1、,第1章 多媒体通信技术概论,1.1 引言1.2 多媒体数据流的基本特征1.3 多媒体通信的性能描述与需求1.4 多媒体通信的服务质量1.5 多媒体通信的网络支持环境1.6 分布式多媒体应用,1.1 引 言,人类的信息交流已从单一媒体过渡到多媒体的形式。多媒体信息形式有四种: 音频、 视频、图形和文本。其中，音频和视频媒体与时间相关, 称为连续媒体; 图形和文本媒体与时间无关, 称为静态媒体。连续媒体具有隐含的时间关系, 其播放速度将影响所含信息的再现, 必须在一段特定的时间内按特定的速度播放; 否则, 媒体信息的完整性就会受到影响。而静态媒体则是与时间无关的媒体, 其播放速度不会影响所含信息
2、的再现。,多媒体数据,文本，有：无格式文本、有格式文本、超文本；,超文本，是带链接的有格式文本，HTML，是超文本的语言； URL：internet网的统一资源定位符，包含存储页面的主机名、 文件名，供访问页面信息时使用； 万维网与超空间（ internet网络构成的巨大的数字化信息空间）,图像，有：计算机图形、数字化扫描文档、数字化图片；,音频，有：PCM（脉冲编码调制）语音、CD的音频、乐器合成的音频。,PCM语音，主要用于公共电话交换网（PSTN），国际标准G.711；,视频，有：广播电视、数字视频、PC视频。,语音的PCM脉冲调制编码原理,抽样脉冲的频率f奈奎斯特抽样频率 不会失真。,
3、抽样脉冲,音频信号,ISDN（综合业务数字网），又称窄带ISDN、N- ISDN，起初是为了 使PSTN用户有能力享有其他服务，在ISDN中，接入电路称为数字 用户线（DSL）。ISDN可支持多媒体通信的应用。,PSTN（公共电话交换网）,B-ISDN（宽带综合业务数字网），可支持多媒体通信的应用。 宽带，指一次通信所占电路的比特速率超过ISDN最大的2M比特速率。大量使用ATM（异步传输模式）技术，宽带综合业务网也叫ATM网。,数据网（X.25和因特网）， X.25只用于低比特速率应用，不适合 多媒体通信。因特网（Internet）是数据通信的主要形式，支持多媒体 通信。,广播电视网，使用卫
4、星网络和地面广播网络。当电缆调制解调器 集成到机顶盒时，可以为用户提供低速信道和高速信道。低速信道可连接PSTN，高速信道可连接因特网，可支持多媒体通信。,公共的数据通信网,PSTN网,数据通信业务应用,N-ISDN应用（接入速率较低）,数据通信业务应用,因特网,数据通信业务应用,网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译
5、器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层-应用层。,网关,因特网,数据通信业务应用,广播电视/因特网,数据通信业务应用,B-ISDN应用,数据通信业务应用,1.2 多媒体数据流的基本特征,比特率可变性 (1) 恒定比特率（Constant BitRate, CBR）传输 (2) 可变比特率（Variable BitRate, VBR）传输 2. 时间依赖性 3. 信道对称性,(1) 异步通信异步通信用于在端系统之间交换那些不需要实时存储或者处理的静态媒体数据。 例如, 多媒体电
6、子函件就是采用的就是这种通信方式。 (2) 等时通信等时通信用于在端系统之间传送诸如语音、 视频之类需要实时处理的连续媒体数据, 产生低延迟、低抖动的连续位流（Bit Stream）。 例如, 在多媒体视频会议系统中, 对于NTSC制式的视频信号, 网络必须每隔33毫秒就应向播放地点提交一个视频帧, 端到端的延迟应当保持在250 毫秒以下。由于连续媒体通信具有等时性, 通常采用“数据流”来抽象表示端到端连续媒体通信。,数据通信的两大类型,1.3 多媒体通信的性能描述与需求,1.3.1 多媒体通信的性能描述,网络性能参数,(1) 吞吐量网络吞吐量（Throughput）是指有效的网络带宽, 通常
7、定义成物理链路的传输速率减去各种传输开销, 如物理传输开销以及网络冲突、 瓶颈、 拥塞和差错等开销, 它反映了网络的最大极限的传输有用信息的容量, 测量内容与具体的对象相关。 例如: 在网络层, 吞吐量可表示成单位时间内接收、 处理和通过网络的分组数或比特数。 它是一种静态参数, 反映了网络负载的情况。 ,(2) 差错率差错率（Error Rate）是一种重要的性能指标, 反映了网络传输的可靠性。它可以用三种方法定义: 一是位差错率（BER）, 它定义为出错的位数与所传输的总位数之比; 二是帧差错率（FER）, 它定义为出错的帧数与所传输的总帧数之比; 三是分组差错率（PER）, 它定义为出错
8、的分组数与所传输的总分组数之比。 它们分别用于在不同的网络协议层次上计算差错率。例如, 在分组交换网中, 其传输单位是分组, 通常使用PER计算差错率; ATM网络上的传输单位是信元（Cell）, 可以使用FER计算差错率; 而物理传输网（如：同步光网络SONET）以位为传输单位, 故使用BER计算差错率。光纤传输网的BER范围一般为10-910-12, 卫星传输网的BER为10-7。,(3) 延迟延迟（Delay）是衡量网络性能的重要参数, 它可采用多种方式来表示。这里主要是从端到端延迟的角度来讨论延迟问题。端到端延迟是指发送端发送一个分组到接收端正确地接收到该分组所经历的时间。端到端延迟包
9、含了下列延迟时间: 传播延迟: 表示端到端之间传输一个二进制位所需要的时间。 这是一个受光纤光速限制的物理参数, 且是一个常数, 为200 m/s。 它仅仅与所经过的传输距离有关。 传输延迟: 表示端到端之间传输一个数据块（如分组）所需要的时间。该参数与网络传输速率和中间节点处理延迟有关。 网络延迟: 表示传播延迟与传输延迟之和。 接口延迟: 表示发送端从开始准备发送数据块到实际利用网络进行发送所需要的时间。,2. 影响网络性能的因素,吞吐量 网络故障。 网络拥塞。 瓶颈。 缓冲区容量。 流量控制。 (2) 差错 位出错。 分组丢失和乱序。 (3) 延迟,1.3.2 多媒体通信的性能需求,吞吐
10、量需求 高传输带宽需求。 大缓冲容量需求。 流量需求。 2. 可靠性需求（差错） 3. 延迟需求,1.4 多媒体通信的服务质量,服务质量（Quality of Service, QoS）是一种抽象概念, 用于说明网络服务的“良好”程度。由于不同的应用对网络性能的要求不同, 对网络所提供的服务质量期望值也不同。这种期望值可以用一种统一的QoS概念来描述。 在不同应用系统中, QoS参数集的定义方法可能是不同的。例如, 可以使用上述的网络性能参数来定义QoS, 即:,QoS = 吞吐量, 差错率, 端到端延迟, 延迟抖动,表 1.1 QoS 参 数 举 例,1.5 多媒体通信的网络支持环境,由于多
11、媒体信息, 特别是连续媒体信息源将产生大量的实时数据, 必须经过编码压缩处理后才能进行传输, 传送到目的地后再解压播放。 这样可以节省大量的网络带宽。数据压缩处理一般由两个过程组成: 一是编码过程, 即对原始数据进行编码压缩, 以便存储和传输; 二是解码过程, 即对压缩的数据进行解压, 恢复成可用的数据。 经过压缩后的连续媒体数据流仍然需要较大的网络带宽。 例如, 经MPEG-2压缩后的视频流仍需要大于 3.36 Mb/s的网络带宽。 当多个用户同时需要通过网络实时传送连续媒体数据时, 要求网络能够提供较大的带宽, 传统的10 Mb/s Ethernet很难满足这一需求。因此, 多媒体通信对网
12、络基础设施（主要是指网络硬件环境）提出了较高的要求, 如高带宽、低延迟、支持QoS以及资源动态分配等。,为了更好地支持多媒体通信, 无论是局域网还是广域网都呈现出高速化的发展态势。目前, 网络的传输速率已经达到10 Gb/s, 为多媒体通信提供了高带宽的保证。 对于局域网, 可提供100 Mb/s及以上传输速率的高速网络技术有: 快速以太网(100BASE-T)、千兆位以太网、光纤环网(FDDI)、 100VGCD*2AnyLAN以及ATM网络等, 这些网络都是标准化的, 在实际中已得到广泛的应用。 此外, 万兆位(10 Gb/s)以太网已经研制成功, 不久将出台有关的国际标准。从支持QoS的
13、角度, 100VG-AnyLAN、 FDDI以及ATM等网络都具有一定的支持能力, 只是程度不同而已。其中，ATM对QoS的支持最为充分。各种以太网都不提供QoS支持能力。,在这些局域网络中, 根据所采用的网络构件, 可以组成共享式网络和交换式网络两种网络类型。在共享式网络中, 各个节点共享一段有冲突的介质, 当网络负载（节点）增加时, 冲突将不可避免地发生, 导致网络可用带宽急剧下降。即使是100 Mb/s的高速网络, 也会因共享介质而产生多个用户同时竞争介质来传输媒体数据的问题, 这会导致网络延迟的增加, QoS的下降。 在交换式网络中, 通过交换机提供端点之间的并行的传送通道和独享的网络
14、带宽, 因而不会发生任何冲突, 且大大降低了传输延迟, 有效地保证了网络的QoS。 因此, 多媒体通信应当采用高速交换式网络作为网络支撑环境。,由于局域网通过高速交换式网络技术能够较容易地解决网络带宽和延迟问题, 对多媒体通信的支持比较充分，因此多媒体通信技术的重点是解决广域网支持多媒体流的综合传输和QoS问题。 近几年, 相继推出了一些以光纤为传输介质的广域网, 如同步光纤网(SONET)、 同步数字序列(SDH)和密集波分复用(DWDM)等, 其传输速率已达10 Gb/s, 大大改善了广域网的拥挤状况。 随着Internet的发展, 大量的话音和视频信息需要在基于分组交换的数据网上传输,
15、这就需要在网络基础结构上解决数据、话音和视频流的综合传输和资源协调问题, 实现各种应用的有机集成, 使整个广域网络具有高度的适应性、 开放性和可伸缩性。,一种有效的解决方案是宽带IP网络, 它是以ATM、SONET、 SDH和DWDM等高速网络为基础, 通过IP Over ATM、IP Over SONET 、 IP Over SDH以及IP Over DWDM等技术构成基于IP协议的集成平台, 再通过IP v6、 RSVP和区分服务等协议协调网络资源, 提供QoS保证和特性化服务, 以满足应用对网络服务质量的需求。宽带IP网络也是下一代Internet (如Internet 2)的核心技术。
16、另一方面, 宽带Internet必须和用户高速接入技术相配合才能真正发挥作用, 使基于Internet的多媒体应用能够走进千家万户, 也就是必须解决高速信息公路的“最后1公里”问题。目前, 用户高速接入技术主要有: 基于交互式电视网的Cable Modem的接入和基于电话网的ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)的接入, 它们分别适用于不同的用户环境, 其接入方法和性能也不同。这些接入技术可以提供130 Mb/s的接入速率, 是当前普遍使用的模拟Modem几十kb/s接入速率所无法比拟的。,1.6 分布式多媒体应用,多媒体会议系统是一种在计算机网络支
17、持下, 利用多媒体信息进行会议交流的会议系统, 人们足不出户就可以召开会议, 提高了会议的效率, 降低了会议开销。 这种新型的会议系统已成为典型的分布式多媒体应用系统之一。多媒体会议系统是一种点对多点的实时应用系统, 对网络环境的要求除了高带宽、 低延迟和支持QoS外, 还应当具有组播通信能力。此外, 高效的视频/音频编解码器也是必不可少的。为了规范会议系统的开发和应用, 有关国际组织制定了一系列有关会议系统的国际标准, 在编解码器、 数据压缩、通信协议等方面进行了标准化。从Internet发展趋势来看, 基于宽带IP网的桌面会议系统将是今后多媒体会议系统的主流技术。,视频点播 (Video
18、On Demand, VOD) 系统是一种交互式多媒体信息服务系统, 它采用客户/服务器模型, 整个系统由视频服务器、高速网络和客户端组成, 客户可根据自己的需要和兴趣选择视频服务器中的多媒体信息内容, 并控制其播放过程。 这种新的多媒体信息服务形式被广泛应用于交互式有线电视系统、 宾馆娱乐服务系统、 数字图书馆系统、远程教育系统以及各种公共信息咨询和服务系统等。VOD系统的信息交互具有不对称性, 客户到视频服务器的上行信道的通信量要远远小于视频服务器到客户的下行信道的通信量。根据系统响应时间长短, VOD系统可分成真点播TVOD（True VOD）和准点播NVOD（Near VOD）两类。T
19、VOD要求有严格的即时响应时间, 对视频服务器的CPU处理能力、缓存空间和磁盘I/O吞吐量以及网络带宽提出很高的要求, 系统造价比较昂贵。NVOD对系统响应时间有一定的宽限, 对系统配置和环境要求相对低一些, 从而降低了系统造价。 目前很多VOD系统产品都属于NVOD。,远程教育和远程医疗等都是面向领域的分布式多媒体应用系统。从技术的观点来看, 它们是在计算机网络的支持下, 根据面向领域的某种应用模型, 综合运用多媒体会议、视频点播和虚拟现实等多种多媒体技术手段来生动翔实地表现特定的内容。 归根到底, 还是反映了网络环境对多媒体通信的支持能力以及典型分布式多媒体应用技术(如多媒体会议、 视频点
20、播和虚拟现实等)在特定领域的应用和集成问题。,不同的分布式多媒体应用对网络环境的要求可能有所不同。 从应用的角度, Internet是一种广泛的网络平台, 但目前的Internet带宽很难支持分布式多媒体应用, 尤其是实时多媒体应用。目前正处于试验阶段的Internet 2能够比较充分地支持实时多媒体应用, 它采用IP v6 over ATM/SONET网络体系结构, 物理网络为高速的ATM和SONET, 可以提供2.5 Gb/s的传输速率, 而传输协议采用IP v6, 能够支持QoS和特性化服务。 不远的将来, Internet 2投入商业运行后将会大大改善Internet对实时多媒体应用的支持能力和服务质量。,
