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高度灵活的编解码器是电信公司 IPTV 计划的重中之重

2011年05月16日16:32:27 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 数字 

作者:Michael Stich 与 Charlie Gonsalves

电信公司正全力以赴与有线电视运营商角力,这场竞争将决定今后十年电视、高速因特网以及电话服务的发展蓝图。在通过使用光纤同轴混合有线电视基础设施和专用线路向客户提供三重业务整合(视频、基于线缆调制解调器的数据服务以及语音服务)方面,有线多服务运营商 (MSO) 已取得了巨大成功。现在,电信公司正加强其 DSL 局端设备,并利用带宽效率极高的视频编解码器来添加可成功普及宽带的杀手锏因特网协议电视 (IPTV) 服务及其自己的三重业务整合。电信公司的成功取决于他们能否向需要丰富频道内容的美国消费者提供多样化的高清晰流媒体电视节目,这就要求新一代机顶盒既能支持目前的MPEG-2 编解码器,又能够支持可提高带宽利用效率的新型高级编解码器,如 H.264 和 VC-1 等。

IPTV 最具吸引力的特性之一是,能够解决有线电视网络连接的局限性,不必为每位客户提供所有可用通道。也就是说,这种局限性造成 MSO 总是面临网络带宽能力有限的问题,只要增加新客户,就会损失通道。IPTV 能够解决这一问题,其采用基于分组的因特网技术,仅对正在观看的信道进行分流,从而节省了网络带宽并能够提供范围广泛的节目供选择。IPTV 能实现视频点播,并能将无限的信息阵列嵌入到视频流中。IPTV 也是推动实现无所不在的宽带普及的杀手级应用,如果没有 IPTV 技术,宽带市场的普及就只能限制在拥有 PC 的家庭中。IPTV 具有非常重要的优势,特别是在使用了高级编解码器的情况下,能够支持多个视频通道,这使其对大部分拥有多台电视的美国家庭非常具有吸引力。

SBC 与 Verizon 推出 IPTV

SBC Communications 与 Verizon 是美国两大主要的电信公司,两家都在大规模地推出IPTV 网络。Verizon 预计将是四大电信公司中率先推出 IPTV 服务的公司。该公司正在构建光纤入户 (FTTP) 网络,该项目将率先在该公司已提供电话服务的 29 个州中开始实施。Verizon到 2005 年底其速率为 5 ~ 30 Mbps 的 FTTP 网络拥有超过 300 万用户。Verizon 的 FiOS TV 将成为有线电视和卫星电视领域的有力竞争者,该技术可通过宽带网络提供数百个频道、高清节目、视频点播以及交互式节目指南。该公司计划以每月仅 39.95 美元的价格提供 5 Mbit 下载和 2 Mbit 的上行接入服务。首批光纤部署将于佛罗里达州的坦帕、得克萨斯州的达拉斯和沃思堡,以及南加利福尼亚州进行。

SBC最近详细规划了其光速计划 (Project Lightspeed),这一耗资 40 亿美元的资本计划旨在三年内为 13 个州的 1800 万户家庭提供光纤入社区(FTTN,fiber-to-the neighborhood)服务和 FTTP 技术。在现有的社区(也称为再建设环境)中,SBC 计划采用 FTTN 架构,将光纤铺设到距每户家庭平均 3000 英尺之内的距离,然后使用先进的压缩技术以及 IP 交换机,通过 DSL 为家庭用户传输电视、因特网接入和语音服务。SBC 的 FTTN 网络将实现20 ~ 25 Mbps 的下行速度,足以同时满足多个标清及高清电视 (HDTV) 节目流以及因特网接入和 IP 语音服务的需求。SBC 将在新的住宅开发和多功能居住环境中采用 FTTP 架构。该公司预计到 2007 年底,采用 FTTN 技术的家庭将达到 1700万户,采用 FTTP 服务的近 100 万户。

选择合适的技术

由于几乎每户家庭都有电视,因此 IPTV 这一杀手级应用将使电信公司从宽带网络用户那里获得新的收益。不过,在获得这些收益之前,电信公司需要科学决策,选择适当的技术来支持 IPTV。电信公司可以采用 xDSL/ADSL 2+ 或 UDSL 向用户家中传输 IPTV三重业务内容。电信公司将这些内容提供给家庭网关或机顶盒,再经过它们将从 DSL 管道接收到的内容以有线或无线的方式(在视频传输时可采用两种方式的组合)馈送到特定的家庭网络设备。

随着宽带技术向大众化、多服务模式发展,机顶盒正发展成为功能更强大的多服务设备。在较高端领域,它们正发展成通过独立宽带连接器连接至众多家庭设备的家庭网关 (RG)。RG 的特点在于其具备动态路由、防火墙等特性,并能支持多种家庭网络技术。个人视频记录器 (PVR) 功能也开始出现在较高端的机顶盒中。随着这一趋势的不断加强,DVD-RW 功能以及向便携式媒体播放器 (PMP) 传输内容的能力等变得日益重要。机顶盒未来要考虑的另一重要因素是,应该能够支持上行和下行数据流,以便实现视频电话与安全性等应用。

在为家庭中所有电视实现 PVR 功能时,电信公司还应确定是采用分布式硬盘驱动架构,还是采用集中式硬盘驱动架构。如采用分布式方法,那么每台电视(或每台电视的机顶盒)都应配备硬盘。如采用集中式方法,那么 PVR 功能应分配给主 IP 机顶盒,并为家中所有电视提供服务。不管在家中如何实现 PVR 功能,都必须向每个家庭联网设备的网关提供 QoS、安全性/认证和内容保护等。

对高级编解码器的需求

为了实现 IPTV 的成功,还必须解决盗版、DRM 和最终用户体验等问题。不过,即便建成了高级 FTTN 和 FTTP 网络,最重要的问题仍是如何提供所需的带宽,以支持众多客户要求的丰富的 IPTV 频道内容。尽管电信公司的新型网络能够提供非常宽的数据通道,但HDTV 和 SDTV 很快就会完全占用带宽容量,如下图所示。

图 1:高级视频编解码器

如图 1 所示,当采用 MPEG-2 标准时,HDTV 内容要求 20 Mbps 的带宽,而 SDTV 内容则要求 4 Mbps 的带宽。如果有许多家庭希望获得3或4个信道的HDTV内容,显然电信公司需要找到一种更有效的方式来向其用户提供内容。幸运的是,H.264格式的MPEG-4 Part 10和VC-1先进编解码器已经在开发中,这些编解码器的带宽效率比传统MPEG-2编解码器提升2.5倍到3倍。例如,对于以 MPEG-2 格式传输 HDTV 内容需要 20Mbps 的带宽,使用先进编解码器则只需8Mbps 的带宽。对于需要 3.5Mbps 到 5Mbps 带宽的 SDTV 内容,使用先进编解码器则只需使用 1.5Mbps 到2Mbps 的带宽即可。

在 IPTV 的三重业务整合网络上,影响终端用户带宽需求的其它因素是信道数量和终端用户与 DSL 多路复用器 (DSLAM) 或 DSL 远程终端之间的距离。在很大程度上,网络的实施方式将决定哪种编解码器最能适合运营商的目标。减少带宽占用量的好处是能向更多家庭提供服务。如图 2 所示,不同情况下,带宽和距离的阈值不同。简言之,在 IPTV 网络中应优先考虑采用高级编解码器,因为这有助于以极低的成本扩展这些网络的覆盖范围。更广泛的覆盖范围可以提高潜在用户的数量,从而带来新的收益。

图 2:UDSL 与 xDSL 的视频覆盖范围对比

H.264 与 VC-1 的对比

我们不妨深入讨论一下这两种新的编解码器。H.264 是国际电信联盟 (ITU) 电信标准局与国际标准组织 (ISO) 联合制定的一种视频编码标准。同较早期的 MPEG-2 相比,该标准大幅降低了比特率。H.264是在早期视频编码标准的运动补偿转换编码范例基础上创建的。该技术不受早期标准所用构建模块的制约,整个技术的设计无需后向兼容性。为了提高压缩效率,H.264使用的主要编码工具包括:改进的空间交互预测、增强型临时预测(通过四分之一采样运动补偿、可变模块大小运动补偿、多假设运动补偿和加权预测工具等实现)、基于环境的高效熵编码(通过可变长度编码或二进制代数编码工具实现)以及环内内容和编码模式自适应解块滤波等。实验显示,在相同的图像质量情况下,同 MPEG-4 高级简化类编码相比,H.264 可将比特速率降低 35% 到 50%,同 MPEG-2 相比,降低了 40% 到 65%;另外,同 MPEG-4 简化类相比,H.264 基本规范可在宽广的比特速率范围内将峰值信噪比降低达 50% 以上。

VC-1 编解码器是 Windows Media 9 的一个编解码器版本,Microsoft 已将该标准提交给电影电视工程师协会 (SMPTE),希望获准成为 SMPTE 标准。虽然所提出的 SMPTE VC-1标准建立在 Windows Media 9 的基础之上,但二者之间存在着巨大的差异。Windows Media 包括许多 VC-1 不包含的东西,如数字权限管理、元数据、播放列表和用户接口等,而 VC-1 则是纯粹的视频压缩算法。除了 VC-1 的传输技术文档以及说明其是否符合有关标准的文档之外,SMPTE 还需开发出参照软件解码器和参照比特流,以确保不同VC-1 实施方案之间实现互操作性。

VC-1 与 H.264 目前正在进行一场格式战。看起来 MPEG-4 Part 10 标准已经获得了较大的领先优势,因为该标准在 2004 年已得到 ISO 的正式支持,而 VC-1 仅仅是最近才在SMPTE 到达委员会讨论最终草案的阶段。然而,VC-1具备迅速缩小差距的潜力,因为 VC-1 是在 WM9 压缩系统的基础上建立的,与 MPEG-4 存在众多解释分歧的情况相比,该规范的分歧空间较小。对VC-1有利的另一重要因素在于,包括SBC在内的许多电信公司都已宣布支持Microsoft的IPTV平台。尽管H.264可部署于Microsoft的IPTV平台之上,但电信公司肯定会更倾向于采用Microsoft的IPTV技术来实现全面集成的Microsoft解决方案。此外,确保VC-1互操作性的过程也有可能会比较简单,因为 Microsoft 是标准的最终裁定方,而 H.264 标准的解释则取决于众多供应商。

各大电信公司尚未确定技术选择

各大电信公司尚未决定支持哪种编解码器,他们很可能直接进入实现阶段而不首先明确表态。由于下一代压缩技术的选择仍然悬而未决,因此必须高度重视互操作性问题,特别对机顶盒供应商而言更是如此。在各方最终确定一种格式标准之前,机顶盒供应商应支持多种标准,特别是要支持 MPEG-2、H.264 以及 VC-1。值得指出的是,由于 IPTV 是一种封闭型系统,只要确保参与项目的有限数量的供应商之间实现了互操作性,就能解决问题,因此对互操作性关切的解决相对得以简化。除了能够支持多种编解码器之外,为了支持DVD-RW和

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