主要是将原始的节目源转化成符合规定编码格式的流媒体节目源。系统通过内容引擎和媒体内容上传器引入实时和非实时的节目内容，并对节目内容进行切片、加密处理。原始的节目源可以是实时电视节目或离线的点播节目，通过编码器将节目压缩成具有广播级质量的MPEG-2.MEPG-4或WMV.H.264等格式的数字码流。编码流经过语法的预分析，被分割成固定长度的段，每个段被数字加密后打成RTP包以单播或组播的方式播放出去，或存储在媒体工作站中。

2. 业务提供条統

       业务提供系统由业务支撑、业务管理、业务导航、内容分发和其他增值业务子系统构成。业务支撑和业务管理子系统用于实现关于业务控制、用户管理、媒体资产管理、认证计费以及网络管理功能。媒体资产管理用于跟踪控制系统中所有媒体节目的元数据信息，可以对元数据进行录入、修改、删除等维护操作。计费系统和用户管理提供用户界面以完成业务的生成、计费、统计及用户的开户、销户、认证、査询等。用户自助系统为用户提供检查账户的状态，支付订购费，为特别的节目购买服务计划，注册服务请求等功能。网络管理系统包括故障管理、性能管理、配置管理、安全管理等功能。

       业务导航子系统是IPTV业务的门户，为最终用户的节目消费提供导航。导航界面通过栏目分类给用户展示不同的业务和应用,用户通过遥控器或者键盘选择不同的业务和应用。

       内容分发子系统由若干媒体服务器组成，是IPTV系统的核心组件，主要负责IPTV系统媒体内容的分布和存储。IPTV流媒体内容采用分布式存储结构，即通过中心服务器、区域服务器和边缘服务器来存储。其中，中心服务器存储全部的发布内容，区域服务器存储部分发布内容，边缘服务器存储部分服务器热度较高的内容或者是一些节目的分片，这样既保证了用户的服务质量，又节约了存储资源。内容分发管理的主要任务是通过媒体管理单元采取某种策略将中心服务器存储的内容分发到边缘服务器中，满足用户获取流媒体服务的需要。内容分发管理主要釆用推和拉两种方式：对于推方式而言，系统管理员或媒体管理单元主动把用户经常访问的内容推送到边缘服务器上；对于拉方式而言，边缘服务器无内容时主动向中心请求内容。

3. 网络承载系统

       网络承载系统包括IP骨干网络、城域网络和宽带接入网络等，它是承载IPTV业务的物理介质，也可以分为接入网、汇聚网和核心网三部分。

       IPTV对承载网的要求一般有以下几个方面：一是用户接入宽带，如果为用户提供DVD效果的IPTV业务，利用现有的编码技术用户至少需要3〜4Mbit/s（使用MPEG-2编码）或2Mbit/s（使用MPEG-4或更高压缩率的编码）的带宽；二是网络QoS,对于可视电话、游戏等双向交互式业务，要求网络的抖动和时延要小，对于经过压缩编码后的视频码流，由于其前后相关性较高，因此要求网络的丢包率低；三是IP网络对组播的支持，IPTV应尽量减少端到端的时延，因为对于直播节目，接收的用户会比较多，因此要求承载网络能支持组播。此外，为了防止对系统的恶意攻击，造成系统业务不能正常工作，网络需要有较高的安全性和统一的IP地址规划方案。

       IPTV系统可以支持各种网络承载形式，也可以支持各种接入方式，如LAN接入、xDSL接入、EPON/GPON接入。另外，无论PPPoE还是DHCP上网方式都可以支持。

4. 用户终端系统

       用户终端系统负责接收、存储和播放IPTV节目流媒体数据、电子节目指南等信息。典型的终端设备为多媒体计算机或电视机加上机顶盒，以及3G智能手机等。其中通过电视机加上机顶盒是主要的一种观看IPTV的方式。数字机顶盒是IPTV系统中不可缺少的重要组成部分，它是普通电视和宽带传输之间的桥梁，它使得电视机不但能够接收直播和点播电视节目，还可以扩展到上网、游戏、电子商务等服务。另外，联网游戏机也是IPTV可能的终端方式之一，它可以是一个单独的设备，也可以集成在机顶盒以内。用户通过嵌入其中的游戏客户端软件或通过游戏服务器下载相应的客户端软件，利用游戏手柄或遥控器操作，以电视为显示屏，可玩各种网络游戏。

       为了有助于更好地理解IPTV各子系统的网络连接特性和网络分层结构，并在各种技术方法中建立统一的词汇和找出共有的特征，可以将网络功能模块化，以帮助确定端到端业务传送中的信息交汇点。

       如图1-3所示，一般IPTV系统网络模型是由内容提供者系统、业务提供者系统、业务使用者系统，以及将上述系统连接起来的传输系统组成。以这种方式划分系统模型主要是为了强调各个系统之间的控制边界，表明这些网络是各自独立运行的。因此，在这些系统间需要某种接口，以提供标准的连接。

图1-3 一般IPTV网络连接系统模型

1. 内容建供者系统(CPS)

       IPTV业务系统用户所需的内容位于内容提供者系统的服务器中。内容提供者拥有用户所需的内容或拥有对各种音像、网络服务信息以及其他媒体信息内容的传播许可。内容提供者系统可位于Internet.Intranet或一些特定应用网络中，它使用宽带IP连接至骨干传送网。

2. 业务提供者系统(SPS)

       业务提供者系统完成用户访问IPTV内容时的网络接入，并通过骨干传送网连通业务消费者系统与内容提供者系统。业务提供者系统的基本功能有：

      •  交换、寻径和传输；

      •  将流量集中至内容提供者；

      •  多个内容提供者的业务注册；

      •  多个接入网的多路复用与交换；

      •  导航与目录服务；

      •  服务质量的保证；

      •  业务流平衡；

      •  内容提供者的缓冲服务；

      •  组播与广播业务所需的复制。

      其中部分功能也可由接入传输网完成。

3. 骨干传送网(CPS-SPS)

       骨干传送网用来连接内容提供者系统和业务提供者系统，提供高性能的比特吞吐。骨干传送网中的关键是速度和可管理性。一般来讲，骨干传送网的核心是高速光纤链路，媒体服务器或网络服务器将通过千兆或万兆以太网接口连接至传送网中的交换机和路由器。

4. 接入传输系统（SPS-SCS）

       接入传输系统用来连接业务消费者系统和业务提供者系统，其基本功能包括：

      •  将来自用户的业务流传输、交换、寻径和多路复用至业务提供者系统；

      •  依据服务质量将来自用户的业务流分类，以区别带宽有保证和无保证的业务流；

      •  保证服务质量；

      •  提供导航帮助和目录服务；

      •  内容提供者的缓冲服务；

      •  处理通道或包封装；

      •  执行MAC协议；

      •  鉴别用户；

      •  建立信息计量的方法以便于记录。

       这些功能的完成需要核心传送网、内容提供者系统以及家庭网络间的相互协作，即在这些系统间建立起清晰的接口。

5. 业务消费者系统（SCS）

业务消费者系统由下列功能部件组成：

      •   网络接口单元；

      •   户内网关，由其增加网络功能和多路复用不同业务；

      •   媒体处理单元，由其完成媒体信息解码等专用功能；

      •   显示终端，即电视、个人计算机或其他显示设备；

      •   用户室内布线，分有线或无线。

      对于IPTV所发送的信息内容来说，如何使不同媒体类型的信息实现同步、管理和播放，是IPTV体系结构中最为重要的部分。

       IPTV的节目内容信息组织，可分成不同的层次结构：第一层为媒体描述层；第二层为流式传输层；第三层为发布呈现层。

1. 媒体描述层

       对IPTV来说,媒体描述层的作用主要是对其所发送的不同媒体类型的信息以其最有效的编码表达方式加以描述，其重点是对不同媒体类型信息的信源压缩编解码。在IPTV信息组织结构的媒体描述层常用的媒体编码格式有以下几种。

       视频：WMV、MPEG-2、MPEG-4、DivX、XviD、MOV。

       音频：WMA、MP3、WAV、OGG、AAC。

       图像：JPEG、BMP、GIF、PNG、PPT。

       动画：GIF、SWF、AVI。

       文字：TXT、DOC、PDF、HTML。

2. 流式传输层

       在IP网络上传输包括视音频内容的多媒体信息主要有下载和流式传输两种方式。音像文件一般都较大,所以需要的存储容量也大；同时由于网络带宽的限制，媒体文件全部下载完成通常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟也很大。流式传输时，声音、影像或动画等时基媒体由媒体服务器向用户终端进行连续、实时的传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或十数秒的启动时延即可进行观看。当音像等时基媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从媒体服务器继续下载。流式传输不仅使启动时延成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部从互联网上下载完毕才能观看的缺点。

       实现流式传输有两种方法：实时流式传输(realtimestreaming)和顺序流式传输(pro¬gressivestreaming)o一般说来，如视音频为实时广播，或使用RTSP实时流式传输协议的媒体服务器，即为实时流式传输；如使用HTTP服务器，文件即通过顺序流式传输。釆用何种传输方法则依赖用户的需求。

(1) 顺序流式传输

       顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体。在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分。顺序流式传输不像实时流式传输那样，在传输期间可根据用户连接的速度做调整。由于标准的HTTP服务器可发送这种形式的文件，不需要其他特殊协议，因此经常被称作HTTP流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的视频短片，如片头、片尾和广告等。

      顺序流式文件是放在标准HTTP或FTP服务器上的，易于管理，基本上与防火墙无关。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频，它也不支持现场广播，严格说来它是一种点播技术。

(2) 实时流式传输

      实时流式传输一般需要保证媒体信号带宽与网络的良好匹配，以使媒体信息被实时观看到。实时流与HTTP流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传输较为适合现场直播，也支持随机访问。实时流式传输需要特定的流媒体服务器,这些服务器允许对媒体发送过程进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准HTTP服务器更复杂。

3. 发布呈现层

       发布呈现层用来定义IPTV节目的媒体信息发布格式，它既不是某种压缩格式，也不是某个传输协议;其本身并不描述视听数据，也不提供编码方法。媒体发布格式是用来描述视听数据对象在时间和空间上的一种安排方式。在这里，具体的视听数据是什么编码方式、以什么样的传输方式得到并不重要，重要的是它们以什么样的方式呈现在用户显示设备上。

       媒体发布格式是一套已经规定好的简单的标记。它用来规定多媒体片断(包括声音文件、视频文件、动画、图片、文字等)在什么时间、在什么位置、以什么样的方式进行播放。此外，它还包含有不同类型媒体的其他信息，如计时、多个流的同步、版权和所有人信息等。媒体信息发布呈现层的主要功能包括：

       (1)在同一节目中包容多种不同文件格式的媒体信息

       因为多媒体文件的格式非常多，如果用媒体发布格式来组织这些多媒体文件，那么可以在不对源文件进行任何修改的情形下，获得想要的节目呈现效果。

       (2) 同时播放在不同服务器上的多媒体片断

       假如现在想把一段电视釆访的实况加上声音和文字解说，而电视采访的视频文件存于甲服务器上的A文件，声音解说的音频文件存于乙服务器上的B文件，而文字解说却位于丙服务器上的C文件，在此情形下釆用媒体发布格式文件便可较为轻松地完成上述任务。

       (3) 时间控制

       如果在节目播放时不想用整个视频文件，而只想用其中的某一部分。传统方法是用编辑软件来剪辑。而釆用媒体发布格式文件来完成这一任务则容易得多。例如，某视频文件的时间长度是10s,我们要用的是2〜5s,其他部分不想要，只需在媒体发布文件中规定：在该视频文件的第2秒开始播放，播放到第5秒结束就可以了。

      时间控制的其他内容包括动画和转场效果等。

      (4) 对整个演示进行布局

      当在节目中既有视频、又有文字时，一般的情形下可以在屏幕的上部播放视频，在屏幕的底部显示文字，或是采用其他的布局方式。对于此类节目的布局问题，通过媒体发布格式很容易实现各种各样的显示效果。

       (5) 多语言选择支持

       当节目接收对象是全球范围，希望节目可以被不同国家用户收听、收看时，就要为他们准备不同语言版本的媒体文件。传统的方法是让用户通过语言菜单来选择，然后从服务器上下载相应的版本。如果把不同语言版本的节目用媒体发布格式组织起来、规定好，那么它将根据终端本身的语言设置自动播放相应版本的媒体文件。

       (6) 多带宽选择支持

       由于用户接入互联网的方式不尽相同，其接入速度差别也较大，因此为了让他们都能够看到节目，可以制作适应不同传输速度的媒体流。在传统的方法中，往往要用户自己选择其网络连接所对应的传输速度，然后播放相应的媒体文件。实际上，并不是所有的用户都知道自己的连接速度，利用媒体发布格式来解决此类问题则相对简单。播放器通过自动检测用户的连接速度，自动同服务器进行“协商”，传输并播放相应的媒体文件。