可变比特率ＭＰＥＧ－２ＡＴＭ接入及其实现

通过ＡＴＭ网络提供ＶＯＤ业务

是目前通信领域的一个热点问题，

作者提出的利用分段ＣＢＲ业务来仿真

ＶＢＲ业务，传送ＭＰＥＧ－２信元流的方案，

是一个积极的值得探讨的设想。

１ 引言

    随着用户接入网技术（如：线对增容、高比特率数字用户线、不对称数字用户线、混合光纤／同轴电缆等技术）及图像压缩技术的不断发展，人们对宽带视频业务的需求不再是一种不切实际的幻想了，而成为一种现实的可能。利用ＡＴＭ网络传送ＭＰＥＧ－２信号，是最近几年ＡＴＭ论坛、Ｉ-ＴＵ－Ｔ、ＩＳＯ等国际标准化组织研究的一个中心内容，更是各相关设备生产厂商及经营视频业务公司所关注的一个核心问题。

     在ＡＴＭ所支持的各类业务中，有一类是针对可变比特率的视频及音频业务的，其对应的适配类型是ＡＡＬ２。然而到目前为止，关于ＡＡＬ２的标准仍然没有制定出来。在缺乏相应适配标准的情况下，如何将ＭＰＥＧ－２信号接入ＡＴＭ是一个很实际的问题，下面将就这个问题进行研究。

     ＡＴＭ网络提供了两类面向连接的业务：恒定比特率（ＣＢＲ）和可变比特率（ＶＢＲ）业务。ＭＰＥＧ－２可以分别以这两种业务接入。

    作为ＣＢＲ业务接入的前提条件是业务流具有连续性和周期性，但ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２业务本身是变比特率业务，因而必须首先把它适配成为ＣＢＲ业务，也就是用缓冲存储器对业务进行平滑处理。很显然，缓冲存储器的容量越大，则平滑的效果越佳。从理论上讲，只有当缓冲存储器的容量为无穷大时，ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２才可能平滑成为真正的ＣＢＲ业务，这显然是一个不切实际的要求，并且随着缓冲存储器容量的增大，端到端的总延时也随着增加。这会影响业务的实时性。另外，对于不同的视频业务，其统计特性也存在很大差异，变化幅度极大，无法求出一个对各种视频信号都适应的缓冲存储器的尺寸。

    ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２的另外一种ＡＴＭ接入方法是充分利用ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２的自然特性，把它作为ＶＢＲ业务接入。由于ＡＡＬ２的规范和标准尚未制定出来，因而无法用ＡＡＬ２对ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２进行适配。ＡＴＭ论坛正在制定用ＡＡＬ５适配视频点播（ＶＯＤ）的标准草案，然而，用ＡＡＬ５的适配要比ＡＡＬ１的适配复杂得多，这从ＡＡＬ１的信元拆装子层（ＳＡＲ）的结构和ＡＡＬ５的公共部分会聚子层——协议数据单元（ＣＰＣＳ－ＰＤＵ）的格式比较中就可以看出。

    下面介绍一种既可避免作为ＣＢＲ业务接入而导致对缓冲存储器的不合理要求，又可避免作为ＶＢＲ接入而引入复杂适配功能的Ｐｉｅｃｅ－ｗｉｓｅ接入方法，并给出其具体的实现框图。

２ Ｐｉｅｃｅ－ｗｉｓｅ接入及其实现

    如上所述，要把业务分布特性很不一致的ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２平滑成为真正的ＣＢＲ业务流，缓冲存储器的容量必须是无穷大，这显然是不可能的。而减小缓冲存储器容量的直接后果是，以恒定速率读取先入先出（ＦＩＦＯ）缓冲存贮器中的内容，导致了缓冲存储器的溢出（ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）或者读空（ｕｎｄｅｒ－ｆｌｏｗ）。但如果根据缓冲存储器中实际数据量的大小，动态控制读取速度，那么，缓冲存储器溢出或者读空的概率就可以大幅度减小。如果能够保证读取速度对ＦＩＦＯ缓冲存贮器中的实际数据量有足够的敏感性，甚至可以避免这种溢出或读空现象的发生。图１示出这种动态平滑方案。

    压控振荡器（ＶＣＯ）的振荡频率由控制器根据ＦＩＦＯ缓冲存贮器中当前数据量ｑ和事先确定的门限值（ｎ１，ｎ２，ｎ３……）动态地控制。当ＦＩＦＯ缓冲存贮器中的数据量比较大时，ＶＣＯ的振荡频率加大，从而加速读取速度；当ＦＩＦＯ缓冲存贮器中的数据量比较小时，减小ＶＣＯ的振荡频率，减慢读取速度。这样就会减小溢出或读空事件的发生。

    ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２经过上述方法平滑后，其速率随时间变化的关系如图２所示。从整体上看，经平滑后的ＶＢＲ ＭＰＥＧ－２业务仍然是ＶＢＲ业务，但在某一段时间内，可看成ＣＢＲ业务。只要保证这一小段时间足够长，就能够确保把时钟信息传递给接收端，实现段与段之间的时钟同步，从而保证整体的时钟同步。这种接入方案的具体实现。

    在发送端，控制器的功能是根据ＦＩＦＯ缓冲存贮器１中的当前数据量动态地产生ＶＣＯ的控制电压，从而动态控制ＶＣＯ的振荡频率。定时控制器的功能是产生读写控制信号。根据ＳＡＲ－ＰＤＵ的头部信息产生模块功能包括序号及序号保护码，如汇聚子层指示（ＣＳＩ）、序号（ＳＮ）、循环冗余校验（ＣＲＣ）及偶校验位（Ｅ）。如有必要，还可包括剩余时间标记（ＲＴＳ）的产生与传送（具体地讲，就是根据ＲＴＳ值，给ＣＳＩ赋相应的值）。把这个头先写入ＦＩ-ＦＯ缓冲存贮器２，然后从ＦＩＦＯ缓冲存贮器１中读取４７ｂｙｔｅ的ＭＰＥＧ信元流信息，组装成为ＳＡＲ－ＰＤＵ，ＡＴＭ层从ＦＩＦＯ缓冲存贮器２中得到经过初步组装的数据。

     ＳＡＲ－ＰＤＵ交给ＡＴＭ层后，ＡＴＭ层再在这４８个字节前加上适当的头部信息（除ＨＥＣ外），送到网路层。物理层产生信元头差错控制（ＨＥＣ）序列并插到适当位置，然后按照传输净荷结构构成信元流，将信息送到网上。

    在接收端，其过程相反，具体实现。在接收端，ＡＴＭ层把４８个字节的ＳＡＲ－ＰＤＵ数据单元交给ＡＡＬ层，ＡＡＬ层再作相应的处理。ＡＡＬ层首先要做的工作是根据ＦＩＦＯ缓冲存贮器中数据量调整时钟频率，避免缓冲存储器的溢出和读空发生；另外，ＡＡＬ层还必须把ＳＡＲ－ＰＤＵ数据单元的头和用户数据分开。ＳＡＲ－ＰＤＵ头写入ＳＡＲ－ＰＤＵ头寄存器，另外４７个字节的用户数据写入ＦＩＦＯ缓冲存贮器２。然后对ＳＡＲ－ＰＤＵ数据单元的头进行分析，检查有无信元误插及信元丢失等异常情况的发生（检查ＳＮ及ＳＮＰ）。如果发现信元误插，则丢弃相应数据；如果有信元丢失，则插入哑信元或者插入前一个信元（或者下一个信元）的内容，然后再作相应的处理，具体操作不再赘述。

    由于在ＭＰＥＧ－２信元流中包含了信源时钟信息（ＰＣＲ），因而对ＭＰＥＧ－２信元流进行适配时无需传送定时信息，这样就进一步简化了适配功能。

为了防止信源延时抖动（ＣＤＶ）和信源打包引起的打包抖动对时钟恢复质量的影响，可以用缓冲存储器来平滑这种抖动，具体的时钟恢复原理。

３ 结束语

    随着经济技术的不断发展，人们对于视频点播的需求越来越迫切，如何通过ＡＴＭ网络提供ＶＣＤ业务，Ｐｉｅｃｅ－ｗｉｓｅ适配方案是一种比较好的接入方法，已普遍为各方所接受，ＡＴＭ论坛制定的ＶＯＤ标准草案已采用了这种技术。□

参考文献

１  Ｋｙｅｏｎｇ Ｓｏｏ Ｋｉｍ，Ｂｙｅｏｎｇ Ｇｉ Ｌｅｅ．Ｔｈｒｅｅ－Ｌｅｖｅｌ Ｔｒａｆ-ｆｉｃ Ｓｈａｐｅｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｌｏｃｋ Ｆｒｅ-ｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｏｒ ＶＢＲ Ｖｉｄｅｏ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｉｎ ＡＴＭ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．１９９５，３（４）：４５０～４５８

２ Ｇｉｏｖａｎｎｉ Ｆａａｕｓｔｏ Ａｎｄｒｅｏｔｔｉ，Ｇｉａｍｐａｏｌｏ Ｍｉｃｈｉｅｌｅｔｔｏ，Ｌｕｉｇｉ Ｍｏｒｉ．Ｃｌｏｃｋ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＡＬ Ｐｉｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ＭＰＥＧ Ｃｏｄｅｄ Ｓｔｒｅａｍｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｄ Ｏｖｅｒ ＡＴＭ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１９９５，５（６）：５０８～５１４

３ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｃ Ｌａｕ，Ｐａｕｌ Ｅ Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ，Ｓｈａｗ－Ｍｉｎ

Ｌｅｉ．Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｂｕｆｆｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｂｉｔ Ｒａｔｅ Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｖｉｄｅｏ．ＩＥＥＥ ＩＣＣ＇９２：５４４～５４９

４ ＣＣＩＴＴ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ Ｉ．３２１ Ｂ－ＩＳＤＮ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

５ ＣＣＩＴＴ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｉ．３６１ Ｂ－ＩＳＤＮ ＡＴＭ Ｌａｙｅｒ

Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．

６ ＡＴＭ Ｆｏｒｕｍ．ＡＴＭ Ｕｓｅｒ－ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａ-ｔｉｏｎ．Ｖｅｒｓｉｏｎ ３．０

７ ＣＣＩＴＴ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ Ｉ．３２１ Ｂ－ＩＳＤＮ Ｕｓｅｒ／Ｎｅｔ-ｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

８ 孙海荣，李乐民．ＡＴＭ网传送ＭＰＥＧ－２的方法．高技术通讯．１９９７，５

（收稿日期：１９９７－０９－１９）

[摘要] 针对由ＡＴＭ网络提供ＶＯＤ业务，本文就目前已达成共识的Ｐｉｅｃｅ－ｗｉｓｅ适配方案进行了讨论，具体给出实现该方案的流程框图，并讨论了一些相关的问题。

[关键词] 视频点播 活动图像专家组标准－２ ＡＴＭ接入 ＡＴＭ适配 可变比特率业务 固定比特率业务

[Abstract] Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔｒｅａｔｓ ｔｈｅ ｃｏｍ-ｍｏｎｌｙ ａｇｒｅｅｄ ｐｉｅｃｅ－ｗｉｓｅ ａｄａｐ-ｔａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ，ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ＶＯＤ ｓｅｒｖｉｃｅ ｖｉａ ＡＴＭ ｎｅｔ-ｗｏｒｋ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔｓ ｏｆ ｉｔｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｓｏｍｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．

[Keywords] ＶＯＤ ＭＰＥＧ－２ ＡＴＭ ａｃ-ｃｅｓｓ ＡＴＭ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ＶＢＲ ｓｅｒ-ｖｉｃｅ ＣＢＲ ｓｅｒｖｉｃｅ