VOD视频点播技术在XX地区的应用之欧阳术创编.docx

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VOD视频点播技术在XX地区的应用之欧阳术创编

内容摘要

时间：

2021.02.02

创作：

欧阳术

当你双休日在家,面对众多可选择的电视频道,却找不到一个自己喜欢的电视节目;当你心血来潮想看一部古老而经典的优秀影片;当你在外出差或旅游,身居异地想看一部自己喜爱的影片来松弛一下时,你是否想过如果电视里放的都是我喜欢的节目,我想看什么就能播放什么,那该多好!

随着网络技术的迅速发展和用户的需求增长,家庭电视中开展网络视频点播服务已具备可行性和必要性，即VOD点播服务。

本文提出了VOD视频点播技术在某小区的应用，探讨了某小区VOD视频点播系统的应用及用户需求。

关键词：

VOD、系统结构、机顶盒

第一章VOD技术的基本理论...........................1

第二章用户的需求分析..............................2

第三章某小区VOD视频点播系统设计方案.............3

3.1基于IPQAM双向HFC网络的视频点播系统............3

3.2设备的选型.......................................4

3.2.1视频服务器性能和特点...........................4

3.2.2用户终端机顶盒性能和特点.......................5

3.2.3IPQAM调制器性能和特点............................5

3.3VOD业务的实现流程及其协议应用........................6

3.4音视频编解码方法..................................7

3.4.1ＭＰＥＧ２音视频编码.........................7

3.4.2ＭＰＥＧ２音视频解码........................9

3.5计费与认证...................................10

3.6信道的分配...................................11

3.7流量计算......................................12

3.8相关配置......................................12

3.8.1一般的网络流量控制方法........................13

3.8.2视频传输中的流量控制方法......................14

第四章安全分析........................................15

第五章方案评估......................................16

参考文献............................................16

某小区VOD视频点播系统设计方案

第一章VOD技术的基本理论

VOD是VideoOnDemand的英文缩写，即视频点播技术，也称交互式电视点播系统。

它是一种可以按用户需要点播节目的交互式视频系统，摆脱了传统电视受时空限制的束缚，解决了一个想看什么节目就看什么，想何时看就何时看的问题。

线电视视频点播，是指利用有线电视网络，采用多媒体技术，将声音、图像、图形、文字、数据等集成为一体，向特定用户播放其指定的视听节目的业务活动。

包括按次付费、轮播、按需实时点播等服务形式。

从经营的角度来说，VOD一般包括三个部分：

业务消费者、服务提供者和节目提供者。

业务消费者涉及到用户终端。

VOD的用户终端一般有两种：

机顶盒和计算机。

服务提供者包括相关的服务器设备和业务传输的网络。

在VOD系统中服务器连接着用户和视频节目，在其中起着桥梁的作用。

节目提供者不直接和用户打交道，用户需要通过网络和服务器连接。

用户对视频节目的申请首先发到视频服务器，由视频服务器的业务网关分析用户的具体需求并与用户建立会话连接，然后视频服务器从节目提供者处调取用户需要的节目内容，并通过传输网络发送给用户。

服务器必须具有传输网络接口、连接控制功能、会话控制功能、分析和处理各种业务功能。

VOD的传输网络按照不同应用会有所不同，较大型的网络可以分为核心网和接入网两个部分。

核心网可采用SDH技术、ATM技术等传输技术。

接入网连接着用户和核心网,目前主要采用的宽带接入网络包括HFC、ADSL和FTTX.

节目提供者主要完成视频节目的制作和存储功能，如视频浏览器和各种具体应用节目的制作（包括电影点播的节目，远程教育的课程和电视节目的回看等）。

节目的好坏及节目数量的多少直接影响到用户对此业务的感兴趣程度。

第二章用户的需求分析

VOD系统。

“在想看的时候看想看的节目”，这是最适合用户胃口的地方，也是点播业务最具魅力之处。

用户可以根据自己的意愿选择收看电视节目，从根本上改变了过去被动式收看电视的不足。

例如:

目前提供央视18套北京10套和其他省卫士节目34套共计62套节目的回看节目为期一周。

我们会有专业人员重新剪片安排更精确时间表和节目信息以便用户查看点播。

用户不必遵守传统的时间表，坐在电视机前为某个想看的电视节目苦苦等待和长时间的广告插播，打开电视机就可以直接点击希望收看的节目，完全实现了由用户掌握获得信息的主动权。

用户在使用电视回看业务就如同在自己的录像机看节目一样方便，不仅可以自由调用节目还可以对节目实现编辑与处理（如暂停、快/慢进、搜索等等）。

歌华交互机顶盒向用户提供的服务还远远不止这些，还包括文化（周刊.报纸等）、健康、旅游指南、股票交易、生活缴费、电影院线、电视购物、游戏等其它功能。

用户可以足不出户就可以享受歌华演播室级别的高清大片和缴纳水费电费燃气费用。

因此可以说，这一技术的出现使用户可以按自己的需要来安排工作和娱乐时间，真正实现了由用户掌握收视主动权，极大地提高和改善了人们的生活质量和工作效率，对于用户来说，这是一种新的生活方式。

第三章某小区VOD视频点播系统设计方案

3.1设计方案是基于IPQAM双向HFC网络的视频点播系统

IPQAM视频点播系统是指有线运营商通过IPQAM方式组建网络提供VOD业务的网络系统，其主要涉及：

业务管理系统（BMS）、视频服务器、存储系统及内容管理系统（AMS、节目上载系统、业务计费系统、中间件（MW）、点播应用服务器、边缘调制器设备（IPQAM）、交互数字电视机顶盒系统、IP骨干网络设备。

很显然，在IPQAM视频点播系统中，IPQAM设备是组网的核心部件，IPQAM设备将HFC网络和IP网络完美结合，充分发挥两者的优势。

某小区内共6栋楼房约1200户居民，如按每个光节点覆盖用户数400户计算，则需要3个光节点（3个光机）。

光传输平台中光发射机覆盖3个光节点，那么光发射机覆盖用户数为1200户。

假设1200用户同时开通了视频点播业务，则峰值点播率（即在同一时间有多少比例的用户在点播）为5%，那么每个光发射机需要60个并发流支持点播，每个点播流为3.75M（MPEG2的平均码率3.75Mbps），其总带宽为225M（60*3.75M），采用的调制方式为64QAM，视频编码格式为MPEG2，这样每个频点拥有38Mbps的网络带宽速率。

进一步推算出用于视频点播的频点数为6个（225M/38M）。

假设此6个频点为连续频点，此时如果选用18端口6连频的IPQAM设备，设备的频率利用率为6/6，需要设备1台。

信源从前端（视频服务器和系统管理中心）把光信号通过光（发射/接收）机到各个光节点，采用星型光纤干线，共建设光节点3个（A1.A2.A3）。

每个光节点到用户端之间的分配网采用树形结构的同轴电缆。

每个光节点到用户之间分配网配备2台双向放大器（B1B6）保证信号质量。

分配器分支器若干（m…），1200台机顶盒。

机房前端包括视频服务器，系统管理中心和IPQAM等设备距离10公里，采用1550nm光纤传入该小区。

采用HFC网络最后入户接入机顶盒。

如图31所示。

图31某小区地区IPQAM双向HFC网络的视频点播系统

3.2设备的选型

3.2.1视频服务器采用思华科技高性能视频服务器ContEx1830

产品构成:

ØContEx1830：

高密度、超高性能视频服务器系统，全业务支持，单台2U设备提供高达20Gbps的流吞吐能力和28.8T的存储容量。

单台即可提供时移业务所需管理和控制的所有功能；同时支持CDN单服务节点管控功能，实现节点内的网络资源管理和内容路由选择。

可以和云存储集成，在节点模式下为运营商提供大中型在线用户的交互电视服务承载。

产品特点:

灵活承载高标清VOD、SDV、时移回看、nPVR等多种交互电视业务

全面支持Mpeg2、Mpeg4、H263、H.264等多种编码格式，支持TS、ISMA、FLV、MP4、3GP等多种文件封装格式,良好适应STB、手机、PC等多种终端类型

智能适配多种终端，可根据终端能力提供不同码率不同格式的视频服务

适应IP网络和HFC网络，全面支持IPTV和HFCVOD的混合部署

设备提供高达1020Gbps的吞吐，彰显优异的集成服务能力

支持集群部署，可与云存储无缝集成，支持超大存储，超高在线用户的大规模应用全面兼容Harmonic、CASA、CiscoIPQAM、Tanberg设备功能一体化，帮助运营商快速部署业务。

3.2.2用户终端机顶盒采用同州N9201CCMV300

同州N9201CCMV300采用高性能数字电视芯片方案，支持2D图形加速；完全符合DVBC标准；实现低功耗和真待机；支持国内各种主流CA系统和嵌入式浏览器、中间件,内置CableModem，支持各种双向业务；集成双USB2.0接口，支持多种USB扩展应用。

产品特点：

支持外置红外遥控接收头，支持壁挂

支持高清MPEG2、MPEG4ASP、MPEG4AVS/H.264解码

支持IPv4

支持TCP/IP,DHCP,DNS，可通过以太网口浏览网络

支持流媒体协议：

RTP/RTCP/RTSP/SDP

真待机、低功耗

3.2.3IPQAM调制器采用数码视讯IPQAM调制器10K511

数码视讯IPQAM调制器10K511是面向三网融合传输平台的广播级高品质产品，主要应用高密度邻频QAM调制技术和千兆IP传输技术提高调制器的集成度和工作效率。

数码视讯IPQAM调制器，通过GbE千兆以太网IP接口，接收来自IP网络的TS流数据，然后进行IP解析、IPoverTS处理、TS路由、复用等数据处理，再进行QAM数字调制及上变频，输出用于有线电视平台传送的RF射频QAM信号。

数码视讯IPQAM调制器可放置于系统前端、分前端、小区光纤干线网的任意节点上，用于实现MPEGoverIP的千兆以太网数据接收、路由、复用、加扰、调制、上变频等功能。

应用于前端系统时，能够提供广播级的信号质量；应用于以VOD点播为代表的互动业务时，针对频点资源紧张、分区域频点规划的发展趋势，IPQAM能够支持远距离分布式网络应用，进而满足广大终端用户的业务需求。

特点和优势：

L2/L3层网络兼容性设计，方便实现业务快速分发；

完备的多级安全策略，保证三网融合视频/数据的高可靠性传输；

通用端口映射协议，多种灵活配置方式，广泛适应不同业务系统需求；

智能化批量网管系统，方便实现大规模设备的有效管理；

国际领先的射频技术，保证输出指标优异，性能稳定可靠，1U设备实现48/96频点调制输出；

超强的千兆数据接收及缓存能力，可满足不同千兆IP网络抖动要求；

特殊的码流溢出保护机制，保证已点播用户的正常收视，保证系统整体运行的可靠性。

3.3VOD业务的实现流程及其协议应用

IPQAM视频点播方式中，音视频编码协议仍然采用MPEG2协议，传输采用HFC广播通道，业务层采用DVB协议，用户点播信息通过IP网络实现与前端的交互；视频服务器等相关部件放置在中心机房或分前端，数字电视信号的混频在前端或分前端完成；交互网络承载控制信令和交互页面，广播网络承载视频业务；前端采用DWDM方式传输MPEG2视频流，通过IPoverDWDM技术将信号传送到分前端，分前端采用IPQAM设备接入GbE（千兆比以太网）接口，将信号调制成射频信号发射到HFC网络。

用户打开机顶盒（STB）服务请求首先通过CMTS上行通道传输到系统管理中心服务器，系统管理中心服务器接到用户的请求后向用户的STB发出指令要求报告用户身份。

用户的身份信息包括密码及使用权限等。

用户身份一旦确认后，就会以菜单的形式向用户发出视频节目清单供用户选择。

当用户找到自己需要的节目后系统管理中心服务器向VOD服务器发出播放请求。

VOD服务器响应点播请求，启动计费系统开始计费同时将单节目传输流（SPTS）封装成UDP（用户数据报协议）包，以IP的方式（MPEG2SPTSoverIP）经IP骨干网络传输至边缘IPQAM调制器，IPQAM调制器接收到IP网络传输来的数据包后，完成UDP包的解封，解析分离出MPEG2SPTS码流，把点播请求的SPTS流复用成多节目传输流（MPTS）,MPTS流经IPQAM调制输出RF信号，和CMTS下行信号混频后经过传输网络，最后进入机顶盒。

用户可以再视频播放过程中用遥控器对播放内容进行控制，如快进，时间段和暂停等。

当视频播放结束。

系统管理中心服务器接到停止指令后，立即通知视频服务器关闭信息通道。

这样的一次通信过程就完成了。

如图32所示

图32VOD业务的实现流程

3.4音视频编解码方法

由于原始的数字视频、音频数据量十分巨大，而造成传输和存储的困难・因此压缩编码和解压缩技术成为、VOD系统中最关键的技术。

本系统采用MPEG2的编解码方法。

3.4.1音视频编码框图

Ｉ帧编

当输入Ｉ帧时，开关ｓｌ和ｓ２置于上方，顺序进行，在片内以宏块为单位进行编码，置于二下方对Ｐ帧进行编码。

编码的第一步是对帧内各宏块进行离散余弦变换（ＤｉｓｃｒｅｔｅＣｏｓｉｎｅＴｒａｎｓｆｏｒｍ，ＤＣＴ）。

变换的目的是将空域中的每块８*８象素值变换到频域，成为各种频率系数，其中高频系数反映图像细节。

变换后的频率系数送到量化器，量化器在量化自适应器的控制下对频率系数进行量化，量化自适应器决定量化表和量化步长，量化器根据量化表和量化步长对频率系数进行量化。

总的原则是：

对Ｉ帧采用精量化：

对Ｐ帧和Ｂ帧，因其频率系数主要是高频成分，采用粗量化。

按宏块图像活跃度调整量化表和量化步长：

按输出码率的高低调整量化表和量化步长。

因此，量化表和量化步长直接影响输出码率，因此在决定量化表和量化步长时，必须检测图像复用编码器输出的码率。

为此在图像复用编码器的输出中反馈一路送到编码统计处理器，对各片、各宏块的码率进行统计分析，及时检测与最高码率的差距，并把此差距送入量化自适应器，以决定最佳的量化表和量化步长。

这种快速自适应量化是保证图像质量的关键。

由于活动图像的频率系数在不断变化，量化不当，重放图像将大受影响。

采用这种快速自适应量化器，可随时获得最佳量化的量化表和量化步长，以便充分利用系统的传输码率（既不过剩也不浪费），获得该标准规定的最佳重放图像。

量化器输出的量化频率系数分两路传送：

一路经图像复用编码器，与各种辅助信息一起编码后送到传输缓存器，作成码流传输出去；另一路经开关Ｓ３、反量化器祁离散余弦逆变换器（ＤＣＴ1）还原变换前的Ｉ帧图像数据，送到Ｉ帧存贮器以供后面的Ｐ帧和Ｂ帧编码用。

P帧编码

当帧重排输出Ｐ帧时，开关ｓｌ和ｓ２置于左边，此时Ｐ帧宏块输入运动估计器．Ｉ帧存贮器将Ｉ帧数据也同时输入运动估计器。

运动估计器根据Ｐ帧宏块在Ｉ帧中找到与之最相近的宏块，以便决定宏块的运动矢量，并用ｘ坐标和Ｙ坐标表示，坐标为正，表示宏块向右、向上运动；坐标为负，表示宏块向左、向下运动。

估计器输出的运动矢量分两路：

一路送到图像复用编码器等待：

另一路送到运动补偿预测器，存贮器中的Ｉ帧图像也同时输入此预测器。

预测器根据Ｐ帧宏块位置和运动矢量坐标在Ｉ帧中找到与Ｐ帧宏块最相近的匹配宏块。

该宏块分两路输出：

一路送到加法器：

另一路送到开关ｓ２。

在加法器中，匹配宏块与输入的Ｐ帧宏块相减获得预测误差。

该预测误差经开关ｓ１一离散余弦变换一量化。

这一过程与处理Ｉ帧时一样，只是量化步长不同，由量化自适应器控制。

输出的量化频率系数一路供图像复用编码器用：

另一路经开关Ｓ３、反量化和离散余弦逆变换，还原成预测误差数据，再进入加法器，与从运动补偿预测器送入的Ｉ帧匹配宏块相加，得到Ｐｌ帧宏块，存入Ｐ帧存贮器，供后面的Ｂ帧编码用。

Ｂ帧编码

当帧重排输出Ｂ帧时，开关Ｓ１仍置于下方，开关Ｓ２置于上方，Ｓ３置于上芎。

此时Ｂ帧宏块输入运动矢量估计器，存贮器中的Ｉ帧和Ｐ帧也同时输入估计器。

运动矢量估计器根据Ｂ帧宏块位置轮换在Ｉ帧和Ｐ帧中搜索，找到与之最相近的匹配宏块，确定运动矢量坐标。

该矢量坐标分两路输出：

一路送到图像复用编码器；另一路送到运动补偿预测器，存贮器中的Ｉ帧和Ｐ帧也同时送到此预测器。

预测器根据Ｂ帧宏块位置和两个运动矢量，分别找出Ｉ帧中的匹配宏块和Ｐ帧中的匹配宏块，将这两个匹配宏块取平均值获得帧间预测值。

该预测值输出只送到加法器（上ｓ２此时不通），与Ｂ帧宏块相减后得到预测误差，接着进行离散余弦变换和量化。

该过程与处理Ｐ帧时相同，只是此时量化的频率系数直接进入图像复用编码器（因开关Ｓ３不通），与其它辅助信息一起编码后输出。

因Ｂ帧不再作反量化和逆变换存入存贮器。

如图33所示。

图33音视频编码框图

3.4.2音视频解码框图

解码是编码的逆过程。

译码不需要运动估算，也没有那么多选择，因此译码要比编码简单得多。

如图34所示

图34音视频解码框图

在固定率通道的应用中，来自通道的编码数据以恒定速率输入到ＦＩＦ０缓存。

译码从缓存中读出数据，并且按照ＭＰＥＧ定义的句法去解释数据位流中的数据。

译码器找到编码图像开始点之后，就去辨识图像的类型，然后依次去译图像中的每一宏块。

如果有运动矢量存在，就根据已经在译码器中存放的过去和将来的图像，用宏块类型和运动矢量去构造当前宏块的预测值。

复合分离器分离出的系数逆量化后，对每一个８*８系数做逆离散余弦变换（ＩＤＣＴ），把变换后的数值加到预测值上。

在所有宏块都处理之后，就重构出了原始图像。

如果重构的图像是Ｉ图像或昔是Ｐ图像，那末就用它来取代存储器中老的参考图像。

在图像显示之前，可能需要对图像重新排序，把译码次序变成图像的显示次序。

3.5计费与认证本VOD系统的安全认证是通过机顶盒中的智能卡（CA），认证考虑两个方面：

一是保护用户的合法权益，限制非法用户使用系统。

二是保护系统资源安全。

用户的认证包括两个层次的认证：

1接入层认证：

判断用户是否是平台的注册用户。

2应用层认证：

验证用户视频服务器接入的合法性以及内容访问的合法性。

具体认证方式：

用户在接入系统管理服务器同时完成接入层和应用层的认证。

其认证流程包括三个步骤1.用户向数据库提供身份识别信息2.用户需要证明他们所给出的身份识别是否有效3.如果身份安全，系统管理服务器将会在基于身份识别信息的基础上决定用户所拥有的授权及所得到的权限。

计费系统采用中国金融IC卡和CA卡相互绑定完成计费。

中国金融卡和CA卡使用机顶盒作为终端。

中国金融IC卡中的电子钱包的钱被支付后，它的交易信息和钱数被收在CA的卡中，此时用户就可以用CA里面的钱去点播想要看的视频了。

可按照用户类型定义收费标准，提供包月制、包日制、按次（节目本身价格）、账户制、预付费卡、等多种灵活计费类型，对特定用户和用户群定义不同的收费标准，为特殊的用户提供特殊的计费方式等；对欠费用户账户自动锁定，并在用户充值缴费后自动解锁，实现全自动的用户计费管理；用户消费之后，系统提供实时查帐的功能；计费系统可按照媒体类型定义收费标准，支持批量地对同类节目统一定价，可以根据节目的级别、视频节目来制定收费价格；管理员可以查询用户消费列表和剩余费用，方便对用户缴费信息情况进行管理和查询；提供计费系统数据的备份功能；能够灵活的生成和修改计费规则。

3.6信道的分配

本设计采用YD/T10632000标准规定频谱分配方案：

YD/T10632000标准中规定了对于1000MH带宽的HFC网络。

可用于传输频带范围是5~1000MHz。

经频谱分配划分为上下行两个传输通道，上行通道使用5~65MHz频段。

下行通道使用使用87~1000MHz频段，65~87MHz是上下行通道之间的过渡带。

上行通道占用60MHz宽带用来传输上行业务，如用户的点播请求等控制信息。

下行通道占用913MHz带宽，用于传输下行广播业务、模拟/数字视频业务和数据业务，其中87~108MHz频段用于广播业务，110~1000MHz频率范围内传送下行数据业务。

由于HFC网络的共享特性，每个机顶盒只能接收到来自特定的一组IPQAM端口的数据，因此需要对服务区域内有明确的规划和管理，通常将这样的服务区域定义为Region（局域网），即预先为设定一个IPQAM通道资源规划单元。

为识别不同的Region，每一个Region都有一个唯一的ID号，即IP地址（局域网IP地址）。

Ip地址划分别为192.168.0.1192.168.0.254。

192.168.1.1192.168.1.254。

192.168.2.1192.168.2.254。

192.168.3.1192.168.3.254。

192.168.4.1192.168.4.254。

子网掩码是255.255.248.0范围内总共可以容纳1270个机顶盒。

视频点播业务中IP地址来进行机顶盒用户的定位，用户通过机顶盒请求服务时需要向（系统管理中心）提交该信息，头端系统根据此信息就可以区分是哪个区域的哪个机顶盒发出的请求，从而分配对应的路由来供视频服务器传送视频数据流。

机顶盒通过网络自动下载的方式获取IP地址。

IP地址信息通过IPQAM经HFC通道下送给机顶盒，具体发送方式可以通过设置并实时广播DVB网络参数至机顶盒，机顶盒根据预设的规则解析得到IP地址。

设置IP地址的相关参数采用TSID方式。

TSID方式：

按照系统的频段规划和部署完成对IPQAM中每个通道TSID的配置，确保IPQAM每个流的TSID在全网内是唯一的，机顶盒在开机后在划分为点播业务的频段扫描获得能够接收到的TSID并保存。

在IPQAM中设置TSID，由IPQAM通过实时广播PAT表来下传TSID信息。

这样机顶盒将能够通过扫描方式，探测到能够到达该机顶盒所有的IPQAM的TSID信息。

机顶盒可能获得属于一个IP地址的多个TSID，机顶盒按照设定的规则解析TSID获得IP地址。

3.7流量计算

本设计中的小区共分配了6个频道供交互电视业务使用频率范围798846MHz中心频点：

为802/810/818/826/834/842采用64QAM调制方式，符号率6.875，每个8MHzQAM频道总码率约为38Mb/s,每个MPEG2编码方式的标清节目码率为3.75Mb/s因此每QAM频道能传输10个标清节目，共输出60个节目流。

1200户居民峰值点播率是5%正好满足用户的点播需求。

每台机顶盒都有唯一IP地址本设计共分配了1270个IP地址，完全满足本地区的容量要求。

3.8相关配置

为了保证系统稳定运行，将引入流量控制等相关技术它可以避免网络拥塞，优化网络资源，提高网络效率所采取的一系列操作，其主要作用是保护网络和用户以实现预先规定的网络性能，如信元丢失率、信元传输时延和信元时廷抖动等。

网络流量控制是一种使得接收方实体可以调节发送方实体的协议数据单元流量的协议机制，它可以限制发送方所发出的数据流量，使其发送速率不要超过接收方能处理的速率，同时它也是