WiMAX接入技术在IPTV系统中的应用研究

摘  要： 在分析IPTV接入网的要求和WiMAX技术优势的基础上，提出了WiMAX应用于IPTV的系统模型，并具体分析了系统流程；针对IPTV业务下行数据量比较大的特点，提出了适合IPTV业务特点的下行链路实时调度(DLRTS)算法，该算法的主要目的在于降低实时业务的时延，从而保证IPTV的服务质量(QoS)。仿真结果表明，与常用的轮叫调度(Round Robin)算法相比，本文算法在实时业务的时延和吞吐量两方面的性能都有明显提高，可很好地支持IPTV业务。
关键词： IPTV；WiMAX；吞吐量
       IPTV又称交互式网络电视，是一种基于宽带高速IP网、以网络视频资源为主体、以电视机或个人计算机为显示终端的流媒体服务，可以向用户提供数字广播电视、VOD 点播、视频电话、在线游戏等诸多宽带业务[1-2]。相对于被动接受的传统电视，互动式、个性化是IPTV越来越受人们欢迎的主要原因。但大量的流媒体业务、高实时性和交互性要求，同时对网络带宽提出更高的要求。现有的xDSL技术已不能很好地解决IPTV接入网的瓶颈问题，而经济落后的农村或偏远地区，有线接入部署成本太高，因此，高速、低成本的宽带无线接入技术将是成功部署IPTV系统的关键。
     WiMAX即全球微波接入互操作性， 是一项基于IEEE 802. 16标准的宽带无线接入城域网技术，也是针对微波频段提出的一种新的空中接口标准。作为一种新的无线宽带接入标准，WiMAX采用了如OFDM/OFDMA、HARQ、AMC、MIMO等先进技术，因此它具有如下优势：带宽高(WiMAX工作频段可从2 GHz～66 GHz，信道带宽可在1.5 MHz～20 MHz范围内灵活调整)，容量大(WiMAX基站可以提供最高每扇区75 Mb/s的吞吐量)，传输距离远(每个基站的覆盖范围最大可达50 km，典型的基站覆盖范围为6 km~10 km)[3-4]。而且在MAC层具有完善的QoS保障机制，可满足多种业务的QoS要求。
     由IPTV对接入网的要求和WiMAX接入技术的优势可以看到，WiMAX技术应用于IPTV系统是一个发展趋势。
1 系统模型及流程分析
     根据WiMAX接入方式和IPTV的业务部署[5-7],本文提出如图1所示的WiMAX应用于IPTV的系统模型。
     从图1中可以看到,整个系统可分为IPTV前端系统、IPTV主干网、IPTV接入网和IPTV用户终端系统四部分。首先， 通信卫星的直播节目和储存在视频点播服务器中的节目经IPTV视音频编码器编码后送到IP主干网中进行传播，通过位于主干网边缘的WiMAX基站，经WiMAX用户站，最终到达IPTV终端，终端一般为计算机或带机顶盒的数字电视。
   
       根据系统模型，下面具体分析视频流从IPTV 前端设备到用户终端所使用的视频编码及网络协议，如图2所示。
   
       音频/视频节目首先进行压缩编码， 一般用MPEG-2编码压缩格式，然后封装成RTP数据包，RTP数据包可以用UDP或TCP来传输， 接着UDP/TCP数据包又被封装成IP数据包，然后把IP数据包封装成Ethernet 802.3和10/100/1 G Bass-T格式的数据流在主干网中传送。位于主干网边缘的WiMAX BS接收802.3数据包，BS MAC层解封Ethernet数据包头部，把IP数据包封装成802.16 MAC PDUs，最后封装成PHY PDUs。通过FEC，信号映射和OFDM编码模式，802.16 PHY把PDUs转化成可在无线链路中传输的信号，无线电收发器通过天线把这些信号发射到蜂窝单元中的SS和MS。接收的过程和上面所述过程相反，最后A/V节目到达IPTV的终端STB或计算机。
2 下行链路调度框架
2.1 MAC层QoS机制   
     IEEE 802.16 MAC层实现QoS的核心原理是将MAC 层传输的数据包与业务流对应起来,从而使该连接获得QoS支持。业务流由连接标识符(CID)标识，CID中包含了业务类型和其他QoS参数。
     IEEE 802.16定义了4 种调度业务类型：UGS支持周期性的、包大小固定的实时业务(如VoIP 或T1/E1业务)；rtPS主要用于周期性、数据包大小变化的业务(如MPEG视频流)；nrtPS用于数据大小可变的非实时业务(如FTP业务)；BE为尽力而为的业务提供有效服务[3]。
2.2 下行链路调度框架
　　WiMAX定义QoS的主要目的是确定最终在无线空中接口进行数据传输的顺序和调度规则， 因此MAC层的调度机制是实现QoS的关键。而在IPTV系统应用中，用户很少发送大的数据量，因此上行链路方向数据量比较小，而在下行方向主要是数据量比较大的视频业务， BS接收到数据包后要及时转发出去，以免造成缓冲区的溢出或者延迟的增加。
     BS的高层服务产生的多种数据流进入MAC层后，首先由分类器对数据流进行分类， 分类的过程就是把数据包映射到某一连接上，从而使数据包与某一特定的连接相关联，同时， 映射的过程也是将数据包与连接所承载服务流的特征建立起对应关系。具体过程如图3所示。