基于IMS的IPTV架构及其对IMS网络架构的影响分析图文精.docx

1、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。2

2、IMS -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ETSI TISPAN 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。2.1ETSI TISPAN 和ITU -T 的IMS -IPTV 研究进展ETSI TISPAN 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

3、 -T 提出了IPTV 体系架构的三种不同方案,分别是:Non -NGN IPTV 、NGN Non -IMS IPTV 、NGN IMS -Based IPTV 。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。2.2ETSI TISPAN 和ITU -T 的IMS -IPTV 研究异同(1共同点ETSI TISPAN 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,ETSI TISPAN

4、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

5、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.2008AA01A31768图1ITU-T NGN IMS-Based IPTV 架构图2ETSI TISPAN IMS-IPTV架构69分别是ETSI TISPAN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(application function/application and I

6、PTV service function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(content delivery function/media delivery,distribution and storage function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(NGN transport stratum function/transport function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

7、主要完成媒体流的物理层传输。从细粒度的模块功能上看,ETSI TISPAN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。ETSI TISPAN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3GPP IMS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。

8、ETSI TISPAN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。ETSI TISPAN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ETSI TISPAN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,TISPAN IMS-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-T I

9、MS-IPTV在应用层上重点突出了内容准备功能(content preparation function。在参考点上,TISPAN和ITU-T IMS-IPTV都沿用了大部分3GPP IMS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。TISPAN IMS-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-T IMS-IPTV对

10、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TISPAN IMS-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-T IMS-IPTV体系架构都沿用了3GPPIMS定义的用户数据单元(HSS,但ITU-T IMS-IPTV中的用户数据单元service user profile functionalblock只与IMS有交互,接口为Cx,而TISPAN中的用户数据单元UPSF沿用了3GPP IMS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

11、,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TISPAN IMS-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

12、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70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

13、-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-I

14、PTV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TISPAN R1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IMS IPTV系统在应用层中除了提供对

15、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(IPTV AS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

16、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71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IPT

17、V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

18、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

19、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

20、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169和43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169的编码图像。

21、(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13s。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

22、抖动丢包率直播业务3s1s50ms0.1%点播业务5s1s50ms0.1%表1两种IPTV业务QoS参数比较72电信科学 2009 年第 9 期 即 1.25 MB；高清视频以 10 Mbit/s 为例，5 s 应缓存约 50 Mbit 的数据，即 6.25 MB 。 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

23、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 1 2 3 4 ETSI TS 182 027. IPTV architecture IPTV functions supported by the IMS subsystem, 2008 ETSI TS 183 063. IMS-based IPTV standard, 2008 ETSI TS 185 009. Architecture and reference points of a customer network device for IMS based IPTV services,

24、 2008 ITU-T FG IPTV-DOC-0181.IPTV architecture, 2007 5 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 ETSI TISPAN 和 ITU-T 的 IMS-Based IPTV Architecture Analysis and the Influence of IMS-Based IPTV on IMS Network Zhang Qian1, Wan

25、g Yachen2, Zhao Yao1 (1.State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China ； 2.China Mobile Beijing Research Institute, Beijing 100053, China Abstract With the tendency of convergence of telecommunications network, b

26、roadcast and TV network and Internet, IMS (IP multimedia subsystem-based IPTV represents the evolutionary direction of IPTV development in the near future. International standardization bodies have been working on IMS to enable provision of IPTV services (IMS-IPTV. This paper firstly presents the cu

27、rrent standardization efforts of IMS-IPTV in ETSI TISPAN and ITU-T. Secondly, it presents the IMS-IPTV layered architecture and analysis based on the IMS-IPTV service characters. Finally, it provides analysis of the influence of IPTV services on IMS network. Key words IMS, IPTV, architecture, servic

28、e, influence （收 稿 日 期 ：2009-06-22 ） ! 简讯 Compuware Xpediter with Eclipse 2.0 为新一代提供动力 Compuware 公司近日发 布 了 下 一 代 升 级 版 的 Xpediter with Eclipse 2.0 。 这一基于业界标准分析和调试工具的最新 升级让新一代大型主机开发人员可以使用熟悉的点击式环 境，以更快地支持任务关键型业务应用。 随着老一代大型主机 IT 专家的陆续离退，IT 领导者必 须找到新的人员来维护和加强他们的关键主机业务应用。 这 种富有经验的开发人员的流失也意味着长期积累的相关知 识的流失，而这些知识对于支持企业的关键系统至关重要。 Compuware Xpediter 可帮助新一代开发人员分析应用， 快速理解业务流程和这些应用里的数据流， 避免在学习过 程中走不必要的弯路。 73