编解码器的灵活性对IPTV应用至关重要

　 电信公司正在集结力量准备同有线电视运营商作战，此次战役将划分电视、高速互联网和电话服务在下个十年期的版图。之前，通过使用光纤/同轴电缆混合型基础设施以及租用线路向用户提供三重业务(视频、数据服务和语音服务)，有线多业务运营商(MSO)已经拔得头筹。现在，电信公司正在进行反击。他们通过加强DSL基础设施和高效利用带宽的视频编解码器来增加IPTV服务和提供三重业务。获得成功的先决条件将是能否向信道饥渴的美国用户提供多重HDTV流。这反过来要求下一代机顶盒能够支持今天的MPEG-2编解码器及更先进的新型编解码器，如提高带宽效率的H.264 和VC-1编解码器。

　　IPTV的一个最吸引人的特性是克服了有线电缆方式必须向每个用户提供可用信道的限制。这个限制意味着MSO将一直受制于其网络带宽的最大容量，因为每增加一个新用户就会减少一个信道。IPTV解决了这个问题，它采用基于包的互联网技术只对正在观看的信道分流，从而节省网络带宽并可提供广泛的可选新种类节目。这样，IPTV就实现了按需观看并可以把无限的信息阵列嵌入到视频流中。IPTV也是推动实现泛在宽带的杀手级应用，如果没有IPTV，宽带市场的普及将被限制在拥有PC的家庭中。另外，IPTV具有可支持多视频信道(特别是在使用先进编解码器时)的巨大优势，在大量家庭都拥有多台电视的美国，该技术尤具吸引力。

图1：先进视频编解码器

　　SBC和Verizon推出IPTV

　　SBC通讯公司和Verizon公司是在美国占统治地位的两家电信公司，现在都在大规模推出IPTV网络。Verizon公司预计将成为四大电信公司中第一个推出IPTV服务的公司。该公司正在建立一个光纤入户(FTTP)网络，该工程将首先在该公司已提供电话服务的部分州开始实施。Verizon公司的5到30Mbps的FTTP网络已在2005年底突破300万用户大关。Verizon公司的FiOS电视是另一种可以同有线和卫星电视相抗争的方案，该方案可以通过宽带网络提供数百个频道、高清节目、视频点播和交互式节目指南。该公司打算推出5Mbps下载和2Mbps上载的服务，每月只需39.95美元。

　　SBC公司最近详细规划了公司的光速工程，计划在三年内耗资40亿美元，把光纤到小区(FTTN)和FTTP技术部署到13个州的1800万家庭。SBC公司打算在现有的小区中使用FTTN架构，该架构平均把光纤送到被服务家庭的3000英尺之内，然后使用先进的压缩技术以及IP交换机，通过DSL为家庭用户传输电视、互联网接入和语音服务。SBC公司的FTTN网络将提供20到25Mbps的下行流，足以同时满足多个标清和高清电视节目流以及互联网接入和IP语音等多重业务的需要。SBC将在新的住宅开发和多功能住宅中使用FTTP架构。该公司期望到2007年底使用FTTN技术的家庭达到1700万，使用FTTP技术的接近100万。

　　选择合适技术

　　因为几乎每个家庭都有电视，IPTV这一杀手级应用将使电信公司从其宽带网络用户那里获得新的收益。不过，在获得这些收益之前，电信公司需要选定适当的技术来支持IPTV。电信公司可以使用xDSL/ADSL 2+或UDSL把IPTV的三重业务内容传送到用户家中。电信公司把这些内容送到家庭网关或机顶盒，再经过它们把从DSL管道接收到的内容以有线或无线的方式(在视频传输时可采用两种方式的组合)馈送到某个家庭网络设备。

　　随着宽带市场向大规模多重服务的模式发展，机顶盒将进化成功能更强大的多重服务设备。在更高端，它们正在进化成通过独立宽带连接器连接到众多家庭设备的住宅网关(RG)。RG包含动态路由、防火墙等功能并支持多种家庭联网技术。个人录像机(PVR)功能也开始出现在更高端的机顶盒中。随着这个趋势的增强，支持DVD-RW和传送内容到便携媒体播放器(PMP)的能力将变得更为重要。在未来的机顶盒中，另一个重要的考虑将是支持上行和下行数据流的能力，以便实现视频电话和安防等应用。

　　电信公司需要确定是使用分布式还是中央式硬盘驱动器架构，用来把PVR功能提供给家庭中的所有电视。在分布式方法中，可以把硬盘驱动器放置在家里的每台电视中(或每台电视的机顶盒中)。使用中央式方法，可以在主IP机顶盒的硬盘驱动器中分配PVR功能，而该驱动器服务于住宅中的所有电视。但不管家庭中PVR是如何实现的，都必须向每个家庭联网设备的网关提供QoS、安全/认证和内容保护。

　　需要先进的编解码器

　　盗版、数字版权管理(DRM)和终端用户体验也是在IPTV获得成功之前必须处理的关键问题。但即使使用先进的FTTN和FTTP网络，最关键的问题仍将是提供足够带宽来支持大多数用户要求的多重IPTV信道。虽然电信公司的新网络提供了非常宽的带宽，但HDTV和标清电视(SDTV)可以迅速占满它。

　　如图1所示，当采用MPEG-2格式时，HDTV内容要求20Mbps的带宽，SDTV内容要求4Mbps的带宽。如果有许多家庭希望获得3或4个信道的HDTV内容，显然电信公司需要找到一种更有效的方式来向其用户提供内容。幸好，H.264格式的MPEG-4 Part 10和VC-1先进编解码器已经在开发中，这些编解码器的带宽效率比传统MPEG-2编解码器提升2.5倍到3倍。例如，对于以MPEG-2格式传输HDTV内容需要20Mbps的带宽，使用先进编解码器则只需8Mbps的带宽。对于需要3.5Mbps到5Mbps带宽的SDTV内容，使用先进编解码器则只需使用1.5Mbps到2Mbps的带宽。

图2：UDSL与xDSL的视频覆盖范围对比
　　在IPTV的三重业务网络上，影响终端用户带宽需求的其它因素是信道数量和终端用户与DSL多路复用器(DSLAM)或DSL远程终端之间的距离。在很大程度上，是由网络的实现方式决定了哪种编解码器能最好的满足运营商的目标。带宽需求降低的好处包括可以向更多的家庭提供服务。如图2所示，不同的情况有不同的带宽/距离阈值。简单地说，在IPTV网络中应优先考虑使用先进编解码器，因为它们可以更具成本效益的扩展这些网络的覆盖范围。更大的覆盖范围可以提高潜在用户的数量从而带来新的收益。

　　H.264 vs. VC-1

　　让我们更仔细地研究一下这两种新型编解码器。H.264是国际电信联盟(ITU)电信标准局和国际标准化组织(ISO)联合制定的一种视频编码标准，同较早期的MPEG-2标准相比，该标准大大降低了比特速率。H.264是在早期视频编码标准的运动补偿转换编码范例基础上创建的。该技术不受早期标准所用构建模块的制约，整个技术的设计无需后向兼容性。H.264提供的一些可提高压缩效率的重要编码工具有：改进型空间交互预报、增强型时间预报(通过四分之一采样运动补偿、可变模块大小运动补偿、多重假设运动补偿和加权预测工具实现)、高效的基于上下文的熵编码(通过变长度编码或二进制运算编码工具实现)以及内环内容和编码模式适应性解锁滤波。实验表明，要实现相近的视觉质量，同MPEG-4 ASP编码相比，H.264把比特速率降低了35%到50%，同MPEG-2相比，降低了40%到65%。另外，同MPEG-4 SP相比，H.264 BP可以在宽广的比特速率范围内把峰值信噪比降低50%以上。

　　VC-1编解码器是WM9(Windows Media 9)的一个版本，微软公司把它提交给电影电视工程师协会(SMPTE)希望获准成为SMPTE标准。虽然所提交的SMPTE VC-1标准是以WM9为基础的，但实际上两者之间存在重大差别。Windows Media包括许多VC-1所不包含的东西，其中包括数字版权管理、元数据、播放列表和用户接口，而VC-1则纯粹是一种视频压缩算法。除了需要为VC-1提供传输文件和一致性文件之外，SMPTE还需要开发参考软件解码器和参考比特流来保证不同VC-1实现之间的互操作性。

　　VC-1和H.264目前正在进行一场格式战。MPEG-4 Part 10标准已经大幅度领先，因为它已在2004年得到ISO的正式批准，而VC-1只是最近才在SMPTE到达草案终审阶段。然而，VC-1具备迅速缩小差距的潜力，因为VC-1是在WM9压缩系统的基础上建立的，与MPEG-4存在众多解释分歧的情况相比，该规范的分歧空间较小。另一个对VC-1有力的重要因素是许多电信公司(包括SBC)已宣布支持微软的IPTV平台。虽然H.264可以部署在微软的IPTV平台上，但已经采用微软IPTV的电信公司强烈倾向于实现完全集成的微软方案。保证VC-1互操作性的过程也有可能更加简单，因为不同于由许多供应商给出不同解释的H.264，微软是该标准的最终裁定者。

　　主要电信公司尚未确定它们将支持哪一种编解码器，他们很可能直接进入实现阶段而不首先明确表态。由于下一代压缩标准尚未确定，互操作性是需要考虑的一个重要因素(尤其对机顶盒供应商)。在各家公司都采纳一种统一的标准格式之前，机顶盒支持多种格式是非常重要的，尤其是要支持MPEG-2、H.264和VC-1。值得指出的是，由于IPTV是一种封闭型系统，互操作性问题在某种意义上得到简化，只要在参与该项目的有限的几伙供应商之间保证互操作性就可以了。除了支持多种编解码器的能力之外，为了支持DVD-RW和把数据传送到PMP上，更高端的机顶盒还将要求实现多种格式之间的代码转换。

　　在这个不确定的环境中，对IPTV机顶盒制造商来说，数字信号处理器(DSP)具有实际的优势，因为它能够通过固件下载方法(而不是更换机顶盒)来升级数字压缩处理。DSP提供一种高度灵活的平台，从而能够以最小的成本方便地支持不同的编解码器并增加新的特性。最新一代的DSP可以在50ms内卸载一个编解码器并加载另一个，从而使消费者可以在多种格式类型之间进行信道的无缝转换。

　　性能基准

　　显然，系统开发商希望尽可能多地获得有关DSP和其它处理单元如何完成H.264/MPEG-4压缩和解压缩的信息，但向标准提供测试基准既是新标准在改进性能方面的成功关键同时也是难点所在。图3是一种广泛使用的DSP，即TI公司的TMS320DM64x在600MHz运行时的性能表。表中给出了用于完成H.264和MPEG-4压缩/解压缩的所占用处理器周期百分比，为便于比较，还给出了处理JPEG、MPEG-2和WMV-9格式的结果。注意，这些基准是基于先前实践的典型测试数据或详细的性能估计给出的。根据实现的功能组合不同，编码器的实现也存在巨大差异。换句话说，此类数据虽然是经过认真研究得到的，但对开发者来说仅具指导性意义而不是关于终端应用的准确数据。

　　随着向大规模商业IPTV发展步伐的加快，迫切要求设备供应商提供价格可承受的下一代机顶盒。同时，该行业无力对哪种先进编解码器将成为IPTV系统的主导技术达成共识。显然，机顶盒制造商的责任是向市场推出高度灵活并可实现快速廉价升级的平台