多媒体通信网络技术

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1、第5章 多媒体通信网络技术内容5.1 多媒体通信对传输网络的要求 5.2 多媒体通信的服务质量 5.3 现有网络对多媒体通信的支持 5.4 多媒体通信用户接入5.1.1 多媒体信息的特点 由于多媒体信息具有和单个媒体信息不同的特性 ，所以其对网络的要求也与单个媒体信息不同。多媒体 信息的特点主要有：n类型多多媒体信息有多种形式，而同一种信息类型在速率、时延以 及误码等方面也可能有不同的要求，比如，同样是声音信息， 不同的人的声音可能有很大不同。因而，多媒体通信系统必须 采用多种形式的编码器、多种传输媒体接口以及多种显示方式 ，并能和多种存储媒体进行信息交换。n数据量大多媒体信息包含了音频、视频

2、、文本等数据，数据量非常大 ，尤其是图像和视频等，尽管在传输和存储之前进行了压缩， 但是在达到用户认可的图像质量情况下，其数据量还是非常巨 大的。例如，经MPEG-2标准压缩后的一段2小时左右的视频在 平均码率为3Mb/s时，需要约3GB的存储量。n连续性和突发性多媒体通信系统中，各种媒体信息数据具有不同的特征。一 般来说，数据信息的传输是突发的、离散的、非实时的，而活 动图像的传输速率高，是突发的、连续的、实时的，语音信号 数据率低，是非突发的、实时的。n数据速率可变多种传输信息要求具有多种传输速率，例如，低速数据的 码率仅每秒几百比特，而活动图像的传输码率高达每秒几 十兆比特。因此，多媒体

3、通信系统必须提供可变的传输速 率。n时延可变压缩后的语音信号处理时延较少，而压缩后的图像信号处 理时延较大，由此产生变化的时延也是在使用网络传输多 媒体信息是需要考虑的问题。n同步性在多媒体数据之间存在着时空约束关系，这种关系与人们 对多媒体信息的理解密切相关，所以，如果在传输过程中 破坏了这种约束关系，则会妨碍对多媒体数据内容的理解 。因此在通信时需要对这种约束关系进行维持，以保证多 媒体信息在终端上的正确显现。综合以上特点，多媒体信息的传输对网络提 出了较高的要求，如高带宽、低延迟、支持QoS等。5.1.2多媒体传输网络的性能指标 多媒体通信对网络环境要求较高，这些要求必然涉 及一些关键性

4、的网络性能参数，它们是网络的吞吐量、 差错率、传输延时及延时抖动等。 n吞吐量网络吞吐量（Throughout）指的是有效的网络带宽，定义为 物理链路的数据传输速率减去各种传输开销。吞吐量反映了网 络所能传输数据的最大极限容量。吞吐量可以表示成在单位时 间内处理的分组数或比特数，它是一种静态参数，反映了网络 负载的情况。多媒体通信对网络的吞吐需求具体有以下三个方 面：n传输带宽的要求。由于多媒体传输由大量突变数据组成 ，并且常包括实时音频和视频信息，所以对于传送多媒 体信息的网络来讲，它必须有充足可用的传输带宽来完 成多媒体信息的传送。当网络提供的传输带宽不足时， 就会产生网络拥塞，从而导致端

5、到端数据传输延迟的增 加，并会造成数据分组的丢失；n存储带宽的要求。在吞吐量大的网络中，接收端系统必 须保证有足够的缓冲空间来接收不断送来的多媒体信息 。当缓冲区容量不够大时就很容易产生缓冲区的数据溢 出，造成数据分组丢失。另外，缓冲区的数据输入速率 也必须足够大，以便容纳从网络不断传来的数据流。这 种数据输入速率有时被看作缓冲区存储带宽；n流量的要求。多媒体通信网络必须能够处理一些诸如视 频、音频信息之类的冗长信息流，简要来讲，就是网络 必须有足够的吞吐能力来确保大带宽信道在延长的时间 段内的有效性。例如，如果用户要发送流量为50Gbit的 信息流，而网络只提供给用户1.5Mb/s的吞吐能力

6、及6s 的时间片是肯定不够的。但是如果网络允许用户持续不 断地使用这个1.5Mb/s的信道，则这个流量要求就能够 得以满足，如果网络在任何时刻都存在许多数据流，那 么该网络的有效吞吐能力就必须大于或等于所有这些数 据流的比特率的总和。持续的、大数据量的传输是多媒体信息传输的一 个特点。若就单个媒体而言，实时传输的活动图像对网 络的带宽要求最高，其次是声音。对于运动图像而言，人们能感到的质量参数有两 个，分别是每秒的帧数和每幅图像的分辨率。根据不 同条件下的实时视频传输的要求，可以将视频的服务 质量分为5个等级，如表5-1所示：等级名 称分辨率帧率（帧/s ）量化 比特数总数据率压缩 后数据率1

7、高清晰度电视质 量1920108 060243Gb/s2040Mb/s （MPEG-2压缩 ）2演播室数字电视质 量7205762516166 Mb/s68Mb/s （MPEG-2压缩 ）3广播电视质 量72057636Mb/s （MPEG-2压缩 ）4录像机质量3602881.4Mb/s （MPEG-1压缩 ）5会议电视 质量35228810帧/s以上128384kb/s （H.261压缩 ）声音是另一种对带宽要求较高的媒体，可以将 音频的服务质量分为4个等级，如表5-2所示：等 级名 称带宽取样频 率量化 比特 数总数据率压缩 后数据率1电话质 量话音300Hz 3400Hz8kHz864

8、kb/s32kb/s、16kb/s甚 至4kb/s2高质量话音50Hz 7kHz37.8kHz164864kb/s3CD质量的音乐20kHz以 内44.lkHz16每声道的 数据率为 705.6kb/s192kb/s或128kb/s （MPEG-1压缩 ）45.1声道立体环绕 声36028848kHz22320kb/s（AC-3压 缩）n传输延时网络的传输延时（Transmission Delay）是指信源发出最后一 个比特到信宿接收到第一个比特之间的时间差。它包括信号在 物理介质中的传播延时（延时的大小与具体的物理介质有关） 和数据在网中的处理延时（如复用/解复用时间、在节点中的排 队等）。

9、另一个经常用到的参数是端到端的延时（end-to-end Delay ），它通常指一组数据在信源终端上准备好发送的时刻，到信 宿终端接收到这组数据的时刻之间的时间差。它包含三部分： 第一部分是信源数据准备好而等待网络接收这组数据的时间， 第二部分是信源传送这组数据（从第一个比特到最后一个比特 ）的时间，最后一部分就是网络的传输延时。不同的多媒体应用，对延时的要求是不一样的。对于实时 的会话应用，在有回波抵消的情况下，网络的单程传输延时应 在100ms到500ms之间，而在查询等交互式的实时多媒体应用 中，系统对用户指令的响应时间应小于12s，端到端的延时在 100ms到500ms之间，此时通信

10、双方才会有“实时”的感觉。n延时抖动网络传输延时的变化称为网络的延时抖动（Delay Jitter ），即不同数据包延时之间的差别。度量延时抖动的方法有多 种，其中一种是用在一段时间内（例如一次会话过程中）最大 和最小的传输延时之差来度量。产生延时抖动的原因有很多，包括：n传输系统引起的延时抖动，如金属导体随温度的变化引起传播延时的 变化从而产生抖动。这些因素所引起的抖动称为物理抖动，其幅度一 般只在微秒量级，甚至于更小。例如，在本地范围之内，ATM工作在 155.52Mb/s时，最大的物理延时抖动只有6ns左右（不超过传输一个 比特的时间）；n对于电路交换的网络（如N-ISDN），只存在物理

11、抖动。在本地网之内 ，抖动在毫微秒量级；对于远距离跨越多个传输网络的链路，抖动在 微秒的量级；n对于共享传输介质的局域网（如以太网或FDDI等）来说，延时抖动主 要来源于介质访问时间的变化。这是由于不同终端只有在介质空闲时 才能发送数据，这段等待时间通常被称为介质访问时间。介质访问时 间的不同会产生抖动。n对于广域网（如IP网或帧中继网），延时抖动主要来源于流量控制的 等待时间及节点拥塞而产生的排队延时的变化。在有些情况中，后者 可长达秒的数量级。延时抖动会对实时通信中多媒体的同步造成破坏， 最终影响到音视频的播放质量，从人类的主观特性上来 看，人耳对音频的抖动更敏感，而人眼对视频的抖动则 不

12、太敏感。为了削弱或消除延时抖动造成的这种影响， 可以采取在接收端设立缓冲器的办法，即在接收端先缓 冲一定数量的媒体数据然后再播放，但是这种解决办法 又会引入额外的端到端的延时。综合上述各种因素，实 际的多媒体应用对延时抖动有不同的要求，如表5-3所 示。数据类型或应用延时抖动（ms）CD质量的声音100电话质 量的声音400高清晰度电视50广播质量电视100会议质 量电视400表5-3 延时抖动要求n错误率在传输系统中产生的错误有以下几种度量方式 ：n误码率（Bit Error Rate，BER）。是指在传输过程 中发生误码的码元个数与传输的总码元数之比。通常，BER的 大小直接反映了传输介质

13、的质量。例如对于光缆传输系统， BER通常在10-1210-9之间；n包错误率（Packet Error Rate，PER）。是指在 传输过程中发生错误的包与传输的总包数之比（包错误是指同 一个包两次接收、包丢失或包的次序颠倒）；n包丢失率（Packet Loss Rate，PLR）。是指由 于包丢失而引起的包错误。包在传输过程中丢失的原因有多种 ，通常最主要的原因就是网络拥塞，致使包的传输延时过长， 超过了设定到达的时限从而被接收端丢弃。5.2 多媒体通信的服务质量 服务质量（Quality of Service，QoS）是一种抽象 概念，用于说明网络服务的“好坏”程度。由于不同的应 用对网

14、络性能的要求不同，对网络所提供的服务质量期 望值也不同。这种期望值可以用一种统一的QoS概念来 描述。从支持QoS的角度，多媒体网络系统必须提供QoS 参数定义和相应的管理机制。用户能够根据应用需要使 用QoS参数定义其QoS需求，网络系统要根据系统可用 资源（如CPU、缓冲区、I/O带宽以及网络带宽等）容量 来确定是否能够满足应用的QoS需求。经过双方协商最 终达成一致的QoS参数值应该在数据传输过程中得到基 本保证，或者在不能履行所承诺QoS时应能提供必要的 指示信息。5.2.1 QoS参数体系结构 在一个分布式多媒体系统中，通常采用 层次化的QoS参数体系结构来定义QoS参数， 如图5-

15、1所示：应用层Q o S 传输层网络层数据链路层n应用层QoS参数是面向端用户的，应当采用直观、 形象的表达方式来描述不同的QoS，供端用 户选择。例如，通过播放不同演示质量的音 频或视频片断作为可选择的QoS参数，或者 将音频或视频的传输速率分成若干等级，每 个等级代表不同的QoS参数，并通过可视化 方式提供给用户选择。表5-4给出一个应用层 QoS分级的示例。表5-4一个视频分级的示例 QoS 级视频帧传 输速率 (帧/秒)分辨率 /%主观评 价损害程 度5253065100很好细微415245064好可察觉36143549一般可忍受2352034较差很难忍 受11219差不可忍 受n传输

16、层传输层协议主要提供端到端的、面向连接 的数据传输服务。通常，这种面向连接的服 务能够保证数据传输的正确性和顺序性，但 以较大的网络带宽和延迟开销为代价。传输 层QoS必须由支持QoS的传输层协议提供可选 择和定义的QoS参数。传输层QoS参数主要有 ：吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、 分组差错率和传输优先级等。n 网络层网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务。通常，这 种服务是无连接的，通过中间点（路由器）的“存储-转发”机制 来实现。在数据报转发过程中，路由器将会产生延迟（如排队 等待转发）、延迟抖动（选择不同的路由）、分组丢失及差错 等。网络层QoS同样也要由支持QoS的网络层协议提供可选择和 定义的QoS参数，如吞吐量、延迟、延迟抖动、分组丢失率和 差错率等。网络层协议主要是IP协议，其中IPv6可以通过报头中优先级 和流标识字段支持QoS。一些连接型网络层协议，如RSVP和ST II等可以较好地支持QoS，其QoS参数通过保证服务（GS）和被 控负载服务（CLS）两个QoS类来定义。它们都要求路由器也必 须具有相应的