互聯網與廣播網的融合研究

李月芳

(常州輕工職業技術學院電子電氣工程系，江蘇常州213164)

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互聯網與廣播網的融合研究

李月芳*

(常州輕工職業技術學院電子電氣工程系，江蘇常州213164)

摘要:分析研究了如何在MPEG－2的廣播網上提供IP數據業務和Internet上傳輸視頻類數據，并采用M/M/N排隊論分析一個城市的MPEG－2廣播網部署VoD系統的服務性能。根據兩個網絡的性能和所傳輸數據格式的特點，提出了一種兩網融合的數據傳輸方案。

關鍵詞:Internet與廣播電視網的融合; M/M/N排隊論分析;基于廣播網的VoD(Video on Demand)系統

數字電視正在走向網絡化和交互化，在電視內置嵌入式平臺，實現互聯網與廣播電視網的接入。用戶可在電視終端切換接入模式，通過音視頻解碼設備讀取電視節目資源和嵌入式瀏覽器訪問互聯網資源。在國內，最近出臺政策鼓勵電信網、廣播電視網和互聯網3網融合，計劃將在2013～2015年全面實現3網融合地發展。通過技術改造完成廣播電視網、電信網與互聯網3大網的物理合一，實現數據、聲音、圖像這3種業務用一個網絡、一種平臺進行服務。在國外，歐洲正在推進的HbbTV項目希望將寬帶網和廣播網結合，借助電視和機頂盒，向終端消費者提供娛樂內容。［1］

本文分析了如何在MPEG－2的廣播網上提供IP數據業務和Internet上傳輸視頻類數據，并采用M/M/N排隊論分析一個城市的MPEG－2廣播網部署VoD(Video on Demand)系統的服務性能，最后根據兩個網絡的性能和所傳輸數據格式的特點，提出了一種兩網融合的數據傳輸方案。

1　MPEG－2廣播網上提供IP數據業務

MPEG－2規定每個傳輸的TS包以188 byte為固定長度，可分為4 byte的TS包頭和184 byte的TS有效負載。在TS頭部有13 bit長的PID(Packet Identify)字段，用于標志攜帶不同負載數據類型的TS包。DVB定義的傳統TS包頭沒有源地址和目標地址，MPEG－2 TS的網絡設備通過PID將用戶需求數據與具體的TS包相映射。

當需要在MPEG－2網絡上提供IP數據業務，DVB組織對TS包的有效負載部分進行了擴展，可以使用MPE(Multi-Protocol Encapsulation)和ULE (Ultra Lightweight Encapsulation)［2］兩種方式將IP數據包封裝到TS包中。沒有經過雙向改造之前的MPEG－2 TS網絡只能單向傳輸，因此IP數據業務是單向服務的。IP數據包封裝器接收以太網數據幀或其他IP數據，將接收到數據作為PDU，添加一定格式的包頭和包尾，成為子網數據單元SNDU，然后封裝到MPEG－2 TS包的有效負載部分。

使用MPEG－2 TS網絡可以傳送IP數據業務，可以把MPEG－2 TS網絡看成整個IP網絡的一跳。基于DVB的MPEG－2 TS網絡對提供IP業務服務也可以采用多播的形式，這時需要在IP數據頭進行多播定義［3］。通過MPEG－2 TS網絡提供IP業務在衛星傳播和地面無線廣播中比較常用［4］。

2　Internet上傳輸視頻類數據

Internet可提供的DVB業務包括:直播形式的多媒體業務(電視，無線電形式)，具有可控功能的多媒體業務(快進，停止，后退)，內容點播業務，內容下載業務。［6］MPEG－2 TS包可以通過實時傳輸協議(RTP)和直接用戶數據協議(UDP)兩種方式封裝到IP數據包上。文獻［5］詳細定義了如何在Internet網上提供DVB業務，包括雙向IP網絡傳遞基于MPEG－2 TS的DVB業務，雙向IP網絡的DVB業務發現選擇機制，RTSP協議控制內容點播服務，多播方式傳輸內容，家庭網絡的終端設備分配IP地址，文件上傳系統，遠程管理和固件升級，文件下載push和pull機制。

3　基于廣播電視網的VoD方案［7］

假設將550 MHz到750 MHz之間的200 MHz帶寬完全分配給數字電視業務。MPEG－2編碼數字電視節目，復用設備將10套節目流復用成一個傳輸流，并以64-QAM方式調制，所需要的信道帶寬是8 MHz。考慮到各傳輸流之間的帶寬間隔保護，200 MHz的帶寬可以同時傳輸:套電視節目。

目前用于傳輸數字電視業務的網絡拓撲結構主要分為環形和樹形。以3層樹枝結構分析，可將一個地區的覆蓋分為城市結點，分區結點，街道結點。在VoD點播模型中，視頻點播請求處理主要步驟為:

步驟1:用戶點播一個視頻，客戶端通過回傳信道將請求點播消息發送給服務器。

步驟2:服務器偵聽到請求點播消息，根據被請求的視頻標識符從視頻數據庫中尋找相應的視頻。

步驟3:服務器根據當前已經被利用的通信帶寬信息，計算剩余的帶寬。如果有足夠的帶寬去傳送當前的視頻，分配相應的帶寬去傳送。如果沒有足夠的帶寬去傳送當前的視頻，把視頻存放在請求隊列中直到有足夠的帶寬去分配。

基于M/M/N排隊隊列模型假設［8］(圖4.2):

(1)每秒有λ個VoD請求到達，符合泊松到達過程。

(2)每個視頻的服務時間為Ts，這包括服務器分配信道時間和傳輸視頻從服務器到客戶端的時間，Ts基于指數分布。

(3)等待請求的排隊隊列緩存足夠大，服務器永遠不會拒絕用戶請求。

(4)排隊隊列中每個請求的平均等待時間是Tw。

(5)每個用戶的請求是不分優先級的，服務器對每個用戶請求的響應是公平的。

(6)服務器在某一時間點可用于VoD服務的頻道數是N。

(7)每個VoD服務對某一頻道的占用時間是一樣的。

(8)排隊隊列中，每個請求的調度規則是先到先服務(FIFS)。

有VoD信道的利用率是

愛爾蘭式:

式中，

用戶平均等待時間是

平均每個VoD在系統中的滯留時間是

用戶等待時間少于t s的概率是

以南京為例來進行VoD點播模型分析，假定南京城區人口有1 912 000，可以劃分為6個主要城區:下關、玄武、鼓樓、建鄴、白下、秦淮，每個城區又可劃分為6個街道，每街道分配一個服務器，同一街道的用戶請求由此服務器來調配。以三口之家為例，每服務器的平均有用戶數:17 704。一部高清電影的平均容量為3 Gbit，傳輸碼率是4 Mbit/s，則傳輸服務時間為512 s/部，一周平均每個家庭收看4部電影。用戶到達率，信道資源利用率為:ρ=λTS/N = 0.300≤1，用戶點播等待概率為:Erlang C=0。如果只追求將信道利用率提高至90%以上，N=67，ρ=λTS/N = 0.9≤1，用戶點播等待概率為:Erlang C= 0.282，點播一部電影需要平均等待時間為，如此長的等待時間必然會造成客戶的流失。

為此，用MATLAB設計一個M/M/N隊列仿真系統，以每個街道分配一個服務器，一部電影平均服務時間512 s，用戶請求的泊松到達率0.117。

用戶點播一個節目需要等待時間過長必然會造成客戶的流失，同時，分配所有的數字電視信道帶寬給VoD系統使用戶等待時間過短有點浪費，也是不可取的。一般用戶能容忍5 s左右的點播等待時間，同時設計一個系統都會追求信道利用率在90%以上。圖1反映了分配信道數與平均等待時間的關系，從圖中可以看出小于70左右等待時間過長，大于80左右等待時間過短，都是不可取的。圖2反映了分配信道數與等待時間少于5 s的概率，從圖中可以看出大于70以后，等待時間少于5 s的概率都可以大于80。所以綜合考慮可以看出分配70個～77個信道比較合適。

圖1　分配信道數與平均等待時間

圖2　分配信道數與等待時間少于5 s的概率

4　基于數字電視廣播網與Internet的數據傳輸方案

傳輸數據業務可主要分為:(1)數字電視直播節目數據; (2)多媒體點播可控節目數據;其他非視頻類數據。數字電視廣播網與Internet融合后，可設計一個高效的數據傳輸方案:根據傳輸數據的特點，兩網的信道帶寬負載情況和被傳輸的數據業務熱度來選擇傳輸網絡。

視頻類數據對傳輸網絡的延遲和抖動要求較高，可以容忍一定的丟包率;非視頻類數據對傳輸網絡所保證的數據正確率要求較高，可以容能一定的網絡延遲和抖動。數字電視廣播網采用廣播方式傳輸數據，視頻傳輸實時性能好，傳輸質量高，但是封裝的數據格式有一定的限制，只能傳輸MPEG－2和MPEG－4等格式的數據包，客戶端構建交互式程序較復雜。Internet的TCP/IP以IP數據包封裝上層數據，上層數據格式無限制，且有比較成熟的路由差錯控制等協議，客戶端與服務器的交互應用方面有許多成熟的技術，但是對視頻的傳輸質量和服務性能不及廣播網傳輸。

根據傳輸數據業務的特點決定選擇傳輸網絡的優先級基本原則:

(1)視頻類內容優先選擇數字電視廣播網。當數字電視廣播網的信道帶寬不足時，選擇Internet傳輸。

(2)非視頻內容優先選擇Internet。當Internet的信道帶寬不足時，并且請求同一傳輸內容的用戶與網絡所覆蓋用戶之比達到一定比率時，選擇數字電視廣播網傳輸數據。

圖3中，系統框圖的核心部分是網絡選擇模塊，它將根據傳送數據的特點，用戶點播數和網絡負載情況選擇所要傳輸的網絡類型。在分析文獻［9－10］基礎上，本文將提出針對VoD系統的網絡選擇模塊算法。不同的電影其訪問熱度不同，用戶對第i部電影的訪問頻率可以用Zipf分布fi=c/i(1－θ)來描述，θ是分布系數，c是歸一化系數，一般取θ=0.271來描述［10］。

假設數字電視網分配給VoD系統的信道帶寬為B，從B中預留帶寬Br用于視頻的可控處理，當前網絡的負債帶寬為Bt，傳輸一部電影需要的信道帶寬為b。

當用戶在觀看過程中按停止播放操作，需返還分配給它的信道帶寬。停止一段時間后按繼續播放操作，這時用戶容能的等待播放時間比初始播放時的等待時間少，從預留帶寬Br分配信道給用戶，這可以減少用戶的等待時間。

采用［9］提出的batching機制，當VoD服務器偵聽到用戶點播電影i時，需要等待T時間后再選擇傳輸網絡。如果T時間內有相同的電影i被點播，那么將計數器Ci增加1。當等待T時間到達后，根據計數器Ci與預設的門限值α比較結果和網絡帶寬負載情況選擇網絡傳輸。

條件1:Ci＞α

條件2:Bt+b≤B－Br

如果條件1和條件2同時成立，則選擇數字電視廣播網傳輸。

如果條件1成立，條件2不成立，網絡選擇模塊等待T時間后判斷條件2是否成立。

如果條件2成立，選擇數字電視廣播網傳輸;如果條件2不成立，選擇Internet傳輸。

如果條件1不成立，為了節約數字電視廣播網的帶寬，選擇Internet傳輸。

圖3　兩網融合之后的發送端系統框圖

5　總結

數字電視廣播網可以傳輸非視頻類數據，Internet可以傳輸視頻數據。本文用M/M/N排隊論模型分析了VoD系統應用于南京城市的可行性與性能:為每個街道分配一個VoD點播服務器和用戶點播后平均等待服務時間。然后提出廣播電視網和Internet融合之后的數據傳輸方案，并設計了VoD系統的網絡選擇模塊算法，對于兩網融合之后的網絡選擇模塊算法需要通過模擬仿真分析，以驗證和改進算法。

參考文獻:

［1］HBBTV［EB/OL］.http://www.hbbtv.org/index.htm.

［2］A Framework for Transmission of IP Datagrams over MPEG-2 Networks，RFC4259［S］.2005.

［3］Host extensions for IP multicasting，RFC1112［S］.1989.

［4］Televission History［EB/OL］.http://www.aramiska.com.

［5］Transport of MPEG-2 TS Based DVB Services over IP Based Networks，ETSI TS 102 034 V1.3.1［S］.Europe:DVB，2007.

［6］Albert J Stienstra.Technologies for DVB Services on the Internet ［J］.Proceedings of the IEEE，2006，94(1):228－235.

［7］方哲.數字電視系統中廣播技術與IP技術融合研究［D］.南京:東南大學，2010.

［8］(美)斯托林斯，齊望東.高速網絡與互聯網:性能與服務質量［M］.第2版.北京:電子工業出版社，2003:144－168.

［9］Asit DanI，Dinkar SitaramI，Perwez Shahabuddin.Dynamic Batching Policies for an On-Demand Video Server［J］.Multimedia Systems，1996:112－121.

［10］Asit DanI，Dinkar SitaramI，Perwez Shahabuddin.Scheduling Policies for an On-Demand Video Server with Batching［J］.Proceedings of the Second ACM International Conference on Multimedia，1994:15－23.

李月芳(1975－)，女，江蘇金壇人，副教授，碩士，研究方向為電子與自動控制。

Design and Implementation of Error Correction Neural Network Algorithm Based on FPGA

ZHU Cheng*
(Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China)

Abstract:In order to achieve in real hardware platform，the original error correction constructive neural network algorithm is optimized，and the optimized error correction algorithm is implemented based on FPGA.The proposed algorithm improves the performance of the algorithm by a set of two parameters in the automatic generation of a suitable neural architecture.All steps of this algorithm give a comprehensive description and the use of two benchmark issues in-depth analysis of the results.The results show that compared with the implementation based on standard personal computer(PC)the proposed FPGA implementation of the neural network algorithm in this paper significantly improves the calculation speed，which proved the practicability and applicability of FPGA implementation in the error correction algorithm in neural computing task.

Key words:FPGA; constructive neural network(CoNN); error correction; threshold network

doi:EEACC:129510.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.044

收稿日期:2014－08－29修改日期:2014－09－23

中圖分類號:TN919.8; TN943

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0935－04