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ATM网络中实现视频技术

2/14/2005来源:交换设备人气:13496

ATM网络中实现视频技术 摘要:近年来,视频业务伴随着应用需求的增长而迅猛发展,视频业务是使用 ATM网络提供高速宽带业务的重要应用之一。本文从视频业务的编码方式、视 频数据到ATM信元的映射、视频业务的质量保证和ATM论坛的视频点播建议几方 面分析了在ATM网络中实现视频业务的主要技术热点。 主题词:异步转移模式 视频通信 视频点播 ATM本质上是一种基于信元交换、面向连接的高速技术,能够传送任何业 务,不管这些业务有什么样的特征(诸如比特率、质量要求、突发特性等)。 ATM的优势在于可以与应用需求相符合的业务建立联系,视频业务正是由ATM提 供的高速宽带业务的重要应用之一。典型的视频业务包括电视会议、视频点播 (VOD)、远程教学和远程医疗等,其特征是流量具有突发性及苛刻的实时要 求。ATM网络具有高速率、低比特差错率、灵活的业务类型和高复合能力等特 点,使得它很适合传输有服务质量(QOS)要求的视频业务。 视频业务的压缩方法 视频业务应用与其他应用有许多相同的地方,也有不少特有的性质: ·要求连续媒体信息(音频和视频)的实时传送。 ·由于对连续的媒体信息进行编码,使得被交换的数据容量非常大。 ·大多数的应用是面向分布的,特别是服务于常驻用户时。 当视频业务通过网络传输时,图像流占据了大部分的带宽,且要求网络具 有很高的QoS保证。为了减少带宽的占用,图像压缩通过去除时间或空间上的冗 余信息来进行。图像压缩的主要标准是MPEG-2标准,它使用离散余弦变换(D CT)算法对视频流进行压缩。经过MPEG-2压缩的图像包含有三种比特速率不同 的帧(I,B,P),这些帧被编成组,组成一组图片(GON)一个GOP中以I帧开 头,之后是B帧和P帧。 MPEG-2标准在系统层实现视频业务信息流的复用和同步功能。视频流被 打包成一个个视频单元,一个视频单元对应于一个视频帧(I,B,P)。一组视 频单元组成一个基本视频流。基本视频流复用成为传输流(TS)进行传输。每 一个TS包有188个字节,其中含4个字节的失信息。 MPEG-2标准采取两种方法实现同步功能: (1)系统时间参照(SCR)法: MPEG编码器在数据流中插入一小段数据,用来表示编码器当时的系统时钟 的时刻。至少每隔0.7秒插入一次。解码器从数据流中提取SCR,将SCR送往图像 解码器和音频解码器,使内部时钟与系统时钟同步。 (2)时间戳(PTS)法: 图像可以分为许多“表达单元”,图像的表达单元是帧。编码器对表达单元 加上时间戳,也就是一小段用来表示编码器当时的系统时钟的时刻数据。解码器 检查时间戳并与SCR比较,这种方法可以保证图像的重放大,使其与系统时间同 步。 MPEG-2比特流到ATM信元的映射有两种方法可以实现MPEG-2比特流到ATM信 元的映射,它们都使用ATM适配层(AAL),其中一种利用AAL1,一种利用AALS。 AAL可以增强ATM层提供的业务,以适合视频业务的需要。AAL将用户/控制/管 理协议数据单元(PDU)映射到一个或多个连续ATM信元的信息瑞中,并在相反方 向进行反变换。ATM层上支持的四类业务中,A类业务和B类业务可用于支持视频 业务的传输。A类业务中,数据元和目的地之间存在时间关系,比特率是恒定的, 业务面向连接。A类业务主要对应固定比特率视频业务。与ATM层上A类业务对应 的是AAL1。B类业务中,数据源和目的地之间也存在时间关系,业务也是面向连 接的。但是和A类业务不同的是B类业务的数据源具有可变比特率。B类业务主要 对应可变比特率视频业务,与ATM层上B类业务对应的是AAL5。 AAL5方式是将TS数据包映射为AAL5的协议数据单元。2个TS数据包正好映射 为8个ATM信元。ATM论坛提出的VOD方案中就采取了这种映射方法。利用AAL5进 行映射的好处在于这种方式非常经济。ATM交换机大多支持AAL5,这样可以充分 利用现有交换机的功能;另一个好处是这种映射方式中AAL5只需提供一个空的 汇聚子层(CS),不需要其它网络功能就可以实现。利用AAL5进行映射的主要 问题在于AAL5没有内置的时间恢复机制,同时AAL5也不支持前向纠错(FEC)。 这种方式下主要采取可变速率的ATM业务类型(VBR)进行传输。 AAL1方式中1个TS数据包映射到4个AAL1的信元中。AAL1相对于AAL5的好处 在于AAL1支持实时应用。AAL1的缺点则是AAL1只支持恒定比特率(CBR)业务, 而未来的视频应用将主要是VBR应用。AAL1支持前向纠错(FEC),这一点在某 些传输媒体如无线ATM中,发生传输错误时实现错误纠正非常重要。 Qos保证 ATM网络上实现视频业务的一个主要问题是如何保证视频流在传输过程中质 量不降低。信元时延抖动、比特错误和信元丢失都会引起视频业务的质量降低。 通常情况下10-5 的比特错误率对非实时性业务的影响可能微不足道,但是对 于视频业务来说,这种错误率会在接收端引起业务质量严重下降。 信元时延抖动对视频业务的质量影响很大。当视频业务在播放过程中出现 跳帧或视频与音频不匹配时就是发生了同步问题。MPEG-2编码系统在发送和接 收端使用27MHz的时钟实现同步操作,由于MPEG-2数据流的一部分是用来实现同 步的,当这部分信元发生时延抖动时,接收端的系统时钟跟着发生抖动,引起 视频业务的质量降低。ATM论坛制订的VOD建议在附录中对信元时延抖动的估计 和处理进行了详细的讨论。由于视频业务的编码方式主要是MPEG-2,而MPEG- 2采用的预测编码方法使得视频业务流对比特错误和信元错误非常敏感,一个比 特或信元发生错误可能会引起一段时间内的业务流数据不可用。ATM网络中减少 比特或信元发生错误的方法有速率控制和错误纠正两种。 ATM网络在连接建立阶段发送端与网络达成的传输协议,保证了按照传输协 议发送的信元错误率极低。但是由于视频业务的编码过程是一个变速率的过程, 就需要ATM网络通过速率控制减少比特或信元发生错误的可能性。对于CBR视频 业务流,理论上在终端增加缓存以减少时延抖动可以提供恒定质量的视频业务。 对于VBR视频业务流,可以采用闭环速率控制方法控制发送端的信元发送速度, 当接收端的缓存已满时网络通知发送端降低发送速率,以防止由于缓存溢出造 成的信元丢失。 错误纠正技术可以发现信元/比特错误并加以改正,主要的错误纠正技术 有自动反馈重发(ARQ)和前向纠错(FEC)。这两种技术都可以在一定程度上 纠正错误,同时也需要一定的代价。ARQ要求在发现错误帧后请求发送端重发 该帧,这样会带来一定的时延。FEC在视频数据流中增加了一些用于错误纠正的 数据比特,从而提高了视频业务的发送速率。如何在两者之间实现折衷是当前 VOD的一个讨论热点。 视频点播(VOD) ATM论坛于1997年3月颁布了第一个VOD建议,标志着ATM网络支持视频业务 的研究进入了一个新的阶段。该建议定义了ATM网络上传输MPEG-2信息流的相 关方法,图1是这个建议的参考配置方案。 ATM论坛定义VOD是一种异步业务。VOD的源端通常是一个视频服务器,宿 端是一个机顶盒(SetTop Terminal, STT)或一台PC机。VOD的含义在于宿端 可以对源端的内容进行挑选,并由宿端决定点播业务的持续时间。视频连接的 建立是根据需要通过用户一网络信令完成的。目前的VOD业务只支持点对点单向 的传输,即视频数据流从视频提供服务器向终端用户的传输。VOD协议在用户端 还支持重新开始、暂停、快进和倒退等播放功能。 该配置方案中包含一个服务器、一个用户和一个单独的会话/连接控制单 元。完成一个VOD需要建立5条虚连接(VC)。如果服务器和用户都支持ATM信令, 则服务器和用户之间的信令控制可以使用如图所示的用户一网络信令方式。如 果有一端不支持ATM信令,该建议还定义了一种代理信令(PRoxy signaling) 方式,使用户与会话控制单元通信,会话控制单元提供一系列可选择的服务器 给用户。当用户选定一个服务器之后,会话控制单元通知服务器有用户希望与 之建立连接。如果服务器同意连接,会话控制单元通知连接控制单元建立一条 VC,用于传输用户与服务器之间的控制信息。通过这条VC,用户可以选择服务 器的服务,然后用户与服务器之间就可以建立连接传输视频和音频信号了。 该建议使用上述AAL5的映射方式将MPEG-2数据包转换为ATM信元。建议允 许的映射方案为:每一个AAL5-SDU应当包含N个 MPEG-2 SPTS包,除非剩余的 MPEG.2 SPTS包小于N。N的取值通过ATM信令协调完成,N的缺省值为2。 ATM网络作为统一的平台可以提供各种各样的数据业务,视频业务作为ATM 网络上传输的重要数据业务之一,伴随着应用的需求而迅速成长。不断涌现出 的ATM网络上支持视频业务的建议和协议,必将进一步提高视频业务的传输质量。