多媒体技术与信息处理-电子教案-杨帆 第08章 多媒体通信与网络技术

1、主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第1页/共73页,第八章 多媒体通信与网络技术,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第2页/共73页,本章导读,多媒体通信的基本目的是为了实现不同类型媒体信息（包括文本、图形、音频、视频和动画等）的异地传输，而通信网络（通常称为多媒体网络）是实现这一目的的技术手段。由于传输对象的不同，导致多媒体网络与一般网络在技术性能方面有很大的不同。本章将从分布式多媒体应用的通信需求出发，重点讨论多媒体通信网络及其服务质量、多媒体网络环境、多媒体通信协议以及流媒体技术等内容。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第3页/共73页,本章主要内容,8.1 多媒体网络通信 8.2 多媒体网络环境 8.3 多媒体通信协议 8.4 流媒体技术,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第4页/共73页,8.1 多媒体网络通信,多媒体网络通信主要解决分布式多媒体应用的信息传输问题。 8.1.1 多媒体数据流的基本特征 多媒体数据流的基本特征有以下几个方面： 1）比特率可变性 2）时间依赖性 3）信道对称性,对等式视频会议系统中，每个与

2、会者都参与会议讨论，因此所产生的数据流通常是对称的。对称性信道对通信网络的要求更高。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第5页/共73页,8.1.2 多媒体网络通信的性能需求,多媒体通信对网络环境要求较高，这种要求通过传输速率、吞吐量、差错率及传输延迟等关键参数反映出来。 1、吞吐量需求 网络吞吐量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。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，它是一个静态参数，反映了网络负载情况。通常，人们习惯将额外开销忽略不计，直接把网络传输速率作为吞吐量。实际上，吞吐量要小于传输速率。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第6页/共73页,多媒体通信的吞吐量需求与网络传输速率、接收端缓冲容量以及数据流量有关。图8-1给出了不同媒体对网络吞吐量的要求 。,图8-1 不同媒体对网络吞吐量的要求,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第7页/共73页,2、可靠性需求,差错率是多媒体网络通信的一个重要

3、性能指标，反映网络传输的可靠性。它可以用三种方法定义： 位差错率（BER）：出错的位数与所传输的总位数之比； 帧差错率（FER）：出错的帧数与所传输的总帧数之比； 分组差错率（PER）：出错的分组数与所传输的总分组数之比。 在多媒体应用中，将接收到的声像信号直接播放给人看时，由于显示的活动图像和播送的声音是在不断更新的，网络传输引起的差错很快被覆盖，因而人可以在一定程度上容忍错误的发生。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第8页/共73页,3、延迟与抖动控制需求,延迟（Delay)通常被称为网络延迟或端到端延迟，它是指从发送端发送一个数据分组到接收端正确地接收到该分组所经历的时间。如图8-2所示，网络延迟等于传播延迟、传输延迟和接口延迟三部分之和。,图8-2 网络延迟图示,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第9页/共73页,3、延迟与抖动控制需求（续）,1）传播延迟：指传输介质传输一个二进制位所需要的时间。有线传输介质的传播延迟约为6s/km，有线网络的传播延迟仅与所经过的传输距离有关，例如，Cernet主干网北京到广州的往返距离约5000km，传播延迟约为

4、34ms。卫星通信的传播延迟为270ms，它与发送站与接收站的距离无关。 2）传输延迟：指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结点的延迟（处理器延迟、存储转发延迟、队列延迟）有关。 3）接口延迟：指发送端从开始准备发送数据块，到实际利用网络发送所需要的时间。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第10页/共73页,3、延迟与抖动控制需求(续),延迟抖动（Delay jitter）是指在一条连接上分组延迟的最大变化量，即端到端延迟的最大值与最小值之差。 在理想情况下，端到端延迟为一个恒定值（零抖动）。然而，延迟抖动总是不可避免的。对于连续媒体流的传输来说，应将延迟抖动限制在一定的范围内。这样，有利于改善所接收的音频和视频流的质量。 对于一个冗长的视频流，如果接收端在回放之前进行充分的缓冲，则可以大大减小延迟抖动。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第11页/共73页,4、多点通信需求 多媒体通信涉及音频和视频数据。在网络多媒体应用中有广播(Broadcast)和多播(Multicast)信息。因此，除常规的点对点通信外，多媒

5、体通信需要提供广播和多播的支持能力。 5、同步需求 多媒体通信的同步有两种类型：流内同步和流间同步。流内同步是保持单个媒体流内部的时间关系，即按照一定的延迟和抖动约束传送媒体分组流，以满足感官上的需要。流间同步是不同媒体间的同步。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第12页/共73页,8.1.3 多媒体通信网络,多媒体通信网络是实现多媒体网络通信的基本环境。目前的通信网络可分为四大类： 1）电信运营商投资建设的电信网络，如公共电话网(PSTN)、分组交换网(PSPDN) 2）相关机构建立的计算机网络，如局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN) 3）广播电视部门建设的电视传播网络，如有线电视网(CATV)、混合光纤同轴网(HFC)、卫星电视网等； 4）移动通信公司建设的PLMN(Public Land Mobile Network)网，如GSM、3G等。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第13页/共73页,1、多媒体通信网络的组成,根据网络各部分的功能，可将通信网络分成主干传输网、交换网、接入网以及终端设备四部分。如图8-3。,图8-3 多媒体通

6、信网络模型,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第14页/共73页,在以上通信网络中，包含了多种网络协议、管理程序以及多媒体综合服务，这些内容构成了一个完整的多媒体通信网络系统。如图8-4所示。,图8-4 多媒体通信网络系统,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第15页/共73页,2、主干传输网,主干传输网用来解决信息的长距离传输 ； 可以采用各种类型的传输介质和传输体系结构，如同轴电缆、微波、卫星以及光纤等 ； 光纤已经成为主干传输的主要物理介质，提供更高的网络带宽 ； 在目前的主干传输网中，电信网络仍占据主导地位，主要采用SDH和DWDM技术。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第16页/共73页,3、交换网,支持各种业务条件下的交换，实现网络中的任意两个或多个用户之间以及用户与服务提供者之间的相互连接； 是在主干传输网中实现信息交换的技术集合； 根据所传输信号的物理介质的不同，可分为电交换和光交换技术两类； 电交换技术实现对电信号的交换传输，又可分为电路交换、报文交换和分组交换等。其中的分组交换又称为数据包交换，典型的分组交换技术有IP交换、

7、帧中继、异步转移模式ATM等。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第17页/共73页,4、接入网,接入网的核心是数字化和宽带化，四大主干网络均提供了相关的接入传输技术。如： 电信网：ISDN、B-ISDN、ADSL等； 移动网：GSM、3G等； 广播电视网：HFC、CATV等； 计算机网络：LAN接入等。 特别值得一提的是，为了解决CATV的双向传输问题，近年来推出了混合光纤电缆（HFC，Hybrid Fiber Coax）技术。这种技术不仅能提供双向传输，还能使用现有的连接个人用户的电缆。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第18页/共73页,5、多媒体通信方式,为了提供灵活、综合的多媒体服务能力，多媒体网络通信应该具备单播、组播和广播等不同通信方式。 1）单播（Unicast）：是指点到点之间的多媒体通信，发送终端通过与每一个组内成员分别建立点到点的通信联系，达到多点通信的目的，如图8-5所示。,图8-5 单播通信,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第19页/共73页,2）组播（Multicast）：也称为多点通信，指网络能够按照发送端的要

8、求将欲传送的信息在适当的节点复制，并送给组内成员，达到多点通信的目的。图8-6则是一个组播的例子。,3）广播（Broadcast） ：是指网上一点向网上所有其他点传送信息，可用于数字电视广播等分配型多媒体业务。,图8-6 组播通信,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第20页/共73页,8.1.4 多媒体通信网络的服务质量,服务质量（QoS，Quality of Service）主要用于描述网络多媒体服务的质量，从而反映多媒体网络的性能。QoS通常是用参数方式进行定义的。 1、QoS参数 基本内容包括：系统吞吐率、网络传输稳定性、可用性、可靠性、传输延迟、传输位率、出错率、传输失败率、安全性等。基本格式：由参数名和参数值组成，参数作为类型变量，可在一个给定范围内取值。 例如，可以使用上述的网络性能参数定义QoS，即： QoS=吞吐量，差错率，端到端延迟，延迟抖动,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第21页/共73页,几种媒体对象所需的QoS见表8-2,表8-2 几种媒体对象所需的QoS参数,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第22页/共73页,2

9、、QoS参数体系结构 QoS参数通常是一个层次化的体系结构，如图8-7所示。在这种体系结构中，通信双方的对等层之间表现为一种对等协商关系，双方按承诺的QoS参数提供相应的服务。同一端的不同层之间表现为一种映射关系，应用的QoS需求应当自顶向下地映射各层对应的QoS参数集，各层协议按其QoS参数提供对应的服务，共同完成对应用的QoS承诺。,图8-7 QoS参数体系结构,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第23页/共73页,3、 压缩编码对QoS参数的影响,多媒体数据压缩编码的方法影响QoS参数，尤其是视频编码。 仅采用帧内压缩编码（如运动JPEG）时，由于每帧都独立编码的，可采用减低帧率(丢帧)来允许QoS变化。当吞吐量减小，数据率降低时，可以利用各种显示抖动算法，通过降低视频显示质量而保持原帧率不变。 同时采用帧内和帧间压缩的编码（如MPEG和H.261编码），可以通过建立不同的优先级，发送MPEG视频的I、P和B帧，达到QoS的调节。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第24页/共73页,4、 QoS服务分类,多媒体网络系统通常是按所承诺的QoS提供相应服务的。由于网络负载是动态变化的，可能引起QoS的波动。网络是否能够履行所承诺的QoS主要取决于QoS类型。QoS服务总体上分成如下三类： 1）确定型（Deterministic）QoS 2）统计型（Statistical）QoS 3）尽力型（Best-Effort）QoS,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网络技术,第25页/共73页,8.2 多媒体网络环境 8.2.1 局域网络,局域网环境可分为共享式和交换式两种网络类型；传输速率一般在100Mb/s以上；典型的有100Base-T快速以太网、千兆位以太网、100VG-AnyLAN、万兆位（10Gbps）以太网等。 共享式网络中，各结点共享一段有冲突的介质，并采用相应的介质访问控制方法来占用介质传送数据。任一时刻只能有一个结点发送数据，其他结点只能处于接收状态，并根据地址匹配规则确定是否接收数据。 交换式网络中，结点分成端点和中间结点两类。端点是用户站点，中间结点是交换机，所有端点都要通过交换机连接起来，交换机为端点提供存储转发和路由选择功能，使端点间能沿着指定的路径传输数据。,主讲人： 杨 帆,第八章 多媒体通信与网

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