CN102474591B - 利用灵活信道绑定的ip视频传输 - Google Patents

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Abstract

一种IP视频传输系统和方法，该系统和方法分配第一数量的视频流，用于在多个信道上传输，提供多个绑定组，其中每个绑定组绑定该信道中的至少一个，以及分配第二数量的视频流，用于在绑定组上传输。在一个方面，当方法以第一视频流没有绑定在信道上的方式传输第一视频流。绑定组利用第一视频流未使用的带宽。在一个方面，该方法利用第一或第二视频流未使用的带宽用于高速数据。该方法提供即时负载平衡，将第一视频流和第二视频流扩展为跨越信道中的所有可用带宽，使用可变比特率传输这些视频流，而没有额外统计复用码率整形以将视频流适配到信道中。

Description

利用灵活信道绑定的IP视频传输
相关申请的交叉参考
用于专利证书的本申请涉及并要求2009年7月28日提交的名为“IPVideo Delivery Using Flexible Channel Bonding(利用灵活信道绑定的IP视频传输)”的美国临时专利申请序列号61/229,269(代理人卷号BCS05841)的优先权；通过引用将该申请的内容合并于此。
背景技术
具有多个绑定信道的电缆数据传输业务接口规范(DOCSIS)3.0技术能够在更大的DOCSIS 3.0管道上实现新的服务，诸如因特网协议(IP)视频传输。典型地，这些视频流作为多播分组传输到电缆调制解调器终端系统(CMTS)并通过CMTS“切换”，因此只有那些被观看的视频流实际上在DOCSIS信道上被发送。当前，因为与恒定比特率(CBR)视频流相关联的简化业务管理，所以典型地使用恒定比特率(CBR)视频流。可变比特率(VBR)视频流提供的总平均比特率明显低于CBR(例如30％-40％)，但是它具有的峰值码率是其平均码率的两到三倍。如果多个VBR流在给定的信道中同时达到峰值，那么需要的带宽会超过信道的容量。因为视频流不一定能联合编码，该现象是不确定性的，会导致丢弃的分组。由于现在视频流中使用的大规模编码，每个丢弃分组都能对视频质量带来显著损害。如果信道拥塞导致客户驻地设备(CPE)视频缓冲器下溢，那么已知一些解码器锁定并需要复位。对于现在的高清服务，质量是非常重要的特征，因此丢弃的分组是重要的问题。
现在，经常将VBR用于广播视频服务，其中统计复用器在需要的时候可以将峰值码率整形，以在信道容量内保持带宽并防止丢弃的分组。但是，统计复用器的复杂性使得它们在用于IP视频系统中期待的具有较小服务组的广泛窄播服务时经济上不可行。
有些IP视频传输系统具有分组恢复算法。当超过信道容量时，它们有可能用于恢复被丢弃的分组。这种方法的缺点是修理服务器的成本增加，以及考虑丢弃的分组的检测、请求和再传输所需要的缓冲器延迟增加。另一种常见的分组恢复方法是提供CPE客户端可用来恢复丢弃的分组的分组级前向纠错(FEC)。这种方法的缺点是发送FEC所需的5％至20％的额外信道容量以及CPE需要的附加处理功率。
由于DOCSIS 3.0装置的现有绑定限制而引起了问题。例如，将IP视频调整到几百个用户的服务组需要总共16到24个信道用于IP视频，其超过了现在的商用电缆调制解调器的能力，并且不能绑定到单一绑定组中。现在的商用电缆调制解调器只支持最小的DOCSIS 3.0需要的4个绑定信道；即使要上市的下一代调制解调器也只提供最大8个绑定信道，其中有些是高速数据服务所需而非IP视频所需。将16到24个IP视频信道分为较小的4-8个信道的绑定组减少了所得到的总体统计学优点，增加了所需要的信道的总数量。同时，选择固定大小绑定组(例如4个绑定信道)用于IP视频服务排除了例如只有1、2或3个可用于IP视频服务的信道的所有其他装置。
Ramakrishnan的“Scaling the DOCSIS Network for IPTV”，SCTE ET2009(下面称为“Ramakrishnan”)中的现有技术公开了通过4信道绑定提供的封装(packing)效率的改善。图IA和图1B描述了根据现有技术，4个单独的正交振幅调制(QAM)信道与4信道绑定组的示意性比较。在一个实施例中，QAM是6-MHz北美信号。图IA示出4个单独(且未绑定)的QAM信道(QAM1-QAM4)，其具有允许10个未绑定的标准清晰度(SD)流(SD1-SD10)和5个未绑定的高清晰度(HD)流(HD1-HD5)的信道容量，但是留下未使用的QAM信道容量，因为它不足以允许任何额外的未绑定HD流。图1B示出4个绑定的QAM信道(QAM1-QAM4)，其具有允许10个绑定的SD流(SD1-SD10)和7个绑定的HD流(HD1-HD5)的信道容量。因此，4个绑定的QAM信道可提供比4个单独(且未绑定)的QAM信道更大的视频容量。
Bernstein&Liu，“VBR Video Services in DOCSIS 3.0 Networks，”NCTA 2008(下面称为“Bernstein”)中的现有技术得到与Ramakrishnan类似的结论。Bernstein公开了4信道绑定组中的VBR提供57.5％的增加(即63个流用于4个信道)；而单一未绑定信道中的VBR提供40％的增加(即14个流用于单一信道，或者56个流跨越4个单一信道)。例如，在Bernstein中，图4示出VBR网络统计复用带宽利用改善。因此，Bernstein公开了将4个信道绑定在一起可以提供从56到63个流的视频容量的增加。现在的问题是，希望看到这些视频服务的所有装置都必须支持4个绑定信道。所有其他装置不能访问此内容。
要求一种IP视频传输方法和系统用于在未绑定信道上分配大小灵活地改变的绑定组。本发明满足了这个要求。
发明内容
本发明的方面提供一种IP视频传输系统和方法，该系统和方法分配第一数量的视频流，用于在多个信道上传输；提供多个绑定组，其中每个绑定组绑定该信道中的至少一个；以及分配第二数量的视频流，用于在绑定组上传输。在一个方面，该方法以第一视频流没有绑定在信道上的方式传输第一视频流。绑定组利用第一视频流未使用的带宽。在一个方面，该方法利用第一或第二视频流未使用的带宽用于高速数据。该方法提供即时负载平衡，将第一视频流和第二视频流扩展为跨越信道中的所有可用带宽，使用可变比特率传输这些视频流，而没有额外统计复用码率整形以将视频流适配到信道中。
附图说明
图1A和图1B描述根据现有技术，4个单独的正交振幅调制(QAM)信道与4信道绑定组的示意性比较。
图2是图示出执行本发明的系统的硬件组件的一个实施例的网络示意图。
图3描述根据本发明的实施例，与未绑定信道重叠的绑定组。
图4A、图4B和图4C描述根据实施例，对于SD和HD CBR流的封装低效率，并示出绑定和未绑定信道的影响。
图5A、图5B和图5C描述根据实施例，对于HD VBR的复用(多路复用)低效率。
图6A和图6B描述根据实施例，调节跨越HSD和IP视频的绑定组，并示出这种利用MPEG-4/AVC HD VBR视频流的情形。
图7A和图7B描述根据实施例，调节跨越HSD和IP视频的绑定组、上溢&下溢。
图8A和图8B描述根据实施例的多个重叠绑定组。
图9和图10描述图8A和图8B中描述的四个重叠绑定组，并将每个绑定组扩展到还包括HSD QAM信道。
具体实施方式
本发明的方面解决的是，在不导致丢弃的分组或者现有技术实施方式的其他状态的缺点的情况下，怎样调节用于IP视频服务的VBR，以支持比CBR显著更多的视频流。
图2是图示出执行本发明的系统的硬件组件的一个实施例的网络示意图。宽带网络200包括因特网协议(IP)网络210和电缆网络230。在一个实施例中，电缆网络230是混合光纤同轴(HFC)网络。电缆网络230是将客户位置240连接到电缆调制解调器终端系统(CMTS)220的数据和视频内容网络。图2所示的宽带网络200可包括任意数量的互连的IP网络210、CMTS 220、电缆网络230和客户位置240。
在一个实施例中，图2所示的IP网络210是连接到CMTS 220的公共通信网络或广域网(WAN)。本发明还考虑了可比较网络体系结构的使用。可比较网络体系结构包括公共交换电话网络(PSTN)、承载数据和语音分组的公共分组交换网络、无线网络和专用网络。无线网络包括蜂窝网络(例如时分多址接入(TDMA)、码分多址接入(CDMA)或正交频分复用(OFDM)网络)、卫星网络以及无线局域网(LAN)(例如无线保真(Wi-Fi)网络)。专用网络包括LAN、诸如蓝牙网络的私域网(PAN)、无线LAN、虚拟专用网络(VPN)、内部网络或外部网络。内部网络是一种专用通信网络，用于向诸如公司的组织提供用于组织的信任成员访问组织的网络上的资源的安全手段。相反，外部网络是一种专用通信网络，用于向诸如公司的组织提供用于组织授权非组织成员访问组织的网络上的某些资源的安全手段。系统还考虑了以下网络体系结构和协议，诸如以太网、令牌环网、系统网络结构、因特网协议、传输控制协议、用户数据报协议、异步传输模式以及与因特网协议可比较的专用网络协议。
CMTS 220向用户位置240提供各种服务和/或连接，诸如通过电缆业务接口规范(DOCSIS)对于数据的支持、即时负载平衡处理222以及与IP网络210的连接。例如，CMTS 220可以提供与诸如视频服务器、公共交换电话网络语音、多媒体消息以及因特网数据之类的外部服务的连接。
在本发明的实施例中，与CMTS 220中的即时负载平衡处理222一起对DOCSIS 3.0绑定组的创新使用可以使得运营商能够以最高质量(即，没有将视频流适配到QAM信道中所需的额外码率整形)和可能最好的利用率使用VBR，同时提供最大的灵活性。通常，DOCSIS绑定组典型地被认为是固定大小、无重叠组，有时是分层的。但是，在实施例中，灵活的信道绑定是调节VBR的全部功率的关键。
本发明的具有即时负载平衡处理222的灵活信道绑定的实施例使得示例性系统能够充分利用VBR视频流以用于电缆上的IP视频传输。相比于为了业务管理将视频流码率整形、但却影响视频质量的某些方案，为了最好的视频质量将完全原始的VBR流传输到客户位置240。不管可用于绑定的资源、从可以被任何DOCSIS装置接收的在单一信道上发送的流行内容，来获得灵活性。此外，多接收信道电缆调制解调器可以接收非绑定流行IPTV，不一定加入固定4个信道的“绑定组”。提供用于“长尾”内容(例如不太流行的内容)的更大绑定组使得IP视频信道能够最大化利用率。
总的来说，这里使用的“流行”内容指的是考虑了对需求的不成比例共享的内容项目。在内容流行性的一个说明性示例中，“流行”内容可以表示诸如Pareto分布的等级排序分布中内容项目的前20％，即，考虑了大约需求的大部分的内容项目，而“长尾”内容指的是诸如Pareto分布的等级排序分布中内容项目的后80％。在其他说明性实施方式中，可基于阈值，诸如n个最需求的项目或者最需求的项目的第n个百分点来确定“流行”内容，而“不太流行”或“长尾”内容指的是剩余的可用内容项目。在其他实施方式中，可基于实际需求、预期需求或者这两者来确定流行性。
最后，IP视频和高速数据(HSD)信道之中的即时负载平衡处理222允许系统根据大量客户位置240和大量视频节目来调整，并达到100％的平均利用率。除此以外，在本发明的实施例中，不使用可以降低视频质量的额外的统计复用码率整形将视频流适配到QAM信道中，或者不引起其他方式中普遍的会被迫使用分组恢复算法的丢弃的分组的问题，而分组恢复算法具有各自相关的缺点。
本发明的灵活信道绑定的实施例允许将绑定组重叠，而不是将4个信道视作单一绑定组。考虑可将单个未绑定信道视作大小为1的绑定组。作为一个示例，我们创建总共5个绑定组：4个单一信道组(每个信道1个)以及1个跨越所有4个信道的4信道绑定组。当添加视频流时，将它们置入单一信道绑定组中的一个上的可用空间。这样持续直到这些组填满。此时，任何一个信道上都没有足够的空间来添加另一个流。但是，通过将额外的流置入4信道绑定组，即时负载平衡处理222在跨越所有4个信道的可用空间中扩展这些视频流。
有趣的是注意到，单一信道封装和绑定组重叠封装的变体是可能的。例如，期望支持一种2信道绑定组服务。在这种情况下，可以与单一信道服务以及4信道绑定组服务一起，将那些服务分配在一对信道(2信道绑定组)上。替代地，如果部署了只支持4信道绑定的一组调制解调器，并且更新的调制解调器假定支持8信道绑定组，那么可以扩展绑定组的这种重叠(在逻辑上通过服务种类)，更旧的和更新的调制解调器二者都能接收某些单一信道服务、某些2信道服务或3信道服务和某些4信道组服务。因此，灵活绑定的灵活性遍及绑定组组合的宽广范围，不只是1:N封装组合。
参照图1A，这意味着在单独的未绑定信道中支持10个SD和5个HD流，但是本发明的方面提供将置于4信道绑定组中的2个额外的HD流，并填充之前“未使用”的空间。本发明的这些方面导致图3所示的新构造。
图3描述根据本发明的实施例，与未绑定信道重叠的绑定组。如图3所示，在示例性实施例中，净效应是，图1A的示例中所示的10个SD和5个HD流可以作为未绑定信道由任何能用的调制解调器来访问，不管调制解调器的资源的可用性(即，它们不一定支持4信道绑定)。此外，网络的总容量保持相同：在本示例中，是10个SD和7个HD流。
在Bernstein现有技术的示例中，单一信道可以支持14个SD流，因此总共可将56个SD流置于4个单一信道绑定组中。在图3所示的示例性实施例中，可用的总带宽与具有4信道绑定组的Bernstein示例中相同；因此，该实施例的方式也可以支持总共63个SD流，有7个额外流跨越4信道绑定组中的4个信道而扩展。
在实践中，在图3的说明性示例中，56个更流行的流在单一信道组中结束，且由任意DOCSIS装置使用，与它们可用的绑定资源无关。跨越4信道绑定组而扩展的7个流将趋向于为由单一用户观看而不需要共享的长尾或视频点播(VOD)/单播内容。因此，我们实现了两个方面的最佳——最大VBR容量，以及利用任何DOCSIS装置共享视频流的能力，而不管其具有的可用信道的数量。
Bernstein中的示例假定在MPEG-2中将视频编码。但是，如果我们替代使用MPEG-4/AVC编码的视频，我们就能够在每个QAM信道中得到更多视频流。利用传统技术，每个QAM将有大约5个HD CBR流，或者每个QAM有20个SD CBR流，或者它们的某些组合。
图2所示的电缆网络230是组合了光纤和同轴电缆的宽带网络，从20世纪90年代以来，该技术已经在全球范围内被有线电视运营商普遍采用。光纤网络从电缆运营商主设备头端开始延伸，有时候到达区域头端，并到达相邻的集线器站点，最后到达服务于任何地方的25至2000个家庭的光纤节点。主设备头端通常有用于远距离视频信号接收的卫星天线以及IP聚合路由器。有些主设备头端还装有电话设备，用于向公众提供电信服务。区域头端从主设备头端接收视频信号，并按照当地特许经营机构的要求将其添加到公共、教育和/或政府(PEG)信道，或者插入可能吸引该区域的目标定位广告。各种服务被编码、调制和上转换为RF载波，组合为单一电子信号并插入宽带光发射器。该光发射器将电信号转换为发送给节点的下游光学调制信号。光纤电缆以点对点技术或星形拓扑，或者在某些情况下以受保护的环形拓扑将头端连接到光节点。
在一个实施例中，图2所示的客户位置240是一个驻地，诸如客户(例如电缆用户)的家。客户位置240包括电缆调制解调器242、客户驻地设备(CPE)244和显示装置246。在各种实施例中，CPE 244是机顶盒或数字电视(DTV)转换器(DTC)，显示装置246是因特网协议电视(IPTV)或模拟电视。
在一个实施例中，图2所示的电缆调制解调器242是执行本发明的通用计算装置。总线250是连接处理器255、数据存储装置260(诸如串行ATA(SATA)硬盘驱动器、光驱、小型计算机系统接口(SCSI)盘、闪存等等)、通信接口265和存储器270(诸如随机访问存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、非易失性计算机存储器、闪存等等)的通信介质。通信接口265将电缆调制解调器242连接到电缆网络230，并允许数据和内容的通信。在一个实施例中，将电缆调制解调器242实现为专用集成电路(ASIC)。
处理器255通过执行操作指令序列来执行所公开的方法，操作指令序列包括驻留在存储器270中或者在存储器270中操作的每个计算机程序。读者应当理解，存储器270可包括支持本申请公开的程序的操作系统、管理程序以及数据库程序。在一个实施例中，电缆调制解调器242的存储器270的构造包括DOCSIS程序272和灵活信道绑定程序274。DOCSIS程序272是实现DOCSIS 3.0规范的程序。DOCSIS程序272和灵活信道绑定程序274执行在图4B、图4C、图5A、图5B、图5C、图6A、图6B、图7A、图7B、图8A、图8B、图9和图10所示的示例中公开的本发明的方法。当处理器255执行公开的方法时，它将中间结果存储在存储器270或数据存储装置260中。在另一个实施例中，如果需要的话，存储器270可以将这些程序或者程序的一部分交换进和交换出存储器270，因此在任何时间可包括比所有这些程序更少的程序。
图4A、图4B和图4C描述根据实施例，对于SD和HD CBR流的封装低效率，并示出绑定和未绑定信道的影响。如同我们在前面看到的，因为任何单一QAM都不能添加额外的HD视频，未绑定QAM可具有未使用的容量。图4A所示的绑定QAM信道(QAM1-QAM4)支持24个SD流(SD1-SD24)和14个HD流(HD1-HD14)，而图4B所示的未绑定QAM信道(QAM1-QAM4)仅支持24个SD流(SD1-SD24)和12个HD流(HD1-HD12)。图4C描述了将重叠的绑定组添加到未绑定QAM信道(QAM1-QAM4)，其允许支持两个额外的HD流(HD绑定组1-4以及HD绑定组2-3)，从而与具有24个SD流(SD1-SD24)和14个HD流(HD1-HD12)的图4A所示的绑定QAM信道的数量匹配。
图4A、图4B和图4C描述当将SD和HD CBR视频流封装在一起并且没有为额外HD流给出充分空间时，未绑定信道上的重叠绑定组怎样能克服低效率。但是当使用VBR视频流时，出现另一个低效率问题。图5A、图5B和图5C示出使用MPEG-4/AVC HD VBR流的示例。
图5A、图5B和图5C描述根据实施例，对于HD VBR的复用(多路复用)低效率。图5A描述基线情形。基于目前的技术，在没有信道上溢和丢弃的分组的明显可能性的情况下，人们能够合理地将5个HDVBR流适配到单一QAM中(将A1-A5适配到QAM1中，将B1-B5适配到QAM2中，将C1-C5适配到QAM3中，将D1-D5适配到QAM4中，以及将E1-E5适配到QAM5中)。利用Bernstein中的方法，人们可以期待4绑定信道支持24个HD VBR流。
有利地，使用这里描述的本发明的实施例，可将4信道绑定组覆盖在4个未绑定QAM信道的顶端。这样允许支持另外4个HD VBR流(BG1-BG4)，如图5B和图5C所示。应当注意，图5B和图5C描述不同时间点的相同视频流集。20个未绑定HD流(A1-A5、B1-B5、C1-C5和D1-D5)保留在它们各自的QAM信道上，但是4个绑定HD流(BG1-BG4)大小灵活地改变(即，每个绑定组的大小可以变化)，并动态地移动到具有额外带宽(即，因为将视频流分配给单个未绑定信道时没有使用，该带宽是可用的)的QAM。此动作称为动态负载平衡。通过将绑定组覆盖在未绑定组上面，本发明还实现了4个QAM上的24个HDVBR流，但是有20个HD VBR流保持未绑定的好处。
应当注意，虽然图5A、图5B和图5C的图示将所有流示出为连续的(即，占据相邻的QAM)，但是在另一个实施例中，流可以不连续(即，分配为跨越不相邻的QAM)。
本发明的实施例的另一好处是相比于Bernstein中所示的传统方式，增加了视频利用率。Bernstein描述了示出了实现91.3％的效率(即，完全利用率可以是69个视频流)的4信道绑定组的实验(参见Bernstein的图3)。Bernstein实验性地使用高度复用和码率整形的SD编码视频和HITS视频源，并发现使用更高码率的HD业务和真实的未修改VBR视频源，则效率会下降，并开始接近80％。
通过本发明实施例的灵活信道绑定方式，可将图5A、图5B和图5C所示的4信道绑定组扩充为也包括高速数据(HSD)信道。HSD信道可以支持多种不同类型的服务。总的来说，相比于实况视频服务，它们具有时间/延迟敏感性更低的特性。HSD信道上的服务的某些示例可包括尽力而为数据业务、网络冲浪、基于因特网的视频观看(例如，自适应流送)或者甚至是诸如视频点播的预先存储的视频。与亚秒级的VBR视频猝发和峰值相比，经常是在许多秒上计算HSD服务码率。假定该示例为8个信道。通过跨越更大的管道共享，现在4个IP视频信道能够以100％的利用率运行(例如，在Bernstein中69个流)。利用来自Bernstein的示例，将56个最流行的视频流置于4个单一绑定组中。这一次，将额外的13个流置于8信道绑定组中。从概念上说，绑定组的即时负载平衡会尝试将这些流保持在4个IP视频信道中。平均而言，这样保持满100％并且HSD服务具有总带宽的4个信道。当聚集VBR业务猝发超过4个IP视频信道的容量时，额外的视频业务会自动溢流到HSD信道。相反，当聚集VBR业务小于4个IP视频信道的容量时，即时负载平衡器可将额外的HSD业务移动到IP视频信道。因此，随着时间，HSD和IP视频都可以平均分配其四个信道的每一个的100％利用率。
图6A和图6B描述根据实施例，调节跨越HSD和IP视频的绑定组，并示出这种利用MPEG-4/AVC HD VBR视频流的情形。图6A描述前一示例，其中HSD和IP视频是隔离的4信道绑定组(分别是QAM1-QAM4和QAM5-QAM8)。图6B描述了HSD和IP视频绑定组并入单一8信道绑定组(QAM1-QAM8)。未绑定的HD VBR流(A1-A5、B1-B5、C1-C5以及D1-D5)总是保持在IP视频QAM(QAM5-QAM8)。在此示例中，在名义上还将绑定的HD VBR流(BG1-BG4)置于IP视频QAM(QAM5-QAM8)中。平均而言，绑定的HD VBR流(BG1-BG4)将填充IP视频QAM(QAM5-QAM8)的其余部分，同时数据填充HSDQAM(QAM1-QAM4)。注意，因为保留以允许VBR流到达峰值的额外带宽，图6B中已经有3个额外的绑定HD流(BG5-BG7)。
图7A和图7B描述根据实施例，调节跨越HSD和IP视频的绑定组、上溢&下溢。图7A和图7B演示了当VBR业务增长和收缩时发生的情况。在图7A中，VBR流已经统一到达峰值并使IP视频QAM(QAM5-QAM8)上溢。虽然20个未绑定HD流(A1-A5、B1-B5、C1-C5以及D1-D5)保留在它们各自的IP视频QAM(QAM5-QAM8)中，但是将若干绑定的HD流(BG1-2、BG3-2、BG6以及BG7)调度在HSD QAM(QAM1-QAM4)上，以缓解带宽压力。在图7B中，VBR业务统一收缩，并且IP视频QAM(QAM5-QAM8)不再被全部利用。通过扩展的8信道绑定组，CMTS 220现在能将HSD业务调度在IP视频QAM(QAM5-QAM8)上。图7A和图7B是两个在时间上不同的快照，示出了平均HSD业务应该接近来自4个HSD QAM(QAM1-QAM4)的其原始带宽。
本实施例的方式的另一个好处在于，它还消除了由于拥塞导致丢弃视频分组的可能性。这是因为IP视频优先于高速数据。当VBR容量临时超过为IPTV分配的4个信道时，超量“排挤”了HSD业务，潜在地导致HSD分组延迟和可能的丢弃。HSD协议几乎专用于TCP，TCP自动重新传输丢弃的分组。在Bernstein中，他们认识到，通过他们的固定绑定组方式，仍然有可能丢弃分组，因此需要分组恢复算法。分组FEC方法将消耗带宽容量的额外的5-20％；同时重新传输方式添加修理服务器以及将额外延迟引入路径，以补偿检测、请求并重新传输丢弃的分组。通过本发明目前公开的实施例，IP视频分组损失为零，用于IP视频FEC的额外费用为零，恢复服务的成本增长为零。这些优点可通过在相同DOCSIS 3.0绑定组上将无损VBR IP视频与损耗容忍HSD数据组合来实现。
本发明实施例的下一个主要优点是它为大量用户进行调整的能力。当IP视频调整到数以百计的用户和数以百计的提供的视频节目时，对视频流的总体需要，特别是对具有很多HD内容的视频流的需要超过了单一4信道组的容量。例如，4信道绑定组仅能支持24个HD流，远远小于计划提供的数以百计的节目。系统需要与16至24信道相似的一些东西来向数以百计的用户传输数以百计的HD和SD节目。根据我们前面的示例，这样需要4个或更多单独的4信道绑定组。
如果我们要保持传统系统的固定非重叠组，将会出现问题。因为客户装置同一时间只能在一个绑定组中，所以装置需要切换绑定组以访问不同的内容。很多装置能够接收若干视频流；也许多至6个流(例如3个或4个TV/PC和两个对DVR的记录)。因为装置请求每个额外视频流，所以现在变成很可能这些流在不同的绑定组中。现在迫使系统添加新的绑定组(即，4个以上信道)，以使得该装置能够观看其独特的节目组合。流行内容很可能需要跨越不同的绑定组复制，增加了需要的信道的数量。在本示例中，这样会导致对需要的信道的数量有25％的大幅增加(即，从4个绑定组增加到5个绑定组)。
但是，可以扩展本发明的灵活信道绑定方案的实施例以容易地处理这种情形。在可通过任何电缆调制解调器访问的单一信道绑定组中传送流行内容。如果该装置需要多个视频流，那么它只受其宽带调谐器的范围的限制；它不受固定的4信道绑定组限制。发送给个别用户的长尾和VOD/单播内容被分配给更大的绑定组(例如4个信道)，如上所述并且跨越这些信道而扩展，以充分利用这些信道。
图8A和图8B描述根据实施例的多个重叠绑定组。通过选择性地引入重叠绑定组，本发明能有效地得到全部信道集的统计复用优点，不只是限于绑定组的大小。为了演示，考虑具有总共8个IP视频信道(QAM1-QAM8)，但是绑定组大小为4个信道的系统。这在图8A和图8B中示出。我们能创建覆盖以下绑定组信道集的4个单独但是重叠的绑定组：{A，B，C，D}，{E，F，G，H}，{A，C，E，G}和{B，D，F，H}，其中视频信道A映射到QAM1，视频信道B映射到QAM2，视频信道C映射到QAM3，视频信道D映射到QAM4，视频信道E映射到QAM5，视频信道F映射到QAM6，视频信道G映射到QAM7，视频信道H映射到QAM8。下面假定聚集VBR峰值码率已经以未绑定视频填充了视频信道A和B，因此只留下很少的空间或没有空间用于任何4信道绑定的视频。通过即时负载平衡，{A，B，C，D}组可以将其HD视频流移动到信道C和D。由于信道A、B、C和D现在已被填充，{A，B，C，D}组必须利用E和G上的宽带；同时{B，D，F，H}组必须利用信道F和H上的带宽。继而，{E，F，G，H}组必须移动以适应对这些信道的新要求。因此，信道A和B上的峰值导致4信道绑定视频跨越信道C至H扩展，而在统计学上形成8信道群组。显然，在不脱离本发明范围的情况下，可将重叠绑定组扩展为绑定组大小和重叠组上的很多变型，以得到最佳利用。
此外，通过如上所述包括HSD信道并跨越多个绑定组使用即时负载平衡算法，可达到100％利用率。作为示例，假定长尾内容扩展跨越每个4信道的4个信道(称为A，B，C，D)的组。4个绑定组被创建为都与HSD信道重叠。这些绑定组是：HSD+A，HSD+B，HSD+C和HSD+D。假定聚集VBR业务猝发超过信道组A和C的容量。即时负载平衡算法可以将额外的VBR视频业务调度在HSD信道上。除了现在有两个重叠绑定组而不是一个之外，这样与上面所述等同。
现在让我们假定此时，组B和组D中的聚集VBR业务低于其容量。即时负载平衡算法可将HSD业务移动到组B和D中的信道，用于那些绑定组中的所有电缆调制解调器。如果该业务总量等于A和C业务上溢的量，则系统已经将跨越所有16个信道的VBR视频负载平衡，并且HSD信道平均提供带宽的4个信道。
可以在很多不同组合中创建绑定组的重叠。例如在上述示例中，组A和组B可以共享若干信道。当系统从额外内容和/或额外用户扩充时，这变得有利。在需要的时候可将额外信道添加到系统。如果将第17个信道加入上述示例，就可以由该新信道加上与A、B、C和/或D重叠的某些其他信道来创建新的绑定组E。本发明不限制可能的组合的数量。
在图9和图10中，作为最后的示例，我们扩展图8A和图8B中描述的四个重叠绑定组，并将每个绑定组扩展为也包括HSD QAM信道。
传统电缆调制解调器技术的当前状态被限制为8个DOCSIS QAM信道。对于图9和图10中所示的整个系统，有4个HSD DOCSIS QAM信道(QAM1-QAM4)和8个IP视频信道(QAM5-QAM12)。因为电缆调制解调器只能绑定总共12个信道的最多8个信道，所以任何给定的电缆调制解调器都可以信道绑定全部信道的子集。在图9和图10所述的示例性示例中，实施例定义了4个不同的绑定组。每个绑定组(BG)由四个HSD QAM信道以及8个IP视频信道中的4个组成。
第一BG由HSD QAM(QAM1-QAM4)外加IP视频QAM{QAM5-QAM8}组成。第二BG是HSD QAM(QAM1-QAM4)和IP视频QAM{QAM9-QAM12}。第三BG是HSD QAM(QAM1-QAM4)和IP视频QAM{QAM5，QAM7，QAM9，QAM11}。第四BG是HSD QAM(QAM1-QAM4)和IP视频QAM{QAM6，QAM8，QAM10，QAM12}。注意，第三BG和第四BG与第一BG和第二BG重叠。此即术语“重叠绑定组”。重叠绑定组的这个概念是能够跨越不同DOCSIS QAM动态地使业务负载平衡的关键。
图9描述根据实施例的多个重叠绑定组，并示出名义上的情况，其中数据业务保持在HSD QAM(QAM1-QAM4)上，同时四个绑定组跨越IP视频QAM信道(QAM5-QAM12)而扩展。值得注意的是，如果服务需求需要，可以设置其他名义上的情况，诸如利用110％“视频”资源的视频服务；也就是说，100％的视频信道和10％的HSD信道。因此，虽然我们的示例使用名义上的或者静止点100％，但是其他值也是可以的。这样的一个好处是，通过以临时预订更多HSD的代价避免节目请求阻塞，从而允许更好地处理峰值忙碌时间条件。
在图10中，也描述根据实施例的多个重叠绑定组，我们现在考虑，当我们看到在其他IP视频QAM(QAM7-QAM12)中的VBR带宽一般性减少时，如果信道A和B(QAM5和QAM6)中的集合VBR流扩充时会发生什么。当曾在A和B(QAM5和QAM6)上的一些绑定业务移动到C和D(QAM7和QAM8)时，该绑定业务中的一些也移动到HSD QAM(QAM1-QAM4)。同时，信道E-H(QAM9-QAM12)中的减少允许将一些数据业务调度在那些IP视频QAM信道上。因此，将扩展为包括HSD的重叠绑定组进行组合提供了调度灵活性的最佳数量，同时允许大部分HD VBR流作为任何CPE 244装置可访问的单一信道中的未绑定业务被传输。
具有即时负载平衡的灵活信道绑定方案的实施例可以与CMTS220实现一起使用。在进一步的实施例中，具有即时负载平衡的灵活信道绑定也可以与CMTS 220旁路体系结构一起使用。在进一步的实施例中，可以在边缘装置中部署具有即时负载平衡的灵活信道绑定。
例如，在将本发明应用于CMTS 220旁路体系结构的说明性实施例中，视频内容直接进入边缘装置(例如边缘QAM调制器)并将CMTS 220旁路。对于每个视频流，系统的控制边缘装置的会话管理器可以指示它哪些信道是它的绑定组的一部分。有些(例如流行内容)可以具有单一信道，而其他的可以在更大(例如4信道)的绑定组中。
通过CMTS 220旁路体系结构，将IP视频和HSD信道复用而获得的额外好处是可能的，进行以下说明性改变：在这样的实施例中，从模块化CMTS(M-CMTS)核心产生HSD信道(QAM1-QAM4)，并发送给边缘装置。边缘装置需要将流控制信息提供回M-CMTS。因为视频业务上溢到HSD信道(QAM1-QAM4)，所以边缘装置需要将HSD信道的减少容量通知M-CMTS。类似地，边缘装置可以将不同IP视频信道上的额外容量通知M-CMTS，并且M-CMTS可以提供DOCSIS数据以填充IP视频信道。
通过CMTS 220旁路体系结构，将IP视频和HSD信道复用而获得的额外好处是可能的，进行以下说明性改变：在这样的实施例中，从集成CMTS(I-CMTS)核心产生HSD信道(QAM1-QAM4)，从边缘装置产生IP视频信道(QAM5-QAM12)。因为视频业务使IP视频信道(QAM5-QAM12)上溢，所以边缘装置将额外的视频转发到I-CMTS上的HSD信道(QAM1-QAM4)。I-CMTS将其HSD信道(QAM1-QAM4)上的额外视频以适当的优先级调度为尽力而为数据。类似地，边缘装置将不同IP视频信道(QAM5-QAM12)上的额外容量通知I-CMTS，并且I-CMTS可以提供尽力而为DOCSIS数据以填充边缘装置上的IP视频信道(QAM5-QAM12)。
虽然公开的实施例描述了用于IP视频传输的完整功能的方法和系统，但是读者应当理解，存在其他等同实施例。因为研究了本公开的人将想到各种修改和变化，所以用于IP视频传输的方法和系统不限于图示和公开的确切结构和操作。因此，本公开意在使所有适当修改和等同物落入权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种用于IP视频传输的方法，包括：
分配第一数量的视频流，用于在多个信道上传输，其中所述第一数量的视频流包括至少一个流行内容项目；
提供多个绑定组，其中每个绑定组绑定所述信道中的至少一个，所述绑定组包括单一信道组和跨越多信道的至少一个多信道组，每个单一信道组具有一个信道；以及
分配第二数量的视频流，用于在所述多个绑定组中的至少一个多信道组上传输。
2.权利要求1的方法，其中每个绑定组的大小被灵活地改变。
3.权利要求1的方法，其中所述第一数量的视频流以没有绑定在所述多个信道上的方式被传输，并且其中每个信道是DOCSIS信道。
4.权利要求1的方法，其中所述多个绑定组利用所述第一数量的视频流未使用的带宽。
5.权利要求4的方法，其中高速数据利用所述第一数量的视频流或所述第二数量的视频流未使用的带宽。
6.权利要求5的方法，其中所述高速数据包括尽力而为数据业务、网络冲浪、自适应流送以及视频点播中的至少一个。
7.权利要求1的方法，进一步包括：
提供即时负载平衡，以将所述第一数量的视频流和所述第二数量的视频流扩展为跨越所述多个信道中的所有可用带宽。
8.权利要求7的方法，进一步包括：
使用可变比特率传输所述第一数量的视频流和所述第二数量的视频流，而没有额外统计复用码率整形以将视频流适配到所述多个信道。
9.权利要求8的方法，其中每个绑定组的大小被灵活地改变，并绑定所述多个信道中的至少一个或多个高速数据信道中的至少一个。
10.一种用于IP视频传输的方法，包括：
分配第一数量的视频流，用于在多个信道上传输；
提供多个绑定组，其中每个绑定组绑定所述信道中的至少一个，所述绑定组包括单一信道组和跨越多信道的至少一个多信道组，每个单一信道组具有一个信道；以及
分配第二数量的视频流，用于在所述多个绑定组中的至少一个多信道组上传输，其中所述第二数量的视频流包括至少一个长尾内容项目。
11.一种包括计算装置的IP视频传输系统，包括：
存储器装置，所述存储器装置驻存在所述计算装置中；以及
处理器，所述处理器设置为与所述存储器装置通信，所述处理器配置为：
分配第一数量的视频流，用于在多个信道上传输，其中所述第一数量的视频流包括至少一个流行内容项目；
提供多个绑定组，其中每个绑定组绑定所述信道中的至少一个，所述绑定组包括单一信道组和跨越多信道的至少一个多信道组，每个单一信道组具有一个信道；以及
分配第二数量的视频流，用于在所述多个绑定组中的至少一个多信道组上传输。
12.权利要求11的系统，其中每个绑定组的大小被灵活地改变。
13.权利要求11的系统，其中所述第一数量的视频流以没有绑定在所述多个信道上的方式被传输，并且其中每个信道是DOCSIS信道。
14.权利要求11的系统，其中所述多个绑定组利用所述第一数量的视频流未使用的带宽。
15.权利要求14的系统，其中高速数据利用所述第一数量的视频流或所述第二数量的视频流未使用的带宽。
16.权利要求15的系统，其中所述高速数据包括尽力而为数据业务、网络冲浪、自适应流送以及视频点播中的至少一个。
17.权利要求11的系统，其中所述处理器进一步配置为：
提供即时负载平衡，以将所述第一数量的视频流和所述第二数量的视频流扩展为跨越所述多个信道中的所有可用带宽。
18.权利要求17的系统，其中所述处理器进一步配置为：
使用可变比特率传输所述第一数量的视频流和所述第二数量的视频流，而没有额外统计复用码率整形以将视频流适配到所述多个信道。
19.权利要求18的系统，其中每个绑定组的大小被灵活地改变，并绑定所述多个信道中的至少一个或多个高速数据信道中的至少一个。
20.一种包括计算装置的IP视频传输系统，包括：
存储器装置，所述存储器装置驻存在所述计算装置中；以及
处理器，所述处理器设置为与所述存储器装置通信，所述处理器配置为：
分配第一数量的视频流，用于在多个信道上传输；
提供多个绑定组，其中每个绑定组绑定所述信道中的至少一个，所述绑定组包括单一信道组和跨越多信道的至少一个多信道组，每个单一信道组具有一个信道；以及
分配第二数量的视频流，用于在所述多个绑定组中的至少一个多信道组上传输，其中所述第二数量的视频流包括至少一个长尾内容项目。
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