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基于有线电视网架构分布式宽带多媒体综合信息服务系统
2002-12-12
徐重阳 刘卫忠 郑立新 冯卓明
(武汉东太信息产业有限公司， 武汉华中科技大学电子科学与技术系)
程岩 陈 辰 席如青
(美国并行计算机亚洲公司北京代表处)
1 前言
信息时代的来临，信息成为人类社会重要的资源，人们开始越来越多地把注意力集中到信息高速公路的建设上来。在这信息就是财富的时代，谁拥有传递信息的网络，谁就占领了信息市场的至高点，谁就是信息时代的主人。
信息传播的渠道与方式也发生了翻天覆地的变化，从传统的文字到声音、从声音到图象、从图象到多媒体（文字、声音、视频），信息的含量愈来愈丰富、内容愈来愈生动、图象愈来愈逼真、声音愈来愈自然。与此同时，传统的被动式信息获取方式以其固有的缺陷阻碍着信息传播方式的进一步发展与革新。
Internet的急速发展，又让人们体会到一种新的信息传输模式，这就是即点即得。用户主动参与到信息的传播与交流过程中，通过用户与系统的交互，用户可以随心所欲地获取自己所需要的信息，从而用户有效快捷地完成信息的获取。同时用户在这种主动参与的过程中，享受到成功的乐趣。
因此传统的被动式方式让位于主动式信息获取方式是信息社会发展的必然结果，传统的单一媒体传播方式让位于丰富、生动、逼真的多媒体信息也是信息社会发展的必然趋势。更进一步，模拟信息传播方式让位于全数字化传播也是信息社会发展的终极目标。数字化综合业务是信息化社会发展的必然趋势。
2 系统要求与目标
架构有线电视宽带多媒体综合业务平台的目标是建设一个覆盖全市、全省乃至全国的宽带多媒体数字化综合业务信息的网络平台。在这个网络平台上，可以享受到高速数据广播、远程多媒体教学、证券交易、交互视频广播/点播、高速Internet接入、电子商务、商场导购以及寻医问药、互动游戏等综合业务服务。同时从投资的角度考虑，采用分步实施、逐步推广的方式来完成有线电视宽带数字综合业务平台的建设。架构的分布式有线电视宽带多媒体综合业务系统应具有可扩展性强，易平滑无缝升级。设备选型性能稳定、性价比高等特点。具体的业务范围包括：
1） 数字视频广播：实现数字卫星节目和模拟节目的转发。
2） 准视频点播：在有限的资源上满足更多用户的需求。
3） 交互视频点播：实现视频节目、数据节目的即点即播。
4） 实时Internet高速接入：利用宽带网络和IP OVER DVB技术，实现高速
Internet的无缝透明接入。
5） 高速数据广播：IP数据多播/广播，实现高速数据广播。
6） 高速数据点播：一次交互，高速数据下载。
7） 远程多媒体教育：随时随地地面对“特级教师”。
8） 分类广告：实现人才集市、地产置业、房屋中介、政府公告、公益广告等业务。
9） 证券大户室
10） 电子商务
11） 商场导购
12） 综合信息服务（如交通、旅游、天气、时事、体育等）
在此基础上，武汉东太信息产业有限公司进一步专注于信息平台的建设，联手相关专业厂商，以期为有线电视宽带数字综合业务平台提供更丰富的信息源，全面充分地利用该平台的技术优势。
3 系统拓扑结构
对于省市级范围的联网系统，全面开展双向宽带综合业务，投资强度高，运营压力大。能否采用逐步实施的方式来推广呢？方案中采用的HFC宽带综合业务信息网的开放式、系统化、结构化、模块化设计，全面兼容单向、双向交互的解决方案，可以采用分步实施的方式，如初期开展单向数据广播业务，进而开展单向数字视频广播业务，其后再开展双向交互数据、视频等综合业务信息接入服务。真正让您享受“分步实施，滚动发展，永久受益”。
31 广播方式信号引入
对于省市级特大城市，必须考虑到城市的具体特点来进行相应的信号接入，以最大限度地满足用户需求。对于全市范围的高速数据广播业务，用户的实时需求比较小，带宽要求比较低。其信号引入如下图所示：
在这种拓扑结构下，共用宽带数字综合业务平台提供的带宽，中心系统的设备需求量相应较少。
32 分布式结构的信号引入
如果在省市范围内开展交互业务，由于用户需要的是交互式多媒体数字综合信息服务，要求实时性强，响应速度快、交互成功率高，因此无疑地带宽需求量也就比较大。为了保证用户的高带宽需求，我们可以采用层次化分布式综合业务信息网络结构，将用户按城区结构和地理位置划分为分节点，在每个分节点都提供一定的独立频带。
● 采用分布式结构，即以有线电视网络中心作为整个系统的主节点，各个接入点作为分节点，各节点根据规模分别配置相应规模的视频服务器。
● 各个接入点的服务器主要面向具体的居民区提供视频、数据点播以及Internet接入服务，其节目内容可以根据接入点内的住户特点和运营策略进行针对性的组织，使得该接入点内的视频、数据点播请求主要由接入点服务器提供并完成，通过减少对主节点的服务器的视频、数据点播服务请求，从而减缓对主干网的压力。
● 主节点的服务器主要面向所有的用户提供视频、数据点播服务，节目内容可以根据运营策略与各个接入点上服务器的节目内容有所互补，使得整个系统仍能满足一些住户对特殊节目进行点播的需求。
● 点播流量按二八率进行分配，即80％的点播请求由本地接入点的服务器完成，20％的点播请求由主节点的服务器完成。
● 视频流、数据流皆采用DVB输出方式，其中数据流为DVB封装的IP数据或其它私有类型。武汉东太信息产业有限公司已经实现了一整套的IP
OVER DVB解决方案。
对于分节点的宽带综合业务服务如交互VOD点播，由于每个分节点的带宽都是独立的，因此分节点用户的带宽就能够保证。并且随着用户的增加、业务的拓展，只需要在宽带数字综合业务平台中心增加相应的主要设备如视频服务器、数据库服务器、综合信息数据服务器即可。
如果每一个分节点带宽设计容量为100MHz，在50个分节点时，总带宽容量将达到50×100M=5G。由此可见，有线电视网络的带宽潜能非常巨大。
33 系统主要功能
“有线电视宽带数字综合业务平台”全面开通交互视频点播、高速Internet接入和高速数据广播等功能，实现以下功能：
● 数字电视广播：实现单向数字电视节目的广播发送。
● 视频点播：在中心电子导航系统引导下，实现用户需求的即点即播业务。
● 数据点播：对于计算机用户，提供高速数据点播业务，即一次交互，高速下载。
● 数据广播：对于计算机用户，提供高速数据广播业务，无需交互，自动下载中心循环播发的数据。
● 实时Internet接入：通过中心CATV接入路由器，实现用户高速Internet实时接入。
从而在此基础上，系统可以提供循环影院、影视点播、远程多媒体教学、网上冲浪、网上证券、网上购物、网上医疗、文艺欣赏、综合信息服务等增值业务。
34 系统技术特点
● 全面兼容内交互、外交互、单向广播三种接入方式。采用全数字化压缩/存储/传输技术和全通道QAM调制技术，实现了有线电视前端数字化。
● 内交互解决方案符合DOCSIS11规范。
● 外交互解决方案中实现CATV/PSTN的完美结合，利用PSTN网络实现双向服务极大地满足了用户对多媒体信息的需求与控制，在初期可以免除对现单向CATV网络的改造，节省大量经费并且见效快。
● 实时、大型的中心软件平台，基于UNIX平台和ORACLE数据库。
● 利用有限的合法IP地址满足大量用户的Internet接入请求。
● 与中国居民现有的消费观念和消费能力相吻合。
● 系统软、硬件平台皆采用模块化设计，易于扩展与升级。
● 符合TCP/IP标准、DVB标准。
35 视频服务器选型
基于有线电视的宽带多媒体综合业务中，视频服务是占用带宽最多，也是最主要的业务。因此，视频服务器性能对于整个系统的稳定性和结构化设计起着至关重要的作用视频服务器作用。
美国并行计算机公司是世界著名的交互式视频服务器生产厂商。其生产的Mediahwak视频服务器产品源于美国并行公司专用于军事领域的实时计算机产品，并针对实时交互式视频点播的应用特点做了进一步的系统优化，使得整个交互式视频服务器完全满足从NVOD到IVOD的各种应用。
351 MediaHawk视频服务器
MediaHawk视频服务器支持DVB广播输出、集中解码输出以及计算机网络输出，可广泛用于有线电视系统和计算机网络系统、电视台视频节目采编、制作和管理等业务系统中。支持从MPEGI到MPEGII的多种不同速率编码的高质量视频流，更支持可变比特率编码视频流，使其可以提供内容丰富、质量稳定的数字视频节目。支持灵活扩展的体系结构，服务器通过扩展可以从同时支持几十个视频流到同时支持上十万个视频流。
高效、灵活、开放的MediaHawk视频服务器真正为IP网和HFC网实现低风险、可靠、灵活、低耗的视频点播增值服务提供了良好的服务器平台：
● 开放、高性能、灵活的系统以业界领先的性能价格比提供从几十到上十万个并发视频流。
● 完全兼容目前各种标准的数字Cable网络前端设备、数字Cable网络、和数字化家庭电视机机顶盒，可灵活的集成多种VOD客户端软硬件。
● 管理软件包提供节目管理、记费系统接口、利润分帐系统、订单管理、用户计费数据库。
● 开放性的体系结构既能够满足集中方式又能够满足分布式视频服务器解决方案。
MediaHawk视频服务器已经被SA、GI、Time Warner Cable、Pioneer Technologies、BroadBand
Technologies和Parasara Technologies选作端到端视频点播解决方案的视频服务器平台。
以上这些特点，使得MediaHawk在国外和国内市场取得一系列成功：
1． 1999年10月，经过近一年的试运行，美国时代华纳公司宣布在夏崴夷州建成的全球第一个宽带视频点播系统正式投入商业运行。该系统覆盖了夏崴夷地区的三十五万住户，可提供三万五千路并发点播。该系统所用的视频服务器全部是由美国并行计算机公司所提供。
2． 2000年5月，时代华纳公司又宣布 在佛罗里达建成的全球最大的宽带视频点播系统正式投入商业运行。该系统覆盖了佛罗里达Tampa
Bay地区的九十万住户，可提供九万路并发点播。该系统所用的视频服务器也全部是由美国并行计算机公司所提供。
3． 2000年5月，上海金山电信基于宽带网络正式向金山小区开通了VOD业务，该系统初期可以提供400个并发的视频流;目前已经达到1450个并发流。
4． 2000年9月，北京丰台有线电视台的VOD系统正式投入运行，该系统通过丰台有线台的宽带网络向网络用户提供400个并发的视频流。
MediaHawk视频服务器系统由一系列交互式视频输出模块（IVM）组成，每个IVM以Vedio Pump为核心，并配置有：光纤仲裁环（FC－AL）磁盘控制器，内部的100M以太网接口，视频输出接口。其中，视频输出接口可以选配DVB－ASI接口、DVB－QAM接口、100/1000M以太网接口、ATM网络接口等输出接口；以及光纤仲裁环（FC－AL）磁盘控制器。
多个IVM模块之间可以通过内部的100M网络接口，构成基于网络松耦合的分布式多处理器结构，即分布式VOD系统，可以灵活的随网络规模的扩展而相应线性增加整个视频流的输出能力。
MH2K视频服务器，是并行公司的最新产品。其基本系统是由两个IVM模块构成，并可以根据实际视频输出的需求，选择配置多达8个视频输出接口，其内部I/O总线带宽可高达1600M。
MH2K是一个19" 可移动式的机架系统，提供容错的系统配置，确保没有单点故障；每个IVM都有独立的电源系统可以当故障发生时随时更换，磁盘存储系统都含有RAID磁盘系统，可保证存放在存储系统上的视频节目的安全。
MH2K在机箱内可以配置多达4组视频节目存储单元。每个视频节目存储单元组由6块光通道磁盘组成的RAID5磁盘系统构成。磁盘支持热插拔技术，放置于系统机箱中。
MH2K视频服务器还包括1台内置的100M以太网交换机用来实现各个IVM之间的内部协调通信，电源和风扇冷却系统也都采用容错的系统配置。
这样的体系结构使得MH2K视频服务器，不仅可以支持集中式的视频点播方式，更可以支持分布式的视频点播方式。通过网络松耦合的方式构造一个大规模的城域的视频点播系统，而且又能够最大的减少并发的视频流对主干网络的压力；同时系统又有良好的扩展性能，可以随宽带网络拓扑的延伸而扩展。
352 MediaHawk高性能视频服务引擎
MediaHawk视频服务器在Concurrent Computer Corporation为实时应用优化开发的开放性操作系统上实现了高性能的视频服务引擎，具有高速大容量输入输出，外部事件快速响应，高效内部通信处理机制等特点。在开放性的系统上增加了专门为视频点播服务的增强处理，支持连续磁盘文件、直接I/O、内核缓冲区管理、内核优先级调度机制和优化视频文件系统。
连续磁盘文件系统－磁盘的吞吐量对于VOD的性能至关重要，存放在磁盘上的内容数据必须被连续的访问，且不间断的输出才能保证VOD的质量。预定位连续磁盘文件支持对数据的快速访问。不同于将数据随机存放于磁盘上小block中的索引文件系统，连续磁盘文件系统将数据存放在磁盘的一个连续存储区内的大block中，这使得内容数据被连续访问，通过减少磁头移动和寻道时间以提高磁盘的吞吐量。
直接I/O系统 － 常用改进磁盘的吞吐量方法是缓冲区I/O。在缓冲区I/O中，如果需要访问磁盘文件中的少量数据，缓冲区I/O系统将大量的数据读进系统内存系统中的磁盘缓冲区内，再将所需的少量数据传送到用户内存中。显然，缓冲I/O对于传送大量数据的VOD应用不是最有效的。直接I/O则可以满足对系统内存中少量数据的持续需求，提高数据吞吐量，改善VOD应用的吞吐量。数据从磁盘直接传送到用户内存中，免除了从系统内存到用户内存之间的传送开销。
内核缓冲区管理系统 － VOD应用要求从磁盘上访问内容并将其传送到前端网络通道。在标准的操作系统中，内容是从磁盘读到磁盘缓冲区内，从磁盘缓冲区传送到用户内存内，再从用户内存复制到网络缓冲区内，最后从网络缓冲区复制到前端网络通道。内核缓冲区管理系统消除了磁盘缓冲区向用户缓冲区复制数据的过程，而可以使数据可以直接从磁盘读到前端网络通道。
内核优先级调度机制 － 大多数实时操作系统允许定义进程的调度和优先级。一个低优先级的任务不可以干涉一个高优先级的实时任务。在VOD系统中，视频引擎系统软件环境对定义和控制内核进程的优先级进行了扩展。内核执行的系统任务不会影响VOD应用。
VOD文件系统 － 作为对兼容标准文件系统的补充，视频引擎系统软件环境包括了一个优化的视频文件系统。这个文件系统对大型VOD文件提供了重要的性能改善，以及在系统故障时可以保证视频文件系统的完整性。视频文件系统可以保证立即可用，而无须等待十几分钟或几小时的系统恢复时间。
视频服务可以与如下网络结构相连：
● 宽带计算机网络实现：居民家庭可以在家中通过浏览器的方式进行节目点播。
● 通过HFC网络实现：通过HFC网络进行视频点播的方式又有两种：1)如果HFC网络已经由Cable
Router和Cable Modem调制出计算机网络信道，则可简单采用以上两种方法即可；2)如果视频流传输是采用DVB－ASI标准，则需配置DVB－C的机顶盒，点播的节目由机顶盒解码后在电视机上播出。
36 软件模块
361 设计要求
网络中心的软件系统是管理人员的主要工具，为新的有线电视数字化宽带综合业务经营和管理模式提供一个完整的、有效的用户和业务管理及支援系统。它将不仅实现对用户的综合管理，而且实现对多种业务服务的统一管理。因此相应的管理服务软件必须具有友好的人机交互界面、强大的功能实现。满足用户方便、完善的需求。此外，软件系统的安全性、版本兼容性、可移植性和开放性也是保证产品生命力的的重要环节。基于此，我们在UNIX操作系统平台和ORACLE数据库平台上采用分布式三层C/S结构开发出了一套完善的可视化管理系统。系统的设计、开发和应用达到以下目标：
● 开放性：系统的设计和开发采用开放的软件和硬件技术，包括基于UNIX平台的服务器、PC上的中文操作终端界面、用途广泛的高性能商用数据库(ORACLE)和开放型的与第三方系统的接口如与CA系统的接口、银行系统的接口等等。
● 实时性：对于用户业务服务请求，系统能够快速地进行响应和处理，因此要求系统实时性强。
● 伸缩性：系统的结构具有很大的伸缩性和可扩展性。可以有效地容纳和支持各种业务种类、用户数量、机顶盒和IC卡的不断增加，业务服务种类的增多以及系统规模的扩大。由于业务服务将是有计划按步骤地发展，系统的伸缩性将是支持业务服务成长的关键目标之一。
● 灵活性：业务服务是随着市场的变化而不断变化的。系统的灵活性将体现在系统如何适应变化的环境，如何使系统的修改、更新和升级换代简单容易。
● 可靠性：本系统将储存大量的用户信息、业务信息、计费信息等等，系统应该采用先进的软件、硬件技术实现系统的充分的稳定可靠性。系统将具有主机备份的功能。除例行的系统维护外、系统应该可以一年365天、每天24小时运行。
● 安全性：本系统将对本系统的操作和用户授权进行严格的安全管理。如发现安全问题，系统将有能力支持迅速地发现原因并解决问题，减少问题的影响。
362 中心软件系统模块划分
有效的管理中心资源、快速的请求调度以及准确的财务计费，是中心软件系统的目标。中心软件系统包集成了视频服务器、管理服务器、WWW服务器、数据库服务器、通信服务器、编码器、复用器等，系统具备了完善的数据管理、身份验证、访问控制、服务记录、计费管理等完整的功能。管理员只需使用WWW浏览器或前台界面即可完成全部的管理工作。
中心软件系统包使用WWW服务器作为载体，所有界面均由动态生成的超文本构成，系统在界面层次上完全开放，用户根据实际的应用需求即可以通过管理工具对媒体数据进行管理，修改媒体数据的组织和查找方式，也可以对显示页面进行细微的调整。
访问记录保存在关系数据库中，用户可以随时进行在线查询，在访问记录基础上，系统提供了完善的计费功能和相应的管理、统计功能。同时，大量的访问记录，可以直接用于数据挖掘软件，实现对用户访问习性等信息的分析。
管理软件包提供完善的监控功能，管理员通过浏览器可以在网络上的任何一点监控服务器的服务状态，查看当前的点播情况，可监控的信息包括用户名，用户地址、用户正在点播的数据名称，播放的进度等，并可以终止正在进行的点播服务。
为便于软件系统的维护与升级，需要对中心软件系统进行模块划分。中心软件系统下分五个模块，分别是维护系统、调度系统、资源管理系统、财务管理系统和通讯管理系统。
● 维护系统：由系统备份、系统初始化、安全维护三个模块组成，用来实现系统启动、监控系统的正常运行、以及保证系统在特殊故障时迅速恢复。
● 调度系统：用来完成对资源的分配、回收与调整。采用基于优先级动态调整的组处理算法可以有效提高系统资源利用率、响应成功率和响应时间。
● 资源管理系统：该系统在中心管理系统中占居着重要地位。具体来讲，又可分为如下几部分：
(1) 设备管理：管理设备(主要指硬件设备)的登记、异动。
(2) 用户管理：管理用户登记、属性、异动以及对用户进行身份鉴别、权限判定。
(3) 节目管理：实现节目管理的命令和控制，节目装载设备、节目文件以及节目存储设备如节目登记、属性、异动以及节目编辑。支持同一节目的多版本管理，通过与相关数据库关联，节目管理提供各种节目信息，例如：名字，级别，长度，拷贝权，费率等。节目可以是MPEG1
system、MPEG2 program或MPEG2 transport码流，既可以是VBR流，也可以是CBR流。支持以上所有的节目的存储与播出。
(4) 界面管理：通过界面编辑、界面更新等手段来提高系统的界面友好性，提供给用户最佳的服务。
(5) 流水管理：通过后台流水库，实时记录用户流水信息，为统计、财务等相关模块提供支持。
(6) 统计管理：通过对节目、用户、资源利用率的统计，给用户、管理人员详实的数据信息，以便于提供更好的服务，调整资源，作出分析与判断。按照系统设定参数，提供进行决策分析支持。
● 财务管理：财务管理软件包含计费信息数据库，管理用户帐务与中心内部帐务。用户计费程序接口提供与记费系统的接口，所有的记费信息都记入到数据库中供系统经营商使用。利润分帐系统为系统经营商及其合作伙伴提供利益分帐管理机制。
● 通讯管理：通过命令解析、消息发送来沟通管理服务器与其他设备。对整个系统的通信进行监控。
4 结语
基于美国并行计算机公司MediaHawk视频服务器和武汉东太信息产业有限公司的数字化综合业务管理平台构建的有线电视宽带数字化综合业务信息系统遵循先进性、标准性，开放性、可扩展性、安全性、可靠性的设计思路，提供可视化、系统化、模块化的管理平台，全面支持现在的需要和适应未来发展的需要，集成多种宽带数字业务，提供更多增值服务。该系统已经应用于国内多个省市级有线网络上，得到了良好的效果，有力地推动了有线网络的数字化进程.
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