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时间: 2005-1-14 11:16

作者: zjol 标题: 几种新的视频传输技术浅析

　　随着Internet的发展，人们对越来越多的要进行视频数据的传送（如电视会议等）。视频数据对带宽的要求一直都比其它的数据类型要高。现在的网络远远不能适应视频数据传送的要求。现有的电话线路系统能处理点对点的连接，并且可以很快地建立这样的连接。但是传统的电话线路由于能够提供的速率有限已经无法适应视频数据传输的要求。有线电视（CATV）网络也能够用来传输视频数据，但它却是以一对多的模式建立的，因此无法建立点对点的对称式的连接。除此之外，一些分析家认为无线网络也是非常适用于视频传输的一种技术。对用户来讲，究竟该使用哪一种技术，现在还很难给出一个定论。不过这几种方法都有自己的缺点，它们没有一种能够提供一种完美的解决方案。本文我们就对这几种新的视频传输技术进行了分析和比较。

视频传输的基本特点

　　传输MPEG-1电视质量的视频数据通常需要具有120到140kbps数据。而如果要传送和VHS录相带质量相当的图象（352*288，8色、每秒30帧），那就要采用MPEG-2的标准了。对于那些传输量大的远程视频应用系统而言，大约需要500kbps的速度才能使图象达到S-VHS一样的效果。

　　为了让用户能享受到更多的多媒体服务，未来的网络就必须以相同的速度来双向（全双工模式）的传送视频数据。因此这大致需要4到6Mbps的传输速度。视频数据当然需要以连续即时的方式进行传送，如果有个别的信息延迟或相关的声音没有和画面同步，那都一样令人无法接受。因此视频数据不仅对网络的速率要求很高，而且还要求网络有很好的稳定性和可伸缩性。

　　共享式连接通常都不太适合于即时的视频应用系统。如果网络通信量很少，只需采用任何一种目前的高速远程访问技术（如cable modem）就能够为视频通信获得足够的带宽。但是如果许多人都使用与你一样的高速访问技术的话就意味着许多人都会争抢同样的通信通道，因此就不能保证给每个人都分配足够的带宽。

　　虽然专线的价格昂贵，专用的连接享有独占线路使用权的优势。从这一点来讲，专用线路非常适宜于传输大量的视频数据。不过由于专线并未与外部的网络相连，因此它不能将视数据传输到专线用户以外其它用户，这大大限制的专线的应用范围。

　　MPEG压缩数据有一个最大的缺点就是不稳定，不同的编码形式往往产生的压缩效果差别很大。当画面没有很大的变化时，压缩的比率就还不错。当有很多变化的画面连续出现时，压缩的比率就会比较小，所需的带宽也就相应大。在同一个视频文件中，压缩比大约在1:50到1:200之间。因此这就要求传输视频数据的网络有很大的灵活性和可伸缩性。为了解决这样的问题，一些通信协议如ATM就能为用户保留适当的带宽作传输用，它能够根据用户的要求提供不同的质量服务（QoS）。

　　虽然现在的网络还远没有稳定到能够传送即时视频的程度，但近年来出现的几种网络新技术为人们进行视频数据传输带来了新的希望，它们的出现将极大的促进视频数据在Internet上的传输。

传统的电话技术

　　传统的普通老式电话服务（POTS）的带宽比有线电视网络低，但是就电话网络的实际基础结构而言，POTS线路并没有不适合视频通信的地方。电话系统的设计者只是将可用的带宽中最低的4KHz带宽分配来用于电话通信。要想使用原有的电话线路提供高速数据服务，就必须启用较高的频率或是将电话系统转换成数字通信方式，现在有许多的的电话系统都已经实现数字化了，这就为在POTS线路上传输视频通信打下了一个良好的基础。

　　在1996年早期，美国的贝尔实验室就已经设计出多工的系统，该系统可以将语音信号数字化后输送到64Kbps的数据线路中，并且可以将好几条线路合在一个数据帧中传送。现在最常用的就是T1和E1线路（其速率分别是1.555M和2.048M）。但是这些线路每6000英尺便需要一个中继器，这显然是它的一个严重不足。这个系统的另一个缺点出在接口上：在50对的电缆中只能实现一条线路可以达到T1的速率。这也是现在各种数字用户线（DSL）技术能够发挥作用的地方。

　　只要用户将数字Modem安装在线路两端，DSL技术就能在标准铜质双绞线上提供很高的传输速率。现在出现的DSL技术有：

　　ADSL（非对称用户数字线）中现在最常用的DSL技术，它可以传送高品质的视频信号。但是它也有一个缺点，正如它的名称所表示的，它是以非对称的方式来工作的，其下行通信的速率远比上行通信的速率要高。ADSL的下行速率相受距离的影响很大，因此在9000英尺时ADSL能达到8.4Mbps的速率，而在18000英尺的距离时传输速率就会降到1.54Mbps。而上行通信的速率则介于16到640Kbps之间。产生这种限制最主要的原因在于电话系统中电容耦合器（capacitive coupler）的干扰。这说明ADSL是比较适合视频点播（Video on Demand）这样的分布式服务的，而不适用任何点对任何点之间的连接。

　　R-ADSL（速率自适应用户数字线）能够提供的速度范围与ADSL基本相同，但它可以根据双绞铜线的质量的优劣和传输距离的远近动态的调整用户的访问速度。有了R-ADSL，用户就有可能以不同的速度将不同的线路连接起来。连接速度可以在线路初始同步时、连接中或通过从NSP那里发达的特定信号进行选择。

　　HDSL（高速率数字用户线）采用更先进的调制技术，对带宽的需求较少，也不需要中继器。HDSL技术在使用T1线路需要两对双绞线而E1线路则需要3对。HDSL技术是对称的，它为上行通信和下行通信提供同样的带宽。HDSL是各种xDSL技术最成熟的一种，现在它已经在一些电话公司和大学校园里使用。电信公司可以使用它来作来T1/E1线中的替代物，因为HDSL可以在两对铜线上提供1.544Mbps（T1）的速度，在三对铜线上则可以提供2.048Mbps（E1）的速度。尽管HDSL的有效传输距离只有15000英尺，比ADSL短。由于HDSL技术使用两对或三对双绞铜线，因而它很适用于连接PBX系统、数字局域环路、Internet服务商和大学校园网等。 SDSL（单用户数字线）也支持对称的T1/E1传输，但它有两个显著的不同。SDSL只使用一对铜线，其最大有效传输距离为10000英尺。在这个范围内，SDSL将能够支持各种要求上行通信的速度与下行通信的速度一样快的应用，如电视会议和联合计算等。用于SDSL的标准目前还处于发展中，未能最后敲定。

　　VDSL（甚高比特率数字用户线）技术是各种xDSL技术速度最快的一种。在一对双绞铜线上它可以支持13到52Mbps的下行通信和1.5到2.3Mbps的上行通信。然而，这种不对称技术的最大有效传输距离只有1000到4500英尺。在下行通信中，距离4500英尺时速率为12.9Mbps，在1000英尺时则为51.8Mbps。而上行通信的速率在1.6到2.3Mbps之间。除了支持ADSL能够支持的应用外，VDSL由于具有更多的带宽，因而NSP还可以通过它传输高清晰度电视（HDTV）信号。VDSL也是各种xDSL技术中最新的一种，它目前还处于需求和标准定义阶段。

　各种xDSL技术比较
技术速度距离限制应用领域
ADSL/ R-ADSL 1.5-8Mbps（下行）16-640kbps（上行） 18000英尺（12000英尺内速度最快） Internet/Intranet访问、VOD、远程LAN访问、POTS联合计算（只用于R-ADSL）
HDSL 544Mbps全双工2.048Mbps全双工使用2-3对铜线 15000英尺取代T1/E1线路、PBX连接、帧中继、LAN扩展
VDSL 13-52Mbps（下行）1.5-2.3Mbps（上行） 1000-4500英尺 HDTV、多媒体Internet访问
SDSL 544Mbps全双工2.048Mbps全双工只使用１对铜线 10000英尺取代T1/E1线路、联合计算、LAN扩展

　　人们正在将各种DSL技术用于点对点的视频传输，它能够提供的高速度是非常有吸引力的。但是只要它不能改变非对称式的通信模式，那么DSL就不可能使目前的电话网络转成为功能强大的多媒体数据高速公路。

有线电视技术

　　正如DSL能给标准的POTS网络带来新的生命力一样，为了利用现有的有线电视网络来进行高速数据传输服务，厂商们就开发出了cable modem。目前美国和欧洲都在进行cable modem的实验，其目标就是要开发出适合将高容量的有线电视网络用于进行点对点高速通信的方法。视频数据依旧能传送到所有的有线电视用户家中，但是可利用modem过滤出特定用户的信息。这样就可以建立一个有线电视用户到有线电视提供者之间的虚拟的点对点连接。

　　但是大部分的有线电视公司现在都还不能进行双向的交互通信。为了克服这个不足，有线电视公司就必须在有线电视网络中增加相应的路由器。而这样做的成本是比较高的，估计每位客户要500美元，如果再加上cable modem的成本，花费可能还要增加一倍。

　　当然与cable modem能带来的高速率相比，这点花费也是值得的。从理论上讲，有线电视网络的连接速度可以高达30Mbps，但是现实生活中往往只能达到原来的三分之二，甚至变得只与ADSL的速度差不多。原因很简单，有线电视网络的带宽是由许多用户共用，就如同局域网络上的用户共享局域网带宽一样。

　　Motorola推出了一种cable modem的解决方案。这项方案包括了cable modem以及用户访问数据的软件，而网络所需的路由器将装置在两端的接口上，并且使用混合同轴光缆（HFC）来连接本地或远程的IP网络。在CableComm的解决方案中，每条通道需要6MHZ的下行带宽，总共约需65到750MHz的带宽。有线电视路由器能管理整个系统中的modem，并且将它们随时转换到可用的通道上。每一条下行的通道都会提供30Mbps的速度，上行的通信速率则为768Kbps。由于所有的数据都会传送到连接在网络上的所有节点，因此系统使用每个modem独有的专用密钥对信息进行加密，以保护用户的信息安全。

　　光纤和有线电视的同轴混合网络将在开发点对点的视频网络中起到重要的作用。单一的光纤网络每秒可以传送高达3乘10的13次方（请编辑同志将其写成指数的形式）字节的数据，或是可以换算成4亿5千万条具有数字质量的电话线路。HFC是一种光纤组成的混合通信网，它的主要功能是传送远距离的数据，而同轴有线电视网络则提供局域性环路的连接。现在有一些专家建议将高带宽的线路及现有的有线网络设施结合起来就能够HFC成为视频应用系统理想的基础平台。但是采用这种方法最大的缺点就在于建设成本过高。大规模的部署HFC需要大量的新的电缆。在现代的城市中要想重新挖沟埋线是很困难的，而在人口较少的地区铺设线路又很难收回投资。有关专家估计估计建设新的高速有线网络每个用户的成本大约要700美元。

无线访问技术

　　要解决现在的电话网络和有线电视网络中所面临的诸多技术问题的一个重要方法就是直接采用无线电通信。以卫星网络为例，采用无线电方案的优点有很多，如它具有可伸缩性、高带宽、高稳定性以及以极短的建立时间即能通达任何地方的能力。

　　欧洲的一些用户已经体会到了卫星通信所带来的好处。例如属于Astra系列的直接广播卫星，已经可以将数百个电视及广播的频道传送给成千上万个客户。但是无线电高速网络也有它的不足之外。有两个例子可以说明这个问题，第一个是Hughes Network System的DrectPC，DirectPC可以从同步通信卫星上直接将数据传送到用户的PC所连接的碟形天线上。直接的卫星广播虽然可以减少对厂商基础设施的投资，但用户得自己购买所需的卫星接收设备。从天线、接收器、ISA接口卡到软件的成本大约要花1000美元。而且安装接收设备也需要专业的人员才能完成

　　通过DirectPC访问Internet访问的收费将根据使用量而定。这里所称的使用量是以数据通信量而并非使用时间的长短来确定的。比方如在线路忙时每传输百万字节你要付60美分，而在线路空闲时每分种可能就得付80美分。用户还可以使用月租的形式，如每月限量30M的数据量收费15.95美元，而130M的数据量收费39.95美元。使用DirectPC也需要从提供商（如卫星站的经营者）那里获得个拨号帐号。为什么需要拨号帐号呢？虽然DirectPC能以广播的方式传送数据到用户的碟形天线，但是用户却不能在没有将自己的PC连接到卫星站就将数据传送到卫星上。与此相反的是下行的通信则采用传统的模拟modem通过在标准的SLIP/PPP连接上，拨接至本地的ISP上。这种做法就导致了网络的高速非对称性：下行的速度为400Kbps，而上行的速度则为28.8Kbps（根据modem的速度而定）。下行的速度显然要比上行的28.8K的modem快14倍以上，但这与有线电视modem及ADSL所能传输的速度相比显然还差了一大截。

　　事实上，DirectPC可提供的下行速率最大可达到11.79Mbps，但是这个速率是在单一的卫星转发器上被众多的用户共享的。Huges表示，只要用户有更多的需求它就能够增添足够的转发器。然而由于下行通信使用的是模拟modem，因此下行通信的速率是很受限制的，这个不足使得DirectPC只能使用在非对称式的应用系统上，如Web浏览和软件分发等。但对于Web的出版应用、电视会议而言，DirectPC都不是一种理想的解决方案。

　　另外一种高速无线电方案是局域性多点分布式服务（LMDS），这是一种双向的数字式广播系统，它不象人造卫星那样主要利用地面设备进行数据的收发。LMDS需要使用到RF频谱的一小部分，美国政府原打在去年夏天拍卖这些频道，而这些频道的买主就必须要建立一个新的基础结构才能开发利用LDMS。

　　LMDS将会使用IGHz的波段，这个波段最高的频率是28GHz（在加拿大是27GHz）。由于频率如此之高，所以用户的碟形天线就可以比DirectPC采用的还小（也许直径只有9到12寸）。用户的天线要指向建在附近屋顶或塔顶上的集线站。集线站中有许多用来和网络中心通信的转发器。这个通信中心和有线电视系统的head-end有类似的作用：它处理所有的路径选择、线路交换以及桥接到Internet的问题。虽然LMDS不是一个完全的交换式网络，但是它仍可以建立起虚拟的点对点连接。

　　正如其它高速有访问方案一样，LMDS也是非对称的系统。它将1GHz的带宽分出850MHz作为下行通信使用，其余的150MHz作为上行通信用。正交相移键控（QPSK）的调制方式能产生1.3Gbps的下行速率和240Mbps的上行速率。根据网络设计的要求，LMDS会将许多用户指定到不同的信道上，而这些信道的带宽大约在20MHz到40MHz之间。每一个信道原本可以传送32到64MHz的原始带宽，但是由于要处理纠错以及其它的问题，因此真正可用的就带宽只剩下25到50MHz了。

　　用户需要一个比较特殊的LMDS modem来接到以太网通信接口上，因而这个通信接口会把LMDS的通信速率限制在10Mbps以下。正如同cable modem一样，实际的通信速率将由同一个通道上的数据量以及电脑的输出入效率决定。

　　支持者们都希望以每个使用者1000美元的成本部分大规模的LMDS网络，这将包括modem及集线站的成本，不过不包括使用RF频率的成本。假设LMDS网络能趋近这一价位，那么就有可能对用户产生吸引力。

　　总之，不论将来的高速访问技术是有线的还是无线的，但经过优胜劣汰以后最后总有一种方法终将成为主流的方案，而其它的方案只能起到次要的或补充的作用。

协议和标准

　　与传送视频数据有关的协议和标准现在有许多都在处在发展中。ATM就可以集成视频、数据和声音。ATM是以固定的长度来封装数据包，以达到快速交换的目的。ATM信元(Cell)的长度为53字节，其中包含有5比特的首标用于错误控制、地址信息以及优先控制权等，其余的48比特才用来携带数据。由于ATM是一种面向连接的通信方式，因此就象打电话一样，ATM将会把第一个暂存器中的内容传送给的接在通道上的所有交换机。每一个信元就由交换机来传送到下一个节点。数据流本身不必考虑路径选择的问题，这种透明的传输方式使ATM具有很强的可伸缩性。而且ATM的连接的成本将由所传送的数据量大小而定，和距离没有关系。ATM网络能够提供的速度可以从25Mbps一直到超过1Gbps。除此之外，ATM的交换装置能以透明的方式来动态调整各个设备之间的数据传输率，因此所以它非常适宜于点对点的视频传输。

　　ATM最大的缺点在于产品推出的速度太慢，而且使用的成本太贵。但是这种情况已经有所改变，现在芬兰和德国很快就会实现ATM网络的商业化。除了ATM外，还有一些其它的通信协议可用于供视频网络。分布排队双总线（DQDB）在双工的模式下可以提供34到140Mbps的传输速率。DQDB采用两个不同方向的总线(bus）来将数据传送到所有连接的点上。这个总线的端点将会产生空数据封包，然后将其传送到其它的节点上以查询是否有需要传输的信息。如果有的话，这些信息就会被传送到接收端的节点，每个cell的作用就如同容器一样。

　　DQDB是一种非连接的网络：每一个cell都是携带足够的路径信息，而各端点之间的通信速率也不一样。一个cell的长度也是53比特，其中5比特为地址信息，这和ATM cell的长度和格式都一样，因此彼此的结构将能够兼容。双总线的结构增加了重复性，这样可以大大提高DQDB的稳定性。因为即使一条通道完全不通，系统也会在数秒之内即可完成重新设置。

　　宽带的ISDN(B-ISDN）也可以用于视频传输，它能够以150Mbps以上的速率传送视频和其它的数据。B-ISDN主要采用光纤加上时分多路复用（TDM）网络技术。在美国，B-ISDN是以同步光纤网络（SONET）为基础的，在欧洲B-ISDN则是以同步数字分级技术为基础的。就因为它是以光纤为基础的，因此B-ISDN将可以提供比目前的以DSL技术为基础的ISDN更高的数据传输速度及较低的错误率，并能提供同步及非同步的数据传送功能。

　　结束语未来究竟什么技术最适宜于视频网络呢？在最理想的情况下，人们将能够在现有的光纤网络上采用ATM协议来传送高质量的即时图象。但是要实现这一点，首先要解决上面我们讲到的种种问题。现在的电话线和有线电视网络也可以用来传输视频数据，不过从技术上讲这两种方式现在还不够成熟。因此在目前光纤的价格还是太贵的情况下，利用人造卫星及无线电系统进行视频通信不失为一种最经济有效的方式。

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