ＩＰＴＶ主要技術的發展趨勢

摘要：快速發展的IPTV業務成為中國信息領域的一個焦點，但經過長時間在中國多個城市的試驗后其業務模型依然沒有完全成熟，因此如何選擇合適技術的問題成為一個短時期難以回答的問題。由于目前中國已經開展試驗的IPTV業務主要是對本地的小批量用戶播放電視和錄像節目，采用的技術只能作為一種嘗試而很難成為今后IPTV技術發展的范例，因此有必要從最終構建全國性的能滿足商用運營需求的IPTV業務網絡的角度出發，在全國性IPTV網絡架構的設計、承載網的改造、視頻編碼的選擇、終端的結構、內容分發網絡的構建、開放DRM平臺的建立和媒體資產管理系統的建設等幾個主要方面開展研究。

關鍵詞：IPTV業務；網絡架構；數字版權管理；流媒體；發展趨勢

Abstract: Fast growing IPTV services have become a major concern in the information industry of China. Unfortunately， the IPTV service model has not been perfected yet after long-time trial made in a couple of Chinese cities. The question of how to select optimum technologies for IPTV is difficult to be solved in a short term. So far most trial IPTV services in China are targeted to provide a small number of local viewers with television and recorded programs. Accordingly， the technology used for the available IPTV services can hardly become a paradigm for future IPTV technology development. Therefore， with a ultimate goal of constructing a countrywide IPTV service network that can meet requirements of commercial operations， it is necessary to conduct research into design of countrywide IPTV network architecture， improvement of the bearing network， selection of video encoding technology， terminal structure， building of the content distribution network， establishment of the open Digital Rights Management (DRM) platform， and construction of media asset management system.

Key words: IPTV service; network architecture; DRM; stream media; development trends

IPTV業務與傳統的視頻通信業務和廣播電視業務都有區別，它代表了基于IP網絡的新型傳播視頻業務的發展方向，因此在技術選擇上也會遇到很多新的問題。由于目前中國已經開展試驗的IPTV業務主要是對本地的小批量用戶播放電視和錄像節目，大量采用了傳統視頻點播的成熟技術，難以支持業務長期開展的需要。要最終構建全國性的能滿足商用運營需求的IPTV業務網絡就必須對IPTV技術開展循序漸進的研究。下面本文逐一對這些影響到IPTV業務未來的關鍵技術進行探討。

1 IPTV整體網絡架構

IPTV系統目前的網絡架構采用單層平面架構，各個試驗地區單獨構建一套獨立的IPTV系統，包括業務層的內容分發網絡(CDN)、運營支撐系統、終端系統，網絡層的承載網設備和接入網設備，以及由內容服務商控制的內容管理和編輯、數字版權保護等內容層設備。這種組網模式是由于政策和市場等多方面因素造成的，其最大的問題就是難以形成一個資源共享、統一管理、聯合認證的全國性系統，而且各個地區的系統和設備只能采用一個廠家的產品，不同廠家的產品彼此間無法實現互通和替換。這種架構只能滿足短期的業務需求，如果將IPTV業務范圍擴展到全國，并且業務內容從現有的電視廣播和視頻點播擴展到其他領域，那么其建設和運營成本將會十分高昂。

目前IPTV行業標準的制訂和其他工作中都將網絡架構的設計作為重點，雖然還沒有最終方案提出，但已經有了很多好的思路：

(1)整體系統必須是一個分為全國和本地兩級的網絡，這是開展全國性商業運營必須滿足的要求。目前IPTV試驗系統連接的內容源僅有上海文廣一家，隨著業務面的擴展，會有各個地方電視臺和其他類型的內容服務商接入該系統。這些內容的接入和存儲從降低成本的角度講應該是在本地完成，但是從增大用戶可使用服務內容的角度出發，這些資源應該在全國網絡上進行統一調度和管理。在實際設計網絡架構時必須通盤考慮到兩個不同網絡層次的要求，比如，運營支撐、內容平臺與業務平臺的接口以及媒體資產管理的前端部分會根據業務開展情況分布在全國業務平臺和本地業務平臺上，而資源調度管理系統、結算系統則只能布置在全國業務平臺上。

(2)內容平臺和業務平臺之間的接口設計要同時考慮兩個方面：首先這個接口要實現標準化，對中國多家有影響力的內容服務提供商的內容提供格式都應兼容，并且不會阻礙其他的內容源接入；其次，接口要劃分為本地接口和全國接口兩個部分，以針對不同位置的內容源，和這個接口相互配合工作的數字版權保護系統、媒體資產管理系統和運營支撐系統也要相應地劃分為全國和本地兩個部分。

(3)數字版權保護系統、媒體資產管理系統、存儲系統和運營支撐系統等功能模塊進行分割時要考慮子系統中功能的相對完整和上下級系統間的連接和標準化，目前的試驗系統中這些分系統均捆綁為一個整體，進行功能模塊細分時必須統籌考慮；對于和用戶日常使用密切相關的終端管理、業務和節目選擇、計費等功能要盡可能地放在本地進行，而和整網運營有關的資源存儲、資源調度目錄、資費結算等功能應更多地放在全國中心。

(4)未來很重要的工作就是要構建完整和開放的媒體資產管理系統，因為目前IPTV系統僅僅提出了電子節目菜單(EPG)的概念，其能夠完成的功能遠遠不能滿足未來業務開展的需要。IPTV開展商業運營時，內容的分類、管理和展示會涉及全國范圍內的多個平臺，這些分布在各處的內容很難用電子節目菜單這樣僅能識別簡單的標簽和關鍵字的單級目錄來涵蓋，需要建立一個帶有智能搜索功能的信息管理系統，這個系統還會逐步支持按圖片、語音或其他信息進行模糊搜索，同時，媒體資產管理系統將和存儲管理系統成為一個動態連接的整體，媒體資產管理系統可以直接影響到內容存儲的分布結果，而不再是像EPG一樣僅僅是簡單的查找和調用。

上述這些思路在IPTV網絡整體架構設計中必須體現，由于目前符合要求的系統還不存在，因此完善IPTV的網絡架構將是一個循序漸近的過程，需要逐步地演進發展。目前在設計網絡架構時，必須考慮到這種演進的趨勢，在滿足現有業務開展需要的情況下，給未來的發展留下空間。

2 媒體交付網

在IPTV網絡中，將內容根據需要傳遞到單一或一批用戶群的工作由媒體交付系統完成。目前商用試驗中多采用內容分發網(CDN)技術來完成此項工作，實現對多媒體內容的存儲、調度、轉發、播放等功能。媒體交付系統可以降低服務器和帶寬資源的過多消耗并提高服務質量。但現有的CDN網絡是從基于PC機的流媒體業務發展而來，在大用戶同時選擇同一內容時，存在服務效率低、重定向機制復雜等問題。媒體交付系統更適宜視頻點播服務的開展，對直播電視、時移電視以及各種增殖業務支持能力相對有限。雖然現在也提出了一些改善機制，但CDN先天性的架構缺陷還是難以滿足IPTV業務的節目性要求，無法承載IPTV的全部功能并會引入流量“瓶頸”。

為解決CDN存在的問題，近期已經開展將現有的CDN架構改造為P2P形式的媒體交付網絡的研究。建立P2P機制的媒體交付網絡需要在業務會聚、內容分發和流媒體播放3個方面進行系統改造。首先在內容提供時可以將內容提供商作為整個P2P網絡的一個節點來向整個業務平臺提供節目內容，所提供的內容可以有選擇地會聚到位于P2P網絡內的中心業務節點以便進行相關的內容處理；其次，可采用基于P2P的內容分發機制將音、視頻節目內容的切片由中心業務節點分發到靠近用戶的邊緣業務節點內，以降低核心網的傳送壓力，而且對于不同的節目內容往往會采用不同的內容分發策略；第三，通過靠近用戶的邊緣業務節點向用戶提供流媒體服務的過程也可以采用基于P2P的流媒體播放方式，此時邊緣業務節點由許多處于對等地位的流媒體服務器組成，用戶使用服務時可以通過多個流媒體服務器同時工作，實現不同流媒體服務器的負載均衡增長，降低系統擁塞的風險。

目前已經開展了采用P2P機制的混合式媒體交付體系結構的標準化研究工作，由于中國目前還沒有能大規模商用的案例，要發展和完善基于P2P機制的媒體交付系統還需要一段時間。作為臨時性的解決辦法，目前的IPTV業務依然可以沿用現有的CDN系統，并在業務達到一定規模時采取由上而下的方式逐步完成整個媒體交付網絡的升級。

3 數字版權管理

在IPTV業務的產業鏈中，數字版權管理(DRM)技術是保證內容提供商利益的關鍵所在。DRM技術主要包括數字識別技術、安全和加密技術以及電子交易技術。IPTV和數字電視業務在數字視頻的版權保護方面存在著明顯的不同，其版權保護技術的基本原理要遵循雙向特點來實現。

業務運營商實現DRM目前可以選擇不同方案，如運營商自建全套DRM系統，運營商與內容提供商合建DRM系統，業務運營商不建DRM系統。3種方案各有利弊，而且同一運營商在不同地區開展業務時由于用戶發展狀況不同，對建設DRM系統的要求也會有所不同。由于IPTV本身是一個內容傳播平臺，與DRM的實現方式無關，理想的方式是建立一個開放式的DRM平臺。

在業務開展初期，業務運營商需要使用內容提供商指定的DRM方案，此時IPTV系統必須方便地集成多個內容提供商的DRM系統，系統的開放性可以滿足內容提供商對DRM系統的不同需求。運營商自建全套DRM系統可以為大量非主流內容提供商提供相應的保護機制，擴大運營商的內容服務范圍，是運營商必須要考慮的工作。在這個過程中，IPTV業務平臺DRM系統要面對不同來源的內容，必須考慮標準化的需求。

在IPTV DRM所遵循的標準選擇上，由于目前還沒有適合運營商采用的完整的DRM解決方案，而開放移動聯盟(OMA)的標準化方案存在高額的專利費，所以建立開放的標準化DRM系統不是短時間內能實現的問題，需要投入專門的力量加以解決。多種DRM方案并存的局面預計還會在相當長的時間內存在。

4 視頻編碼

開展IPTV業務需要消耗大量的網絡帶寬資源，采用合適的視頻編碼技術是實現IPTV業務的關鍵。

目前國際標準化組織(ISO)和國際電信聯盟(ITU)相繼推出了一系列視頻壓縮編碼的國際標準，標準包括H.261、H.262、H.263、H.264以及MPEG1、MPEG2、MPEG4等。目前IPTV系統中使用較多的標準主要是H.264和MPEG4。此外國外一些有實力的公司也提出了自己的視頻編碼標準，如ASF、nAVI、AVI、DIVx、QuickTime、Real Audio、Real Video及Real Flash等。音視頻編解碼技術標準(AVS)是中國自行開發、具有自主知識產權的新一代編碼方式，目前正在進行AVS的標準制訂工作。AVS是以取代MPEG2規格為目標的高效編碼方式之一，編碼效率相當于H.264和Windows Media 9(VC-1)的水平^[1]。

考慮IPTV業務采用的視頻編碼要從編碼壓縮率、業務的需求程度、互通性和使用成本幾個方面來統一衡量，其中使用成本是最為關鍵的因素。IPTV目前通常采用的H.264和MPEG4視頻編碼都面臨著不同程度的專利費問題。由于這些視頻編碼標準組織采用了同時向設備制造商和運營商收費的政策，大大增加了整個產業的總體經營成本。中國的AVS許可政策相對優惠。

目前各地區建設的IPTV試驗系統對視頻編碼的選擇更多地側重于網絡和技術性能，但從長遠發展來看，盡快開展對AVS和其他視頻編碼技術水平的摸底工作，并最終實現全網向高效的統一視頻編碼的過渡是必然要考慮的問題。

5 存儲系統

數字視頻文件一般需要占用大量的存儲空間，因此必須建立高效、低成本的儲存和分發機制，一方面可以優化系統對數據網絡的帶寬占用，另一方面可以提高IPTV系統的安全穩定性和客戶端的快速響應速度。存儲系統大體上包括存儲設備、存儲網絡和管理3個部分，它們分別擔負著數據存儲、存儲容量和性能擴充、數據管理等任務。

IPTV的存儲設備可以選用磁盤冗余陣列、光盤和磁帶等。磁盤冗余陣列具有速度快、容量大、安全可靠等優點，一般作為流媒體應用的在線(On-line)存儲設備。與硬盤相比，光盤和磁帶在讀寫訪問速度方面存在明顯的差距，但是在單位容量價格和容量擴展性等方面有著明顯的優勢，因此通常作為系統的近線(Near-line)或離線(Off-line)存儲設備。在實際工作中，3種存儲設備將組合使用，以滿足不同場景的要求。

存儲網絡包括直接連接存儲(DAS)、網絡訪問存儲(NAS)和存儲區域網絡(SAN) 3種方式。采用DAS連接的方法，具有技術簡單、投資較小的優點，可以滿足IPTV內容的海量存儲要求，但安全性低，難以實現數據高效備份，維護管理困難，不是今后的發展方向；NAS方式可利用已搭建的局域網絡，擴展方便，實施簡單，但不能滿足大容量、實時性要求較高的數據存儲訪問，并會對網絡性能產生較大影響，也不宜作為IPTV存儲方案的首選；SAN是一個由存儲設備和系統部件構成的網絡，通過光網絡完成工作，其具有較高的數據讀取速度，增加了對存儲系統的冗余鏈接，提供了對高可用群集系統的支持，但輸出帶寬不能隨著用戶和業務規模的擴展而線性擴展，系統建設成本較為昂貴。從技術的角度講，SAN具有很大的優勢，但在成本大幅下降以前，現有存儲系統的利用是IPTV業務開展中不可回避的一個問題。

IPTV系統對網絡資源的要求很高，大規模部署必須考慮分布的存儲方式，目前常用中心節點和多個邊緣節點形成多級存儲結構以降低成本。但是這種方式由于會給內容分發過程帶來時延增大和網絡負擔增加的問題，因此選取優化的存儲管理機制就成為IPTV中的重要課題。目前的IPTV系統對存儲內容的組織和管理有文件和切片兩種方式。文件方式以文件作為網絡的最小存儲單元，將視頻流按照文件的方式存儲在磁盤上，對實時業務的反映能力較差；切片方式可以很好地解決文件存儲方式無法很好滿足多媒體業務實時性的問題，能夠支持更加靈活的內容交換及路由策略，將大大提升網絡的負載均衡和快速響應能力，同時降低存儲網絡對帶寬和存儲空間的占用。切片方式在內容的分發、內容的交換、內容的集成和鏈接、系統性能和用戶體驗等方面有許多優勢，是IPTV業務中存儲技術的發展方向。

6 用戶接入認證

目前IPTV系統可以采用寬帶網絡的常用接入認證方式，如虛擬撥號認證、Web認證、動態主機控制協議(DHCP)認證、IEEE 802.1x認證等。

傳統的接入認證方式用于寬帶視頻業務時，存在“瓶頸”，如上行帶寬小，設備處理能力低，難以應付大流量高并發的環境，對組播的支持差等。而且對越來越多的基于機頂盒方式的IPTV業務，傳統的接入認證方式在認證時都存在用戶使用不方便的問題。

DHCP認證方式存在計費時間不準確、用戶空閑時間長、會自動下線等問題。但其優點是不存在二層網絡限制、可支持組播協議。IPTV業務不需要按時長精確進行計費，在業務提供時也不存在用戶空閑狀態，而且能夠實現對組播的支持，所以適合業務開展。目前在業務實施中可以通過采用獨立的IP地址池和有針對性的策略配置，實現IPTV業務與其他互聯網業務的隔離。

未來IPTV的業務開展要考慮多種接入認證方式結合的統一認證，需要進一步研究和論證。

7 媒體資產管理

在IPTV業務中需要處理的數據對象主要是視頻節目，它與傳統的文字、圖片等信息有著很大的不同。為此在IPTV業務中引進了媒體資產管理(MAM)的概念。媒體資產管理系統技術的可行性已被證實，但有些問題，如內容索引的格式規范問題，還需要解決。媒體資產管理技術涉及媒體數據存儲管理、內容搜索、編目數據管理、媒體資產應用與發布等多個內容。目前運營商已經在IPTV系統中采用的EPG技術就屬于媒體資產應用與發布的范疇。

EPG可以給用戶提供一個容易使用、界面友好、可以快速訪問節目的方式，用戶還可以通過EPG查看感興趣的信息。

由于IPTV業務的內容提供者日益增多，對內容進行分類也就日益復雜，通過EPG使用業務將變得非常困難，而且隨著業務開展的需要，一些業務的內容調度不會嚴格按照EPG習慣的索引菜單的方式進行，還要進行多方向的搜索和查詢，因此必須逐步考慮在未來的IPTV系統中引入完整的媒體資產管理系統的概念。

8 流媒體

流媒體技術是采用流式傳輸方式，在IP網上播放音視頻等多媒體信息的技術，與單純的信息下載方式相比，不僅啟動延時大幅度縮短，而且對系統的緩存容量需求也大大降低。數字視頻流在完成編碼壓縮以后，可通過不同的網絡傳輸協議實現數據的傳輸和控制，其中比較常用的有實時傳送協議(RTP)和實時流式媒體協議(RTSP)等。因特網流媒體聯盟(ISMA)發布的技術規范對數據的傳輸和控制方案做了規范。此外流傳輸協議(TS)也被用于規范此方面的內容。

ISMA和TS兩種流格式在市場上都有一定范圍的應用，各有優缺點。ISMA的方案適合IP網的特點，開銷小，但音、視頻要分開用兩個流傳輸，同步難度大；TS的方案是將音、視頻流復用在同一個流中，同步精度較高，并且可以在一個流中攜帶豐富的節目相關信息，但是開銷較大。從目前IPTV系統的應用情況看，ISMA和TS兩種流格式短時間內難以統一，但不會對系統的正常工作造成影響。可以通過支持兩種流格式的機頂盒或專門的ISMA-TS轉碼模塊來解決這一問題。

在IPTV系統中使用的流媒體服務器擔負著將預先編碼壓縮或實時編碼壓縮的視頻文件以流的方式推送到網絡中去的任務，要有很高的性能和可靠性要求。為達到此要求，就必須考慮提高單機可靠性或通過服務器集群設置來解決。依靠單臺服務器的性能改善來解決整體性能和服務可用性問題，存在著性能價格比方面的限制。服務器集群(Cluster)技術的出現有效地解決了這個問題。負載均衡的松散耦合集群系統是解決大規模流媒體服務的重要方向。

9 承載網

為了保證用戶能夠便捷地使用IPTV業務，就要求運營商能夠提供適宜的承載網絡。目前的IP承載網絡技術還存在許多不足。

IPTV業務需要一個大容量、高速率的接入系統，目前可用于IPTV業務接入承載的方式有不對稱數字用戶線(ADSL)、千兆比以太網無源光網絡(GEPON)、局域網(LAN)和寬帶無線接入等。中國主要采用ADSL技術，受線路質量及ADSL接入復用器(DSLAM)的影響，存在速率低、有效傳輸距離短、服務質量(QoS)無法保證、對組播功能支持有限等問題。雖然數字用戶線(DSL)技術在不斷發展，傳輸的帶寬有所提高，但是服務品質仍難以令人滿意。目前運營商也試圖采用ADSL2+的方式來解決這一問題，ADSL2+可以提供更高的接入帶寬和更遠的傳輸距離。GEPON正在受到越來越多的關注。GEPON采用全光網絡結構，可提供上、下行對稱的高帶寬，對每個IPTV用戶的帶寬可進行動態分配，同時在整個接入鏈路上支持全程的QoS保證，接入覆蓋范圍廣，可大大降低維護成本和線路的質量。GEPON系統可以很好地滿足IPTV系統業務開展的需要，但是前期的設備費用和光纖鋪設費用很高，影響了其推廣。目前運營商基本還是立足于對ADSL線路升級改造來提供相應的業務。

接入網目前采用千兆比無源光網絡(GPON)方式來支持IPTV等寬帶多媒體業務的成本比較高，但隨著用戶的增多和業務的不斷普及，在一定時期后將會是IPTV的接入方式的較好選擇。

IPTV業務的開展對城域網的傳輸質量也提出了新的要求，目前有兩種方案可供選擇：一是將原有IP城域網改建為一張真正的多業務承載網，實現全網組播業務的開通、全網QoS策略的保證、高可靠性、高帶寬支持與帶寬保證等，這適合于原城域網基礎較好的城市；另一方案是構建IPTV業務專用網絡，原城域網只承載原有互聯網業務，接入網流量在匯聚層被分離，這適合原城域網絡較復雜的城市。兩種方案的選擇可以根據各地的自身網絡狀況而定，但也可采用其他更為經濟的臨時性解決辦法。

組播技術是開展IPTV業務的關鍵技術，但目前遇到下面幾個問題：

●現有的互聯網組管理協議(IGMP)V1和V2版本，對于組播用戶的加入、離開組播組，對于組播源的建立都沒有相應的安全機制，很可能會對現有網絡造成沖擊和影響。

●現有網絡核心設備雖然支持多協議邊界網關協議(MBGP)和協議獨立型組播(PIM)等協議，但是并沒有經過實際業務檢驗，而在組播支持方面存在較大缺陷。

●現有城域網匯聚設備主要是寬帶接入遠程服務(BRAS)設備，在組播支持方面存在較大缺陷。

●接入網中的大量設備在支持組播組數目、復制效率(CPU占用率)等方面都不是很強，在組播大規模開展時候都可能存在性能問題。

組播在IPTV業務開展中是一個很關鍵的問題，不可能在短時間內得以解決。目前比較現實的就是針對業務實際需求給出臨時性解決辦法，在IPTV業務屬性和承載內容完全明確后再通盤考慮。

10 終端

IPTV業務的終端目前可分為個人電腦+軟件、機頂盒+電視兩種。前者實現較為簡單，投資小，但播放器軟件局限于廠商私有的文件格式，通用性差，而且不會使用電腦的人無法享受此項業務，因此利用個人電腦作為IPTV終端系統適合于低成本推廣IPTV業務的場合，不會成為發展的重點。但是基于P2P機制的播放器軟件依然是近期發展亮點。

基于機頂盒形式的IPTV終端兼顧了個人電腦和電視機的功能，而且可以直接利用家庭中已有的電視終端來擴張業務，因此成為目前發展的重點。IPTV機頂盒目前有3種實現方式：即基于專用芯片(ASIC)的機頂盒、基于數字信號處理器(DSP)的機頂盒、基于中央處理器(CPU)的機頂盒。采用ASIC方式的機頂盒解碼效率高，成本低，但擴展性不好，功能單一；采用DSP方式的機頂盒可編程，所以擴展性較好，并且可以增加功能，但開發成本較高，互通性較差；通用CPU結構的機頂盒開發簡單，功能易擴展，但是成本較高。目前階段由于視頻編碼、傳輸流格式和DRM等技術沒有完全確定，因此要求終端具有一定的靈活性和可擴展性，更適合采用DSP或通用CPU架構。在技術穩定后低成本的專用芯片的機頂盒會有更為廣闊的市場。

在終端設計上，越來越多地引入了中間件的概念。由于IPTV是一個逐漸豐富的業務系統，如果不能很好地解決后續業務功能添加的問題，就會增加IPTV業務的推廣成本，通過中間件可以很好地解決新功能的引入的問題。但中間件本身的概念和范圍還有爭議，需要一段時間的研究和實用驗證。

11 結束語

本文僅涉及到了IPTV系統中主要的技術方向，還有很多細節限于篇幅沒有一一論述，這些細節的完善對于IPTV系統的發展也是十分重要的。本文所探討的技術發展趨勢是基于目前業務開展的情況進行論述的。應該清醒地認識到，IPTV本身是一種全新的業務形式，其業務特性和發展方向還有許多有待進一步明確的地方，因此對技術發展趨勢的認識也要不斷調整和完善。

12 參考文獻

[1] 黃鐵軍， 高文， 莊. AVS與ISMA共建IPTV標準平臺[J]. 中興通訊技術， 2005，11(4):18-22.

收稿日期：2006-03-28

作者簡介

楊崑，信息產業部電信研究院通信標準研究所IP多媒體研究部/RTNet實驗室副主任，長期從事IP網絡業務與設備的研究，先后組織或參與了IP電話、會議電視、可視電話、IPTV、視頻點播、電子郵件等多項重要項目或行業標準的研究工作，組織或參加了多項中國行業或運營商大型測試試驗，目前正在承擔IPTV框架標準的起草工作。