基于云架構的多媒體集成系統設計

國艷群，韓 敏，孫林夫

（1.西南交通大學 CAD工程中心，四川 成都 610031；2.西南電子設備研究所，四川 成都 610036）

隨著數字技術的發展，企業的辦公環境以及個人的家庭生活都在逐步被改變，數字電視、多媒體等設備已在企業及人們的家庭生活中廣泛使用，催生了企業多媒體系統、數字家庭[1]等概念的誕生，并且隨著網絡的普及，更是促進了B2C（Business to Customer）商業模式[2]、家庭辦公[3]等應用的發展。如何依托網絡，實現企業/家庭多媒體設備的一體化集成，高效利用當前的媒體網絡，服務企業商務運行及人們的日常生活成為當前亟待解決的問題。文獻[4]提出了基于專用硬件設備實現電信網、廣播電視網以及互聯網數字家庭媒體設計方案，家電廠商更是基于云計算技術[5]，提出了“家庭云”[6]的概念，同時云計算技術也在企業中廣泛應用。然而，這些設計未從一體化融合的角度開展企業/家庭的多媒體系統集成工作，且多基于專用設備或專用軟件，應用較復雜，難以實現系統的普及推廣。

本文基于云架構設計思想及企業/家庭中廣泛應用的無線網絡，給出了基于云架構的企業/家庭多媒體集成系統設計，可實現各種數字設備的一體化集成及云存儲、設備遙控、家庭辦公等功能。從企業的角度，實現了基于媒體終端的商務應用拓展，從家庭的角度，則實現了家庭媒體設備的集成并推動了家庭辦公的發展，且該設計不需要專用設備支持，并可基于無線網絡靈活擴展，對推動多媒體設備在企業及家庭中的應用、普及發展具有重要意義。

1 系統架構

云計算是目前計算機及網絡領域的新興技術，依托網絡將IT資源、數據及應用作為服務提供給用戶，為處于云端的設備屏蔽基礎硬件及操作系統，透明地提供計算服務、虛擬存儲等應用。參照云計算架構，本系統在架構上采用3層體系結構，如圖1所示。

系統主要由基礎層、服務層及應用層構成，通過服務層，實現對基礎層設備的屏蔽，對外提供紅外集成控制、虛擬存儲及遠程控制等服務，支撐實現云存儲、設備遙控、B2C商務等各種應用，各層主要作用為：

圖1 系統架構

1）基礎層：主要包括電視終端、計算機、會議媒體系統、存儲陣列、企業服務器等設備以及光纖/網線（含ISP等服務運行商）、無線網絡系統等網絡基礎設施，另外還包括Windows，UNIX，iOS等主流操作系統，基礎層位于系統架構的底層，為系統應用提供基礎硬件及操作系統支撐。

2）服務層：服務層屬于系統的中間層，對上為應用層提供“無線—紅外”轉換服務、虛擬存儲服務、遠程控制服務、企業信息推送與互動等應用服務，對下實現對基礎層設備與系統的訪問，實現對設備的控制與資源調度。

3）應用層：是系統的主要業務應用層，用戶依托基礎層設備及服務層應用服務，實現云存儲、設備遙控、B2C商務、家庭辦公等應用。其中B2C應用主要表現在企業可通過媒體服務器，將企業業務通過家庭中廣泛應用的流媒體設備向個人用戶推送，并收集相應的反饋信息，進一步實現B2C商務應用的拓展。家庭辦公則可通過家庭計算機，通過網絡，遠程訪問企業相應存儲信息及企業應用系統，使人們在家庭中完成企業業務的處理。

2 系統總體設計

在設備組成方面，企業多媒體與家庭多媒體有著基本同構的設備，區別主要在于設備的規格、數量不同，從集成架構上，兩者基本一致。在工程實施上，以當前廣泛應用的媒體設備為例，給出了系統的典型設計，如圖2所示。

系統由數字電視子系統、多媒體子系統、存儲子系統、控制子系統、網絡子系統及空調等其他設備組成。

1）數字電視子系統：典型數字電視系統由數字機頂盒及數字電視構成，入戶網絡連接到數字機頂盒，數字機頂盒一般以HDMI線纜連接至數字電視。數字電視子系統在企業中可作為視頻會議的終端系統，在家庭中既可以作為電視媒體，也可以通過企業應用擴展，作為企業信息的家庭發布終端。

圖2 系統總體設計

2）多媒體子系統：多媒體子系統在企業應用中主要表現為企業的多媒體會議系統，而在家庭中則主要表現為家庭影院系統。一般由DVD、功放、音箱、投影機及幕布組成，在系統設計上，可通過一個HDMI轉接頭，將數字機頂盒信號分成兩路，一路送至電視，一路送至功放，可實現電視信號通過投影方式顯示，實現電視子系統與多媒體子系統的互聯。

3）存儲子系統：主要由存儲陣列托架及存儲硬盤組成。

4）控制子系統：包括計算機、手機等系統控制終端以及具備學習功能的紅外控制器，可實現網絡信號到紅外控制信號的轉換。

5）網絡子系統：主要包括Internet及室內無線網絡，是連接企業、用戶及各種媒體設備的基礎，用戶可可通過Internet接入企業或家庭內部網絡，并在室內可直接利用WiFi信號，實現對室內各設備的訪問與控制。

6）其他家電設備：包括空調系統、打印機等，這類設備通過無線或紅外的方式集成接入企業/家庭系統。

3 系統應用設計

3.1 無線覆蓋設計

由于本系統的設計基礎為無線網絡，因此無線信號的穩定覆蓋是需要解決的首要問題，根據經典無線信號傳播模型，信號的強度隨著距離的增加而降低，其數學模型遵循Friis公式[7]

式中：PR與PT分別代表接收端與發射端的功率；GR與GT分別代表接收端與發射端的信號增益；λ為波長；d為接收端與發射端的距離，根據信號衰減模型，距離發射點d距離處的信號衰減Ld為

從理論公式看，在開闊環境下，無線信號的接收不受接收端發射功率的影響，可以達到較好的傳播效果，通過增大無線路由器的發射功率，可以實現較遠的信號傳播與覆蓋；但在走廊環境下，信號傳播情況則較為復雜，文獻[8]基于3次樣條插值，擬合給出了信號強度的衰減模型，根據其衰減模型及室內實測情況，在距離增加到一定數值后，信號衰減值受接收端信號增益的影響較大。

在實際使用中，由于企業及家居環境中墻壁、走廊等影響，且接收端（計算機、手機等）設備的信號增益固定且較小，僅依靠簡單增大無線路由器的措施則無法實現室內無線信號的覆蓋，在信號較弱的房間或區域，必須通過“網絡布線+無線AP”的方式，解決信號覆蓋問題，如圖3所示。

圖3 無線覆蓋應用示意圖

3.2 系統存儲體系

隨著高清、藍光等媒介的出現，簡單的存儲設備已經難以滿足當前家庭對數字資源存儲與訪問的需求，企業的海量應用數據同樣也需要具備容量可擴展、可異地訪問的存儲設備，需建立可靈活擴展的虛擬存儲體系。目前，可用的虛擬存儲體系主要有基于主機的虛擬存儲、基于存儲設備的虛擬存儲以及基于網絡的虛擬存儲[9]，從實際應用的方便性考慮，本文采用基于路由器的虛擬存儲設計來實現系統虛擬存儲體系的構建，如圖4所示。

通過硬盤陣列托架，實現對系統硬盤陣列的統一管理，目前硬盤接口一般為SATA接口，對于IDE接口等硬盤，可以通過相應的接口轉換設備加裝到硬盤托架，共同構成系統的物理存儲陣列。將硬盤托架以USB接口的方式連接于路由器，再在路由器上通過固件實現虛擬化存儲，手機、計算機等設備則可基于有線/無線網絡以透明方式實現對存儲資源的訪問。

圖4 虛擬存儲體系

3.3 系統存儲體系

對多媒體設備的控制目前大多為紅外遙控的方式，為實現通過無線網絡控制多媒體設備的功能，需要通過具有紅外學習功能的紅外控制器，來實現對多媒體設備控制，其控制時序如圖5所示，具體控制可分為學習、設備注冊與用戶編程、遠程控制等3個過程。

圖5 遠程控制流程

1）學習過程：設備遙控器向設備發送紅外控制信號，紅外控制器接收、并存儲波形信號的過程，通過多次操作，可將主要多媒體設備的控制信號記錄并存儲，為實現統一控制奠定基礎。

2）設備注冊與用戶編程過程：通過下載控制端到計算機或手機等設備，通過無線網絡，獲得同一局域網內紅外控制器的控制權，并通過用戶界面，編程實現多個設備的一鍵組合控制。

3）用戶遠程控制過程：用戶通過網絡（Internet或局域網絡），連接室內路由器設備，并發送控制信號，由路由器根據控制設備類型，選擇以向設備發送無線控制信號或通過紅外控制器轉發紅外控制信號，實現對多媒體設備的遠程控制。

4 小結

通過基于云架構的企業/家庭多媒體集成系統設計，將多媒體技術、云計算技術、物聯網技術相結合，依托基礎網絡，實現企業/家庭數字設備的一體化互聯與智能控制，既可以實現對企業/家庭設備的集成與控制，又推動了B2C應用、家庭辦公等應用的普及與發展。但在系統中，對系統中設備狀態的監控以及因網絡的應用而導致的系統安全仍然是亟帶解決的難點，可考慮通過遠程監控系統、通信綁定等技術手段進一步研究解決。

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[1]田玉靜.淺議數字家庭[J].電視技術，2007，31（8）：54-55.

[2]李玲，翟劍飛.B2C電子商務網站的設計與實現[J].計算機與數字工程，2005，33（12）：113-115.

[3]王慨.利用遠程桌面實現家庭辦公[J].南通職業大學學報，2003，17（3）：55-57.

[4]方俠海.基于三網融合的數字家庭媒體中心設計[J].電視技術，2011，35（4）：4-6.

[5]李伯虎，張霖，任磊，等.云計算典型特征、關鍵技術與應用[J].計算機集成制造系統，2012，18（7）：1345-1356.

[6]王丁.聯想家庭云中心[J].個人電腦，2012（12）：20-21.

[7]LATHAM A.Jphide&Seek[CP/DK].[2014-03-01].http：//linux01.gwdg.de/～alatham/stego.html.

[8]陳嶺，許曉龍，楊清，等.基于三次樣條插值的無線信號強度衰減模型[J].浙江大學學報：工學版，2011，45（9）：1521-1527.

[9]付云生，王開云.虛擬存儲技術的研究與比較[J].計算機科學，2011，38（10A）：202-203.