智能电视系统之IPTV电视系统方案

智能电视系统之

IPTV

电

视

系

统

方

案

目录

市场现状 (3)

IPTV含义 (3)

IPTV实现方式 (3)

系统层次结构 (3)

组网方式 (5)

CDN模式 (5)

点对点模式 (6)

逻辑构成 (7)

内容网络部署 (8)

视频编码 (10)

IPTV业务对承载网的要求 (12)

带宽要求 (12)

QOS要求 (14)

可靠性要求 (15)

组播要求 (15)

市场现状

IPTV的概念近几年在国内迅速为大众所熟知，在很多经济发达地区的概念和产品也越来越多地被消费者所接受。特别是近几年宽带用户、手机业务用户正处于高速增长，给奠定了一定的市场基础。而且随着业务的逐步完善，消费市场必将迅速增长。

IPTV含义

IPTV是利用方式传输电视节目，也称为网络电视。和必然成为两个密不可分的关键因素，不同的行业对的含义存在着不同的理解。对于与的关系，广电行业将其理解为的模式，业务和业务是独立及并行的。而电信行业将其理解为，即业务承载于之上。与传统电视最大的区别就是能够进行个性化与实时性的交互操作，而实现方式十分灵活，不仅能够应用于电视终端，电脑、手机等能够接入互联网平台的终端均可实现。

IPTV实现方式

简单的说就是将音视频信号通过数据包的方式，在不同物理网络中传输或分发到用户端。

系统组成主要有：节目提供系统、内界管理系统、流媒体传送系统、接入系统、终端、运营支撑系统。

系统层次结构

IPTV平台在总体结构上分为四层：运营支撑层、业务层、网络承载层和终端层。IPTV平台总体结构示意图如图：

支撑层

为IPTV平台提供运营支撑，是IPTV平台的运营支撑系统。运营支撑层包括：用户管理、SP管理、认证授权、帐务管理、系统设备管理和数字版权管理等模块。

可以实现统一平台管理用户终端（STB）、统一的EPG/Portal、统一平台整

合多种业务和统一平台实现业务计费

●业务层

业务层为IPTV平台提供业务应用服务。IPTV系统可以提供基本业务，如VOD 点播、直播节目等，也可以提供各种扩展业务，如可视电话、网络游戏和网络邮件等。不同的业务有不同的业务管理逻辑，业务层为这些业务的开展提供了相关支持环境。对于基于流的相关业务，需要提供节目编码处理、节目加密、媒体存储和分发等相关的支持。

●网络承载层

网络承载层包括宽带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。网络承载层也可以分为接入网，汇聚网和核心网三部分。IPTV业务对于承载网络的要求主要有：带宽方面的要求；对于可视电话、游戏等双向交互式业务，要求网络的抖动和延时要小；对于经过压缩编码后的视频码流，其比特的前后相关性较高，因此需要网络的丢包率要低；对于直播节目，因为接收的用户会比较多，这就要求承载网络最好能支持组播。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地址规划方案等。网络的安全性可以通过防火墙、VLAN、路由器的ACL 和VPN等方式实现。

●终端层

IPTV用户使用机顶盒，企业网宽带接入方式接入，在电视机上实现IPTV业务。终端包括多种形式，如STB和PC机等。

组网方式

CDN模式

电视用户对直播视频的流畅性、实时性要求很高，系统首先需要解决的就是播放的流畅性及实时性，这都对互联网传输通道提出了一定要求。在目前相对复杂的互联网环境下，通过互联网传输路由复杂是重要的制约因素。为了克服这种由于广域网内路由造成的影响，我们可以通过布放边缘服务器来满足终端用户的点播需求，而边缘服务器的播放内容由中心服务器进行分发。从而实现了中心服务器到边缘服务器再到终端用户的这样一种网络体系，称为内容分发网络。

将内容从中心分散到用户近端是的核心思想，使用户所需内容最大化的靠近

用户，避开了复杂的路由，最大化提高了用户对内容的访问速度，同时降低了中心服务和整个传输网络的压力。这种分布式的网络结构效率要远远高于原来的单一中心结构网络。也正是由于这种分布式结构网络的高效率，从技术上克服了网络带宽、用户大量访问流量、网点布局等诸多问题，在响应速度上有了巨大提升，满足了客户需求。CDN网络的几个重点要素为：内容缓存设备、内容交换机、内容路由器、内容管理服务器。

●内容缓存设备：

作为内容分发网络的业务提供点，内容缓存设备的作用是缓存静态的CDN 内容、流媒体内容等音视频服务，实现内容由中心到边缘的缓存。内容缓存设备承载着播放内容在存储，其布放直接影响到整个网络布局及用户使用效果。

●内容交换机

内容交换机的主要作用是对内容进行缓存，达到负载平衡及相应的访问控制。在网络结构中位于用户接入接种点。内容交换机属于可选部件，同时能够对多个内容缓存设备的负载进行均衡，虽然不属于必选部件，但对于比较集屮或规模较大的用户接入点，内容交换机仍属于不可缺少的设备，可以极大提高站点的效率。

●内容路由器

负载均衡系统是内容路由器的实现方式，将用户请求调整到相应的设备，达到动态均衡各个缓存站点的压力。该系统属于的核心系统，其准确性和效率能够左右整个内容分发网络的效率。

●内容管理系统

内容管理系统是系统的可选部件，所谓内容管理系统就是对整个系统发布内容进行管理，包括内容的注入、审核、发布、后期维护、服务等，同时实现对整个设备状态进行监控，也包括对内容的监控。当前的大部分是服务于流媒体系统而建设的，主要应用于电脑端客户，只是满足了部分用户的需求，单纯的依靠仍不能满足业务的整体发展，因为这种网络虽然解决了单一发布式网络结构的瓶颈，但在整体网络规划和实施上仍存在一定难度，项目投资较大，特别是对局部传输网络要求仍然较高。

点对点模式

所谓点对点“对等”技术的概念我们并不陌生，依赖网络中参与者的计算能

力和带宽，而不是把依赖都聚集在较少的几台服务器上。而应用在中，应用是在不同用户之间，直接对数据进行交换而不必通过中继设备。在网络中每个节点的低位都是相同的，同时具备了客户端和服务器的作用，这种对等网络与传统的客户端服务器模式有很大区别。随着点对点技术的不断发展，互联网上内容存储位置转变为边缘存储。点对点技术本身也发展到了混合式阶段，将原有的集中式与分布式进行了有效的结合，在原有分布式的基础上将节点按能力进行了分类，部分阶段担任特殊的任务，基本上可分为三种类型的节点：用户节点、搜索节点、索引节点。同个节点也能够同时完成以上多项任务，综合来看混合式点对点网络在处理能力上有所提高。

逻辑构成

网络电视整个系统逻辑上由四层组成：

●内容汇聚层

主要功能：实现对媒资的统一管理，包括素材、节目、历史积累、己购第三方内容等等；内容形式多样，格式多样，可以根据运营需要提供指定格式的节目流；

主要支撑产品：统一媒资生产管理系统以及内部媒资使用结算系统；

●运营管理层

主要功能：提供网络电视台的运营管理平台，可以分层部署、分布使用；

也可以集中部署、分布使用；主要功能包括：播控功能、功能、用户管理、业务管理、认证管理、计费功能、网管、安全管理等等；

主要支撑产品：集成播控平台、增值业务平台、运营支撑平台、广告运营平台、网络管理平台等；

●内容分发层

主要功能：提供互联网视频分发功能，主要为视频加速；采用应用层组播技术和技术，既保证了业务加速的透明性，又降低了对互联网接入带宽的要求；

主要支撑产品：、节点；

●终端层

主要产品：网络电视、网络机顶盒、等；

内容网络部署

IPTV内容平台采用三层媒体基站+多CP的分布部署结构，内容服务区域设备完成业务运营支撑管理、节目的引入和管理并通过多层分布的媒体基站向用户提供服务；CP可以部署在骨干网络可达的任意区域，通过网络向中心媒体基站提供各种节目片源，内容服务平台为CP提供开放的接口，这些接口负责完成节目的引入和外部管理。从构成关系上来说，内容服务平台是运营商为各类CP提供节目交易的“服务平台”。通过此服务平台，内容供应商可以控制节目在内容服务平台中的生命周期（节目的供应、删除和其他相关管理），并最终为IPTV 用户服务。根据不同的功能定位，媒体基站被相应地被划分为三个独立的职能部署层：中心媒体基站层、归属区媒体基站层和边缘媒体基站层。

中心媒体基站层：部署在中心节点上，包括了媒体处理系统、运营支撑系统和媒体基站，主要负责提供了节目的编码、引入、存储和向下级节点分发等涉及媒体内容管理的功能以及运营相关的用户管理、计扣费帐务管理和设备网络管理等功能。

归属区媒体基站层：通过设立归属区媒体基站层，可以让系统具备大规模部署的能力。归属区媒体基站层与宽带网络组网中的汇聚层类似，实现了区域内用户的汇聚，为区域内的用户提供认证并为区域内的边缘媒体基站提供节目分发服务。归属区媒体基站层设备的部署需要考虑区域内服务的用户群数量。

边缘媒体基站层：边缘媒体基站层设备为终端用户提供服务，需要占用大量的带宽，所以EMS层一般部署在靠近终端用户的接入网设备附近。这种部署下，用户服务需要的带宽被快速终结在用户接入区域，而不会占用骨干网带宽。

从部署的范围来看，内容服务平台的设备可以完成在省级范围内或地市范围内部署，形成如图的服务网络。每个独立部署的IPTV服务平台，通过内容管理的外部接口可以接收多CP提供的节目源内容，每个独立的CP也可以向多个IPTV 服务平台提供节目源内容。

对于媒体基站的部署，有两种模式，即集中式部署和分布式部署，

集中式部署采用集中的中心服务器CS，投资少，管理简单，容易部署，但是由于在集中式部署中，所有用户的VOD访问都要透过IP承载网，因此对于网络的带宽占用较大，尤其是当用户数增多时，占用的带宽呈线性增长，因此带宽浪费严重，同时对于中心服务器的压力也大；另外，由于所有的VOD访问都要经过骨干层，因此QOS存在问题，这种组网适合于IPTV开展初期，用户数少的情况，作为IPTV业务的试验。

分布式部署除了在IP承载网核心部署中心服务器CS外，在网络边缘部署一定数量的边缘服务器ES，作为内容Cache，将经常点播的内容缓存到ES上，实际上在IP承载网上叠加了内容网络，可以实现服务器的负载均衡。通过分布式部署ES，可以缓解中心服务器的压力，大大节省承载网的带宽，也可以提供较好的QOS保证，因此分布式部署的方式适合大规模IPTV业务的开展。在实际中，可以根据业务和用户的发展情况，逐步部署ES，实现按需发展。

集中式和分布式部署的比较如下：

部署ES后，VOD的业务流程如下

视频编码

宽带流媒体的内容可能采用多种Codec编码方式，各种方式的质量和带宽要求都不相同。常见的压缩方法视频压缩国际标准主要有由ITU-T制定的H.261、H.262、H.263、H.264和由MPEG制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4，其中H.262/MPEG-2和H.264/MPEG-4 AVC由ITU-T与MPEG联合制定；还有Microsoft 的WMV压缩算法，RealNetworks公司的压缩算法，IP TV由于要求达到接近DVD 的效果，因此一般采用MPEG2、MPEG4、WMA、RealVideo、H264等压缩算法，各种编解码方式所需带宽和主要应用方式总结如下：

目前国外开通的IPTV业务中，BTV主要采用MPEG2编码，速率1.5~6Mbps，VOD主要采用MPEG4，速率512K~1.5Mbps。几种典型的编码说明如下：?MPEG2

与DVD编码制式一致，具有丰富的节目源，在数字电视行业得到大量应用，大量解码芯片支持， STB成本低，互联网上内容较少；

技术成熟，频道切换时间快，体验效果好

带宽高，一般需要3～4.5M，存储空间大，处理器资源要求最低

?MPEG4 PART2

带宽较高，需要2.5M左右才可以达到近似DVD效果，处理器资源要求中等

存在多个标准分支，需要考虑相互兼容的问题；

很可能最后过渡到H.264（MPEG4 PART10）

?MPEG4 PART10（H.264）

相同带宽下图像质量最好，但处理器资源要求最高（2倍于MPEG4）

标准的产业化需要一定的时间，预计在2005年下旬开始商用

产业链不够成熟，缺少芯片支持，STB成本较高。

?WMV9

与PC用户兼容性好，微软的技术支持能力强，大量网上内容；

带宽要求与H.264稍高，比MPEG4低，处理器资源要求高

高编码效率，在1M左右的码流即可达到近似于DVD的效果

私有标准，目前正在寻求成为国际公开标准VC1、VC9。

目前国内一般采用WMV或MPEG4，后续随着H.264的标准化，后续发展的趋势是采用H.264标准进行编码。华为的STB设备可以通过软件升级支持该标准。

IPTV采用哪种编码方式与承载网设备没有关系，只是与承载网带宽需求有关，一般常用的MPEG4视频流数据1M左右（具体的数据带宽需求与视频节目以及压缩的比例相关），加上20-30%的协议开销，共需1.3M带宽，另外加上信令控制信道，保守估计每用户需1.5M带宽，考虑到IP网的波动性较大，为保证IPTV业务的质量，建议为每IPTV用户规划2M以上的带宽，因此后续考虑的用户带宽一般按照2M计算。

IPTV业务对承载网的要求

IPTV是承载于 IP 网络的一种电信级业务，按各功能操作特点，可以分成四类业务：流媒体类、通信类、游戏类和信息服务类。流媒体类包括音视频点播和音视频直播。通信类业务包括视频通信和短信。游戏类业务包括单机游戏和联网游戏。信息服务类业务是通过 STB 对信息进行浏览，提供WEB 和视音频等多种方式。

流媒体类业务对带宽需求较高，通信类业务对实时性要求很高。因此，IPTV 业务与通常的 Internet数据业务有很大不同。在带宽、QOS、可靠性、安全性等方面对承载网有很高的技术要求。

带宽要求

IPTV 中的流媒体业务所需的带宽要求较高，每个用户的媒体流从节目源头到用户 STB 之间的整个链路上通常需要占用 1～2Mbps的带宽。而且对媒体流从节目源到用户终端STB之间的端到端的时延、抖动、误码率有较高的要求。同时，IPTV 的业务特性决定了用户访问业务时会长时间在线，用户将长时间占用网络带宽。因此，IPTV 业务对承载网在带宽、QOS 上提出了很高的技术要求。

为了减轻IPTV 业务对骨干网的带宽压力，需要通过内容分发网络（CDN）将节目推送到尽量靠近用户的CDN边缘节点，边缘节点通常选择在城域网边缘的BRAS/路由器节点上，直接从边缘获取节目内容。

BTV业务要求整个网络支持组播，网络骨干层必须要支持PIM协议，域间支持MBGP和MSDP协议，汇聚层支持PIM协议和IGMP协议，接入层支持IGMP

Snooping/Proxy，为了便于 BTV 业务的可运营性，BTV的组播业务流需要以可控制的方式向用户复制。

VOD的流量模型是典型的Client/Server模型，并分为两级，第一级是从CS 到ES，第二级是从ES到用户终端。如果普通上网流量一样，它逐层收敛，对于网络带宽的要求从客户端算起，按每个用户只看1路VOD计算(很少有一个用户观看多个节目，并且目前的主流接入方式只能容纳一个节目)，然后每经过一层汇聚，乘以一个收敛比r，来计算上行带宽，直到到达与ES相连的设备。以用户数n，每一路VOD带宽为b计算，某一层设备上行带宽为：

B = ∏? * n * b

ES到CS之间的流量比较特殊，有两种类型，一种是PUSH，即CS主动地将内容推送给ES，如通过FTP。这种情况下一般没有特别的时间限制，频率较小，可以利用网络空闲的时间来进行，一般不会占用太多额外带宽。另外一种是PULL，即在用户访问时，发现ES没有所需内容，然后从CS实时的发送内容到ES或终端。对于这种情况，需要在CS/ES间部署额外的带宽。假设内容的命中率为t，则在CS/ES间预留带宽：

B = (1 –t) * ∏? * n * b

其中n是这个ES覆盖的全部用户数目。

BTV的流量与复制方式相关，如果按照组播的复制方式，每个设备都是面向端口复制，则每条链路上占用的带宽与用户数无关，而只同频道数，即组播组的数目有关。在骨干/城域网中，由于并发用户数远大于频道数，每个频道总是有人在观看，因此，假设有m个频道，频道带宽为b，则组播经过的每个链路，需预留带宽：

B = m * b

目前传统电视的频道一般在50个左右，数字电视时频道一般在250个左右，在国外BTV相对于传统的电视和数字电视的优势就是丰富的频道数量并且大量的自制频道，根据我国实际情况初期按20个频道，每个频道带宽1.5Mbps计算，需要各个链路预留的组播带宽为 B =20 *1.5Mbps ＝ 30Mpps。

在接入网中，用户数较少，不一定所有的频道都有人观看，但一条链路上占用的带宽既不会超过所有频道要求的带宽，也不会超过所有并发用户要求的带宽

(如果一个用户观看多个频道，按多个用户计算，实际上这种情况很少，因为目前的主流接入方式只能容纳一个频道)，即

B = [min(m, ∏? * n ) * b

在两种情况下不采用组播的方式复制。

第一种方式是从CS到ES，由CS进行复制，然后通过单播发送给网络边缘设备。这种方式下，每一段CS到ES之间的路径，都要按照频道数来预留带宽。由于这些路径可能通过同一个物理链路，假设有l条这样的路径，则占用的链路带宽为：

B = l * m * b

按上述假设，则为1.5Mbps×20 ＝ 30Mbps

第二种方式是从城域网边缘(如BRAS)到用户，BRAS针对每个用户进行复制，而不是针对端口复制，然后通过单播发送给用户。这时候，每一条链路上占用的带宽与并发用户数有关，而同频道数无关，即：

B = ∏? * n * b

QOS要求

IPTV 中的流媒体业务有两种提供方式，一种是单播方式的视频点播（VOD 业务），另一种是组播方式的视频直播（BTV业务）。VOD视频点播是非交互式的流媒体应用，对实时性的要求不是很高，可以通过设置缓存来降低对时延的敏感度。BTV是单向式流媒体传送，但实时性要求比较高，对数据包时延的敏感度高。音视频通信和联网游戏业务对实时性和时延的要求也比较高。

BTV、NVOD业务本质上是一种点到多点的业务，采用传统的点对点链路来组网，传送效率较低，因此，应尽量采用广播型的传输介质，如RPR、Ethernet 等。在组网时，可适当采用环网。

针对IP TV业务端到端服务质量的要求，承载网需要在用户PC、STB和CS、ES 之间需要提供QOS 保证，根据国内外的研究成果，几种业务的端到端QOS经验值要求如下：

承载网总体负责业务的落地和用户业务的接入控制，其中核心层业务的高效转发和QOS保证，汇聚层负责用户业务的接入，安全控制，业务识别、分流并针对不同的业务提供不同的QOS保证；接入层提供丰富的接入方式，并提供一定的QOS保证和安全控制机制。

IP TV、NGN、MPLS VPN业务的开展要求IP网络不但要承载数据业务，还需要承载语音、视频业务，并针对不同的业务提供相应的QOS保障能力，同时要实现不同业务的安全隔离，保证业务的安全，并且实现业务的管理和运营。即要具备多业务承载能力，端到端的QOS保证能力，业务安全保证能力，并且可运营、可管理，因此需要建立IP精品网来满足电信业务对承载网的要求。

可靠性要求

为了保证用户连续、不中断的收看视频节目，需要保证网络传送的可靠性，在故障的情况下，应在<1s的时间内进行恢复，对可视电话来说，故障恢复时间应<50ms。在BTV业务中，为了获得与传统电视一样的用户体验，在节目切换时，获得新的节目的时间应<1s。

另外，对于IPTV承载网中，组播源和运行组播协议中的关键设备－RP，需要保证高可靠性，当一个节点出现故障时，应该能够迅速切换到备份节点，以保证业务的可靠性。

组播要求

IP TV业务除了开展VOD业务之外， BTV、NVOD业务则采用组播方式实现，要求整个网络支持组播，网络骨干层必须要支持PIM-SM协议，对于全省范围内开展还需要支持跨域组播协议，骨干层必须要支持MP-BGP、MSDP协议；为了保证组播源的安全，对于负责组播源接入的设备还应当支持Anycast 协议，实现组播源的冗余备份功能。汇聚层支持IGMP协议，支持IGMP Snooping/Proxy，实现可控组播。

综上所述，IPTV 业务是承载于 IP 网络的一种增值业务，不同于 Internet 数据业务，需要具备高QOS 、高可靠性、高安全性。作为 IPTV 承载网应该首

先保证 IPTV 业务的可用性和可运营性，即保证通过鉴权的用户可以随时随地获取业务。其次要保证业务响应时间在用户可忍受范围之内，使用户不会因连接建立时间过长而放弃业务。再次要保证业务的直观效果，尤其是音视频业务的清晰度和流畅度。这些要求反映到承载网层面，即为对网络及设备在带宽、网络时延、时延抖动、丢包、对用户业务请求响应速度、可靠性、防攻击的安全性等方面的技术要求。足够的带宽是提供良好服务质量的基本前提，时延、时延抖动、丢包三个网络参数是最基本的网络层面的 QOS 指标。对用户业务请求的响应速度是网络设备对用户业务请求的处理能力。另外，网络还要提供有效的可靠性和安全抗攻击能力，在出现链路、节点故障或者出现网络攻击时，用户的业务不中断。