基于UPnP發(fā)現(xiàn)與組播技術(shù)的IPTV終端實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　IPTV是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)， 可使音/視頻內(nèi)容節(jié)目或信號(hào)以IP 包的方式在不同物理網(wǎng)絡(luò)中被安全、有效和保質(zhì)地傳送或分發(fā)給不同用戶。

　　基于UPnP中的簡(jiǎn)單服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SSDP，Simple Service Discovery Protocol)和IP組播技術(shù)，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種新的IPTV終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能將CATV(有線電視網(wǎng))模擬信號(hào)和本地AV模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過MPEG-2編碼，再使用RTP/RTCP協(xié)議組播到家庭網(wǎng)絡(luò)，而且提供了實(shí)時(shí)串流視頻、本地視頻定時(shí)存儲(chǔ)播放和VoD(Video On Demand)服務(wù)。

　　UPnP協(xié)議棧中的SSDP協(xié)議

　　UPnP(Universal Plug and Play――通用即插即用)是針對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)對(duì)等(peer-to-peer)互聯(lián)而設(shè)計(jì)的一種應(yīng)用層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，旨在為家庭、小型企業(yè)、公共場(chǎng)所提供基于IP技術(shù)、易于使用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

　　SSDP用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)，控制點(diǎn)借此可定位其感興趣的資源在網(wǎng)絡(luò)中的位置，設(shè)備可借此告之它們的可用性。SSDP客戶(控制點(diǎn))可往本地保留的多播地址的SSDP端口(239.255.255.250:1900)發(fā)送發(fā)現(xiàn)(Discovery)消息來尋找SSDP服務(wù);SSDP服務(wù)(設(shè)備)也可以同樣的方式發(fā)送SSDP指示來宣告它的存在。

　　本文IPTV終端的UPnP發(fā)現(xiàn)過程，即控制點(diǎn)(運(yùn)行在mClinux上的服務(wù)器程序)搜索網(wǎng)絡(luò)上的UPnP設(shè)備(運(yùn)行在PC上的客戶端程序)，同時(shí)，UPnP設(shè)備也要宣告自己的存在。當(dāng)用戶在PC上打開一個(gè)新的客戶端程序時(shí)，它會(huì)通過標(biāo)準(zhǔn)的本地多播地址發(fā)送多播發(fā)現(xiàn)消息宣告一個(gè)新的用戶存在?？刂泣c(diǎn)監(jiān)聽該多播地址，獲取用戶的可用信息。同樣，當(dāng)控制點(diǎn)被添加到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)多播一條發(fā)現(xiàn)消息來搜索是否已有客戶端存在。

　　IPTV終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件架構(gòu)及

　　子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

　　IPTV終端系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為服務(wù)器和客戶端兩部分，如圖1所示。

圖2 IPTV終端系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

　　服務(wù)器軟件部分包括：

　　RTP/RTCP模塊：該模塊包含RTP/RTCP協(xié)議棧，負(fù)責(zé)將視頻信息打包成RTP組播或單播到局域網(wǎng)中。

　　串流模塊：客戶端用戶選擇本地音/視頻文件或VoD服務(wù)器里存有的音/視頻文件，將其發(fā)送到VLC播放器中處理并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器的串流模塊，由此模塊在局域網(wǎng)內(nèi)組播，供在線合法用戶觀看。

　　定時(shí)音/視頻存儲(chǔ)、播放模塊：管理員選擇本地音/視頻文件，將其發(fā)送到VLC播放器中處理并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器的定時(shí)音/視頻存儲(chǔ)、播放模塊，由此模塊異步寫入Flash中存儲(chǔ)。管理員可以設(shè)定要播放存儲(chǔ)視頻的時(shí)間、播放次數(shù)、連續(xù)播放時(shí)間間隔、播放長(zhǎng)度和結(jié)束時(shí)間等。

　　用戶合法性管理模塊：該模塊在用戶登錄時(shí)檢查普通用戶或系統(tǒng)管理員的合法性，并實(shí)時(shí)管理所有在線用戶信息，定時(shí)顯示所有在線用戶的IP地址。

　　UPnP服務(wù)發(fā)現(xiàn)模塊：該模塊負(fù)責(zé)使用UPnP中簡(jiǎn)單服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議監(jiān)聽局域網(wǎng)內(nèi)客戶端程序的運(yùn)行，并在客戶端程序發(fā)出SSDP Notify消息時(shí)響應(yīng)。

　　服務(wù)控制模塊：由管理員更改服務(wù)器IP地址，用戶更改音量、頻道、畫質(zhì)等模塊組成。

　　硬件驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊由服務(wù)器上的硬件驅(qū)動(dòng)程序組成。

　　客戶端軟件部分包括：

　　UPnP服務(wù)發(fā)現(xiàn)模塊：客戶端應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，在局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)送UPnP SSDP宣告消息。

　　用戶登錄模塊：當(dāng)收到服務(wù)器的UPnP響應(yīng)消息時(shí)，運(yùn)行此模塊，檢查用戶合法性。

　　VoD上傳模塊：通過VLC播放器和服務(wù)器上的串流模塊，將音/視頻上傳到本地VoD服務(wù)器。

　　遙控器程序：系統(tǒng)UI部分，提供友好的系統(tǒng)管理員和普通用戶操作界面。

　　VLC播放器：一種強(qiáng)大的跨平臺(tái)媒體播放軟件，支持多種音/視頻格式(MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4、DivX、MP3、ogg...)、流媒體協(xié)議和串流組播。

　　系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本方案是以華邦A(yù)RM W90N740芯片為主控制器的硬件平臺(tái)，在W90N740的外圍添加網(wǎng)絡(luò)模塊、串口接口模塊、調(diào)諧器模塊、音/視頻解碼及數(shù)字化處理模塊、MPEG-2音/視頻壓縮模塊和USB模塊等。系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)框圖

　　1、CPU部分

　　CPU(W90N740)、ROM(512KB)、Flash(8MB)、SDRAM(32MB)、SRAM(32K32b)和CPLD構(gòu)成了最基本的處理系統(tǒng)。ROM存放BOOT程序，每次RESET后，CPU從這里運(yùn)行，該部分程序主要作硬件初始化，為運(yùn)行mClinux作準(zhǔn)備。Flash存放mClinux和用戶程序。SDRAM是程序運(yùn)行時(shí)存放mClinux和用戶程序的地方。SRAM是PCI橋成為本地總線主機(jī)時(shí)，寫入數(shù)據(jù)的地方，由于PLX9080不能操作SDRAM，所以，要用一個(gè)SRAM來做數(shù)據(jù)緩存。CPLD主要完成PCI總線的仲裁、地址譯碼、RESET信號(hào)的產(chǎn)生、中斷信號(hào)的匯總、SRAM的片選，以及一些信號(hào)的電平或時(shí)序轉(zhuǎn)換。在CPU與 SRAM的數(shù)據(jù)總線和地址總線之間有一個(gè)開關(guān)，用于解決當(dāng)CPU訪問PCI設(shè)備和PCI設(shè)備訪問SRAM同時(shí)發(fā)生時(shí)引起的死鎖。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，開關(guān)將斷開CPU的數(shù)據(jù)總線和地址總線，同時(shí)輸出WAIT信號(hào)，讓CPU處于等待中，而讓PCI設(shè)備先訪問SRAM，完成后，再恢復(fù)CPU對(duì)PCI設(shè)備的訪問。

　　2、PLX9080部分

　　PLX9080將PCI總線和本地總線連接起來，它主要提供本地地址到PCI地址的雙向轉(zhuǎn)換，本地控制到PCI控制的雙向轉(zhuǎn)換。PLX9080收到CPU的命令后，首先向CPLD的PCI仲裁器申請(qǐng)，獲得許可后，開始進(jìn)行PCI讀寫。PCI設(shè)備(比如SAA7134)也是通過PLX9080將數(shù)據(jù)寫入本地存儲(chǔ)器，當(dāng)外部設(shè)備向PLX9080發(fā)起PCI寫操作后，PLX9080將向CPU申請(qǐng)本地總線的使用權(quán)，CPU釋放總線的控制權(quán)，PLX9080就將PCI的地址翻譯成本地地址，將數(shù)據(jù)寫入SRAM中。

　　3、SAA7134HL部分

　　SAA7134HL主要將SIF和CVBS信號(hào)進(jìn)行解碼、取樣，然后數(shù)字化，組合成ITU-R BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)和I2S格式的音頻數(shù)據(jù)送給MPEG-2壓縮，同時(shí)接收MPEG-2壓縮器已經(jīng)壓縮好的傳輸流數(shù)據(jù)，進(jìn)行緩沖后，將數(shù)據(jù)通過PLX9080寫入SRAM中，完成后向CPU發(fā)出中斷，請(qǐng)求CPU進(jìn)行處理。SAA7134HL還包含了一個(gè)I2C MASTER總線控制器，可以完成對(duì)調(diào)諧器和SAA6752HS的控制。

　　4、SAA6752HS部分

　　SAA6752HS主要對(duì)SAA7134HL送來的視頻和音頻數(shù)據(jù)按照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，完成壓縮后將數(shù)據(jù)回送給SAA7134HL進(jìn)行傳送。

　　硬件功能說明如下：

　　*調(diào)諧器：該部分是將從天線或同軸電纜接收進(jìn)來的TV射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出視頻信號(hào)和音頻信號(hào)。

　　*視頻、音頻解碼和數(shù)字化：該部分將復(fù)合的視頻信號(hào)(CVBS)解碼，取出其中的Y、U、V分量信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)取樣作A/D轉(zhuǎn)換，再把這些數(shù)據(jù)組合成滿足ITU-R BT.656的數(shù)據(jù)，輸出給MPEG-2壓縮部分。同時(shí)，也對(duì)音頻信號(hào)取樣作A/D轉(zhuǎn)換，再把這些數(shù)據(jù)組合成I2S格式的數(shù)據(jù)輸出給MPEG-2壓縮部分。

　　*MPEG-2壓縮部分：這部分將滿足ITU-R BT.656規(guī)定的視頻數(shù)據(jù)和I2S格式的音頻數(shù)據(jù)按照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，生成MPEG-2傳輸流輸出到PCI傳輸部分。

　　*PCI傳輸部分：該部分將MPEG-2傳輸流的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖后，將其經(jīng)過PCI總線寫入到系統(tǒng)的內(nèi)存中，然后發(fā)中斷給處理器，通知其有數(shù)據(jù)要處理。

　　*PCI橋：PCI橋是將處理器的本地總線和PCI總線連接起來的部件，主要完成對(duì)PCI 總線和本地總線的申請(qǐng)，以及PCI總線地址與本地總線地址之間的轉(zhuǎn)換、PCI總線地址與本地總線之間的控制時(shí)序的轉(zhuǎn)換。

　　*處理器及其外圍部件：該部分主要由CPU和能讓其運(yùn)行起來的基本外圍器件組成。包括地址譯碼、SDRAM、Flash、ROM器件。

　　*接口部分：與外部進(jìn)行通信的接口，由兩個(gè)以太網(wǎng)端口和一個(gè)RS-232，以及一個(gè)USB口組成。

　　測(cè)試運(yùn)行情況

　　服務(wù)器平臺(tái)配置：CPU (W90N740)、ROM(512KB)、Flash(8MB)、SDRAM(32MB)、SRAM(32K32b)，及mClinux操作系統(tǒng)。

　　客戶端平臺(tái)配置: 奔騰 CPU(2.4GHz)、內(nèi)存(256MB)、Windows XP 操作系統(tǒng)。

　　在測(cè)試中， 普通用戶使用IPTV終端在局域網(wǎng)內(nèi)接收并流暢播放CATV電視、本地AV，觀看實(shí)時(shí)串流或定時(shí)存儲(chǔ)的音/視頻，通過終端系統(tǒng)正常進(jìn)行VoD點(diǎn)播。系統(tǒng)管理員可以設(shè)置服務(wù)器IP地址、接收TV頻道的范圍、允許同時(shí)存在普通用戶的最大個(gè)數(shù)、用戶密碼、實(shí)時(shí)串流、定時(shí)存儲(chǔ)及上傳到服務(wù)器的音/視頻文件路徑等功能。

　　在播放的同時(shí)，用戶可以通過遙控器程序設(shè)置播放色彩，畫質(zhì)，音量，頻道及AV->TV->VoD->AV循環(huán)切換。

　　系統(tǒng)運(yùn)行性能指標(biāo)：

　　(1)丟包率

　　丟包率=(理論發(fā)包數(shù)-實(shí)際收包數(shù))/理論發(fā)包數(shù)

　　本系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)上述公式動(dòng)態(tài)計(jì)算傳輸丟包率，并在任何用戶丟包率大于10%時(shí)自動(dòng)斷開用戶與服務(wù)器的連接。

　　(2)時(shí)延

　　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用戶可以在線流暢地觀看TV/AV/VoD視頻流。

　　如圖3所示，當(dāng)用戶數(shù)量從1個(gè)增加到10個(gè)時(shí)，時(shí)延將隨之從2ms增加到4.2ms。

圖3 用戶數(shù)量與時(shí)延關(guān)系圖

　　結(jié)語

　　隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，將本終端系統(tǒng)應(yīng)用于無線環(huán)境中，可提供支持廣域網(wǎng)訪問的服務(wù)，支持MPEG-4視頻編碼是下一步工作所要做的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. UPnP Forum， http://www.UPnP.org

　　2.Walko， J. I Love My IPTV. IEE Communications Engineer， pp. 16-19， Dec. 2005

　　3. Jerry C., Whitaker. Interactive TV Demystified. Mc-Graw Hill，2001