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多媒体通信系统技术标准网络
多媒体通信系统：
技术，标准，网络
摘要
在本文中，讲述了多媒体----------语音，音频，视频，图形和文本的集成和交互式展示已成为当今信息技术的一个主题，该主题将通信，计算和信息处理融入到跨学科领域。
多媒体通信的挑战在于提供综合文本，声音，图像和视频信息在一起的业务，并且以持续使用和交互的方式来实现。
给出了用于多媒体系统的元素的简要描述。
用户和网络要求与分组传输概念一起讨论。
给出了多媒体通信标准的概述。
我们还讨论了在ATM和IP网络上的多媒体传输。
关于多媒体数字用户线路的问题与通过无线，移动和广播网络的多媒体以及用于交互式多媒体业务的数字TV基础设施一起讨论。
关键词：
多媒体；标准；网络；标准；通信；系统；用户；需求；异步传输模式；终端；互联网；协议
一、导论
过去几年，数字媒体的使用出现了爆炸式增长。
行业正在进行重大投资，以向消费者和客户提供数字音频，图像和视频信息。
数字音频，图像和视频记录器和播放器，在线服务和电子商务的新基础设施正在快速部署。
同时，大公司正在将其音频，图像和视频档案转换为电子形式。
数字媒体提供了超过模拟媒体的几个明显的优势：
数字音频，图像和视频信号的质量高于其模拟对等的质量。
编辑很容易，因为可以访问应该更改的确切离散位置。
复制简单，没有保真度损失。
数字媒体的副本与原件相同。
数字音频，图像和视频很容易通过网络信息系统传输。
这些优点开辟了许多新的可能性。
多媒体包括多媒体数据+一组交互。
多媒体数据被非正式地考虑为三个M的集合：
多源，多类型和多格式数据。
多媒体组件之间的交交互，由复杂关系组成，没有它们，多媒体将是一组简单的视觉，音频和其他数据。
多媒体和多媒体通信可以被全局地视为分级系统。
多媒体软件和应用为用户提供了直接的交互环境。
当计算机需要自远程计算机或服务器的信息，多媒体信息必须通过计算机网络传播。
由于涉及视频和音频的传输的信息量可能是巨大的，所以多媒体信息必须在可以通过网络发送之前被压缩，以便减少通信延迟。
诸如有限延迟和抖动的约束用于确保在接收端处的合理的视频和音频效果。
因此，通信网络正在经历不断的改进，以便提供多媒体通信能力。
局域网用于连接本地计算机和其他设备，广域网和因特网将局域网连接在一起。
不断地开发更好的标准，以便提供多媒体信息将在其上传播的全球信息高速公路。
多媒体通信是指在诸如文本，图像，图形，语音，音频，视频，动画，手写，数据文件的多媒体中表示，存储，检索和传播机器可处理信息的领域。
随着高容量存储设备，强大且经济的计算机工作站和高速综合业务数字网络的出现，提供各种多媒体通信业务务不仅在技术上而且在经济上变得可行。
此外，作为下一代通信网络基础设施，宽带综合业务数字网（BISDN）已被特别注意，它将能够以150和600Mb/s的速率传输全运动图像和高速数据，以及遍及世界的语音以及数据。
首先，将描述多媒体通信建模的概念，连同用户和网络要求，分组传送概念以及多媒体终端。
第二部分涉及多媒体通信标准。
最后，我们将集中于网络上的多媒体通信。
描述了通过ATM网络的多媒体传送。
随后是IP多媒体网络。
将讨论与基于无线的多媒体有关的特殊问题。
二、缩略语
ADPCM自适应差分脉码调制
ADSL非对称数字用户线
AE区域管理器
ATDM异步时分复用
ATM异步传输模式
AV视听
BISDN宽带综合业务数字网络
CATV有线电视电视
CC命令和控制
CLEC竞争性本地交换载波
CTI完整时序信息
DBS直接广播卫星
DDL描述定义语言
DSL数字用户线
DSM数字存储媒体
GSM全球移动
HDTV系统高清晰度电视
HFC混合光纤同轴电缆
IAB互联网架构板
IEC国际电工委员会
IESG互联网工程指导组
IETF互联网工程任务组
IP互联网协议
IPN集成分组网络
ISO国际标准化组织
ISOC互联网协会
JPEG联合图像专家组
LAN局域网
LMDS本地多点分配业务
MAC媒体访问控制
MBS移动宽带系统
MPEG运动图像专家组
MVPD多信道视频节目分发
NTI空时间信息
NTSC国家电视系统委员会
PAL相位交换线
PC个人计算机
PCM脉码调制
PVR分组语音接收器
PVT分组语音发射机
QoS服务质量
RFC请求注释
SHDSL单对高速
DSLSIF标准源输入格式
TCP传输控制协议
TR技术报告
UDP用户数据报协议
UMTS通用移动电信系统
VBR可变比特率
VoDSL话音DSL
VPN虚拟专用网
WAN区域网络
WATM无线ATM
WG工作组
WLAN无线局域网
WWW万维网
三、多媒体通信模型
多媒体最符合人类的复杂感知，传达行为以及表演方式。
即无论位置和时间，它不仅提供通信能力和人与人之间的信息共享，间，而且还容易且立即地访问广泛分布的信息银行和信息处理中心。
在医学，教育，旅游，房地产，银行，保险，管理和出版领域的应用正在快速发展。
这些应用的特征在于必须在非常短的延迟内传输大型多媒体文档。
控制计算机的合作工作，一组用户可以共同查看，创建，编辑和讨论多媒体文档，将是许多交易的特征。
一些关于多媒体处理的迷人应用包括：
远程学习，虚拟图书馆访问和活书。
在远程学习中，我们通过宽带通信网络远程学习和与导师进行交互。
虚拟图书馆访问意味着我们可以以其原始形式和格式立即访问世界上所有已发布的材料，并且可以浏览，显示，打印甚至即时修改材料。
活书补充书面词和相关图片与动画和超链接访问补充材料。
通过视频启用或增强的应用程序通常被视为开发多媒体网络的主要原因。
图1中表示了多媒体通信的趋势。
分组视频的大部分工作都考虑了相当同质的网络场景。
如果在网络中主导的单一类型的视频服务将是恰当的。
然而，这不是有关业务问题的有效假设。
首先，视频不会构成具有容易确定的行为和要求的统一业务。
其次，视频将不会与仅具有相同类型的流共享资源。
这意味着应当针对业务类型的异构混合来评估网络中的复用。
在商业领域中，存在对各种新的通信系统的潜在需求，例如：
在地理分布的局域网（LAN）的中高清晰度静止图像通信和电视会议或公司有线电视业务之间的高速数据网络。
作为通过工作站进行的多媒体处理和通过BISDN的多媒体通信的集成的结果的BISDN应用系统的新范例如图2所示。
多媒体通信模型受个人计算机和工作站的依赖于制造商的解决方案的强烈影响，包括一方面的应用软件和另一方面的智能网络概念。
未来多媒体通信的分层模型包括五个组成部分：
a）将复杂信息对象分成不同的信息类型，以便于通信，存储和处理。
这包括考虑不排除的不同信息类型的集成的数据，视频或音频。
b）每种信息类型的服务组件的标准化，可能具有每种信息类型的几个质量水平。
c）在两个层面创建平台：
网络服务平台和多媒体通信平台。
第一层从应用程序设计者或用户的角度隐藏传输网络和网络构建块。
第二层为大量应用的信息结构和通信构建模块提供通信支持。
d）在各种多媒体环境和满足普遍需求的不同分支中多用途的“通用应用”的定义。
e）具体应用：
电子购物，远程培训和远程维护，基于特殊信息构建块和利用网络服务平台，多媒体通信平台以及通用应用程序。
关于在每种情况下可用资源的能力，多媒体通信应用必须是可扩展的，以便以不同的方式在不同的网络和处理能力不同的终端上运行。
通常使用多媒体系统的两种关键通信模式：
人人通信和人机通信。
多媒体系统的关键组成如图3所示。
这两种模式有很多共性，以及一些差异。
在图3（a）所示的人人模式中，存在提供用于所有用户彼此交互的机制的用户接口和将多媒体信号从一个用户位置转移到与通信相有关的一些或所有其他用户位置的传输层。
用户接口创建多媒体信号并允许用户以方便使用的方式与多媒体信号交互。
传输层保持多媒体信号的质量的前提下，使得所有用户在每个用户位置接收他们感知为高质量信号的内容。
人人通信模式的应用的示例是电话会议，视频电话，远程学习和共享工作空间场景。
在人机模式中，如图3（b）所示，有用于与机器交互的用户接口，以及用于将多媒体信号从存储位置移动到用户的传输层，以及用于存储和检索多媒体信号的机制，由用户创建或由用户请求。
存储和检索机制涉及浏览和搜索以找到现有的多媒体数据。
此外，存储和存档，以便将用户创建的多媒体数据移动到适当的地方供他人访问。
人机交互模式的应用的示例包括创建和访问商业会议笔记，从数字图书馆或其他存储库访问广播视频和文档档案。
四、用户需求
用户需要的是能够提供有用信息的多媒体通信系统，允许动态地控制应用并提供自然的接口。
从用户的角度来看，多媒体通信的最重要的要求是：
●快速准备和呈现有用的不同信息类型，同时考虑到可用终端和服务的能力。
●多媒体应用程序的动态控制，包括连接和按需质量，以及用户友好的人机界面。
●考虑到他们的个人能力，对用户的智能支持
●标准化用户
●应该能够从任何终端（移动交付点）访问他们的业务，
图1多媒体通信模型
图2利用宽带综合业务数字网和工作站信息系统的新实例
图3用于人人通信（a）和人机通信（b）的多媒体系统框架
用户对服务的要求由媒体，传输内容，通信类型以及三者组合程度来定义。
另一方面，多媒体通信业务可以被分类为本地（交互式或非交互式），远程非交互式或远程交互式，以及也用于住宅，商业或移动使用。
可以使用多媒体业务的背景如表1所示。
表1多媒体应用环境背景
虽然传统语音业务已经具有这些特征，但是因特网上的数据业务（包括数据语音）通常被限制为基本比特流的传输，没有服务保证，没有可用性的保证，而是部分业务中断。
随着新数据业务的出现，例如虚拟专用网（VPN）和两个网络服务提供商之间的互连服务，所以数据网络域中的优先级必须改变。
为了解决和构建健壮的多媒体网络，运营商自然会极力基于目前部署在领先的语音网络中的已证实的服务传递能力部署其数据网络。
这将提供满足未来用户的新需求所需的灵活性，功能和可靠性。
此外，它将使运营商能够在多媒体领域提供当前为语音提供的复杂业务。
对于由通信系统提供给它们的服务，多媒体系统具有若干要求。
这些需求取决于应用程序的类型及其使用场景。
例如，用于检索视听数据的非会话应用具有与用于现场视听通信的会话应用（即，会议工具）不同的需求。
使用场景影响需求的关键性。
网络的角度来看，多媒体通信的最重要的需求是：
●高速和不断变化比特率传输
●通过相同接口访问的几个虚拟连接
●不同信息类型的同步
●合适的标准化业务和额外业务支持多媒体应用
关于通信服务的应用的需求可以分为业务需求和功能要求。
业务需求包括传输带宽延迟和可靠性。
它们取决于所使用的数据流的种类，数量和质量。
可以通过使用资源管理机制来满足业务需求。
它们建立了传输数据和资源之间的关系，并确保视听数据及时传输。
为此，在数据传输期间，关于资源需要的信息必须在参与分布式应用的所有节点（即，端系统和中心）处可用。
因此，必须保留资源并且必须在这些节点中创建状态，这基本上意味着建立了连接。
功能需求是多播传输和定义单向流的协调集合的能力。
当前的固定和移动网络建立在成熟的架构上，具有强大的流量管理，配置能力，服务平台和不同运营商的网络之间明确的互连点。
一个关键的需求是，在构建用于语音，数据和多媒体服务的集成网络平台时，应当存在相同的高质量网络服务。
未来的多媒体网络必须被组织以支持繁忙的业务流，各种各样的业务混合和不同的业务模式，无论是在高效路由业务还是在过载的扩展方面。
网络必须快速适应不断改变业务流量状况。
必须具备可靠的安全特性和防火墙，以便在许多运营商之间进行互通，也就是这些运营商将在市场上竞争解除管制的结果。
五、分组传输概念
今天的光纤技术提供了一种传输能力，可以轻松传输视频传输所需的高比特率流量。
这促进了网络的发展，其集成了所有类型的信息服务。
将这样的网络基于分组交换，可以以公共格式处理业务（视频，语音和数据）。
分组交换比电路交换更灵活，因为它可以模拟后者，而可以将极大不同的比特率复用在一起。
此外，可变速率服务的网络的统计复用可以产生比固定信道容量分配获得更高的信道利用率。
多年前，这些论点在一些项目中得到验证。
与电路交换相比，分组交换提供了带宽和交换资源的动态分配以及消除信道结构带来的影响。
分组网络允许综合业务的传输。
它们可以使用相同的硬件协议来传输语音，视频和数据。
此外，分组通信不需要用户在数据传输之前分配固定的信道或带宽。
由于用户仅在必要时发送分组，并且由于许多用户可以通过相同的共享信道发送分组，因此在分组网络中的资源比在电路交换网络中更有效地被利用。
视频信号特别适合于分组传输。
图像通常包含高细节和低细节的区域以及快速运动和小运动的周期。
因此，有效的视频编码器应该能够产生具有随着局部特性改变的可变比特率的数据流。
分组网络可以直接携带可变比特率（VBR）信号。
在发射机处不需要缓冲或速率控制反馈。
异步传输模式（ATM）网络基于虚电路交换：
电路的所有固定大小的分组具有固定的路由。
异步时分多路复用网络或互联网上的分组视频传送的任务是在保证质量下编码和传送数字视频信号，如图1所示。
在互联网协议（IP）网络中，分组具有可变长度，并且没有预先建立的路由，因此它们可能在目的地处乱序到达。
在ATM和IP网络传输期间，延迟和一些分组丢失是不可避免的。
图4数字视频信号传输
网络在从源到用户的分组传送中的通用功能是路由和复用。
路由提供连接，不依赖于传输中使用的信息类型。
复用确定网络中的大部分传输质量，并且高度依赖于业务特性，质量需求和用户的应用。
具有质量保证的统计复用是视频传输的最佳选择。
一定概率上必须保证网络必须知道其当前流量，基于已经接受的连接或实际网络负载的测量。
如果可以保证他们所要求的质量，并且它们的特性不会影响已经接受的连接或实际网络负载的测量的质量，则允许新的连接。
六、多媒体终端
在网络的每一个重大进步之前，用户接口的进步，已经沉淀了网络进展。
例如，电话的发明先于交换网络的发展，电视的发明先于电视网络和有线电视（CATV）的发展，无线电电话促进PC到达LAN/WAN网络到蜂窝网络和浏览器促进了互联网和万维网（WWW）的分组。
对于多媒体，需要创建新的智能终端以便于以方便且易于使用的方式来显示，访问，索引，浏览和搜索多媒体内容
多媒体本身就是为处理连续媒体数据，部分信息被编码为离散媒体数据（文本和图形）。
在处理过程中，有捕获，处理，通信，呈现和/或存储的行为。
多媒体终端用来检索，分析，存储和广播新的形式的书面，声音和视觉内容。
这些系统的架构可以根据基于电信数据处理和视听技术的不同方法来定义。
通过将语音，数据以及静止和移动图片组合到其通信中，企业必须具有越来越复杂的功能以改进对分布式资源的访问，并且可以在决策过程中节省宝贵的时间。
远程对话，讨论，信息生产，维护和检查现在可以从新的多媒体系统和运行成本不断下降。
现有的解决方案提供两种类型的终端：
多功能办公室或计算机工作站和专用设备，例如增强电话终端，视频电话或共享电话会议系统。
多媒体通信需要强大的终端：
升级的个人计算机，桌面工作站或视频计算机。
今天的终端被加强用于宽带多媒体应用，例如通过增加电信和视频/音频能力以及通过增加智能和交互性的电视接收器来增加PC。
与此同时，高清晰度电视（HDTV）正在向所有数字电视领域发展。
HDTV是用于促进存储器，图像/视频处理器和平面屏幕的技术的发展。
多媒体终端设备还包括合适的相机，扫描仪和打印机，大容量存储。
用于编辑多媒体信息，即内容和结构的创建，替换和删除，需要特殊的设备。
三维（3D）显示设备和语音识别系统将进一步促进更快和更容易地人与多媒体应用或编辑器的交互。
PC和工作站架构被考虑用于基于星的系统组件的互连配置和使用ATM原理。
这可以使所有信息类型的集成更容易，并提供必要的高比特率。
该概念支持将PC或工作站扩展到面向ATM的桌面区域网络中，包括摄像机，打印机和提供到ATM网络的接口的其它专用系统或子系统。
七、多媒体通信标准
在广义上，多媒体被假想为是与来自不同信源的信息交互的统一框架。
随着数字革命发展，有可能进一步探索一个众所周知的概念：
内容越多，其表示，处理等就效率和允许的功能而言越好。
多媒体标准预期为大量应用提供支持。
这些应用转化为可能彼此非常不同的特定的一系列请求。
大多数应用程序共有的一个主题：
需要支持与不同类型的数据之间的交互。
通信意味着标准，然而多媒体通信标准的制定是由许多与其有关的行业，这些行业具有根本不同的标准化方法来设定的。
标准在多媒体革命中发挥着重要作用，因为它们提供了多个供应商提供的硬件和软件之间的互操作性。
运动图像专家组（MPEG）的成功是基于许多并发元素。
MPEG出现在音频和视频的编码算法达到渐进性能的时候。
通过依靠技术的优势，所有对数字音频和视频应用需求的行业的支持，MPEG有助于视听表示层的实际接收，独立于交付系统。
成功的最后一个要素是解码器，而不是传统的编码-解器方法。
因此，MPEG可以为创新的大众市场产品使用音频和视频的数字编码的主要产业提供标准解决方案，并且可以比没有它的情况下更快地实现临界质量。
不同的行业已经分歧，但多媒体通信必然需要一些收敛区域，这只能通过在关键领域的标准化来实现。
把每个利益相关者放在一起，制定所有人接受的通信标准是一项重大任务。
在MPEG-1和MPEG-2标准取得巨大成功之后，它开启了视听信息的数字前沿，并可以部署高性能服务，MPEG-4再现了新兴的MPEG-4标准。
MPEG-4标准是确认MPEG和MPEG-2支持的数据模型受到限制，不能满足新兴多媒体应用的新需求，例如超链接，数据交互和自然地合成数据。
MPEG-4是对现今出现的视听信息，交付和消费的新方式的要求的答案。
为了达到这个目标，MPEG-4遵循基于对象的表示方法，其中视听场景被编码为对象的组合，自然以及合成，提供第一强大的混合场景。
因此，MPEG-4的目的是提供支持新的通信接入方式和与数字视听数据的交互的视听表示标准，并且为各种服务提供共同的技术解决方案。
它还扩展到分层编码（可伸缩性），多视图（立体视频），对象的形状/纹理/运动编码和动画。
它的作用扩展到互联网，Web电视，大型数据库（存储，检索和传输）和移动网络。
MPEG-4版本1在1999年2月成为国际标准，在1999年11月成为版本2.具有扩展功能的版本2向后兼容版本1。
市场上的多媒体数据库允许使用诸如颜色，纹理和关于图片中的对象的形状的信息的特性来搜索图片。
MPEG开始了一个新的工作项目，以提供前述问题的解决方案。
MPEG系列的成员之一（称为“多媒体内容描述接口”）是MPEG-7。
它将有限的当前搜索功能扩展到包括更多信息类型，例如视频，图像，音频，图形和动画。
换句话说，MPEG-7规定了各种类型的多媒体信息的标准化描述。
该描述与内容本身相关联，以允许快速和高效地搜索用户感兴趣的多媒体新信息。
无论描述的格式如何，该描述可以附加到任何种类的多媒体材料，可以索引，搜索和检索具有此信息的存储材料。
在原ITU-T工作计划中，目标是在1996年确定“近期”建议，然后在几年后制定“长期”建议。
近期建议被称为H.263。
长期建议H.26L（以前称为H.263L）被安排在2002年的标准化中，并且可以采用全新的压缩算法。
在完成H.263之后，显然可以对H.263做出可以明显提高其压缩性能的增量变化。
因此，在1996年决定将修订H.263，并纳入这些渐进的改进。
这是H.263“加”有几个新的功能。
因此，名称H.263+（现在称为H.263版本2）。
H.263+包含大约12个在H.263中不存在的新特性。
这些包括新的编码模式，提高压缩效率，支持可扩展比特流，支持分组网络和易出错环境的几个新功能，添加的功能和支持各种视频格式。
1.MPEG-1（编码运动图像和相关音频）
由该组开发的第一个标准，称为MPEG-1，是以大约1.5Mbit/s的比特率编码组合的视听信号。
由于1988年将视频信号存储在具有与VHS录像带相比的质量的光盘上的前景变得明显的动机。
在1988年，由于在视频编码算法中的几十年的研究，以这样低的比特率的视频的编码变得可能。
然而，这些算法必须应用于子采样图片-来自一个帧的单个领域，并且只有一行中的一半采样-以显示它们的有效性。
此外，与语音分离的音频编码允许以虚拟透明度减小1/16的PCM比特率，对于立体声源通常为256千比特/秒。
具有公共时基的约束的编码音频和视频流由MPEG系统层组合成单个流。
如前所述，正式称为ISO/IEC11172的MPEG-1被标准化为五个部分。
前三个部分为系统，视频和音频。
另外两个部分完成了MPEG-1标准套件。
符合性测试，它规定了验证比特流设备和生产者制造商对标准符合性声明的方法，以及MPEG-1标准（编码器和解码器）的全C语言实现的软件模拟。
2.MPEG-2（统一编码编码运动图像和相关音频）
MPEG-2标准系列概述了允许在宽带网络中传输音频和视频的压缩技术和比特流语法。
这些标准还描述了多路复用节目，启用时钟同步和建立承载视频和音频内容的逻辑网络链路所需的方面。
MPEG-2在许多情况下仅与视频压缩相关联，这当然是其功能的最重要的部分之一。
总的来说，MPEG-2有八个不同的部分，涵盖了数字视频和音频传送和表示的不同方面。
表2包含不同的MPEG2部分。
表2MPEF-2标准的部分内容
基本上MPEG-2可以被视为MPEG-1编码标准的超集，并且被设计为向后兼容MPEG-1----每个MPEG-2兼容的解码器可以解码有效的MPEG-1比特流。
许多视频编码算法被集成到单个语法中以满足各种应用需求。
MPEG-2增加了新的编码特性，以实现足够的功能和质量，因此开发了预测模式以支持隔行视频的有效编码。
此外，引入可伸缩视频编码扩展以提供附加功能，例如数字电视和HDTV的嵌入式编码，以及在存在传输错误时的优雅质量降级。
为了比较，典型的MPEG-1和MPEG-2编码参数在表3中示出。
表3MPEG-1和MPEG-2编码参数对比
然而，完整语法的实现对于大多数应用可能不实用。
MPEG-2引入了Profiles和Levels的概念来规定不支持完全实现的设备的一致性。
Profiles和Levels提供用于定义语法的子集的装置，并且因此提供解码特定比特流所需的解码器能力。
作为一般规则，每个配置文件定义了一组新的算法，作为超级集合添加到下面的配置文件中的算法中。
一个Level指定实现所支持的参数的范围（即，图像大小，帧速率和比特率）。
MAINProfile的MPEG-2核心算法特征是逐行扫描和隔行扫描视频源的不可伸缩编码。
预期大多数MPEG-2实现将至少符合MAINLLevel的MAINProfiles，其支持具有近似数字TV参数的数字视频的不可分级编码-每行720个像素的最大样本密度和每帧576行，最大帧速率为每秒30帧，最大比特率为15Mbit/s。
3.MPEG-4（视听对象的编码）
多媒体通信是传递视听信息的可能性，信息特征：
●是自然的，合成的，或两者兼有
●是实时和非实时时间，
●支持响应用户需求的不同功能，
●同时流入和流出不同的源，
●不需要用户烦扰通信信道的细节，而是使用知道它的技术，
●给予用户与不同信息元素交互的可能性，
●让用户将他的交互的结果呈现给用户内容在适合他的需要的方式。
为了达到其自己的目标，MPEG-4遵循基于对象的表示方法，其中视听场景被编码为对象的组合，自然以及合成，提供第一强大的混合场景。
因此，MPEG-4的目的是提供支持新的数字视听数据的通信，访问和交互的方式的视听表示标准，并且为各种服务范
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