可支持多种多媒体业务的基于IMS的IPTV架构的研究

摘　要：IPTV也叫网络电视，是指基于IP协议的电视广播服务。该业务将电视机或个人计算机作为显示终端，通过宽带网络向用户提供数字广播电视、视频服务、信息服务、互动社区、互动休闲娱乐、电子商务等宽带业务。

关键词：多媒体 IMS IPTV架构 系统结构
引言
　　IPTV的主要特点是交互性和实时性。它的系统结构主要包括流媒体服务、节目采编、存储及认证计费等子系统，主要存储及传送的内容是流媒体文件，基于IP网络传输，通常要在边缘设置内容分配服务节点，配置流媒体服务及存储设备，用户终端可以是IP机顶盒+电视机，也可以是PC和移动终端。
　　IP多媒体子系统(IMS)是由3GPP提出的实现端到端的IP多媒体通信的子系统，基于会话初始化协议(SIP)的呼叫控制机制，能实现多媒体会话控制、服务注册、计费、安全等功能，具有接入无关性、对各种接入技术广适性的特点。下一代网络(NGN)的提出要求实现异构网络的融合，由于IMS接入无关性的特点，NGN架构采用IMS作为其核心控制子系统。基于IMS的IPTV系统希望能在NGN网络上为用户提供电视服务的同时还可以提供其他基于IMS的多媒体增值服务。
　　目前，有多个标准化组织一直在致力于研究NGN网络上基于IMS的IPTV业务系统融合方案，也有研究者提出了自己的IPTV 架构。本研究设计了一种基于IMS的IPTV结构框架，该IPTV框架同时支持固定和移动的多种接入方式、支持包括IPTV业务在内的多种多媒体增值业务，并可以方便快捷地实现IPTV服务和其他IMS服务之间的跳转以及服务在不同用户终端间的跳转，并且能够保证服务的持续性。
框架的研究现状
　　目前,ITU-T和TISPEN制订了基于NGN的IPTV框架标准。这个框架包括两种IPTV架构：一种是不支持IMS的,另一种则是基于IMS的。在ITU-T和TISPEN的IPTV体系结构中提出了资源接纳与控制子系统(RACS)以及网络附着子系统(NASS)，这两个子系统或功能分别地提供对多媒体传输的功能支持：NASS主要负责IP地址的动态提供以及管理用户认证授权，RACS主要负责QoS控制以及资源在服务和传输两方面的协调和分配。
　　3GPP提出的多媒体广播多播服务(MBMS)能够为不同接入网络提供广播和多播功能。MBMS可以与IMS融合，这样一个IPTV会话可以通过广播和多播，实现高效的内容分发。
　　除了以上标准化组织，对于如何在基于IP的网络环境下提供基于IMS的不同多媒体服务，研究者们也提出了很多不同的解决方案。有研究者提出了一个基于SIP的能满足各种IPTV实体行为的业务控制服务器(SCS)软件结构，通过业务控制服务器对应的IMS应用服务器(AS)对IPTV 的不同业务逻辑选择相应的SIP模块，实现IMS多媒体服务。
　　还有研究者为基于IMS的IPTV提出了一个会话管理功能模块。不论IPTV处于播放VOD还是处于播放实时节目模式下，在会话建立、延续和结束的过程期间，该功能模块可以用一个IMS子模块来管理用户到内容以及内容到用户两个通讯过程，并可以对会话的全过程进行跟踪。
　　本研究在以上提到的标准化组织的IPTV 框架基础上，并借鉴了其他研究者的解决方案，提出了一个新的基于IMS的IPTV架构。
2.基于IMS的IPTV架构
　　为了达到既可以提供IPTV服务也可以提供其他基于IMS的服务的目的，本文在ITU-T和TISPEN基于IMS的IPTV框架的基础上，提出了一个新的可以提供多种基于IMS的服务的IPTV体系结构框架如图1。
　　
　　
　　图1 基于IMS的IPTV框架
2.1基于IMS的IPTV框架模块
（1）接入与传输模块
　　接入和传输模块的功能是将固定接入网络用户(如DSL和LAN) 和无线接入网络用户(如WLAN和DVB-H)都接入到该IPTV系统中。
（2）基于IMS的会话模块
　　基于IMS的会话和服务控制模块是由IMS核心即呼叫会话控制功能(CSCFs)和归属用户服务器/用户业务清单功能(HSS/U PSF)组成。内容分发功能(CDF)则是通过一组分布式的服务器构成内容分发网络(CDN)，CDF通过这些分布式的服务器组成的CDN可以将内容提供商提供的多媒体服务分发到位于不同地区的用户或暂时储存在这些服务器内。
（3）服务控制模块
　　服务控制模块由应用服务器和状态服务器组成。应用服务器主要包含以下模块：
　　1）会话管理模块(SMM)该模块负责实现所有相关的服务控制和会话管理功能。SMM模块具体负责如下功能：实时节目或视频点播( VOD )会话设置，服务跳转，会话组管理，以及触发媒体分发模块对内容进行处理和分发。
　　2）内容管理模块(CMM)该模块负责管理内容提供商与内容分发功能(CDF)间的会话。
　　3）服务提供模块(SPM)该模块为用户提供服务发现功能，是用户能发现可用的服务及相关内容，并且可以为用户提供该服务的相关信息。例如用户选择观看IPTV节目时，该模块提供的即为电子节目表单(EPG)。
　　4）数字版权管理服务器(DRM )该模块负责保存和管理与版权相关的文件或密钥。
　　不同类型的IMS服务有的可以由单个模块独立处理，有的则需要上述模块协作。每一个模块都是一个独立的SIP实体。
　　状态服务器负责保存和管理用户的当前状态。此外，状态服务器的功能还可以做拓展，比如允许用户向其他用户发布自己的当前节目信息或自己的个性化电子节目表单，甚至可以利用此服务器建立一个网上虚拟社区，以方便用户间的交流。
　　通过应用服务器内各模块间的协作，应用服务器能够处理接收到的所有类型的IMS服务请求。如果出现服务跳转，SMM负责处理服务跳转，状态服务器负责记录用户当前状态，整个处理过程不需要系统的IMS核心CSCFs参与。这样既不会增加IMS核心功能模块的负荷，也能够简化流程，提高效率。
　　（4）客户端
　　该IPTV系统为用户设计了一个NGN客户端。这个客户端能便于用户接收所有通过NGN网络提供的多媒体服务。这些服务可以是基于SIP 或HTTP等不同传输协议，通过IMS网络上Gm、Ma或Ut等不同参考点提供给用户的。这个客户端由以下几个模块组成：
　　1) IMS模块负责管理IMS信令。(包括SIP、HTTP等协议)
　　2) 媒体模块通过RTP/RTCP及RTSP等协议实现对多媒体流的控制和传输。
　　3) 应用模块的功能是在任意时刻发起IMS会话，比如即时更新电子节目表单，选择观看实时节目或VOD，关闭正在观看的节目等。
　　由此，客户端可以即时地处理不同的IMS服务。比如用户在使用手机观看VOD时接到电话呼叫，用户可以先暂停VOD，然后接听电话 ，在接听完电话后继续观看VOD。内容提供商端由内容管理器、IMS模块、媒体模块组成。
（5）内容提供商端
　　内容管理器负责管理内容提供商所提供的多媒体服务内容，便于用户订阅。为了能够让IMS用户像普通的内容提供商一样向其他用户提供IMS服务，内容提供商端重用了所有定义到IMS客户端的IMS参考点，包括Gm、Ut和Ma参考点。这样单个的服务提供者提供的服务就可以与其他内容提供商的服务一起无缝地整合到IMS服务资源中。
3.新型架构的验证
3.1 可支持多种基于IMS的多媒体业务的IPTV架构验证方案
　　本IPTV系统要实现在提供IPTV服务同时提供其他基于IMS的多媒体服务，首先要保证单一服务的实现，此外还必须支持服务跳转，服务跳转包括两种情况：不同类型的IMS服务在同一用户终端的跳转以及同一服务在不同用户终端的跳转。
3.2 本测试系统架构
　　IMS核心采用Fraunhofer研究院的开源项目FOKUS，应用服务器通过FOKUS的SIPSEE处理SIP消息，状态服务器以IMS文件形式保存用户实时状态，内容分发则采用Nokia的开源项目Sofia SIP提供的SIP接口使应用服务器控制内容分发，并采用开源项目G Streamer 实现多媒体流的创建与传输。终端采用电视和支持视频对话的Nokia手机，终端均支持本框架的参数标准要求，系统架构如图2。
　　
　　图2 系统架构图
4.总结
　　本研究在ITU-T 和TISPAN提出的基于IMS的IPTV框架的基础上，提出了一个基于IMS的IPTV系统。并通过一个基于IMS的VOD点播服务实例，说明了该系统如何实现IPTV 服务在不同接入网络间跳转，并且可以在提供IPTV服务的时候提供其他IMS服务。本研究主要致力于IMS多媒体服务架构方面的研究，将来对于IMS 的研究还可以着眼于服务发现，个性化订制管理以及用户间交流管理等方向。