基于IMS的IPTV架构及其对IMS网络架构的影响分析图文精.docx
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基于IMS的IPTV架构及其对IMS网络架构的影响分析图文精
研究与开发
1引言
IMS（IP多媒体子系统作为下一代融合网络的核心,其
开放和灵活的网络架构为运营商网络提供了前所未有的业务融合、多媒体承载和处理能力。
VoIP、即时消息、状态呈现、视频、PoC、多媒体会议等业务均可基于IMS进行实现,同时IPTV业务也可基于IMS进行提供。
目前基于IMS的
IPTV（即IMS-IPTV已成为各标准化组织的研究热点之
一。
随着国内外运营商IMS测试、试点以及商用进展的不断推进,IMS在国内外的规模部署正在逐渐形成,为包括IMS-IPTV在内的多媒体业务发展起到了积极的推动作用。
2IMS-IPTV标准化研究进展
国际各大标准化组织在IPTV方面的相关研究工作已
持续多年,其中以ETSITISPAN和ITU-T的研究成果最具代表性和影响力。
这两个标准化组织均对基于IMS的IPTV业务进行了较为深入的研究,均认为基于IMS的IPTV是未来的IPTV业务的重要发展方向。
2.1ETSITISPAN和ITU-T的IMS-IPTV研究进展
ETSITISPAN对IMS-IPTV的研究包括IMS-IPTV系统
架构和参考点[1]、IMS-IPTV接口协议和IMS-IPTV业务流程[2]以及IMS-IPTV用户网络的体系架构和参考点[3]。
ITU-T提出了IPTV体系架构的三种不同方案,分别是:
Non-NGNIPTV、NGNNon-IMSIPTV、NGNIMS-BasedIPTV。
ITU-T针对IPTV三种方案（包括IMS-IPTV分别详细地定
义了体系架构、参考点及主要业务流程。
ITU-T对IMS-IPTV没有单独规范文档,相关内容整合在IPTV体系架构文档中[4]。
2.2ETSITISPAN和ITU-T的IMS-IPTV研究异同
（1共同点
ETSITISPAN和ITU-T组织所规范的IMS-IPTV在一
些方面具有共同点。
从高层次的功能架构上看,ETSITISPAN和ITU-T组织所规范的IMS-IPTV体系架构具有一定的共性。
图1和图2
在电信网、广播电视网、互联网三网融合的趋势下,基于IMS网络提供IPTV业务是IPTV近年来的主要发展方向之一。
各国际标准化组织已经进行了较为深入的研究工作。
本文首先介绍各标准化组织的相关研究进展,而后针对IPTV业务的特点,在国际标准化组织研究基础上提出基于IMS的IPTV体系架构并进行分析,最后着重分析IPTV业务对IMS网络的影响。
关键词
IMS;IPTV;系统架构;业务;影响
基于IMS的IPTV架构及其对IMS网络架构的影响分析*
张
茜1,王亚晨2,赵
耀
1
（1.北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京100876;
2.中国移动通信有限公司研究院北京100053
摘要
*中国移动通信有限公司研究院横向合作基金资助项目（IMS可运营可管理关键问题解决方案,国家“973”计划基金资助项目（No.2009CB320406,国家“863”计划基金资助项目（No.2008AA01A317
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图1ITU-TNGNIMS-BasedIPTV架构
图2ETSITISPANIMS-IPTV架构
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分别是ETSITISPAN和ITU-T的IMS-IPTV体系架构,它们都包含若干相同功能模块。
其中应用功能（applicationfunction/applicationandIPTVservicefunction主要完成IPTV业务逻辑,包括用户IPTV业务选择与发现功能、内容准备与保护功能。
内容分发存储功能（contentdeliveryfunction/mediadelivery,distributionandstoragefunction是IPTV架构中的一个特殊模块,接收来自应用层功能中内容准备功能的内容,完成内容分发存储控制和内容分发存储。
网络传输层（NGNtransportstratumfunction/transportfunction主要由传输控制功能和传输功能组成。
传输控制功能主要完成策略控制、资源预留与接入控制。
传输功能主要完成媒体流的物理层传输。
从细粒度的模块功能上看,ETSITISPAN和ITU-T组织在IMS-IPTV架构上定义的相同点主要包括以下几个方面。
·ETSITISPAN和ITU-T组织的IMS-IPTV将IMS网
络作为IPTV业务的核心控制架构,并都在一定程度
上沿用了3GPPIMS架构中的参考点。
·体系框架中都强调了内容媒体相关功能,即内容提
供模块和内容分发存储模块。
内容提供是IPTV业务
产业链中的关键一环,只有规范的内容提供和完善
的内容安全保护才能保障IPTV业务良性发展。
IPTV内容分发存储网络的策略和分发效率直接影
响到IPTV业务性能、网络资源占有量和利用率、
IPTV业务网络伸缩性等。
·ETSITISPAN和ITU-T组织的IMS-IPTV都提出
IPTV系统需要支持单播与组播两种分发方式。
在内
容分发和底层传输相关模块都涉及到对单播和组播
两种分发方式的考虑。
·ETSITISPAN和ITU-T组织的IMS-IPTV都采取了
NASS（网络附着功能子系统/NACF和RACS（资源
及接纳控制子系统/RACF作为传输/承载层功能实
体,分别实施资源分配和QoS保障。
（2不同点
ETSITISPAN和ITU-T组织对IMS-IPTV架构上的定义不同点表现在以下几个方面。
·在体系架构上,TISPANIMS-IPTV在应用层重点突
出了业务选择功能（SSF和业务发现功能（SDF,而
ITU-TIMS-IPTV在应用层上重点突出了内容准备功
能（contentpreparationfunction。
·在参考点上,TISPAN和ITU-TIMS-IPTV都沿用了
大部分3GPPIMS的功能实体和参考点。
二者参考
点的不同主要体现如下。
首先,ITU-T定义的
IMS-IPTV架构图中UE模块与内容分发存储模块有
直接接口,即内容分发控制接口和差错恢复接口
（E5-Cu/E4;UE模块与网络传输模块有直接接口,
即多播内容传送接口（E5-Cm;应用层与内容分发
存储模块有直接控制接口。
TISPANIMS-IPTV架构
中以上三种情况都需要通过IMS核心控制进行交
互;其次,ITU-TIMS-IPTV对应用层功能实体和内容
分发存储功能实体进行了较为详细的细化,同时定
义了它们子功能模块间及与其他模块的交互接口,
而TISPANIMS-IPTV对应用层和内容分发存储模块
定义粒度较粗,接口定义相对较少;最后,虽然
TISPAN和ITU-TIMS-IPTV体系架构都沿用了3GPP
IMS定义的用户数据单元（HSS,但ITU-TIMS-IPTV
中的用户数据单元serviceuserprofilefunctional
block只与IMS有交互,接口为Cx,而TISPAN中的
用户数据单元UPSF沿用了3GPPIMS中HSS与其
他功能实体的接口交互方式,包括与IMS交互接口
Cx及与应用层交互接口Sh,从这方面看,TISPAN的
UPSF在部署上更具有可行性。
3基于IMS的IPTV体系结构
IPTV是具有单组播特点、交互性强、并发用户数量大、网络数据量大的业务,并且是基于点到多点的存储型业务。
为了提高网络服务器资源和带宽资源利用率,IPTV业务需采取内容分发技术进行数据通信。
除此之外,在主要基于点对点会话型业务的IMS网络之上部署IPTV业务对IMS具有多方面的影响。
为了便于分析IPTV业务对IMS的影响,本文在分析ITU-T及TISPANIMS-IPTV基础之上提出IMS-IPTV的分层架构图（如图3所示。
其中,由于内容分发对IPTV业务网络的重要性,该架构图在采取IMS网络分层架构基础上提出了分发层。
IMS-IPTV分层架构分为应用层、IMS控制层、分发层、传输/承载层。
以下对各层详细展开叙述。
3.1应用层
业务发现功能（SDF和业务选择功能（SSF向用户提供IPTV业务选择所需的相关信息。
IPTV业务控制功能（SCF是一个SIP应用服务器,负责处理IPTV业务逻辑。
同
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图3IMS-IPTV分层架构
时,SCF还应该能与IMS网络中的其他应用服务器（如呈现、即时消息等业务交互,具有向用户提供混合业务的能力。
数字版权管理模块（DRM负责数字内容的版权保护以及内容生命周期的管理和控制。
3.2IMS控制层
呼叫会话控制功能（CSCF负责多媒体会话的建立、控制和管理,包括代理CSCF（P-CSCF、问询CSCF（I-CSCF及服务CSCF（S-CSCF。
用户数据单元（UPSF是集中的用户数据库系统,存放用户的认证信息、业务信息以及漫游信息等,等同于HSS。
媒体控制功能（MCF负责从应用服务器接收指令,控制媒体分发功能（MDF对媒体流进行存储分发。
3.3分发层
媒体分发功能负责多媒体处理、多媒体内容存储分发以及单组播分发功能的实现。
根据具体的内容分发实现方式（如采用CDN或P2P的方式,MDF可以不是一个具体的功能实体,而是一个叠加网,具体网络实体也根据相应的实现技术来确定。
3.4传输/承载层
传输/承载层负责对IPTV单组播资源的分配和传输,并保障IPTV业务的QoS。
IMS-IPTV系统要求传输/承载层对网络资源具有一定的可知性和可控性。
该层沿用TISPANR1定义的NASS来进行内容传输控制,即为网络层提供用户身份鉴定,接入网络IP地址空间管理,接入会话鉴权,根据用户属性进行接入网的资源配置和用户位置管理等。
同时该层沿用TISPAN定义的RACS提供接纳控制、资源预留、策略控制和关口控制（NAT转换控制。
该层可支持多种接入方式,包括xDSL、WLAN、WiMAX、3G、Internet等。
4IMS-IPTV对IMS的影响分析
以下根据IMS-IPTV分层架构图分层讨论IMS-IPTV对IMS网络的影响。
4.1对应用层的影响
IMSIPTV系统在应用层中除了提供对IPTV业务的逻辑控制功能之外,还需提供IPTV业务的用户交互功能。
首先表现在业务选择功能（SCF和业务发现功能（SDF,应用层需要提供明晰的节目单和业务导航能力,需要大信息量检索技术以应对复杂、海量的内容检索需求。
其次表现在业务控制单元（IPTVAS需要满足用户对IPTV业务的交互性控制功能,包括快进、快退等。
这决定了SCF在支持SIP之外,还需要支持RTSP等媒体交互控制协议,完成媒体控制交互功能。
另外应用层还需要内容管理技术对内容进行保护,体现为DRM模块。
4.2对控制层的影响
IMS-IPTV系统在控制层对媒体控制功能（MCF有较高要求。
MCF是原有IMS架构中MRFC的扩展。
在图3架构中MCF控制媒体分发功能。
MCF在现网部署时可以是媒体服务器,其功能除了管理控制MDF的媒体处理（包括媒体流的混合、音频码的转换、媒体分析、视频压缩编解码
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等,还需对MDF进行内容分发和内容定位控制;对组播和单播进行控制;对其控制的不同MDF的状态和内容分布进行精确监控;在一个MCF控制多个MDF的情况下选择一个MDF,将选择结果返回SCF。
4.3对分发层的影响
分发层是在原有IMS网络架构上新增加的叠加网络,其网络结构由采用的具体内容存储分发技术而定,例如可以采用IP组播、CDN或P2P等技术。
MDF需实现内容分发存储和传输/承载层的组播单播策略。
ITU-T提出了IPTV基于CDN的IPTV业务分发和基于P2P的IPTV业务分发等几种组播方案,不同的组播方案有不同的网络部署。
目前国内运营商较为关注CDN,如中国电信和中国联通已构建自运营的CDN,中移动也提出下一代内容分发网络（NG-CDN的概念,可以为IPTV业务提供统一的内容分发平台。
CDN是一种基于C/S结构的媒体服务技术,它采用策略将内容分发到距离用户最近、服务质量最好的节点,同时后台自动地将用户调度到相应节点,为用户提供服务。
使用CDN作为IPTV分发网络改善了网络拥塞状况,提高了用户访问速度,减轻了骨干网的压力。
同时CDN易于提供IPTV的内容版权管理和用户管理,易于提供QoS保障。
但CDN流媒体服务器出口带宽大,对流媒体服务器处理能力和负载均衡能力要求高;由于是C/S模式,服务器处理能力和网络带宽将限制网络中IPTV业务并发用户数量,将成为IPTV业务发展的瓶颈;大规模建设CDN也需要较大的网络建设和维护成本。
P2P打破了C/S的结构模式,是一种基于对等节点非中心化服务技术,流媒体服务器和其他用户都可以作为用户的内容来源。
P2P方式作为IPTV分发网络对流媒体服务器性能要求低,降低了对媒体服务器出口带宽的要求。
但P2P在IPTV内容版权和用户管理上不易实施监管,不易于提供QoS保障。
4.4对传输/承载层的影响
传输/承载层负责对IPTV单组播资源的分配和传输,并保障IPTV业务的QoS。
功能上要求传输/承载层具有资源预留和接纳控制功能:
允许在网络不同段（segment（接入、集中和核心网上请求并分配单组播承载资源,并且能为IPTV及非IPTV会话灵活分配资源;快速适应组播和单播的切换。
此外,传输/承载层必须保证IPTV业务的QoS。
下面以直播和点播业务为例给出IPTV业务QoS的主要参数和业界较为认同的参考值[5],如表1所示。
4.5对终端的影响
IPTV终端主要有3种类型:
PC+软件播放器、STB（机顶盒+TV及移动多媒体手机。
在IMS架构下可实现三种终端的融合,终端可支持xDSL、WLAN、WiMAX、3G、Internet等接入方式中任意一种。
IMS-IPTV终端除了实现一些常用功能（主要包括直播、点播、时移等基本业务和部分扩展业务、EPG功能、交互功能（快进、快退、暂停、停止等、管理功能、安全功能等,还需要满足以下特定的功能需求。
（1媒体处理能力要求
在编解码方面,视频编解码标准需支持H.264/MPEG-4/AVS,这些视频编解码标准较受业界追捧。
音频编解码标准较受关注的主要有AC-3/MPEG-1Layer2/MPEG-2AAC/MP3等。
在图像要求方面,常规IPTV-STB要求支持分辨率为480p、720p和1080p等格式的图形显示,支持16∶9和4∶3编码图像及二者的信号转换。
若为高清IPTV,则IPTV-STB需支持720p或1080p的图形显示,支持16∶9的编码图像。
（2通信协议要求
机顶盒需实现的协议主要有IP、IGMP（Internet组管理协议、SIP、RTP（RFC3550/RFC3551,音视频流的实时传输协议、RTSP（RFC2326,媒体播放控制的实时流协议等。
（3性能要求
STB的性能依据IMS-IPTV业务网络的QoS而定,其影响音视频质量的因素有STB处理时延、编解码质量和缓存大小等。
这里重点讨论对网络状态的容限:
STB时延抖动、丢包率和网络时延。
一般环境下缓存时间建议在5s内（根据业务种类不同会略有调整,例如点播建议在5s内,直播建议在1~3s。
标清视频以2Mbit/s为例,5s应缓存约10Mbit的数据,
QoS指标
频道开始时延频道切换时延抖动丢包率直播业务≤3s≤1s≤50ms≤0.1%点播业务≤5s≤1s≤50ms≤0.1%表1两种IPTV业务QoS参数比较
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电信科学2009年第9期即1.25MB；高清视频以10Mbit/s为例，5s应缓存约50Mbit的数据，即6.25MB。
除此之外，STB终端需支持IMS传输/承载网上相应的单组播策略和QoS策略。
因其网络的不同，终端将提供例如视频解码器差错控制隐藏等相应机制以满足QoS要求。
IMS-IPTV架构基础上分析了IMS-IPTV对IMS网络各层的影响。
相信在不久的将来，运营商对IMS的商用和对IPTV的推广，将推动整个IPTV产业的发展，随之带动IMS-IPTV融合业务的长足发展。
参考文献1234ETSITS182027.IPTVarchitectureIPTVfunctionssupportedbytheIMSsubsystem,2008ETSITS183063.IMS-basedIPTVstandard,2008ETSITS185009.ArchitectureandreferencepointsofacustomernetworkdeviceforIMSbasedIPTVservices,2008ITU-TFGIPTV-DOC-0181.IPTVarchitecture,20075结束语基于IMS的下一代融合网络的发展将会给IPTV业务的发展带来新的契机，同时IPTV业务本身也对IMS网络提出了更高的要求，对IMS网络带来一定影响。
本文在分析了国际两大标准化组织ETSITISPAN和ITU-T的IMS-BasedIPTVArchitectureAnalysisandtheInfluenceofIMS-BasedIPTVonIMSNetworkZhangQian1,WangYachen2,ZhaoYao1（1.StateKeyLaboratoryofNetworkingandSwitchingTechnology,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China；2.ChinaMobileBeijingResearchInstitute,Beijing100053,ChinaAbstractWiththetendencyofconvergenceoftelecommunicationsnetwork,broadcastandTVnetworkandInternet,IMS（IPmultimediasubsystem-basedIPTVrepresentstheevolutionarydirectionofIPTVdevelopmentinthenearfuture.InternationalstandardizationbodieshavebeenworkingonIMStoenableprovisionofIPTVservices（IMS-IPTV.ThispaperfirstlypresentsthecurrentstandardizationeffortsofIMS-IPTVinETSITISPANandITU-T.Secondly,itpresentstheIMS-IPTVlayeredarchitectureandanalysisbasedontheIMS-IPTVservicecharacters.Finally,itprovidesanalysisoftheinfluenceofIPTVservicesonIMSnetwork.KeywordsIMS,IPTV,architecture,service,influence（收稿日期：
2009-06-22）!
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