实现视频通信业务的关键技术

2011-06-27钮颖彬

电信科学 2011年1期

凌颖，钮颖彬

（中国电信股份有限公司上海研究院上海 200122）

1 概述

随着通信市场的不断发展，竞争形势越来越严峻，移动分流加剧，传统固网用户的ARPU值呈逐年下降的趋势。在这种市场竞争情况下，为了保证中国电信业务的长期可持续发展，实现中国电信向综合信息服务提供商转型的目标，其中宽带网络和基于宽带网络上开展的宽带增值业务，如视频通信业务就是转型业务中的重要发展方向。

视频通信业务是指基于宽带互联网络，以IPTV机顶盒、PC客户端以及3G VT手机等具有视频编解码能力和视频显示能力的设备作为终端，通过视频互通网关实现视频通话的业务。不同网络之间的视频互通不仅能够更好地促进IPTV业务的发展，增加固网用户的粘合度，而且还能够加速3G移动视频业务的发展。

要实现不同网络终端之间的视频互通，就必须解决音视频编解码转换、协议转换等问题，本文主要分析影响不同终端视频互通的关键要素。

2 视频互通的关键技术

2.1 媒体转换要求

由于IPTV、PC客户端、VT手机的屏幕大小、设备性能存在差异，不同类型的终端媒体支持能力各不同，因此需要引入视频互通网关来实现媒体转换。如果要实现视频互通需要解决以下几个媒体转换的问题。

2.1.1 分辨率转换

视频分辨率是指视频成像产品所成图像的大小或尺寸。由于视频互通终端IPTV、PC、手机的屏幕大小差别很大，支持的分辨率也有所不同。

·标清机顶盒上采用的分辨率是320 dpi×240 dpi或352 dpi×288 dpi（CIF），高清机顶盒上采用的分辨率是 640 dpi×480 dpi或 720 dpi×576 dpi（D1）。

·PC客户端上采用的分辨率是 352 dpi×288 dpi（CIF）或 176 dpi×144 dpi（QCIF）。

·VT手机上采用的分辨率是176 dpi×144 dpi（QCIF），352 dpi×288 dpi（CIF）可选。

在视频互通过程中，图像分辨率通常只能适配较低的一方，即视频互通网关能够将高分辨率转换成低分辨率，但不能将低分辨率转换成高分辨率。

在视频互通过程中，图像分辨率通常只能适配低的图像分辨率，IPTV上显示的分辨率只能与VT手机上的分辨率相同，即 CIF（352 dpi×280 dpi），显示在 IPTV 中央，图像尺寸为IPTV的1/4窗口大小，图像尺寸大小可以拉伸至全屏，但分辨率不变，由电视机进行适配。

2.1.2 帧率转换

帧数（f/s）或者说帧率是指1 s时间里传输的图片数量，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。

·IPTV机顶盒PAL制式的帧率是标清不低于15 f/s，高清不低于25 f/s；

·PC客户端的帧率是15～30 f/s；

·VT手机通话期间帧率有可能会改变，取值范围是5～15 f/s。

帧率越高，通常码率就会越高。在带宽高的情况下，帧率高能够获得高的图像质量，但是如果带宽不高的情况下，较低帧率反倒能获得更好的图像质量。

2.1.3 码率转换

码率是视频码流的传输速率，也就是经过视频压缩后每秒产生的数据量。同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。

·IPTV机顶盒的码率是标清不低于384 kbit/s（ADSL接入），高清不低于 800 kbit/s（ADSL2+接入）；

·PC客户端的码率是128～768 kbit/s；

·VT手机的码率是64 kbit/s。

通常IPTV视频流传输是基于ADSL（非对称数字用户环路）宽带接入的，即为用户提供的是上、下行非对称的传输速率（带宽）。而视频通话时，上下行的传输带宽应该是对称，上行带宽应该与较低的下行带宽相同。通过几种配置的测试比较，对于ADSL2+的环境，码率为384 kbit/s（最大带宽450 kbit/s，平均带宽230 kbit/s），帧率为25的视频质量比较好；对于ADSL的环境，码率256 kbit/s（最大带宽300 kbit/s，平均带宽130 kbit/s），帧率为15的配置视频质量要比码率200 kbit/s（最大带宽260 kbit/s，平均带宽170 kbit/s），帧率为15 f/s的要好些。

2.1.4 编码格式转换

为了适应不同应用的需求，在 MPEG-2、MPEG-4、H.264、VC-1等编码标准中，都定义了档次和等级。档次即Profile，定义了对应比特流语法的限定子集。等级即Level，根据特定档次，定义了对应采用的限制参数集合。一个Profile可包含一个或多个Level，不同档次和等级组合。定义了适合一类应用需求的解码器能力，包括分辨率、速率和解码参数等。档次和等级越高，对应的清晰度越好，相应的速率也越高，解码越复杂。

（1）IPTV机顶盒的视频电话编码标准

①视频编码要求

·标清：H.264 Baseline Profile@Level 3、Main Profile@Level 3或以上，可选H.263 Profile 0 Level 10或以上。

·高清：H.264 Main Profile@Level 3、High Profile@Level 3或以上，可选H.263 Profile 0 Level 10或以上。

②音频编码要求

机顶盒终端必须支持G.711音频编码格式。

（2）PC客户端的视频电话编码标准

①视频编码要求

·PC客户端必须支持H.263 Profile 0 Level 10。

·PC客户端必须支持MPEG-4 Visual Simple Profile Level 0。

②音频编码要求

PC客户端必须支持G.711和G.729音频编码格式。

（3）VT手机的视频电话编码标准

①视频编码要求

·视频电话终端必须支持H.263 Profile 0 Level 10。

·视频电话终端可以支持H.263 Profile 0 Level 45。

·视频电话终端可以支持MPEG-4 Visual Simple Profile Level 0b。

·视频电话终端可以支持H.264/AVC Baseline Profile在 Level 1，并具有 constraint_set1_flag=1。

·如果视频电话终端同时能够支持并具有资源使用H.264/AVC和/或MPEG-4，那么SDP提供模式中的视频m行应该使H.264/AVC和/或MPEG-4比H.263具有更高的优先级。

②音频编码要求

·视频电话终端必须支持EVRC或EVRC-B音频编码格式。

·视频电话终端必须支持AMR音频编码格式。

·如果移动终端使用的芯片支持第4代声码器EVRC-B，那么终端可以支持EVRC-B声码器。

·移动终端可以支持13k QCELP语音编码器。

·音频应采用速率填充、成束机制。

综上所述，各类终端媒体需要转换的关键参数如表1所示。

2.2 协议转换要求

IPTV机顶盒、PC客户端、VT手机之间进行视频通话，由于都是基于IMS网络，协议不需要进行转换，视频互通网关只要完成媒体格式转换。

而当IPTV机顶盒和e家客户端进行视频通话时，由于机顶盒终端是基于IMS网络的，而e家客户端是基于软交换网络的，由于互通终端处于不同网络中，协议需要进行转换，可以由IMS网络中的MGCF实现SIP和SIP-I的信令转换，视频互通网关完成媒体格式转换。

2.3 视频互通网关

实现IPTV机顶盒与PC客户端/e家客户端、VT手机视频互通的视频互通网关（VIG）的模型如图1所示。

VIG：实现IPTV机顶盒与PC客户端/e家客户端、VT手机视频互通的互通功能实体，VIG视频互通网关中包含SIF和MIF功能模块。

SIF：控制互通双方在SIP信令中完成媒体协商，当主被叫媒体类型不一致时，SIF将控制MIF参与媒体协商。

MIF：当主被叫媒体类型不一致时，在会话建立后实施媒体流的转换。SIF通过H.248/SIP协议控制MIF。

在IMS网络中，实现IPTV机顶盒与PC客户端、VT手机视频互通时，VIG视频互通网关实体设置在AS/MRF上。其中，AS进行信令互通，实现SIF的功能；MRF进行媒体互通，实现MIF的功能。

当IPTV机顶盒与e家客户端之间需要实现IMS网络和软交换网络的视频互通时，VIG视频互通网关实体设置在MGCF/IM-MGW上。其中，MGCF控制IMS网络到软交换网络信令层面的互通和媒体能力的协商，实现SIF的功能；当主被叫媒体类型不一致时，IM-MGW实施IPTV机顶盒与e家客户端的媒体流转换，实现MIF的功能。

在现网中，如果有些MGCF不支持VIG视频互通转换功能，则VIG中不实现IMS网络到软交换网络的信令转换，由MGCF实现信令转换；VIG实现媒体流转换。

VIG作为IMS网络以及IMS与软交换互通网络中的实体在进行视频互通时，采用B2BUA模式。

当视频互通双方媒体能力协商不成功、无法直接互通时，可由VIG分别与互通双方进行进行媒体协商，并实施媒体流的转换。

当视频互通双方媒体能力协商成功时，媒体流可直接在互通双方间传送，不需要经过VIG，以节省VIG的资源。

2.4 终端要求

2.4.1 硬件要求

视频通信能力对终端处理能力的要求是比较高的，PC的处理能力本来就很强，在PC上实现视频通信基本没有什么问题。

表1 各类终端媒体需要转换的关键参数

支持视频通信能力的IPTV机顶盒需要有专门处理视频编码的处理器，处理器的能力至少要在450 MHz以上。

而在手机终端上无论是用硬件方式，还是软件方式实现音视频实时编解码，均对终端处理能力有较高要求。采用硬件编解码，相对软件方式可降低系统压力，高通MSM6150以上芯片支持视频通信业务处理，但仅对高通平台ODM厂家开放；而用软件方式实现实时性音视频编码对CPU处理能力要求高，主要采用单芯片双核处理器或双芯片方案实现，单芯片双核处理器方案建议至少采用高通MSM7500以上芯片系列，至少达到500 MHz的处理能力。

2.4.2 软件要求

IPTV机顶盒与PC客户端/e家客户端、VT手机进行视频通话时，终端必须支持SIP协议，SIP消息的SDP描述必须符合以下要求。

H.264的描述遵循RFC3984，举例如下：

m=video 49170 RTP/AVP 98

a=rtpmap:98 H264/90000

a=fmtp:98 profile-level-id=42A01E;packetization-mode=0;

sprop-parameter-sets=Z0IACpZTBYmI,aMljiA==

MPEG-4的描述遵循RFC3016，举例如下：

m=video 49170/2 RTP/AVP 98

a=rtpmap:98 MP4V-ES/90000

a=fmtp:98 profile-level-id=1;

config=