基于云計算的數字電視前端系統的研究與實現

付艷娟，李國平，趙海武，滕國偉，王國中，李 萍

（1.上海大學 通信與信息工程學院，上海 200072；2.上海國茂數字技術有限公司，上海 201204）

隨著數字電視的普及，電視臺的數字電視的節目數量和類型也越來越多，這對數字電視前端系統搭建的要求也越來越高。目前的數字電視的前端系統主要包括信號輸入部分、信號處理部分、信號輸出部分和系統管理部分等[1]。系統存在的缺點有：搭建復雜，為確保其穩定性導致設備的冗余較大以及管理繁瑣等。

云計算是虛擬化（Virtualization）、效用計算（Utility Computing）、基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）等概念混合演進并躍升的結果，其中大部分的軟件和硬件通過動態擴展虛擬化的層次，為知識應用提供無限的空間和計算能力，信息是通過互聯網進行傳輸的，數據存儲在云端，服務存儲在云端，通過利用數據的強大計算能力，為用戶服務[2－3]。

目前云計算在廣播電視領域已經有了一定的應用[4]。筆者提出了一種基于云計算的數字電視前端系統的方案，該方案利用云計算的許多優良特性，克服傳統的數字電視前端系統缺點，使得數字電視前端系統的資源分配進一步優化，用戶管理更加便捷和容易，系統的可擴展性和可靠性也得到了增強。

1 基于云計算的數字電視前端系統的技術背景

1.1 云計算的概念和特點

云計算（cloud computing）是一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機和其他設備。云其實是網絡、互聯網的一種比喻說法。云計算的核心思想是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶提供按需服務，提供資源的網絡被稱為“云”[2－3]。

根據以上定義，可以總結出云計算的本質特征，即分布式計算和存儲特性、高擴展性、用戶友好性和良好的管理性。

1.2 數字電視前端系統的基本架構

數字廣播電視前端系統可分成4部分：信源系統、信號處理系統、數據傳輸系統和用戶及節目管理系統[1]。數字電視前端系統的基本架構如圖1所示。

1）信源系統。主要用來產生各種電視節目，其來源包括衛星接收、電信接收、本地服務器和互聯網等，其主要設備包括數字衛星接收機、視頻服務器、各種類型的編碼器或者轉碼器，例如AVS編碼器、H.264編碼器、MPEG－2到AVS的轉碼器等。

圖1 數字電視前端系統的基本架構

2）信號處理部分。主要是對各種數字信號進行處理，主要包括的設備有加擾器、EPG服務器、復用器、字幕機、數據廣播服務器、NVOD服務器等。

3）數據傳輸部分。主要是進行信道編碼調制，針對不同的傳輸媒體采用不同的調制方式，如QAM，QPSK等調制方式。

4）系統管理部分。是控制復雜化的數字前端的關鍵，要滿足性能管理、設置管理、故障管理、安全性管理和用戶管理等網絡運行的基本要求。

目前傳統的數字電視前端系統存在以下不足：首先，搭建復雜，涉及的設備與服務器繁多。其次，由于數字電視的特殊性，任何時候、任何情況下都要確保其安全播出。因此，系統的穩定性和可靠性就顯得非常重要。為確保其穩定性，在搭建系統的過程中，就要給關鍵設備配備冗余配置。由于目前的數字電視前端系統每個電視臺或者電視臺的每個設備都是獨立管理的設備，這樣冗余設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。由于每個設備都是獨立的設備，用戶在管理的過程中就需要對每個設備進行單獨的管理，這樣隨著廣播電視數字化的全面普及、節目數量也不斷增多的情況下，管理人員的工作量會越來越大。同時，目前的數字電視頭端系統，大多數的管理都要在電視臺機房進行，不能很好地實現異地管理與多人分級管理。最后，可擴展性較弱，增加新的功能和新的設備都不是很方便。

2 基于云計算的數字電視前端系統架構

考慮到上述傳統的數字電視前端系統的缺點和云計算的特點，筆者提出將云計算應用到數字電視前端系統，并給出了基于云計算的數字電視前端系統的架構，如圖2所示。在本系統中，主要采用了云計算的以下幾個方面的應用，即云組網、云備份、云擴展和云服務。下面詳細介紹。

基于云計算的數字電視前端系統主要包括信源輸入云、編碼器云、管理云和播發云4部分。下面詳細介紹每塊云的組成和特點：

1）信源輸入云

傳統的數字電視前端系統的信號源輸入系統比較復雜，所用設備繁多，例如衛星信號接收機、MPEG－2解碼器等；編碼器的輸入信號也有多種，例如SDI信號輸入、ASI信號輸入、IP信號輸入等。這就要求電視臺的工作人員，必須熟悉這些信號的特點和這些設備的使用。接收設備與編碼器相連需要用專有的信號線，編碼器也要具有多種輸入輸出接口，這樣才能滿足在節目制作過程中不同的輸入輸出要求。

信源輸入云能夠協助電視臺的工作人員，使數字電視前端系統的搭建變得更加簡單。對于用戶而言，只需告訴信源輸入云需要什么樣的節目，該數據云就會在繁多的輸入信號或者視頻服務器中尋找符合用戶要求的數據，然后通過光纖網絡傳輸給編碼器云。該數據云其實就是給用戶提供了一種服務，用戶無須了解該數據云中具體是如何接收數據或者在視頻服務器中尋找數據，就能夠從該數據云中方便地得到需要的數據。

2）信源編碼云

編碼器或者轉碼器是數字電視前端系統的重要組成部分，編碼器將輸入的視音頻信號壓縮編碼，再復用成適合傳輸的TS流，轉碼器將輸入的傳輸流或者節目流經過解復用得到數字視音頻的數據，再對這些數據進行解碼，然后進行重新的壓縮編碼，再復用成適合傳輸的TS流。目前的數字電視前端系統在用戶管理的過程中，需要對每一個編碼器或者轉碼器進行獨立管理，因為每臺編碼器都是獨立的，這樣在準備備機的過程中，就需要給每臺編碼器都準備備機以確保在某一臺編碼器工作不正常的時候，其備機能夠代替它正常工作，從而不影響電視臺的直播。由此可見，傳統的數字電視前端系統對于編碼器的管理復雜繁瑣，并且備用機的數量多，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，該編碼器云通過網絡只有一個輸入，并且只有一個輸出，所有的輸入信號都通過網絡輸入給編碼器云，然后該云對輸入的碼流進行分析，然后根據用戶的要求和該云所擁有的資源，即編碼器，給每個編碼器進行任務的分配，讓這些編碼器資源最合理地利用起來。例如，輸入給編碼器云中的節目是5路標清MPEG－2的TS流和1路高清的SDI信號，用戶要求輸出的TS流總帶寬不超過15 Mbit/s，并且要求在該帶寬下，輸出的碼流達到最佳的畫質和觀賞效果，這時編碼器云就會根據用戶的這一要求，分析輸入的碼流特點，對高清信號分配1臺性能好的、配置高編碼器進行編碼，碼率也分配得較高，如8 Mbit/s的傳輸率。對于剩下的5套標清TS流需要將其轉碼成為5套標清的AVS傳輸流，這樣，這5套傳輸流占用的總帶寬不超過7 Mbit/s。編碼器云會對這5套碼流進行自動分析，對于運動量大的頻道，分配相對較多的碼率，對于靜止畫面較多的新聞頻道分配較少的帶寬。這些原本都需要人為進行測試和設置工作，現在都可交給編碼器云自動完成，這樣就在很大程度上使得數字電視前端系統的管理變得簡單許多。因為編碼器云中的資源都是統一管理，這樣就不需要給每一臺編碼器或者轉碼器一個獨立的備用機，從而減少了備用機的冗余度，節約了整個數字電視前端系統的搭建成本。

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

3）管理云

目前，數字電視前端系統的管理主要包括以下4個方面：用戶管理系統（SMS）的管理，條件接收系統（CAS）的管理，電視節目指南系統（EPG）的管理和數據庫管理系統（DBMS）的管理。

管理云是一塊社區云，它由多個組織共同管理操作，這些組織具有一致的任務調度和安全策略。管理人員都是通過網絡管理該云的資源的，因此，管理人員不必局限在電視臺或者機房，只要在與該云在同一局域網內的地方，就能調用云計算資源，對其進行管理。對于管理云中的不同模塊，可以設置不同人員對其進行獨立管理，每個管理人員的級別和可控制的范圍也可以根據需要進行分級設置，云計算在安全性方面也有保障[3－4]。

4）播發云

播發云的工作主要有以下兩個方面：第一是將編碼器云中輸出的傳輸流接入復用器中，對碼流進行復用；第二是針對不同的傳輸媒體采用不同的調制方式，如QAM，QPSK等調制方式，進行信道編碼調制發送。

由以上介紹可見，基于云計算的數字電視前端系統與傳統的數字電視前端系統相比，具有以下優點：第一，資源分配更加優化；第二，用戶管理更加便捷和容易，首先是用戶可以在局域網內部的任何地方對該系統進行管理，其次，可以多用戶多級別的對該系統進行管理；第三，系統的可擴展性增強；第四，系統的可靠性增強，當某些編碼器或者服務器發生故障時，基于云計算的系統能提供更好的容錯及恢復機制和更高的數據可靠性。

3 基于云計算的數字電視前端系統的應用

以上提出的基于云計算的數字電視前端系統方案，目前已經成功應用在某省臺的雙國標地面數字電視頭端系統中，這里的雙國標地面數字音視頻編解碼標準AVS和地面數字電視傳輸標準DTMB[5]。基于云計算的數字電視前端系統的應用方案如圖4所示。

1）數據云

該系統的數據云通過網絡被某公司管理，該公司負責給用戶提供各種各樣的節目片源，節目可能來自于該公司提供的視頻服務器中，也可能是實時從衛星接收的衛星信號等。

2）編碼器云

該系統的編碼器云由多臺AVS編碼器和AVS轉碼器組成，這些編碼器分布在多地，如省臺機房、市臺機房以及縣電視臺里。這些分布在多地的編碼器或者轉碼器構成了該系統的AVS編碼器云，該系統的管理人員可以在任何能夠接入該網絡的地方對該云進行管理；AVS編碼器或者轉碼器輸出TS流，該碼流的視頻部分是符合AVS1.0標準的AVS視頻流，其音頻部分是MPEG－1 Lay?er 2、AC3或者MPEG－1 Layer 3格式的碼流，該TS流通過光纖局域網輸入給輸出云中。為了保證該云的穩定性，該編碼器云中有冗余系統以確保在某些編碼器不能正常工作時代替其工作。

3）管理云

管理云中有CAS服務器、EPG服務器、DBMS服務器等，每種服務器都有獨立的功能和作用，這些服務器由專門的公司提供。管理人員可以在異地對這些服務器進行維護和更新。

4）輸出云

輸出云中的設備復用器，通過光纖局域網接收來自編碼器云中的TS流，并將這些單路節目的TS流復用成為含有多路節目的TS流，把這個TS流送給DTMB數字無線調制器，該調制器將TS流調制發送。

4 總結

本文從傳統數字電視頭端系統的結構和云計算的特點出發，分析了目前的數字電視頭端系統所存在的問題，并且根據這些問題，結合云計算自身的特點，提出了基于云計算的數字電視前端系統的架構，并以實際某省網基于AVS標準的地面無線數字電視頭端系統為例，介紹了將該架構的應用，證明了該架構的可行性。

[1]高紅令，賈濤.數字有線電視前端系統的構成和功能特點[J].科技傳播，2011（11）：7－8.

[2]牛憲龍.云網絡視頻服務平臺及其資源調度研究[D].合肥：中國科學技術大學，2011.

[3]李喬，鄭嘯.云計算研究現狀綜述[J].計算機科學，2011（4）：32－37.

[4]張大勇，何宇飛，閆鵬，等.三網融合環境下的視頻云架構[J].廣播與電視技術，2011（5）：50－55.

[5]王國中.基于中國AVS標準的地面數字電視解決方案[J].電視技術，2011，35（24）：6.