本文從IP視頻會議的標準,IP視頻會議系統(tǒng)與傳統(tǒng)的視頻會議系統(tǒng)的比較,IP視頻會議系統(tǒng)的組成,如何確保IP視頻會議質量, 視頻會議領域的未來趨勢等方面,詳細地介紹了IP視頻會議技術。
視頻會議就是通過終端與網絡,使身處異地的與會者可以就同一議題參與討論,相互之間不僅可以聽到發(fā)言者聲音而且還可以看到發(fā)言者的圖像及背景,同時還可以 交流有關該議題的數(shù)據、文字、圖表等信息,因而與會者可獲得比電話會議豐富得多的各種信息,隨著超大規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展,集計算機的交互性。 網絡的分布性和多媒體信息的同步性為一體的多媒體會議電視系統(tǒng)突破了計算機。通信。電視等傳統(tǒng)的界限,為人們提供了全新的交互服務。
當前,全球對視頻會議設備需求量猛增,尤其是自“非典”事件發(fā)生之后,為了確保安全,許多大公司都通過視頻會議、遠程電話會議、網絡會議等手段進行商業(yè)活動。
基于N-ISDN或PSTN的視頻會議系統(tǒng)雖然也能傳輸多種媒體信息,但它是利用現(xiàn)有專用或通用的通信網絡,采用簡單的時分復用(TDM)方式在同一信道 上傳輸多路信息,而沒有從多媒體通信系統(tǒng)結構。連接和控制協(xié)議出發(fā)來進行系統(tǒng)設計,因此人們對通信進程和媒體信息的交互控制能力都非常有限。
隨著Internet和局域網的發(fā)展以及PC桌面系統(tǒng)的普及,交互式視頻會議傳輸網的基礎正由基于電路交換式的N-ISDN或PST向基于分組交換式的 IP網過渡,由專門會議室型向個人桌面型發(fā)展。IP視頻技術對傳統(tǒng)的會議模式產生了前所未有的沖擊,切實為人們提供了更快捷更優(yōu)質的溝通手段,引發(fā)了通信 領域新的革命。IP 視頻技術具有低廉的運行成本和高質量的通信服務等明顯優(yōu)勢,基于IP 視頻的各種解決方案也廣泛應用到了我國企業(yè)決策、遠程教學、遠程醫(yī)療等領域。本文著重IP視頻會議系統(tǒng)。
一、IP視頻會議的標準
為了解決不同廠商產品之間的互通問題,建立起全球統(tǒng)一的視頻會議標準,國際電信聯(lián)盟(ITU)的電信標準化部門(ITU-T)自1990年以來制訂發(fā)布了 一系列有關視頻會議的標準,從而形成了一套有關視頻會議的完整標準體系。目前,視頻會議系統(tǒng)的建立可以依據ITU-T的兩大框架建議H.323和 H.320來進行。
1990年推出的H.320標準是第一代視頻會議標準,主要適用于窄帶ISDN(N-ISDN)網及非撥號專用網,集中定義了ISDN上的視頻會議以及速率為56kbps~2Mbps的視頻會議,也是現(xiàn)今發(fā)展最為成熟的技術和系統(tǒng)。
1996年推出的H.323定義了在LAN、Intranet以及Internet上的視頻會議框架性建議。它使符合標準的不同廠商的系統(tǒng),可以在LAN 上進行相互通信,是視頻會議發(fā)展的新方向。H.323定義了在LAN上進行視頻通信的設備、規(guī)程和協(xié)議。H.323使用與Internet協(xié)議兼容的 IETF RTP/RTCP標準,并計劃使用各種分組交換網(PSN)協(xié)議,包括TCP/IP和Novell SPX/IPX協(xié)議。H.323協(xié)議就是IP視頻會議的標準。
在初期,由于IP協(xié)議不是很普遍,基于ISDN線路,符合H.320協(xié)議的產品占主要比例,隨著幾年IP協(xié)議的普遍應用和互聯(lián)網的高速發(fā)展,特別是對于寬 帶網絡的預見,符合H.323協(xié)議的產品自2000年開始,在整體市場中占有的比例急劇上升。隨著IP技術的不斷提高和改善、國際標準的制訂,IP視頻業(yè) 務的應用范圍必定會逐漸擴大,基于H.323平臺的應用將日益廣泛。
H.323標準涵蓋了包交換網絡上的音頻、視頻、數(shù)據通信,解決了點對點以及多點視頻會議中諸如呼叫與會話控制、多媒體與帶寬控制等問題。H.323引用T.120協(xié)議來處理數(shù)據交換。
在H.323建議中,采用的圖像編解碼格式有H.261、H.263、H263+。H.263以及H.263+能夠對圖像提供更大的壓縮速率,能夠在低碼率下提供比H.261更好的圖像質量,因而更適合IP網絡應用
音頻編碼格式必須兼容G.711語音編碼,另外也可以選擇使用G.722、G.723.1,G.728,G.729或MPEG-1的語音編碼標準。
基于IP網絡的電視會議系統(tǒng)采用了分組交換技術,因為分組交換不保障有序性和固定延時,因而不能保證有固定的延時和帶寬。為了較好解決實時通信的業(yè)務質量,采用了UDP/IP、RTP、RTCP以及RSVP等協(xié)議。
H.323具有以下主要優(yōu)點。H.323協(xié)議被設計成運行在通用的網絡體系結構之上,具有網絡獨立性。H.323協(xié)議提供了網絡帶寬管理功能,能夠對網絡 中并發(fā)的H.323連接數(shù)和H.323應用可獲得的帶寬總量進行限制。H.323提供了連接基于電路交換或ISDN的視頻會議的手段。H.323支持多點 會議和多點會議廣播(multicast)功能。H.323實現(xiàn)了不同廠商的多媒體產品和應用的互操作等
二、IP視頻會議系統(tǒng)與傳統(tǒng)的視頻會議系統(tǒng)的比較
以前傳統(tǒng)的視頻會議系統(tǒng)是基于專線的H.320協(xié)議,需要固定路由及QoS保證的視頻會議系統(tǒng)。主要采用ISDN或E1接入。雖然圖像,聲音的質量比較理想,但用戶端設備及MCU(多點控制單元)的價格比較昂貴,小型企業(yè)和個人用戶不可能接受。
由于H.320協(xié)議與H.323協(xié)議(IP視頻會議系統(tǒng)協(xié)議)在視頻,音頻上的壓縮協(xié)議基本相同,所以,在相同帶寬情況下,H.323視頻會議(IP視頻會議系統(tǒng))與H.320視頻會議質量基本相同。
對于以ISDN接入的桌面型H.320視頻會議來說,用戶終端需要和固定的ISDN專線綁扎,不能移動,另外,如果召開一個跨省市的會議時,用戶還需繳納 長途費,這不僅給用戶帶來了不便,還增加了用戶負擔。而H.323視頻會議系統(tǒng)(IP視頻會議系統(tǒng))則不存在上述問題,因為,對于因特網用戶來說,不存在 長途費用的問題,并且,只要H.323視頻會議用戶的微機上安裝了客戶端軟件、壓縮卡及攝像頭,并登陸因特網,成功向Gatekeeper(關守)注冊 后,就可以通過MCU(多點控制單元)隨時隨地召開會議,非常靈活、方便。一方面為用戶節(jié)省了大量投資成本與維護成本,大大提高了企業(yè)的信息溝通效率;另 一方面也為運營商吸引用戶,拓展了新的增值業(yè)務。
三、IP視頻會議系統(tǒng)的組成
根據H.323建議,IP視頻會議系統(tǒng)由會議終端(Termial)、網關(gateway)、網閘(gatekeeper)、IP網絡以及多點控制器 (MCU)組成。
終端是提供單向或雙向實時通信的客戶端。所有終端支持語音通信,可選支持視頻和數(shù)據通信。
網關用于實現(xiàn)與非H.323終端的連接。
網閘執(zhí)行保護數(shù)據網絡完整性的功能,主要包括地址轉換、訪問控制和帶寬管理等。
高速IP網絡:隨著家庭用戶對Internet的需求增加以及對于信息交流的更高要求,高速IP網絡將會得到快速發(fā)展,目前通過重新鋪設5類線,用戶可以 獲得10M甚至100M的接入帶寬,可以充分支持會議電視業(yè)務。利用VLAN交換機代替集線器、支持IGMP路由器、通過幀中繼和ATM網絡傳輸圖像、保 證帶寬等措施可以較好地保證會議電視的傳輸質量。
多點控制器用于支持三點或多點之間的網絡會議,由必要的多點控制器(MC)和零個或多個多點處理器(MP)組成。MC確定所有終端的音視頻處理能力并控制會議資源。MP混合、交換和處理音頻、視頻和數(shù)據流。
多點會議分為集中式、分散式和混合式多點會議三種模式。
集中式多點會議必須配備MCU。所有的終端以點對點的方式向MCU發(fā)送音頻、視頻、數(shù)據和控制流。MC集中管理會議。MP進行音頻混、視頻混合和數(shù)據分發(fā),并回送參加會議的各終端。集中式多點會議允許所有來自不同廠商的H.323終端加入會議。
分散式多點會議使用了Multicast技術。參加會議的H.323終端將音頻、視頻流廣播給其他參與會議的終端,控制信息則以點對點方式發(fā)送給MC。接 受終端負責處理接收的音頻、視頻流。分散式多點會議會議把對網絡資源的占用低,并能大幅度地降低成本。它要求網絡的配置支持網絡廣播。
混合式多點會議綜合了集中式多點會議和分散式多點會議的特點。參加會議的H.323終端將音頻、視頻流選擇其中之一以點對點方式發(fā)送給MC,剩下的以廣播方式發(fā)送給所有的H.323終端。
通過MCU可以將集中式多點會議和混合式多點會議連接起來,可實現(xiàn)更大的靈活性。
此外,H.323還定義了“松散聯(lián)系”會議用于支持大規(guī)模的會議。在該模式下,參會者被分為主動參與者和被動參與者,主動參與者又分為永久成員和臨時成員。被動參與者僅能觀看會議。通過臨時成員與被動參與者的角色轉換,允許更多的參與者發(fā)表意見。
四、如何確保IP視頻會議質量
近年來,基于H.323的IP視頻會議系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展,已經具備了公眾運營的條件,而實現(xiàn)這一條件,服務質量是關鍵。
由于H.323協(xié)議本身的不成熟,這給IP視頻會議的公眾運營帶來一定的困難。IP視頻會議的公眾運營化,必須解決用戶管理、業(yè)務管理、計費管理和視頻交 換的互操作性等問題。由于Internet是一個無連接網絡,只提供一種承載業(yè)務-盡力傳送(best effort)業(yè)務。也就是說,網絡并不保證向應用數(shù)據流提供所需的帶寬,也不保證數(shù)據流的傳送時延和丟失率等質量指標。對于數(shù)據業(yè)務等非實時業(yè)務,盡力 傳送能夠滿足要求,但是對于音頻或視頻等實時通信應用,網絡必須能支持具有一定QoS的端到端承載業(yè)務。如何提高實時性能,確保通信的QoS,是IP視頻 系統(tǒng)的關鍵技術要求,也是一個技術難點。
在IP視頻會議中,QoS的策略可分為兩個層面來實現(xiàn):網絡層面和業(yè)務層面。下面從這兩個層面出發(fā)分析如何確保IP視頻會議質量(QoS)。
1.確保IP視頻系統(tǒng)QoS的方法
Internet上確保IP視頻系統(tǒng)QoS有兩種方法,具體如下:
(1)超量工程法(overengineering)
即在網絡規(guī)劃時預留足夠的帶寬,使得任何時候都能獲得可接受的QoS。這種方法十分簡單,不需要資源預留協(xié)議和接納控制功能,但是要求部署足夠多的路由器 和高速鏈路,保證即使在忙時網絡資源也有足夠的余量。它可用于網絡資源便宜、同時網絡最大業(yè)務量又可以預測的情況。
(2)綜合服務Internet方法
由IETF綜合服務(IntServ)工作組定義。它需定義呼叫接納控制功能資源預留協(xié)議,如RSVP。利用RSVP消息,端點應用程序可以提出數(shù)據傳送 全程必須保留的網絡資源(如帶寬、緩沖區(qū)大小等),同時也確定了沿途各路由器的傳輸調度策略,藉此,可以對每個數(shù)據流的QoS依次進行控制。
2. 網絡設計上對QoS的保證
(1)網絡結構
城域IP網絡通常由核心層、匯接層和接入層組成,匯接層的各節(jié)點通過高速鏈路連接到核心層。在城域IP網中,在路由器連接上考慮路由跳數(shù),保證網絡任意兩 個節(jié)點間通信路由跳數(shù)最多為4跳,配置高性能路由器,根據經驗值,在采用光傳輸?shù)那闆r下,一個數(shù)據包經過一跳其延遲一般為10ms,該值不由線路的長度和 路由器的性能所決定(對于7500以上的路由器),所以數(shù)據包在骨干網中的正常延時大概在50ms左右。從這個角度考慮,延時問題不是影響IP視頻業(yè)務質 量的主要問題。
(2)路由振蕩問題及其解決
路由振蕩原因分為兩個方面。一個是由于鏈路狀態(tài)的改變造成的路由改變,如果采用IS-IS或OSPF的路由發(fā)現(xiàn),由于該問題要靠Hello包的檢測,同時 檢測一次還不行,還需要檢測幾次。一般情況下,從鏈路中斷到新路由選定需要幾秒到幾十秒的時間,這樣的問題發(fā)生在骨干網上將大大地影響實時多媒體業(yè)務的質 量,該問題主要通過使用MPLS的FRR能力加以保護。另一個路由振蕩問題主要是網絡設計不嚴謹造成的,對于出現(xiàn)大量的同值選路或大量的Route ReLookup或路由狀態(tài)更新振蕩的情況,防止問題的主要方案是在設計網絡時要求所有的流量的方向和選路都需要監(jiān)控者明確地加以檢查。
振蕩是一個非常難于解決的問題,由于路由器原理的問題(相對于交換機來說),總有一些時間可能處于較忙的時間,這可能令到單臺路由器的延遲增加到 100ms以上,這樣就會造成多媒體會議系統(tǒng)的質量發(fā)生下降。產生這樣的情況有時候不見得是由于線路上流量過多造成的,有可能在20%~30%的帶寬下也 會發(fā)生這樣的事情。這樣的問題主要是由于路由器的Buffer設置的問題造成的。改善的方案是將路由器的Buffer設置專門為會議系統(tǒng)這樣的情況進行優(yōu) 化,不過有可能造成傳統(tǒng)IP業(yè)務的效率下降。最好的情況是采用兩個網絡分開進行服務,這里有一個決策的問題。
(3) 網絡擁塞
除了振蕩,網絡擁塞對IP視頻會議業(yè)務也有著重大影響。因此我們在設計網絡時,要防止網絡擁塞的產生。在部署擁塞管理時,使用以下幾個步驟:
(a)測定WAN是否發(fā)生擁塞現(xiàn)象
(b) 根據所需要管理的通信的種類、網絡的拓撲結構及設計方案來決定目標。在確定需要取得什么樣的結果的時候,考慮目標是否位于幾條標準之中:
能夠為所確定的所有通信類型建立一種公平的帶寬分配方式;
對于從IP視頻業(yè)務發(fā)送出來的通信,都能夠指定嚴格的優(yōu)先級。這樣可能會傷害到同時也支持的、但不是緊急的通信業(yè)務的利益;
能夠自定義帶寬分配,以便在所服務的所有的應用之間共享網絡資源。每一個應用都具有特定的、已經確定好的帶寬需求。
(c) 用所選定的那種排隊策略配置接口,并且觀察所得到的結果。
3.IP視頻業(yè)務本身的QoS的實現(xiàn)
如何提高實時性,確保通信的QoS,是IP視頻會議的關鍵技術要求。在這一點上,基于H.323的視頻會議系統(tǒng)采用IETF提出的實時協(xié)議和網絡 技術。首先,話音信號采用實時傳送協(xié)議RTP封裝傳輸。但是,RTP本身并不提供任何保證QoS的機制,要確保通信的實時性還需要IP網絡本身具有這方面 的增強能力。
(1)RTP功能及設計思想
RTP協(xié)議為音頻、視頻等實時數(shù)據提供端到端的傳遞服務,可以向接收端點傳送恢復實時信號必需的定時和順序的信息,并向收發(fā)雙方和網絡運營者提供QoS監(jiān) 測的手段,降低對網絡帶寬的需求。RTP可以大大減少你的帶寬占用。RTP還可以使視頻會議中容忍少量的丟包,以避免數(shù)據包重傳造成的時延。RTP實際包 括兩個協(xié)議。
RTP本身:用以傳送實時數(shù)據。其功能提供凈荷類型指示、數(shù)據分組序號、數(shù)據發(fā)送時戳和數(shù)據源標識。
RTCP:用以傳送實時信號傳遞的質量參數(shù),提供QoS監(jiān)視機制;同時還可傳送會議通信中的參會者的信息,向沒有顯式的成員控制和呼叫建立的"松弛型"會議通信提供控制機制。
H.323協(xié)議利用RTCP的SR和RR包監(jiān)測QoS。
SR:主要用于多RTP流,如音頻和視頻之間的同步,和H.225.0密切相關。和流同步相關的字段是RTP時戳和NTP時戳。
RR:用戶監(jiān)測QoS指標,包括長時指標和短時指標。如果丟包率高于設定值,就應降低媒體速率。如接收報告間隔超過設定值,則應根據RR包中的丟失率字段 判斷網絡是否嚴重阻塞,如是,應降低媒體速率。如果連續(xù)3個接收報告的到達時延抖動值增加,發(fā)送端應采取措施。
(2)保證QoS具體手段
為了維持一定的服務質量,當監(jiān)測到QoS指標下降時,H.323終端采取一定措施。實際上這些措施并不是保持原有的Qos,而按照一定順序依次減低各種媒 體的質量,使得在給定的帶寬和負荷條件下仍然能向用戶提供可接受的服務。首先考慮降低質量的是視頻信號,然后依次是數(shù)據、音頻和控制信號。采取措施可分為 兩類:短時響應和長時響應。前者旨在解決包短時丟失和時延增加的短期問題;后者用于網絡擁塞日益嚴重的情況。
(a)動態(tài)調整圖像帶寬
人們對圖像和語音的敏感程度是不一樣的,當圖像碼流出現(xiàn)延遲、抖動時,解碼后圖像表現(xiàn)為誤碼、丟幀;當語音碼流出現(xiàn)延遲、抖動時,解碼后聲音斷 續(xù)。從人的感覺上對圖像的誤碼更寬容一些。為提高QoS,可以利用RTP/RTCP報告,得到關于網絡狀況的信息,如丟包率、包抖動、延遲,根據這些信息 動態(tài)調整圖像帶寬。當網絡狀況不好時,可以通知編碼器,降低圖像帶寬,優(yōu)先保證聲音帶寬;當網絡狀況好時,通知編碼器,提高圖像帶寬.
(b) 唇音同步
接收方:對于接收方語音和圖像的同步,終端收到語音、圖像數(shù)據之后,分別放到語音緩沖和圖像緩沖中,定時從語音緩沖中取出語音包解碼,如果取出的語音包時戳與圖像吻合,就把相應的圖像包解碼。這樣做的好處是考慮語音的敏感性。
發(fā)送方:打時戳。發(fā)送方應該給數(shù)據包打上時戳,一方面是數(shù)據包(RTP包)的時戳,另一方面是數(shù)據控制包(RTCP包)的時戳。
基于H.323的IP視頻會議系統(tǒng)將成為寬帶IP網的一種潛力很大的增值業(yè)務。而它的終極目標是公眾運營化,使千家萬戶享受視頻服務。但IP視頻會議系統(tǒng) 的公眾運營化,涉及到很多問題,服務質量是實現(xiàn)IP視頻會議開展的關鍵,所以在IP視頻的系統(tǒng)設計中,要統(tǒng)一做好服務質量的設計。由于IP視頻會議是一項 新興的技術,本身還處于發(fā)展中,很多技術有待于進一步的研究和探討。
五、視頻會議領域的未來趨勢
隨著通信網絡運營商寬帶業(yè)務的拓展以及在保證網絡服務質量情況下對核心寬帶骨干網技術的應用,我們可以預見,網絡傳輸能力將得到更進一步提高,從而促進H.323視頻會議系統(tǒng)(IP視頻會議系統(tǒng))的快速發(fā)展。視頻會議系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢有以下幾點:
(1)編解碼方式由硬件向軟件轉化
由于計算機處理速度和附屬板卡的處理速度提高,許多需要專用設備進行的數(shù)據處理過程可以交由計算機及其內置的通用板卡來完成,在效果上沒有太大的區(qū)別
(2)產品協(xié)議類型從H.320向H.323轉化
在初期,由于IP協(xié)議不是很普遍,基于ISDN線路,符合H.320協(xié)議的產品占主要比例,隨著幾年IP協(xié)議的普遍應用和互聯(lián)網的高速發(fā)展,特別是對于寬 帶網絡的預見,符合H.323協(xié)議的產品自2000年開始,在整體市場中占有的比例急劇上升。估計在2003年,基于H.323協(xié)議的產品的銷售額會超過 H.320產品。
(3) 市場重心向低價位普通用戶市場轉移
由于網絡條件、技術水平、生產工藝等因素在該時期內的變化,視頻會議系統(tǒng)已經從高價位專用市場向低價位普通用戶市場轉移?,F(xiàn)在包括POLYCOM、VCON等大型公司都有相當?shù)漠a品力量是在個人用戶市場中。
(4) 流媒體廣播技術越來越多的應用于視頻會議系統(tǒng)中
流媒體廣播技術將越來越多地應用于視頻會議系統(tǒng)中。目前,流媒體技術與IP視頻會議一樣均受到業(yè)內人士追捧,這兩者均為視/音頻技術的重要組成部 分,兩者之間的相互融合正在開創(chuàng)廣闊的應用空間?,F(xiàn)在,視頻會議可以應用在網上路演、實時采訪、現(xiàn)場播報、在線股評以及遠程教學等服務中,主要為用戶傳輸 多媒體信息,相互之間的很少交互,這種技術的應用是對傳統(tǒng)視頻會議功能的擴展。
(5) 虛擬合作應用服務將成為視頻會議面向企業(yè)的核心功能之一
大多數(shù)跨國集團和分支機構較多的企業(yè)在使用視頻會議系統(tǒng)時,除了會議功能外,使用最為頻繁的將是虛擬合作,如遠程的項目管理、客戶服務、技術培訓等等,這種應用在知識型企業(yè)尤為明顯。
最后,IP視頻會議領域的熱潮使得市場重心向低價位普通用戶市場轉移。從通信市場的發(fā)展我們可以看到,絕大多數(shù)產品的目標市場用戶都是從高端用戶 向中低價位用戶逐漸轉移。由于技術水平和生產工藝的提高,這些產品的成本逐漸降低,并且隨著應用面積的擴大,規(guī)模效應開始在這個領域顯露。這樣,視頻會議 系統(tǒng)將從高價位專用市場向低價位普通用戶市場逐步轉移。