基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

付艷娟，李國(guó)平，趙海武，滕國(guó)偉，王國(guó)中，李 萍

（1.上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200072；2.上海國(guó)茂數(shù)字技術(shù)有限公司，上海 201204）

隨著數(shù)字電視的普及，電視臺(tái)的數(shù)字電視的節(jié)目數(shù)量和類型也越來(lái)越多，這對(duì)數(shù)字電視前端系統(tǒng)搭建的要求也越來(lái)越高。目前的數(shù)字電視的前端系統(tǒng)主要包括信號(hào)輸入部分、信號(hào)處理部分、信號(hào)輸出部分和系統(tǒng)管理部分等[1]。系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)有：搭建復(fù)雜，為確保其穩(wěn)定性導(dǎo)致設(shè)備的冗余較大以及管理繁瑣等。

云計(jì)算是虛擬化（Virtualization）、效用計(jì)算（Utility Computing）、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果，其中大部分的軟件和硬件通過(guò)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展虛擬化的層次，為知識(shí)應(yīng)用提供無(wú)限的空間和計(jì)算能力，信息是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)?，?shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，服務(wù)存儲(chǔ)在云端，通過(guò)利用數(shù)據(jù)的強(qiáng)大計(jì)算能力，為用戶服務(wù)[2－3]。

目前云計(jì)算在廣播電視領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的應(yīng)用[4]。筆者提出了一種基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的方案，該方案利用云計(jì)算的許多優(yōu)良特性，克服傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)缺點(diǎn)，使得數(shù)字電視前端系統(tǒng)的資源分配進(jìn)一步優(yōu)化，用戶管理更加便捷和容易，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性也得到了增強(qiáng)。

1 基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的技術(shù)背景

1.1 云計(jì)算的概念和特點(diǎn)

云計(jì)算（cloud computing）是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過(guò)這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。云其實(shí)是網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說(shuō)法。云計(jì)算的核心思想是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池向用戶提供按需服務(wù)，提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”[2－3]。

根據(jù)以上定義，可以總結(jié)出云計(jì)算的本質(zhì)特征，即分布式計(jì)算和存儲(chǔ)特性、高擴(kuò)展性、用戶友好性和良好的管理性。

1.2 數(shù)字電視前端系統(tǒng)的基本架構(gòu)

數(shù)字廣播電視前端系統(tǒng)可分成4部分：信源系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和用戶及節(jié)目管理系統(tǒng)[1]。數(shù)字電視前端系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。

1）信源系統(tǒng)。主要用來(lái)產(chǎn)生各種電視節(jié)目，其來(lái)源包括衛(wèi)星接收、電信接收、本地服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)等，其主要設(shè)備包括數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)、視頻服務(wù)器、各種類型的編碼器或者轉(zhuǎn)碼器，例如AVS編碼器、H.264編碼器、MPEG－2到AVS的轉(zhuǎn)碼器等。

圖1 數(shù)字電視前端系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2）信號(hào)處理部分。主要是對(duì)各種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，主要包括的設(shè)備有加擾器、EPG服務(wù)器、復(fù)用器、字幕機(jī)、數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器、NVOD服務(wù)器等。

3）數(shù)據(jù)傳輸部分。主要是進(jìn)行信道編碼調(diào)制，針對(duì)不同的傳輸媒體采用不同的調(diào)制方式，如QAM，QPSK等調(diào)制方式。

4）系統(tǒng)管理部分。是控制復(fù)雜化的數(shù)字前端的關(guān)鍵，要滿足性能管理、設(shè)置管理、故障管理、安全性管理和用戶管理等網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基本要求。

目前傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)存在以下不足：首先，搭建復(fù)雜，涉及的設(shè)備與服務(wù)器繁多。其次，由于數(shù)字電視的特殊性，任何時(shí)候、任何情況下都要確保其安全播出。因此，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性就顯得非常重要。為確保其穩(wěn)定性，在搭建系統(tǒng)的過(guò)程中，就要給關(guān)鍵設(shè)備配備冗余配置。由于目前的數(shù)字電視前端系統(tǒng)每個(gè)電視臺(tái)或者電視臺(tái)的每個(gè)設(shè)備都是獨(dú)立管理的設(shè)備，這樣冗余設(shè)備的需求量就比較大，搭建成本也比較高。第三，用戶管理不方便。由于每個(gè)設(shè)備都是獨(dú)立的設(shè)備，用戶在管理的過(guò)程中就需要對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的管理，這樣隨著廣播電視數(shù)字化的全面普及、節(jié)目數(shù)量也不斷增多的情況下，管理人員的工作量會(huì)越來(lái)越大。同時(shí)，目前的數(shù)字電視頭端系統(tǒng)，大多數(shù)的管理都要在電視臺(tái)機(jī)房進(jìn)行，不能很好地實(shí)現(xiàn)異地管理與多人分級(jí)管理。最后，可擴(kuò)展性較弱，增加新的功能和新的設(shè)備都不是很方便。

2 基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到上述傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的缺點(diǎn)和云計(jì)算的特點(diǎn)，筆者提出將云計(jì)算應(yīng)用到數(shù)字電視前端系統(tǒng)，并給出了基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的架構(gòu)，如圖2所示。在本系統(tǒng)中，主要采用了云計(jì)算的以下幾個(gè)方面的應(yīng)用，即云組網(wǎng)、云備份、云擴(kuò)展和云服務(wù)。下面詳細(xì)介紹。

基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)主要包括信源輸入云、編碼器云、管理云和播發(fā)云4部分。下面詳細(xì)介紹每塊云的組成和特點(diǎn)：

1）信源輸入云

傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的信號(hào)源輸入系統(tǒng)比較復(fù)雜，所用設(shè)備繁多，例如衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)、MPEG－2解碼器等；編碼器的輸入信號(hào)也有多種，例如SDI信號(hào)輸入、ASI信號(hào)輸入、IP信號(hào)輸入等。這就要求電視臺(tái)的工作人員，必須熟悉這些信號(hào)的特點(diǎn)和這些設(shè)備的使用。接收設(shè)備與編碼器相連需要用專有的信號(hào)線，編碼器也要具有多種輸入輸出接口，這樣才能滿足在節(jié)目制作過(guò)程中不同的輸入輸出要求。

信源輸入云能夠協(xié)助電視臺(tái)的工作人員，使數(shù)字電視前端系統(tǒng)的搭建變得更加簡(jiǎn)單。對(duì)于用戶而言，只需告訴信源輸入云需要什么樣的節(jié)目，該數(shù)據(jù)云就會(huì)在繁多的輸入信號(hào)或者視頻服務(wù)器中尋找符合用戶要求的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給編碼器云。該數(shù)據(jù)云其實(shí)就是給用戶提供了一種服務(wù)，用戶無(wú)須了解該數(shù)據(jù)云中具體是如何接收數(shù)據(jù)或者在視頻服務(wù)器中尋找數(shù)據(jù)，就能夠從該數(shù)據(jù)云中方便地得到需要的數(shù)據(jù)。

2）信源編碼云

編碼器或者轉(zhuǎn)碼器是數(shù)字電視前端系統(tǒng)的重要組成部分，編碼器將輸入的視音頻信號(hào)壓縮編碼，再?gòu)?fù)用成適合傳輸?shù)腡S流，轉(zhuǎn)碼器將輸入的傳輸流或者節(jié)目流經(jīng)過(guò)解復(fù)用得到數(shù)字視音頻的數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后進(jìn)行重新的壓縮編碼，再?gòu)?fù)用成適合傳輸?shù)腡S流。目前的數(shù)字電視前端系統(tǒng)在用戶管理的過(guò)程中，需要對(duì)每一個(gè)編碼器或者轉(zhuǎn)碼器進(jìn)行獨(dú)立管理，因?yàn)槊颗_(tái)編碼器都是獨(dú)立的，這樣在準(zhǔn)備備機(jī)的過(guò)程中，就需要給每臺(tái)編碼器都準(zhǔn)備備機(jī)以確保在某一臺(tái)編碼器工作不正常的時(shí)候，其備機(jī)能夠代替它正常工作，從而不影響電視臺(tái)的直播。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)對(duì)于編碼器的管理復(fù)雜繁瑣，并且備用機(jī)的數(shù)量多，冗余度大。

信源編碼云將所有的編碼器看作一塊編碼器云，如圖3所示，該編碼器云通過(guò)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)輸入，并且只有一個(gè)輸出，所有的輸入信號(hào)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸入給編碼器云，然后該云對(duì)輸入的碼流進(jìn)行分析，然后根據(jù)用戶的要求和該云所擁有的資源，即編碼器，給每個(gè)編碼器進(jìn)行任務(wù)的分配，讓這些編碼器資源最合理地利用起來(lái)。例如，輸入給編碼器云中的節(jié)目是5路標(biāo)清MPEG－2的TS流和1路高清的SDI信號(hào)，用戶要求輸出的TS流總帶寬不超過(guò)15 Mbit/s，并且要求在該帶寬下，輸出的碼流達(dá)到最佳的畫質(zhì)和觀賞效果，這時(shí)編碼器云就會(huì)根據(jù)用戶的這一要求，分析輸入的碼流特點(diǎn)，對(duì)高清信號(hào)分配1臺(tái)性能好的、配置高編碼器進(jìn)行編碼，碼率也分配得較高，如8 Mbit/s的傳輸率。對(duì)于剩下的5套標(biāo)清TS流需要將其轉(zhuǎn)碼成為5套標(biāo)清的AVS傳輸流，這樣，這5套傳輸流占用的總帶寬不超過(guò)7 Mbit/s。編碼器云會(huì)對(duì)這5套碼流進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)于運(yùn)動(dòng)量大的頻道，分配相對(duì)較多的碼率，對(duì)于靜止畫面較多的新聞?lì)l道分配較少的帶寬。這些原本都需要人為進(jìn)行測(cè)試和設(shè)置工作，現(xiàn)在都可交給編碼器云自動(dòng)完成，這樣就在很大程度上使得數(shù)字電視前端系統(tǒng)的管理變得簡(jiǎn)單許多。因?yàn)榫幋a器云中的資源都是統(tǒng)一管理，這樣就不需要給每一臺(tái)編碼器或者轉(zhuǎn)碼器一個(gè)獨(dú)立的備用機(jī)，從而減少了備用機(jī)的冗余度，節(jié)約了整個(gè)數(shù)字電視前端系統(tǒng)的搭建成本。

編碼器云是一塊私有云，它只能被電視臺(tái)的工作人員進(jìn)行管理和控制，因此其安全性是有可靠保障的[3]。

3）管理云

目前，數(shù)字電視前端系統(tǒng)的管理主要包括以下4個(gè)方面：用戶管理系統(tǒng)（SMS）的管理，條件接收系統(tǒng)（CAS）的管理，電視節(jié)目指南系統(tǒng)（EPG）的管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）的管理。

管理云是一塊社區(qū)云，它由多個(gè)組織共同管理操作，這些組織具有一致的任務(wù)調(diào)度和安全策略。管理人員都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理該云的資源的，因此，管理人員不必局限在電視臺(tái)或者機(jī)房，只要在與該云在同一局域網(wǎng)內(nèi)的地方，就能調(diào)用云計(jì)算資源，對(duì)其進(jìn)行管理。對(duì)于管理云中的不同模塊，可以設(shè)置不同人員對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立管理，每個(gè)管理人員的級(jí)別和可控制的范圍也可以根據(jù)需要進(jìn)行分級(jí)設(shè)置，云計(jì)算在安全性方面也有保障[3－4]。

4）播發(fā)云

播發(fā)云的工作主要有以下兩個(gè)方面：第一是將編碼器云中輸出的傳輸流接入復(fù)用器中，對(duì)碼流進(jìn)行復(fù)用；第二是針對(duì)不同的傳輸媒體采用不同的調(diào)制方式，如QAM，QPSK等調(diào)制方式，進(jìn)行信道編碼調(diào)制發(fā)送。

由以上介紹可見(jiàn)，基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)字電視前端系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，資源分配更加優(yōu)化；第二，用戶管理更加便捷和容易，首先是用戶可以在局域網(wǎng)內(nèi)部的任何地方對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行管理，其次，可以多用戶多級(jí)別的對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行管理；第三，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性增強(qiáng)；第四，系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)，當(dāng)某些編碼器或者服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，基于云計(jì)算的系統(tǒng)能提供更好的容錯(cuò)及恢復(fù)機(jī)制和更高的數(shù)據(jù)可靠性。

3 基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的應(yīng)用

以上提出的基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)方案，目前已經(jīng)成功應(yīng)用在某省臺(tái)的雙國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視頭端系統(tǒng)中，這里的雙國(guó)標(biāo)地面數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)AVS和地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)DTMB[5]?；谠朴?jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的應(yīng)用方案如圖4所示。

1）數(shù)據(jù)云

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)云通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被某公司管理，該公司負(fù)責(zé)給用戶提供各種各樣的節(jié)目片源，節(jié)目可能來(lái)自于該公司提供的視頻服務(wù)器中，也可能是實(shí)時(shí)從衛(wèi)星接收的衛(wèi)星信號(hào)等。

2）編碼器云

該系統(tǒng)的編碼器云由多臺(tái)AVS編碼器和AVS轉(zhuǎn)碼器組成，這些編碼器分布在多地，如省臺(tái)機(jī)房、市臺(tái)機(jī)房以及縣電視臺(tái)里。這些分布在多地的編碼器或者轉(zhuǎn)碼器構(gòu)成了該系統(tǒng)的AVS編碼器云，該系統(tǒng)的管理人員可以在任何能夠接入該網(wǎng)絡(luò)的地方對(duì)該云進(jìn)行管理；AVS編碼器或者轉(zhuǎn)碼器輸出TS流，該碼流的視頻部分是符合AVS1.0標(biāo)準(zhǔn)的AVS視頻流，其音頻部分是MPEG－1 Lay?er 2、AC3或者M(jìn)PEG－1 Layer 3格式的碼流，該TS流通過(guò)光纖局域網(wǎng)輸入給輸出云中。為了保證該云的穩(wěn)定性，該編碼器云中有冗余系統(tǒng)以確保在某些編碼器不能正常工作時(shí)代替其工作。

3）管理云

管理云中有CAS服務(wù)器、EPG服務(wù)器、DBMS服務(wù)器等，每種服務(wù)器都有獨(dú)立的功能和作用，這些服務(wù)器由專門的公司提供。管理人員可以在異地對(duì)這些服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)和更新。

4）輸出云

輸出云中的設(shè)備復(fù)用器，通過(guò)光纖局域網(wǎng)接收來(lái)自編碼器云中的TS流，并將這些單路節(jié)目的TS流復(fù)用成為含有多路節(jié)目的TS流，把這個(gè)TS流送給DTMB數(shù)字無(wú)線調(diào)制器，該調(diào)制器將TS流調(diào)制發(fā)送。

4 總結(jié)

本文從傳統(tǒng)數(shù)字電視頭端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和云計(jì)算的特點(diǎn)出發(fā)，分析了目前的數(shù)字電視頭端系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，并且根據(jù)這些問(wèn)題，結(jié)合云計(jì)算自身的特點(diǎn)，提出了基于云計(jì)算的數(shù)字電視前端系統(tǒng)的架構(gòu)，并以實(shí)際某省網(wǎng)基于AVS標(biāo)準(zhǔn)的地面無(wú)線數(shù)字電視頭端系統(tǒng)為例，介紹了將該架構(gòu)的應(yīng)用，證明了該架構(gòu)的可行性。

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