IPTV的一個最吸引人的特性是克服了有線電纜方式必須向每個用戶提供可用信道的限制。這個限制意味著MSO將一直受制于其網絡帶寬的最大容量,因為每增加一個新用戶就會減少一個信道。IPTV解決了這個問題,它采用基于包的互聯網技術只對正在觀看的信道分流,從而節省網絡帶寬并可提供廣泛的可選新種類節目。這樣,IPTV就實現了按需觀看并可以把無限的信息陣列嵌入到視頻流中。IPTV也是推動實現泛在寬帶的殺手級應用,如果沒有IPTV,寬帶市場的普及將被限制在擁有PC的家庭中。另外,IPTV具有可支持多視頻信道(特別是在使用先進編解碼器時)的巨大優勢,在大量家庭都擁有多臺電視的美國,該技術尤具吸引力。

圖1:先進視頻編解碼器

SBC和Verizon推出IPTV

SBC通訊公司和Verizon公司是在美國占統治地位的兩家電信公司,現在都在大規模推出IPTV網絡。Verizon公司預計將成為四大電信公司中第一個推出IPTV服務的公司。該公司正在建立一個光纖入戶(FTTP)網絡,該工程將首先在該公司已提供電話服務的部分州開始實施。Verizon公司的5到30Mbps的FTTP網絡已在2005年底突破300萬用戶大關。Verizon公司的FiOS電視是另一種可以同有線和衛星電視相抗爭的方案,該方案可以通過寬帶網絡提供數百個頻道、高清節目、視頻點播和交互式節目指南。該公司打算推出5Mbps下載和2Mbps上載的服務,每月只需美元。

SBC公司最近詳細規劃了公司的光速工程,計劃在三年內耗資40億美元,把光纖到小區(FTTN)和FTTP技術部署到13個州的1800萬家庭。SBC公司打算在現有的小區中使用FTTN架構,該架構平均把光纖送到被服務家庭的3000英尺之內,然后使用先進的壓縮技術以及IP交換機,通過DSL為家庭用戶傳輸電視、互聯網接入和語音服務。SBC公司的FTTN網絡將提供20到25Mbps的下行流,足以同時滿足多個標清和高清電視節目流以及互聯網接入和IP語音等多重業務的需要。SBC將在新的住宅開發和多功能住宅中使用FTTP架構。該公司期望到2007年底使用FTTN技術的家庭達到1700萬,使用FTTP技術的接近100萬。

選擇合適技術

因為幾乎每個家庭都有電視,IPTV這一殺手級應用將使電信公司從其寬帶網絡用戶那里獲得新的收益。不過,在獲得這些收益之前,電信公司需要選定適當的技術來支持IPTV。電信公司可以使用xDSL/ADSL 2+或UDSL把IPTV的三重業務內容傳送到用戶家中。電信公司把這些內容送到家庭網關或機頂盒,再經過它們把從DSL管道接收到的內容以有線或無線的方式(在視頻傳輸時可采用兩種方式的組合)饋送到某個家庭網絡設備。

隨著寬帶市場向大規模多重服務的模式發展,機頂盒將進化成功能更強大的多重服務設備。在更高端,它們正在進化成通過獨立寬帶連接器連接到眾多家庭設備的住宅網關(RG)。RG包含動態路由、防火墻等功能并支持多種家庭聯網技術。個人錄像機(PVR)功能也開始出現在更高端的機頂盒中。隨著這個趨勢的增強,支持DVD-RW和傳送內容到便攜媒體播放器(PMP)的能力將變得更為重要。在未來的機頂盒中,另一個重要的考慮將是支持上行和下行數據流的能力,以便實現視頻電話和安防等應用。

電信公司需要確定是使用分布式還是中央式硬盤驅動器架構,用來把PVR功能提供給家庭中的所有電視。在分布式方法中,可以把硬盤驅動器放置在家里的每臺電視中(或每臺電視的機頂盒中)。使用中央式方法,可以在主IP機頂盒的硬盤驅動器中分配PVR功能,而該驅動器服務于住宅中的所有電視。但不管家庭中PVR是如何實現的,都必須向每個家庭聯網設備的網關提供QoS、安全/認證和內容保護。

需要先進的編解碼器

盜版、數字版權管理(DRM)和終端用戶體驗也是在IPTV獲得成功之前必須處理的關鍵問題。但即使使用先進的FTTN和FTTP網絡,最關鍵的問題仍將是提供足夠帶寬來支持大多數用戶要求的多重IPTV信道。雖然電信公司的新網絡提供了非常寬的帶寬,但HDTV和標清電視(SDTV)可以迅速占滿它。

如圖1所示,當采用MPEG-2格式時,HDTV內容要求20Mbps的帶寬,SDTV內容要求4Mbps的帶寬。如果有許多家庭希望獲得3或4個信道的HDTV內容,顯然電信公司需要找到一種更有效的方式來向其用戶提供內容。幸好,格式的MPEG-4 Part 10和VC-1先進編解碼器已經在開發中,這些編解碼器的帶寬效率比傳統MPEG-2編解碼器提升2.5倍到3倍。例如,對于以MPEG-2格式傳輸HDTV內容需要20Mbps的帶寬,使用先進編解碼器則只需8Mbps的帶寬。對于需要到5Mbps帶寬的SDTV內容,使用先進編解碼器則只需使用到2Mbps的帶寬。

圖2:UDSL與xDSL的視頻覆蓋范圍對比

在IPTV的三重業務網絡上,影響終端用戶帶寬需求的其它因素是信道數量和終端用戶與DSL多路復用器(DSLAM)或DSL遠程終端之間的距離。在很大程度上,是由網絡的實現方式決定了哪種編解碼器能最好的滿足運營商的目標。帶寬需求降低的好處包括可以向更多的家庭提供服務。如圖2所示,不同的情況有不同的帶寬/距離閾值。簡單地說,在IPTV網絡中應優先考慮使用先進編解碼器,因為它們可以更具成本效益的擴展這些網絡的覆蓋范圍。更大的覆蓋范圍可以提高潛在用戶的數量從而帶來新的收益。

vs. VC-1

讓我們更仔細地研究一下這兩種新型編解碼器。是國際電信聯盟(ITU)電信標準局和國際標準化組織(ISO)聯合制定的一種視頻編碼標準,同較早期的MPEG-2標準相比,該標準大大降低了比特速率。是在早期視頻編碼標準的運動補償轉換編碼范例基礎上創建的。該技術不受早期標準所用構建模塊的制約,整個技術的設計無需后向兼容性。提供的一些可提高壓縮效率的重要編碼工具有:改進型空間交互預報、增強型時間預報(通過四分之一采樣運動補償、可變模塊大小運動補償、多重假設運動補償和加權預測工具實現)、高效的基于上下文的熵編碼(通過變長度編碼或二進制運算編碼工具實現)以及內環內容和編碼模式適應性解鎖濾波。實驗表明,要實現相近的視覺質量,同MPEG-4 ASP編碼相比,把比特速率降低了35%到50%,同MPEG-2相比,降低了40%到65%。另外,同MPEG-4 SP相比, BP可以在寬廣的比特速率范圍內把峰值信噪比降低50%以上。

VC-1編解碼器是WM9(Windows Media 9)的一個版本,微軟公司把它提交給電影電視工程師協會(SMPTE)希望獲準成為SMPTE標準。雖然所提交的SMPTE VC-1標準是以WM9為基礎的,但實際上兩者之間存在重大差別。Windows Media包括許多VC-1所不包含的東西,其中包括數字版權管理、元數據、播放列表和用戶接口,而VC-1則純粹是一種視頻壓縮算法。除了需要為VC-1提供傳輸文件和一致性文件之外,SMPTE還需要開發參考軟件解碼器和參考比特流來保證不同VC-1實現之間的互操作性。

VC-1和目前正在進行一場格式戰。MPEG-4 Part 10標準已經大幅度領先,因為它已在2004年得到ISO的正式批準,而VC-1只是最近才在SMPTE到達草案終審階段。然而,VC-1具備迅速縮小差距的潛力,因為VC-1是在WM9壓縮系統的基礎上建立的,與MPEG-4存在眾多解釋分歧的情況相比,該規范的分歧空間較小。另一個對VC-1有力的重要因素是許多電信公司(包括SBC)已宣布支持微軟的IPTV平臺。雖然可以部署在微軟的IPTV平臺上,但已經采用微軟IPTV的電信公司強烈傾向于實現完全集成的微軟方案。保證VC-1互操作性的過程也有可能更加簡單,因為不同于由許多供應商給出不同解釋的,微軟是該標準的最終裁定者。

主要電信公司尚未確定它們將支持哪一種編解碼器,他們很可能直接進入實現階段而不首先明確表態。由于下一代壓縮標準尚未確定,互操作性是需要考慮的一個重要因素(尤其對機頂盒供應商)。在各家公司都采納一種統一的標準格式之前,機頂盒支持多種格式是非常重要的,尤其是要支持MPEG-2、和VC-1。值得指出的是,由于IPTV是一種封閉型系統,互操作性問題在某種意義上得到簡化,只要在參與該項目的有限的幾伙供應商之間保證互操作性就可以了。除了支持多種編解碼器的能力之外,為了支持DVD-RW和把數據傳送到PMP上,更高端的機頂盒還將要求實現多種格式之間的代碼轉換。

在這個不確定的環境中,對IPTV機頂盒制造商來說,數字信號處理器(DSP)具有實際的優勢,因為它能夠通過固件下載方法(而不是更換機頂盒)來升級數字壓縮處理。DSP提供一種高度靈活的平臺,從而能夠以最小的成本方便地支持不同的編解碼器并增加新的特性。最新一代的DSP可以在50ms內卸載一個編解碼器并加載另一個,從而使消費者可以在多種格式類型之間進行信道的無縫轉換。

性能基準

顯然,系統開發商希望盡可能多地獲得有關DSP和其它處理單元如何完成/MPEG-4壓縮和解壓縮的信息,但向標準提供測試基準既是新標準在改進性能方面的成功關鍵同時也是難點所在。圖3是一種廣泛使用的DSP,即TI公司的TMS320DM64x在600MHz運行時的性能表。表中給出了用于完成和MPEG-4壓縮/解壓縮的所占用處理器周期百分比,為便于比較,還給出了處理JPEG、MPEG-2和WMV-9格式的結果。注意,這些基準是基于先前實踐的典型測試數據或詳細的性能估計給出的。根據實現的功能組合不同,編碼器的實現也存在巨大差異。換句話說,此類數據雖然是經過認真研究得到的,但對開發者來說僅具指導性意義而不是關于終端應用的準確數據。

隨著向大規模商業IPTV發展步伐的加快,迫切要求設備供應商提供價格可承受的下一代機頂盒。同時,該行業無力對哪種先進編解碼器將成為IPTV系統的主導技術達成共識。顯然,機頂盒制造商的責任是向市場推出高度靈活并可實現快速廉價升級的平臺。

作者:Michael Stich

DSP系統服務提供戰略總監

Charlie Gonsalves

流媒體部業務開發經理