1、第九章 多媒体通信,概述 可视电话系统 视频会议系统 多媒体网络 多媒体网络的QoS 分布式多媒体系统,9.1 概 述,历史与现状 现代通信技术以电报(1835年)和电话(1876年)出现为诞生的标志 计算机技术和通信技术结合产生了一批种类不同用途各异的通信网络形式和通信业务 多媒体对通信的影响 (1)多媒体数据量 (2)多媒体实时性 (3)多媒体时空约束 (4)多媒体交互性 (5)多媒体分布式处理和协同工作要求,实现途径 (1)话路+视频多媒体通信 (2)网络+视频多媒体通信 (3)有线电视+交换功能多媒体通信 关键技术 (1)声音、视频、动画等的传输技术; (2)数据压缩和解压缩技术; (
2、3)解决多媒体实时同步问题; (4)解决协议和标准化问题。,9.2 典型多媒体通信系统,理想的多媒体通信方式是人们可以在任何地点,任何时间通过网络进行多媒体信息交换。 为了使电话网能传送视频信号,人们很早就开始可视通信系统的研究。 由于传输线路性能的局限性,可视电话/会议系统一直没能广泛应用。,9.2.1 可视电话系统,可视电话组成 语音处理部分 图象输入部分 图象输出部分 图象信号处理部分,可视电话控制器,(1)图象信号A/D和D/A转换 (2)帧存储器 (3)信源编码/解码 (4)信道编码/解码 (5)调制/解调 (6)转输信道,可视电话控制器功能框图,摄像,显示,模拟信道,(公用电话网)
3、,数字信道,(ISDN)数字网,静止图象传输的过程 ： 在发送端摄得的图象首先经A/D转换,把模拟信号变成数字信号后存入帧存贮器,即把活动图象冻结,获取一帧画面,并高速写入数字存贮器;该静止图象以低速读出,经信源编码和信道编码后送到电话线上传送; 在接收端,接收信号经解调、解码恢复成原来的数字信号后,再送入帧存储器,然后反复以高速读出,D/A变换后送往显示器或监视器; 在显示器上显示出原来的静止图象。,静止图象传输原理 主要是利用帧存储器来改变信号的时间轴,把快信号变成慢信号,频带相应由宽变窄,使其能在电话线上传送. 这实际上是利用延长时间轴的方法传输要求宽带的大数据量的数字图象信号。,ISD
4、N的应用为动态图象的传输开辟了广阔的前景, 可视电话正朝看动态图象方向发展。 早期编码/解码无标准,互不兼容,无法通信。为此CCITT制订了H.261标准, 它规定了视频编码传输速度。 目前H.262(MPEG-2),H.263(低速线路)等标准提供了不同速率的视频编码技术.,9.2.2 视频会议系统,视频会议系统是一种在位于两个或多个地点的一群用户之间提供语音和运动彩色画面的双向实时传送的视听会话型电信会议业务。 早期的视频会议系统推广受到很大的限制 CCITT为视听通信系统制定了H.261标准, 解决了不同厂商产品兼容性问题, 为其普及打下良好的基础,商品化的视频会议系统 (1)高档会议室
5、型 DDN,专网,300K-2M (2)桌面会议系统 DDN,ISDN(112-768K) 或LAN(384K) (3)可视电话型 PSTN(28.8,33.6K),1990年12月，ITU-T批准了在窄带ISDN上进行视听业务的标准H.320建议 视频会议系统的组成 视频编解码器及附属设备 音频编解码器及附属设备 信息通讯设备 多路复用/信号分离设备 用户/网路接口 多点控制设备(MCU) 系统控制部分,多点视频会议系统,MCU,会议电视终端设备A,传输信道,H.320建议,H.261,H.221,G.703,G.711,G.722.G.728,H.242.H.230,H.221.H.243
6、.H.281,T.120系列 H.200/AV.270,ITU多媒体通信标准,ITU从1990发布了H系列、G系列、T系列等规范,形成了多媒体视频会议系统标准体系,解决了不同系统的互通问题。 H.320系统的其它相关协议包括:H.243 多个终端与MCU之间的通信规程;H.230 帧同步控制与指示信号;H.233 视听业务的加密系统;H.234 视听业务的密钥管理与认证;H.281 会议电视远端摄像机控制规程; 等等,H.320系统在N-ISDN的64Kbps(B信道)、384Kbps (H0信道)和1536/1920Kbps(H11/H12信道)上提供视听业务是ITU最早批准的视频会议系统标
7、准。 其它标准H.323-运行在LAN/Intranet的视频会议框架标准H.324-运行在低速率传统电话线和无线通信信道上的视频会议框架标准;H.321/H.310ATM 2种可视通信协议。,视频会议系统的基本功能,视频会议系统工作时, 各会议点的多媒体终端将反映各个会场的主要场景、人物及有关资料的图象以及发言者的声音同时进行数字化压缩; 根据视频会议的控制模式, 经过数字通信系统,沿指定方向进行传输; 同时在各个会议点的多媒体计算机上, 通过数字通信系统实时接收解压缩多媒体会议信息, 并在其监视器上实时显示出指定会议参加方的会议室场景、人物图象、图片和语音。,视频显示的转换控制的3种模式
8、(1)语音激活模式 或称自动模式 (2)主席控制模式 (3)讲课模式,9.3 多媒体网络,9.3.1 概述 计算机网络: 通过通信线路将多台地理上分散的独立工作的计算机互联起来,以达到通信和共享资源的目的, 这样一个松散耦合的系统就叫计算机网络。多媒体网络: 将多台地理上分散的具有处理多媒体功能的计算机和终端通过高速通信线路互联起来,以达到多媒体通信和共享多媒体资源的网络。,(1)19801990年,局域网(10Mbps),以Ethernet、Novell、Token Ring为代表,传输线路以双绞线和同轴电缆为主,传送的信息媒体以正文为主。广域网Internet传送正文,提供文件和Email
9、服务。 (2)19902000年,高速局域网(100Mbps), 窄带ISDN光纤网络, 提供浏览、图形、声音、电子邮件和静止图象传送。 (3)20002010年, B-ISDN,宽带IP,高速光纤网络, 提供视频图象传输和实时多媒体服务。,多媒体网络发展,9.3.2 数据通信网络,分组交换网X.25,PSN(分组交换网)是大型的计算机网络,它由数据交换节点和连接它们的各种不同信道组成。数据传输速率在500Kbps到23Mbps 。 CCITT对分组交换的特点:(1)所有报文必须划分为分组。每个分组的大小一般有一定的限制(如1000bits左右);(2)分组必须附加目的地址、分组编号及校验码等
10、控制信息,且有标准格式;(3)按存贮转发方式传递分组, 由于分组长度较短,利用高速传输实时性较好;(4)各分组可通过不同的传输途径先后到达目的地。,传统的X.25分组交换网非常适合于数据传输, 但存在着传输速率低、网络时延大、吞吐量小以及通信费用高等缺点, 很难满足多媒体通信的要求。新的分组交换技术, 如帧中继(FR)、ATM等提高了分组交换技术的性能。 其中FR是一种支持HDLC规程的宽带数据业务标准, 它一方面继承了X.25的优点, 如提供统计复用功能、永久虚电路、交换虚电路等, 另一方面又改进了X.25的性能。 帧中继业务兼有X.25分组交换业务和电路交换业务的长处, 在实现上又比ATM
11、简单。,ISDN,ITU ISDN定义: ISDN是以提供端到端连接的电话网IDN为基础发展而成的通信网, 用以支持包括电话及非话的多种业务。 用户对通信网有一个由有限个标准多用途的用户/网络接口构成的出入口： (1)基本速率接口(BRI)2B+D, 即2个传输用户信息的64Kbps的B通道, 1个传输低速数据信息的16Kbps的D通道共计144 Kbps, 距离在7km之内; (2)基群速率接口(PRI)30B+D, 主要面向设有PBX (用户小交换机)或具有召开电视会议用的高速信道等需要大业务量的用户。,9.3.3 B-ISDN及ATM,B-ISDN的宽带业务常指其传输速率超过一次群速率的
12、业务可利用H21(32.768Mbps), H22(4345Mbps), H4 (132 -138.24 Mbps)等固定速率通路来传送以动态图象为主的编码信息, 其中H21,H22适合传送现有的广播电视信号, H4用来传输HDTV信号。,各类应用及速率要求,ATM交换技术,B-ISDN中交换主要是高速分组交换、高速电路交换、异步传输模式(ATM)和光交换技术。 在电路交换模式中收发两端之间建立了一条传输速率固定的信息通路。在通信过程中, 不论是否发送信息,该通路均被某呼叫所独占,这种传输模式称同步传输模式(STM)。,ATM采用的对策 (1)以固定长度的信元发送信息,能适应任何速率。信元长为
13、53B,其中5B为信元头,其余48B为数据。 (2)在协议处理上用硬件对头部信息进行识别,采用光纤高速传输,不用误码控制和流量控制,大大降低了时延,使信息传送速度快、容量大。 (3)尽量采用简单协议,灵活性强, 用户可以应用从零到极限速率的任一有效码速，并可根据需要灵活地配置网络接口所用的带宽,使带宽“按需分配”。,ATM的优点 (1)用户信息进入网络具有高度的灵活性。由于不再有通路速率的限制,任何输出速率终端都可以进网通信。 (2)可动态分配和更有效地利用网络资源。 ATM本质上是一种高速分组传输模式,与分组长度可变的X.25分组交换相比:(1)它不采用通常存储/转发方式而使用硬件交换; (
14、2)ATM将分组交换协议简化,无误码流量控制。,ATM视听业务标准,ATM是ITU-T建议的B-ISDN传输模式,因此制定ATM环境下视听系统和终端的标准很有必要。该标准不仅应保证ATM环境下不同系统互通, 且具有连接在其他类型网络上终端之间的互操作性, 首先是具备与已广泛应用的H.320系统的互操作性。 ITU-T为ATM环境规定了2种系统：(1)H.321 它将H.320终端适配到B-ISDN中,即除了网络接口和呼叫控制外,其余部分还保持H.320终端所使用的协议。(2)H.310 它定义了B-ISDN上的系统和终端,包括一个H.320 /H.321互操作模式,和一个ATM本地模式,即完全
15、在ATM环境下的模式。H.310包括与320终端互通的部分,是H.321的一个超集。,9.4 接入网,接入网是ITU-T根据通信网演变趋势提出的概念。 全网可分为公用网和用户驻地网两大部分，其中用户驻地网属用户所有,一般的通信网指公用通信网部分。 公用通信网又可划分为长途网、中继网和接入网三部分。长途网和中继网合并称为核心网。 接入网位于本地交换机和用户之间，主要实现用户接入到核心网的任务，接入网由业务节点接口和用户网络接口之间一系列传送设备组成。,宽带有线接入网技术包括： 非对称数字用户线(ADSL)技术:利用现有电话网络的双绞线资源，实现高速、高带宽的数据接入 光纤和同轴电缆混合(HFC)
16、技术: 有线电视网技术上开发的宽带接入网 以太网接入技术 光纤接入技术: FTTx 无线接入技术: WiFi(无线局域网)、WiMax(无线城域网)、3G(无线广域网),9.5 多媒体通信网的QoS,服务质量(QoS)是说明多媒体性能目标的元组,通过该元组的性能说明,可以对通信系统性能进行指定不同应用有不同的QoS要求,9.5.1 多媒体信息传输对网络的要求,(1) 吞吐量(throughput)网络传输二进制信息的速率,又称比特率或带宽。 支持不同应用的网络应满足不同吞吐量需求： 图象传输：HDTV(MPEG2, 20-40Mbps)演播室质量的普通电视(MPEG2, 6-8Mbps)广播质
17、量电视(MPEG2, 3-6Mbps)录象质量电视(MPEG1, 1.4Mbps)会议质量电视(H.261, 128Kbps)。,声音传输：话音(带宽限制在3.4KHz内,压缩后到4-32Kbps)高质量的话音(50Hz-7KHz, 48-64Kbps) CD质量的音乐(20KHz, MPEG-1,128-192Kbps)5.1声道立体环绕声(3-20KHz,AC-3, 320Kbps) (2) 延时(Delay)传输延时定义为信源发出第一个比特到信宿接收到第一个比特之间的时间差。 网络的单程传输延时应在100-500ms,一般250ms； 交互式多媒体应用,系统对用户指令响应1-2s。,(3
18、) 延时抖动(Delay jitter) 网络传输延时的变化。 一般来讲, 人耳对声音抖动比较敏感,人眼对视频抖动不很敏感。参考指标： CD质量声音, 小于100ms; 电话质量声音,小于400ms;严格要求的应用(如虚拟现实),抖动小于20-30ms。 HDTV图象,小于50ms; 广播质量电视,小于100ms; 会议质量电视,小于400ms。,(4) 错误率(Error Rate) 误码率BER: 从一点到另一点的传输过程中所残留的错误比特的频数。如光缆传输, 10-9-10-12的范围。 包错误率BER: 指同一个包两次接收、包丢失、或包的次序颠倒而引起的包错误。 包丢失率PLR: 指包
19、丢失而引起的包错误。 参考指标： 压缩的CD质量声音, BER小于1/10000; 未压缩的CD质量声音，BER小于1/1000; 电话质量声音, BER小于1/100。 压缩的HDTV图象, BER小于10-10; 压缩的广播质量电视, BER小于10-9; 压缩的会议质量电视, BER小于10-8。,9.5.2 服务质量(QoS)描述,ITU将QoS定义为决定用户对服务的满意程度的一组性能参数。两种描述方法： 确定性描述：QoS参数 =Lower_bound; 统计性描述：ProbQoS参数 =Prob_bound;ProbQoS参数 =Lower_bound=Prob_bound.,9.
20、6 分布式多媒体系统,分布式处理产生了一批新的应用领域,如 实时会议系统 计算机协同工作系统 电子报纸共编和发行系统 家庭信息服务和娱乐等,9.6.1 分布式多媒体系统基本特征,所谓分布式处理就是要将所有介入到分布处理过程中的对象、处理及通信都统一控制起来,对合作活动进行有效地协调,使所有任务都能正常地完成。 分布式多媒体系统有以下基本特征： (1) 多媒体集成性 (2) 资源分散性 (3) 运行实时性 (4) 操作交互性 (5) 系统透明性,分布式处理中的协同工作,分布系统的建立与控制是建立在网络基础上的,与用户交互有关的分布式应用的控制与协调。 对这种分布式系统从时间和空间概念分类,4种不
21、同情况,(1)同时同地点。不是分布处理,属于象电化教室这样的应用。 (2)不同时同地点。可以看作一种异步式的交互方式,可以是本机留言或电子布告,是同地点的交互,不属于分布处理。 (3)不同时不同地点。存在用户有目的地寻找路径和目的地的动作,属于分布式处理的范畴。不需实时处理,只需存储转发。典型应用如电子邮件。 (4)同时不同地点。,9.6.2 分布式多媒体系统的实现模型,开放分布处理参考模型可以支持分布处理的建模。多媒体系统为它的用户提供抽象的服务。这些服务是由用户代理提供的。 用户通过用户代理UA对系统进行存取,系统的抽象服务由操作的逻辑组合来提供。 系统内也是由一组系统代理实现,所有系统代
22、理具有相同的性能,并且以相互合作的方式提供服务。 一个SA可同时同若干个UA交互。这样用户代理在用户和系统之间建立了逻辑接口,并从系统的内部分布中抽象出来,从应用角度看系统的组成,用户代理,用户代理,用户代理,用户代理,系统代理,系统代理,系统代理,系统代理,UA,UA,UA,UA,SA,SA,SA,SA,SA/SA,用户间连接,两种不同的协议,存取协议定义用户代理和系统代理之间的相互作用 系统协议定义两个系统代理之间的协议 用户代理可能要访问任何系统代理, 以便通过存取协议对系统作存取; 而系统代理则可以依次地根据提供服务的系统协议访问其它系统代理。实线是可能的协议, 虚线是已经建立起的连接
23、。,分布式多媒体系统服务模型,从用户观点,客户机/服务器模型就是客户机首先提出服务请求(RPC),系统根据资源分配来决定访问相应的服务器,服务器执行所需的功能,完成一个远程调用过程后,将结果返回客户机。 客户机和服务器是通过网络或分布式低层网络互连而实现这样一个完整的请求和服务过程。 客户机/服务器实质是指分布式系统中两个进程之间的关系,更确切地说,客户机和服务器都是进程,两个进程要互相通讯并建立合作关系。,9.6.3 分布式多媒体层次结构,多媒体接口层 多媒体传输层 流管理层 多媒体表示层 应用层,本章小结,主要讨论多媒体通信的概念、系统、网络和分布式多媒体系统。 常见多媒体通信系统可视电话、电视会议系统; 讨论了目前的通信网对多媒体通信的支持,以及以ATM为基础的宽带ISDN网络; 最后还讨论了基于多媒体通信网的服务质量与分布式多媒体处理技术。这些内容是多媒体通信网的基础。,
