基于 HFC+IP网络交互电视架构设计与应用研究

李向坤,赵鸿志,曹江辉,于志华,代振忠

(1.甘肃省广播电视网络传输有限公司; 2.北京四达时代软件技术股份公司)

以公益、付费视音频内容和双向互动为特征的电视、语音、数据服务,可最大限度地满足用户的个性化消费需求,也是网络运营商大幅度提高 ARPU值,增加收入和利润新的增长点,市场潜力巨大。与之相关联的技术、运营、服务创新,在三网融合的大背景下显得尤为紧迫与重要。我们提出的“基于HFC+IP网络交互电视架构设计和应用研究”项目,以挖掘现有网络特别是广电网络优势,充分考量投入与产出比为出发点,在借鉴国内外成熟的交互技术的基础上,追踪先进技术发展趋势,为网络运营商开展交互增长业务提供了一种系统、科学、经济、安全的技术方案。

1 概述

1.项目背景。随着社会经济和信息化技术的不断发展,数字家庭已不是一种遥不可及的概念,以SD、HD、3D电视收看点播、EPG收视指南、nPVR、时移回看、电视娱乐、电视生活、电视资讯、电视网络,可视通话和视频监控等新的业态消费市场正在蓬勃兴起。随着国家三网融合试点的启动,综合电视信息服务将成为各大运营商发展业务的主流,迫切需要设计建设能够承载综合电视信息服务的交互业务平台。

2.交互平台和承载网络现状。目前,电视交互业务平台采用规范主要有 ISA、NGOD、IPTV规范。ISA、NGOD标准是国际普遍采用的 VOD系统的架构标准,在交互业务平台体系架构中,由众多的系统组件组成,这些组件的通讯也要遵循一系列的国际标准 ,包括:RTSP、DSM-CC、LSCP、RTSP、SSP、Web Service、CORBA、FTP、HTTP等系列通讯协议。系统中各子系统互联都采用了公开的协议,可以灵活选择业内主流的视频服务器、Edge-QAM以及第三方业务应用等。基于标准和开放的设计原则保证了系统易于扩展、易于管理、易于开发新的应用,同样也保证了系统的先进性。

ISA规范是由时代华纳主导制定的一套开放性的架构,其协议主要遵从 DSM-CC协议族。ISA规范很好的将应用(Application)和业务管理(BMS)和会话资源管理(SRM)进行了剥离,提供相应的接口规范,不同厂家的产品快速集成提供了可能,也为应用的快速开发提供了接口,利于业务提供商将自己的业务系统快速集成在业务交互平台中,ISA规范也是目前国内外网络运营商采用的主流规范,占据了市场的主导地位,大多主流业务交互系统都支持该规范,但 ISA规范对于 IP网络的交互业务,其扩展存在局限性。NGOD规范则能同时较好的支持EPON+EOC和 CMTS网络。NGOD规范由 Comcast主导制定,该规范采用 RTSP协议。NGOD规范能同时支持窄播网和 IP网中的交互业务,将内容交付部分划出作为 CDN,更易于不同厂家的视频服务器的集成。其协议简单,利于快速开发和运行系统的维护。同时具有和 ISA规范一样的开放性和扩展性。

国内 IPTV标准是由我国电信运营商与通信设备研究制造商借鉴 TISPAN和 ITU-T等国际标准研究制定,适应于国内 IP运营商需要,具有强化统一门户导航,统一鉴权认证机制的特点.

承载网络。从物理介质看包括光纤同轴电缆,光纤双绞线和光纤 5类线,分别承载着广电网络、通信网络和互联网。随着技术进步和 NGB、NGN和下一代互联网建设的实现,各大运营商拥有的网络均能承载电视、语音和数据业务,但各有优势的格局仍然存在。就广电网络而言,基本都具备以下 2种模式,即:广播网 (HFC)包括基于 IPQAM窄播网(CMTS)和 IP网(EPON+EOC/LAN,CM)。电视交互业务平台也为了满足网络建设的特点,从满足窄播网络(CMTS)向支持 DVB+IP的模式发展,从初期的私有架构向开放架构发展。

3.基于 HFC+IP网络交互电视架构特点。该架构集合了 ISA和 IPTV的先进技术和优点,充分有效地利用了有线电视网络的资源,在 IP网络带宽 2-4M/户的条件下,既能为用户提供高质量 SD,HD和未来 3D,超高清(Super Hi-Vision)互动点播、时移回看等服务,又避免了投巨资对网络进行升级改造,规避了投资风险,提高了运营商经济效益。同时,系统开放、安全可靠、支持多业务运营。其技术特点:

A、完全基于通行行业标准协议,保证日后系统组件的开放性;

B、基于已有 BOSS系统提供全套运营解决方案;

C、HFC承载广播业务,无需在 IP网络上实现复杂的组播,降低对网络的要求;

D、大码流 (≥8M)节目,如高清、3D、MPEG-2编码的标清节目点播业务由 HFC承载;

E、IP平台承载低码流(≤2-4M),如 H.264编码的标清或 ＜4M的 MPEG-2编码标清点播业务;

F、HFC、IP平台可承载 H.264、AVS、MPEG-2编码格式;

G、IP接入带宽≦ 4M/户;

H、分布式的部署设计降低了对城域骨干网的带宽要求,符合渐进式建网规则,避免盲目投资;

2 互动平台架构设计原则

(1)平台的开放性

HFC+IP交互业务平台技术架构,支持主流的ISA和 NGOD规范,借鉴了 IPTV的优点,系统基于标准和开放的设计原则保证了系统易于扩展、易于管理、易于开发新的应用,同样也保证了系统的先进性。

(2)平台的先进性

平台必须要实现高清节目的点播、时移/回看功能,高清电视是电视制作和传输的发展趋势,高清节目由于码率大,对互动平台、传输网络、接入终端的软、硬件要求较高,平台技术体系应支持 H.264、AVS等的高、标清编码格式。

采用第三代以网络为中心的视频服务器——真正实现了以网络为中心的视频内容注入、存储、内容分发和视频流的播发,其在分布式部署、内容共享、系统管理方面有着很大的突破,提高了系统的灵活性和高性价比。

(3)多业务支持

平台不仅满足了当前的主流的视频点播的应用,还满足未来的市场需要,能够支持第三方新业务的增加,如即时点播,包括电影点播(MOD)、包月点播(SVOD)、免费点播(FOD)等。平台通过开放的接口可以添加时移电视、nPVR等其他应用。这些新增的应用软件可以利用系统原有的后台支撑软件和视频服务器资源。

(4)平台的扩展性

平台体系架构设计灵活,可以支持从几百个流到几百万个流的规模,可以根据业务实际发展状况进行平台的扩展。目前采用的架构为省集中管理,地市分布式分发的结构,未来可根据各地市不同的发展状况独立的进行扩容,满足业务增长的需要。由于系统具有良好的平滑扩展能力,运营商可以根据 VOD业务的开展情况逐步增加投资,以便有效降低运营商的投资风险。

(5)平台的可靠性

VOD系统支持 7*24小时的业务运营,这就要求系统具备非常高的可靠性。系统的可靠性要通过系统架构、系统冗余、设备性能、容灾备份、系统管理和易维护统一规划来实现。

3 平台技术路线

3.1 技术方案特点

(1)架构规范

HFC+IP交互业务平台支持 ISA和 NGOD规范,为大多数视频服务器厂商的产品(Cisco、Harmonic、Motorola)和后台厂商支持。会话管理接口遵从:SSP(DSM-CC)、RTSP;流控接口遵从:LSCP、RTSP;播流接口遵从:TS/UDP TS/RTP;内容接口遵从:ADI;注入接口遵从:SOAP、ISA;门户访问接口遵从:HTTP。

(2)三层的业务架构

HFC+IP交互电视平台技术架构,平台包括:内容提供商/服务提供商管理、用户/订购关系管理、媒资管理、业务管理、目录管理、认证 /鉴权 /计费管理、会话资源管理、内容分发管理,内容安全管理功能模块。

系统业务架构划分为:接入层、应用层和业务层。

接入层:以 IP作为基础的协议。它包括业务请求的接入和业务数据的输出以及相关的控制管理功能。接入层应能保证足够的带宽和一定传送质量,这一层具备以下能力:

A、负责终端用户的接入和认证;

B、按照上层(业务层)的要求将每个业务信息流从源端传送到目的端;

C、按照每种业务的具体属性要求基于规则判断地调度分配网络资源,确保业务的功能和性能;

业务层:由一系列业务执行能力和业务控制能力组成。业务层向应用层提供服务能力,为应用层的扩展提供基础。业务层主要完成以下业务功能:

A、媒体内容数据的分发和存储管理;

B、业务统计数据收集;

C、实现后台系统的分级层次组网和内部负载均衡机制;

D、为终端用户提供流服务授权能力;

E、门户导航;

F、包装基础层服务能力,向应用层提供接口;

G、封装实现基础的业务处理逻辑;

H、提供与计费系统、用户管理系统、网络管理系统等外部系统的对接接口;

应用层:调用业务层的各种能力,为最终用户和内容提供商提供服务。比如 VOD应用和基于视频的广播型应用都需要使用基础的服务能力,但是这两种应用的业务包装形式和业务处理逻辑表现方式是不同的。应用层需要利用业务层提供的能力,根据运营商的运营要求定制应用和部署业务。下图 1简要描述了活动平台的整体业务架构。

图1

平台软件采用三层系统结构:UI层、业务逻辑层和数据层,开发语言采用 JAVA,数据库采用高性能的关系数据库 Oracle10g,同时还采用了规则引擎技术、消息中间件技术、软件总线技术,并采用了基于线程池的高性能模型设计从而保证了整个业务架构的灵活性和扩展性。

(3)用户接入认证

PPPoE或 DHCP:认证原理:原有 PC机上网仍然通过 PPPoE走 BRAS,而交互业务用户的 STB使用 DHCP PLUS模式,所有的 DHCP PLUS报文通过三层设备传送到 DHCP PLUS服务器,DHCP PLUS服务器再和 OSS交互后,确定是否是合法用户,如果是合法用户,就分配已定义好的 IP地址池的地址,如果是非法用户,将拒绝分配 IP地址。

(4)NAT穿透

在 IP播流的情况下,需要机顶盒接收流的 IP和端口做 NAT穿透处理:处理方式是在 SRM中建立一个 NAT穿透的处理服务器,接口协议采用RFC3489的 STUN Binding的消息。交互方式如图 2所示:

图2

在 SRM建立一个 STUN Server(NAT穿透打孔服务器),机顶盒在建立会话之前,先用接收流的 IP和端口向 STUN Server发送 STUN Binding的消息,将接收流的 IP和 Port在 NAT服务器上的映射传给STUN Server,SRM接收的 RTSP会话,将从 STUN Server中查找机顶盒接收流的 IP和端口,放到会话中,作为视频服务器播流的目标地址和端口。

(5)IPG系统

交互节目指南系统(Interactive Program Guide),分为 Catalog Manager、Catalog Web Server和 Catalog数据广播系统三部分,Catalog Manager负责 IPG的生成、编辑、管理等,Web Server负责为双向终端提供双向交互的 IPG。

IPGWeb Server可根据要求分布式部署在各地市(区域),用来个性化的实现各地市的双向 Web访问门户。

随着双向网用户数量的增加,IPG Web Server的压力也会增加,可以通过增加 IPG Web Server的数量和负载均衡技术来支持业务的扩展。通过这种扩展,就可以大大的提高系统的支撑能力,同时也提高了系统的响应速度。

(6)电视时移 /回看

观众在观看节目时,可以随时按暂停或后退/快进键。电视回看是指观众通过 IPG选择播放 3天前的节目。技术实现过程与即时 VOD相同,并占用同样的资源。实现的关键是实时注入系统的配合,以及后台、视频服务器对时移功能的支持效率。时移电视业务需要双向网络的支持。

平台支持 16-72个标清、高清频道做时移或者回看,这些频道按节目实时编码、打包、注入到 VOD系统中。一旦节目注入到 VOD系统后台,基于 IPG的时移应用模块即可根据注入的节目信息提供时移业务数据支持,同时,IPG自动更新、展示电视回看业务节目,这些节目的点播过程与即时 VOD完全相同。选定做 TimeShift的频道由前端发送给机顶盒,在机顶盒获取了哪些频道可以做 TimeShift之后,会在相应的广播频道画面上做出标志,这样用户在观看广播频道的节目时就可以知道该频道是否支持时移,用户就可以在当前广播节目状态通过暂停、快退等操作进入时移状态,在时移状态可以进行各种操作控制。进入时移状态的过程实际上是 STB通过IPG获取节目编号并执行点播的过程,该节目开始播放的进度与广播节目当前的进度一致。用户按遥控器上的暂停或者后退键之后,视频内容相应的从广播频点转到 VOD专播频点,当用户快进赶上广播节目的进度时,直接跳回广播频道,如图 3所示。

图3

广播节目单通过 EPG下发,IPG可以导出支持nPVR/Timeshift业务频道的节目单,并将其导入到RTI(实时注入设备)设备;RTI设备按照节目单上的时间安排录制,在每个节目开始播放的时候向 VOD后台系统 StarStream注入节目,并生成相应的 OfferingID;RTI设备通过 StarStream将录制节目实时注入到视频服务器中;元数据文件直接注入 StarStream中,节目文件经过图 3中的 2、3两步注入到视频服务器中;StarStream通知 IPG节目已更新,IPG从StarStream获取最新的节目单,并展现到 STB端(该节目单用于电视回看业务);STB开机后从 Catalog获取支持 nPVR/Timeshift业务的频道列表;在用户进入时移状态或点播 nPVR节目的时候从 Catalog获取要观看的节目编号,即 OfferingID;STB向StarStream发起要观看节目的点播请求,请求中包含播放速度、播放速率、向前向后等信息,节目开始按照用户播放控制请求进行播放,视频服务器向 STB下发用户要观看的节目。

(7)实时注入节目时间调整

实时注入系统将大文件中的节目开始时间和结束时间,以及节目数据信息在注入时带入大文件Package的元数据中,IPG取出元数据进行展现。如果需要调整节目的开始时间和结束时间,在 RTI系统里调整,并将调整后的数据更新到 BMS中。

在 RTI系统中实现:

将频道按天划分成多个时间段,来制定注入的Schedule;将大文件内的节目开始时间和结束时间和节目数据扩展到大文件 Package的元数据中(ADI.XML);调整大文件中节目的开始时间和结束时间。实时通知 BMS系统节目时间的调整数据。

在 IPG系统中实现:

根据大文件的数据将大文件展现成多个节目,点播的 URL通过节目在大文件中的开始时间来区分;从 Catalog元数据中区分大文件节目,和解析节目数据。

图4

(8)视频服务器的集中式、分布式和混合式部署

采用物理分组的方式实现了视频服务器的集中式、分布式和混合式部署,其实现机制如下:

首先将用户进行分组,在 HFC网络中,采用IPQAM的输出口为基本单元,对用户进行物理分组编号,在 IP网络中,以子网网段对用户进行物理分组编号,HFC的组号和 IP的组号不允许重复,如同一用户如果同时在 IPQAM网络和 EPON+EOC网络下,在该用户具有两个分组编号。

平台以资源的方式管理这些分组,对于 HFC网络,资源包括 IPQAM的 IP和端口,节目播发的频点信息等,对于 IP网络,则对应子网网段。交互业务平台接收用户节目点播请求,根据用户的分组编号,来选择相应的网络为用户提供节目分发服务,对于同时有 HFC网络和 IP网络分组编号的用户,交互业务平台将根据业务规则来选择相应的网络来分发节目:如高清的节目走 IPQAM下行。

根据物理上的分组,视频服务器可以集中式部署,也可以放到前端,为一个或多个组提供节目的分发服务,从而实现了对不同部署方式节目分发能力。

(9)多业务支撑能力

采用软件总线技术,实现对不同业务的路由规则,用户请求统一接入,根据业务规则,分发给不同的业务系统的处理,实现了多业务支撑的能力。同时支持第三方的业务系统的集成,为交互业务平台提供了快速开发新业务的能力。

3.2 实施方案

(1)支持高清大码流节目

高清 H.264编码最少 8Mb,如果高清节目采用IP下行,需要网络提供较高的接入带宽,平台充分利用了 HFC网络的带宽资源优势,设计为高清节目默认为 IPQAM下行的方式为用户提供服务,这样既利用了 HFC网络广播式带宽资源的优势,给用户较好的使用体验(用户可以较顺畅地进行‖暂停、×10、×32速的快进快退)。

(2)基于规则判断,首先选择 HFC网络

平台为 HFC与 IP的混合网络提供了业务处理能力和内容分发的强大支持能力,系统平台设计为基于规则判断方式,当用户进行点播时,系统根据用户所在的网络进行选择,并根据节目类型、用户接入网类型和终端类型进行智能化的节目分发,系统设计成首先选择 HFC网络下行方式,当 HFC网络资源占满时再自动选择 IP网络下行方式。对于高清双向 STB,节目采用 H.264编码,IP带宽要求 2M。对于标清双向 STB,节目采用 MPEG-2编码,IP带宽要求 4M

(3)传输链路要求

由于高清 H.264编码的节目点播流走 HFC通道下行,标清 H.264编码的节目点播流可根据网络空闲状况智能判断下行通道,因此互动平台对 IP网络的带宽压力大为降低,在采用 EPON+EOC为HFC网络双向改造模式的情况下,如果设计每个数字电视光节点带 100用户,在点播用户较少的初期,每个 EPON+EOC数据节点可覆盖 200用户,至少可满足 30%的用户点播需求,当点播用户增加时,将每个 EPON+EOC数据节点改为覆盖 100用户,至少可满足 60%的用户点播需求。标清采用 MPEG-2编码,传输规则与高清相同,但 IP带宽要求为4M。

(4)终端要求

STB双向机顶盒满足甘肃广电网络公司发布的《有线数字电视高清机顶盒技术规范 v1.0.2》、《有线数字电视机顶盒技术规范 v1.0.1》或按照《家庭智能平台技术规范》要求,其中高清双向机顶盒、标清双向机顶盒均支持视频MPEG-2和 H.264编码。

(5)应用与压力测试:

基于 HFC+IP网络交互电视平台,已通过验收并在甘肃正式投入商用,系统安全可靠,技术指标优良,用户评价极高。同时,我们还进行了高清交互压力测试。

图5

高清交互压力测试方案

A、小区用户 100户。

B、HFC双向网络为 EPON+EOC,Homeplug AV技术,其终端为 3端口,一路上网,一路互动电视,一路备用,用一个 EOC局端覆盖全部用户,局端有效总带宽 80M。

C、测试用户处于同一个 EOC头端,方便进行高峰期高清、标清节目的点播以及时移、回看业务、宽带业务的压力测试。

D、实际测试用户数为 18户,并在规定时间里同时进行高清节目点播、上网浏览网页或下载,对平台前端和双向网络进行压力测试。

E、点播率、并发流计算:

前端按照 IPQAM优先,IPQAM用满的情况下,再走 IP资源的规则;前端 IPQAM目前配置 3个流用于测试前端规则是否生效,当互动用户入网率为30%、点播率为 50%时,并发流为 15个,实际测试并发流为 18个,测试结果如表 1:

表1

4 分析

1.基于 HFC+IP网络交互电视平台可实现节目内容下行通道的智能化选择

当前广播电视发展迅速,高清电视已经进入快速发展时期,大量的高清节目已经进入有线网络和电视交互业务平台。现有的 IPTV技术架构是基于IP网络的互动电视平台,尽管 IP网络每个用户都有固定的接入带宽,但带宽有限制,不适合走广播业务,尤其是高清电视的点播对 IP网络用户的带宽要求很高,要在 IP网络上实现高清互动电视点播,网络运营商将要进行巨大的网络扩容投入,甚至于要进行光纤入户的设计考虑,巨大的投入也不利于高清业务的开展,用户也将承担高额的点播费用。

在交互平台中,同一个节目源,可能具有不同的编码格式,其下行带宽要求也不相同,这就要求交互业务平台能对用户请求的高清节目进行智能化选择下行网络,高清自动选择走 HFC网络,标清走 HFC或 IP网络。

2.基于 HFC+IP网络交互电视平台可实现根据网络资源占用状况智能化选择传输网络下发

HFC网络具有更多的网络带宽资源,如何在HFC网络和 EPON+EOC有线 IP网络上,利用一条同轴电缆,充分利用 HFC网络资源开展互动电视,尤其是高清节目点播和实现高清节目的时移、回看、nPVR等交互业务功能。

交互平台技术构架应支持在高清自动选择HFC网络下行的基础上,标清点播首先优选 HFC网络,当 HFC网络资源占满时再选择 IP网络下行,同时 IP网络还负责传送承载点播请求、应用程序及相关数据、应用和应用服务器之间的信息交换。互动平台 UI负责在 HTML/JavaScript浏览器的环境下执行并呈现给用户。

3.几种交互架构对比(见表 2)

表 2 交瓦架构对比

ISA:时代华纳主导设计。优点:稳定的业务实体、组件抽象(如:Package,Content,Asset,Offering,Service,Customer,Purchase,Session等)组件接口标准业界认可度高。不足:架构中的同步调用机制和循环引用使性能难以适应系统扩展。与现有的J2EE,Web,Service等技术相比 CORBA技术的开发效率和易维护性显得不足。

NGOD:由 COMCAST公司主导设计。优点:系统接口清晰已集成,具有良好的系统开放性;统一的资源管理架构,支持 SRM分布式部署,具有良好的系统扩展性。不足:产品市场化合成熟度还有待于进一步提升。

IPTV:由电信厂商主导设计。优点:国际/国内标准可借鉴,强化统一门户导航、统一认证鉴权机制。不足:针对电信 IP宽带网络设计,对 HFC网络适应性差;承载高清节目需要投巨资改造网络,现有绝大部分网络难以开展高清互动;厂家技术私有化。

HFC+IP:由甘肃广电网络公司主导设计。优点:借鉴 ISA的业务实体模型,兼容 ISA对外接口标准;借鉴 IPTV的平台规划,强化统一门户导航、统一鉴权认证;借鉴 NGOD的会话资源管理逻辑架构,实现统一智能的资源管理和服务平台、支持系统的全面开放性(网络、业务、终端);充分借鉴 HFC和IP优势,利用 HFC优秀的广播性能,可以很好地承载数字电视广播业务;引入全 IP的传输方式,利用改造好的双向 HFC网络实现 VOD点播和回看,充分挖掘已有数字电视用户的潜力。

5 结论

基于 HFC+IP技术架构设计的交互电视平台采用国际国内开放的 ISA、NGOD、IPTV规范,遵循一系列的国际国内标准,包括:RTSP、DSM-CC、LSCP、RTSP、SSP、Web Service、CORBA、FTP、HTTP的等系列通讯协议,基于标准和开放的设计原则,支持第三方业务应用开发,保证了系统扩展性和开放性。系统设计方案充分利用了 HFC网络的带宽资源优势,其中高清节目播发设计为 IPQAM下行的方式,标清节目播发基于规则判断方式,首先选择HFC网络下行方式,当 HFC网络资源占满时再自动选择 IP网络下行方式。新的交互架构可以实现:以HFC网络传输视频为主,IP发展多业务;HFC+IP混合模式快速推进双向互动业务开展;支持 SD、HD、SHV、3D电视节目互动;实现一个系统,一个终端,两个承载平台。在三网融合背景下,广电网络运营商采用该系统,可大幅降低投入,迅速开展互动业务,在激烈的市场竞争中立于不败之地。

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