第 1章 多媒体通信技术概论
第 1章 多媒体通信技术概论
1.1 引言
1.2
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
第 1章 多媒体通信技术概论
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的再现 。
第 1章 多媒体通信技术概论
(1)
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,多媒体电子函件就是采用的就是这种通信
方式 。
(2)
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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
1.2 多媒体数据流的基本特征
1,比特率可变性
(1) 恒定比特率( Constant Bit Rate,CBR)传输
(2) 可变比特率( Variable Bit Rate,VBR)传输
2,时间依赖性
3,信道对称性
第 1章 多媒体通信技术概论
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
1,网络性能参数
(1)
网络吞吐量 ( Throughput) 是指有效的网络带宽,通常定义
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
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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
(2)
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 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 10-9~ 10-12,卫星传输网
的 BER为 10-7 。
第 1章 多媒体通信技术概论
(3)
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 。
这是一个受光速限制的物理参数,且是一个常数,为 200 m/μs。 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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
2,影响网络性能的因素
(1)
·网络故障。
·网络拥塞。
·瓶颈。
·缓冲区容量。
·流量控制。
(2)
·位出错。
·分组丢失和乱序。
(3)
第 1章 多媒体通信技术概论
1.3.2
1,吞吐量需求
·高传输带宽需求。
·大缓冲容量需求。
·流量需求。
2,可靠性需求
3,
第 1章 多媒体通信技术概论
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 }
第 1章 多媒体通信技术概论
表 1.1 QoS 参 数 举 例
多媒体对象
/ms 动 /ms /(Mb/s)
可接受的位出
错率
视频 (TV品质 )
数据 (文件传送 )
图像
0.25
0.25
0.25
1
0.001~ 1
1
10
10
1
-
-
-
0.064
100
2~ 10
1~ 100
<10
2~ 10
<10-1
10-2
10-6
0
0
10-9
第 1章 多媒体通信技术概论
1.5 多媒体通信的网络支持环境
由于多媒体信息,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 。
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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),100VG[CD*2]AnyLAN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
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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
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,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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
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 。 这种宽
带 IP网络也是下一代 Internet (如 Internet 2)的核心技术 。
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 1~ 30 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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
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 。
第 1章 多媒体通信技术概论
视频点播 (Video 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 。 TVOD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。
第 1章 多媒体通信技术概论
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, 视频点播和虚拟
现实等 )在特定领域的应用和集成问题 。
第 1章 多媒体通信技术概论
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 。