网络多媒体技术(西电版)第5章 多媒体通信网络

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(2)声音对网络带宽的要求。声音是另一种对带宽要求 较高的媒体，可以分为以下4个等级：
①电话质量话音。电话质量话音的带宽在300~3400 Hz 之间，模/数变换时的采样率为8 kHz，量化精度为8 bit，从 而获得64 kb/s数据率，压缩后可降为32 kb/s、16 kb/s，甚 至4 kb/s。
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3.延时抖动(Delay Jitter)
网络传输延时的变化称为网络的延时抖动，即不同数 据包延时之间的差别。延时抖动可以用一段时间内(例如一 次会话过程中)最大和最小的传输延时之差来度量。
产生延时抖动的原因有很多，包括：传输系统引起的 延时抖动，如金属导体随温度的变化引起传播延时的变化 从而产生抖动；共享传输介质的局域网(如以太网或FDDI 等)引起的延时抖动，这是由于不同终端只有在介质空闲时 才能发送数据，这段等待时间通常被称为介质访问时间， 介质访问时间的不同会产生抖动；广域网(如IP网或帧中继 网)主要是由于流量控制的等待时间以及节点拥塞引起的排 队延时的变化而产生抖动的。
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表5-1 延时抖动要求
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4.错误率
在传输系统中产生的错误有以下几种度量方式： (1)误码率( Bit Error Rate,BER)。BER是指在传输过程 中发生误码的码元数与传输的总码元数之比。通常，BER 的大小直接反映了传输介质的质量。例如光缆传输系统的 BER范围就在10－9~10－12之间。 (2)包错误率(Packet Error Rate，PER)。包错误是指同 一个包两次接收、包丢失或包的次序颠倒。包错误率则是 指在传输过程中发生差错的包与传输的总包数之比。
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2.延时(Delay)
多媒体通信系统对延时的要求主要体现在多媒体通信 的实时传输方面。
网络的传输延时(Transmission Delay)是指信源发出最 后一个比特到信宿接收到第一个比特之间的时间差。它由 两部分组成：一个是信号在物理介质中的传播延时，该延 时的大小与具体的物理介质有关；另一部分是数据在网中 的处理延时，因为数据在网中传输时，除了物理介质产生 的延时之外，网络的节点设备或其他数字处理设备对信号 进行交换、处理时均会产生延时。
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5.1.2 多媒体传输网络的性能指标 1.吞吐量(Throughout)
网络吞吐量指的是有效的网络带宽，定义为物理链路 的数据传输速率减去各种传输开销。吞吐量反映了网络所 能传输数据的最大极限容量。吞吐量可以表示成在单位时 间内处理的分组数或比特数，它是一种静态参数，反映了 网络负载的情况。在实际应用中，人们习惯于将网络的传 输速率作为吞吐量。实际上，吞吐量要小于网络的传输速 率。
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(3)包丢失率(Packet Loss Rate，PLR)。PLR是指由于包 丢失而引起的包错误率。包在传输过程中丢失的原因有多 种，通常最主要的原因就是网络拥塞，致使包的传输延时 过长，超过了设定到达的时限从而被接收端丢弃。
在多媒体应用中，数据对误码率的要求比活动的音/视 频对误码率的要求更高，比如银行转账的传输是不允许有 任何差错的，而活动的、不断更新的音/视频即使产生错误 也会很快被覆盖。所以对于数据的传输应通过检错、纠错 机制使误码率减小到零。对于音/视频的误码率指标要求可 以宽松一些。
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(1)视频对网络带宽的要求。对于运动图像而言，人们 能感觉到的质量参数有两个，分别是每秒的帧数和每幅图 像的分辨率，因此衡量视频服务质量的好坏通常用这两种 参数的组合来表示。根据不同条件下的实时视频传输的要 求，可以将视频的服务质量分为以下5个等级：
①高清晰度电视(HDTV)质量。高清晰度电视质量的分 辨率为1920×1080，帧率为60 帧/s。若每个像素量化为24 bit，则总数据率约为3 Gb/s。当采用MPEG-2压缩时，其数 据率约为20～40 MB/s。
根据数据交换方式的不同，现有通信网络大致可分为 电路交换网络和分组交换网络。
电路交换网络是指在网络中，当两个终端在相互通信 之前，需要建立起一条实际的物理链路，在通信中自始至 终使用该条链路进行数据信息的传输，并且不允许其他终 端同时共享该链路，通信结束后再拆除这条物理链路。
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可见，电路交换网络属于预分配电路资源，即在一次接续 中，电路资源预先分配给一对用户固定使用，而且这两个 用户终端之间单独占据了一条物理信道。由于在电路交换 网络中要求事先建立网络连接，然后才能进行数据信息的 传输，因此电路交换网络是面向连接的网络。公用电话网 络(PSTN)就属于电路交换网络。
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端到端的延时(End-to-EndDelay)包含三部分：第一部 分是信源数据准备好而等待网络接收这组数据的时间；第 二部分是信源传送这组数据(从第一个比特到最后一个比特 )的时间；最后一部分就是网络的传输延时。根据不同的网 络负载状况，端到端的延时会发生变化。
不同的多媒体应用，对延时的要求是不一样的。对于 实时的会话应用，在有回波抵消的情况下，网络的单程传 输延时应在100~500 ms之间；而在交互式的实时多媒体应 用中，系统对用户指令的响应时间应小于1～2 s，端到端 的延时在100~500 ms之间，此时通信双方才会有“实时” 的感觉。
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延时抖动会对实时通信中多媒体的同步造成破坏，最 终影响到音/视频的播放质量。从人类的主观特性上来看， 人耳对音频的抖动更敏感，而人眼对视频的抖动则不太敏 感。为了削弱或消除延时抖动造成的这种影响，可以采取 在接收端设立缓冲器的办法，即在接收端先缓冲一定数量 的媒体数据，然后再播放，但是这种解决办法又会引入额 外的端到端的延时。综合上述各种因素，实际的多媒体应 用对延时抖动有不同的要求，如表5-1所示。
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④录像机(VCR)质量。录像机质量是指具有VHS(家庭 录像系统)格式的录像机放映广播质量的节目时所能观察到 的质量。其分辨率为广播电视质量分辨率的1/2，即 360×288，经MPEG-1压缩后的数据率约为1.4 MB/s(其中 包括200 kb/s的伴音)。
⑤视频会议质量。视频会议可以采用不同的分辨率， 如果采用H.261标准的CIF(Commonlntermediate Format，通 用中间格式)，则分辨率为352×288，帧率可以到10帧/s以 上，这是5个质量等级中最差的一个等级。由于目前IP网络 带宽的限制，基于IP网络的多媒体通信的应用多采用这个 质量等级。
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多媒体通信的吞吐量的需求与传输网的网络传输速率 、接收端的缓冲容量和数据流量有关。多媒体传输网络必 须为多媒体信息的传输提供足够的传输带宽，当网络提供 的传输带宽不足时，就会产生网络拥塞，从而导致端到端 数据传输延迟的增加，并会造成数据分组的丢失。在多媒 体通信系统的接收端，必须提供足够大的缓冲区容量；当 缓冲区容量不够大时就很容易产生缓冲区的数据溢出，造 成数据分组丢失。对于视频和音频这类对实时性有高要求 的媒体流，多媒体传输网络必须提供足够宽的带宽；而对 非实时性的数据信息则要求网络满足其对流量的需求。
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如对于数据量为50 Gb的数据信息流，如果网络只能提供 1.5 MB/s的有效带宽和6 s的时间，则对于数据的传输显然 是不够的。如果用户对1.5 MB/s的数据信道可以使用足够 长的时间，则用户对数据流量的需求是可以得到满足的。
多媒体对象的数据量通常较大，所以对带宽的需求也 较大。若就单个媒体而言，实时传输的活动图像对网络的 带宽要求最高，其次是声音。
网络多媒体技术（西电版）第5章 多 媒体通信网络运行的，所以多媒体通信网络并不是一个新建的专门用于 多媒体通信的网络，而是按照多媒体通信的要求对现有的 网络进行改造和重组后形成的网络。
目前的通信网络大体上可分为三类：电信网络、计算 机网络和电视传播网络，这些通信网络虽然可以传输多媒 体信息，但都不同程度地存在着各种缺陷。为了适应多媒 体通信的应用，需要将这些针对不同应用目标设计的网络 “融合”在一起，以形成理想的多媒体业务网。虽然多媒 体通信网络近年来已经取得了长足的进展，但要达到最终 的目标还需要相当的过程。
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本章首先分析多媒体通信对传输网络的要求，然后讨论不 同网络对多媒体通信的支持状况，重点介绍ATM网和宽带 IP网络，最后对接入网技术进行分析。
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5.1 多媒体通信对传输网络 的要求
5.1.1 概述
多媒体通信对通信系统的要求是相当高的。它要求实 现一点对多点或者多点对多点的实时不间断的信息传输。 在多媒体通信系统中，在网络上运行的不再是单一的媒体 ，而是多种媒体综合而成的一种复杂的数据流。多媒体信 息在传输时对网络提出了很高的要求，主要原因是：
②高质量话音。高质量话音的带宽在50 Hz～7 kHz之 间，其质量相当于FM调频广播质量，模/数变换时采样率 为37.8 kHz，量化精度为16 bit，压缩后的数据率在48～64 kb/s范围内。
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③CD质量的音乐，双声道的立体声。其带宽限制在20 kHz以内。当采样率为44.1 kHz，量化精度为16 bit时，可 获得每声道为705.6 kb/s的数据率，经MPEG-1的音频压缩 算法压缩之后，两个声道的总数据率可降为192 kb/s或128 kb/s。
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(1)多媒体数据的海量性。多媒体数据包含文本、音/视 频等，数据量非常大，尤其是图像、视频，尽管采用了压 缩算法，但是在保证图像质量的前提下还是有很大的数据 量，因此不仅需要很大的存储容量，在传输时也需要很大 的带宽。
(2)多媒体数据的集成性。多媒体数据所包含的多媒体 对象有多种类型，比如文本、声音、图像等，不同类型的 对象具有各自不同的特点，通信时需要对它们共同进行存 储、传输、处理及显现，因而必须将它们有机地结合在一 起。
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②演播室数字电视质量。对于PAL制式，演播室数字 电视质量的分辨率为ITU-R601格式720×576，帧率为25帧 /s，采用隔行扫描方式。若每个像素量化为16个比特，则 总数据率约为166 MB/s。当采用MPEG-2压缩编码时，数据 率约为6～8 MB/s。
③广播电视质量。根据理论分析，广播电视质量与演 播室数字电视的质量有相同的质量，即分辨率为720×576 ，帧率为25帧/s，但是由于接收机的分辨率受到限制以及 其他原因，实际在接收机上显示的图像质量要比演播室数 字电视的质量稍差一些，结果是广播电视质量相当于模拟 电视机显示出的图像质量，经MPEG-2压缩后数据率为3～6 MB/s。
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例如，对于话音，BER小于10－2；对于未压缩的CD质量音 乐，BER小于10－3；对于已压缩的CD质量音乐，BER小于 10－4；对于已压缩的HDTV，BER小于10－10。由此可见， 已压缩的音/视频数据对误码率的要求比未压缩的音/视频数 据对误码率的要求要高。
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5.2 电路交换和分组交换网络
④5.1声道立体环绕声。5.1声道立体环绕声的采样率为 48 kHz，量化精度为22 bit，压缩方式采用AC-3(杜比公司 开发的数字音频编码技术)编码技术，压缩后的总数据率为 320 kb/s。
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综上所述，不同媒体对网络带宽的要求是不一样的， 一般实时的视频和音频对带宽的要求较高，而以非实时的 以文件方式传送的图文或者文本对带宽的要求相对较低， 这里不再讨论。
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(5)多媒体数据的同步性。在多媒体对象内部，各媒体 对象之间存在着时空约束关系，如果在传输过程中破坏了 这种关系，则会妨碍对多媒体数据内容的理解，所以在通 信时需要对这种约束关系进行维持，以保证多媒体信息在 终端上的正确显现。
可见，多媒体数据的特殊性使得其在传输过程中对网 络提出了特殊要求，主要体现在网络的吞吐量、延时、延 时抖动、错误率等方面。
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(3)多媒体通信的实时性。多媒体数据中有相当一部分 数据是连续的媒体数据，如音/视频，这些媒体数据对多媒 体传输设备、传输网络的要求很高，即使在传输带宽足够 宽的条件下，若采用了不适当的通信协议，也会对实时性 造成影响。
(4)多媒体通信的交互性。多媒体通信的关键特点就是 交互性，它要求通信网络提供双向的数据传输通道，体现 人与系统之间的相互控制能力。根据具体应用的不同，通 信网络提供的双向通道的带宽或者功能可以是不对称的。