校園數(shù)字電視臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架構(gòu)

錢季平

上海政法學(xué)院，上海 201707

在現(xiàn)代社會(huì)信息化的進(jìn)程中，影音信息以其豐富、直觀、生動(dòng)的特性，在日常信息傳播中占據(jù)著重要地位，成為人們工作、學(xué)習(xí)和娛樂活動(dòng)的有機(jī)組成部分。也正是出于對(duì)影音信息的日益重視，目前越來越多的機(jī)構(gòu)和單位，如政府部門、大型企業(yè)、學(xué)校和社區(qū)，都有了投建內(nèi)部專業(yè)數(shù)字電視臺(tái)或傳播系統(tǒng)的要求。尤其是各類大中院校，因?yàn)樾@文化建設(shè)以及視頻會(huì)議、多媒體教學(xué)、遠(yuǎn)程教育等活動(dòng)需要，對(duì)建設(shè)中小型的數(shù)字電視臺(tái)的需求更為迫切。但實(shí)踐中，又常常面臨兩大難題：一是數(shù)字電視臺(tái)的建設(shè)環(huán)節(jié)復(fù)雜，各類應(yīng)用單位普遍缺乏熟悉數(shù)字演播系統(tǒng)的專業(yè)人員，在系統(tǒng)的投入預(yù)算、設(shè)計(jì)與施工上，缺乏獨(dú)立自主的能力；二是投建單位往往經(jīng)費(fèi)有限，如何合理設(shè)計(jì)，以適量的投入，建成性價(jià)比高、適合工作需求的電視演播系統(tǒng)，困難較大。

作為產(chǎn)學(xué)研的一種實(shí)踐，我們和相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)公司合作，負(fù)責(zé)過多項(xiàng)校園數(shù)字演播室以及傳播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工，在建設(shè)小型專業(yè)數(shù)字演播系統(tǒng)的實(shí)踐中積累了一些經(jīng)驗(yàn)。校園數(shù)字電視臺(tái)的整個(gè)系統(tǒng)包括節(jié)目的制作、傳輸和接收三大環(huán)節(jié)，其中關(guān)于數(shù)字演播室的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，我們已有專文論述[1]。本位就校園數(shù)字電視臺(tái)的建設(shè)中更為復(fù)雜的傳輸和接收系統(tǒng)的架構(gòu)，提供一些可行性設(shè)計(jì)思路和實(shí)施建議。

1 設(shè)計(jì)的基本思路：基于寬帶局域網(wǎng)的高性價(jià)比、可拓展系統(tǒng)

作為數(shù)字電視臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，我們將校園數(shù)字電視臺(tái)的傳輸和接收系統(tǒng)建立在寬帶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用IPTV（Internet Protocol Television）即交互式網(wǎng)絡(luò)電視技術(shù)，作為實(shí)施節(jié)目傳輸和接收的技術(shù)基礎(chǔ)。之所以如此，主要源于以下考慮：

首先，IPTV技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已日漸成熟，其強(qiáng)大的流媒體傳輸和交互功能完全能夠滿足校園電視臺(tái)信息傳播的各項(xiàng)要求。校園電視臺(tái)常見的服務(wù)功能主要包括校園電視新聞廣播、會(huì)議視頻直播、多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、電視節(jié)目轉(zhuǎn)播、影視點(diǎn)播、校園資訊查詢等，IPTV技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)各類信息的實(shí)時(shí)直播，還可以方便地實(shí)現(xiàn)時(shí)移回看播出。不僅如此，IPTV技術(shù)具有強(qiáng)大的信息互動(dòng)和查詢功能，在多媒體教學(xué)等需要互動(dòng)環(huán)節(jié)的活動(dòng)中，具有突出的優(yōu)勢(shì)。

其次，隨著信息化水平的提高，校園網(wǎng)絡(luò)普遍具有較好的硬件設(shè)施，為采用IPTV技術(shù)的數(shù)字電視臺(tái)的建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)環(huán)境，這將大大節(jié)約校園電視臺(tái)基礎(chǔ)建設(shè)的投入。目前，各大中院?；径冀ㄓ凶约旱膶拵Ь钟蚓W(wǎng)，其中大部分都是100M或1000M高速寬帶網(wǎng)，接入點(diǎn)遍及校園辦公室、教室、圖書館、會(huì)議室、宿舍等重要區(qū)域。這些寬帶平時(shí)常常只是用于校內(nèi)信息發(fā)布、文件交流和網(wǎng)上瀏覽，其資源潛力遠(yuǎn)未利用充分。基于IPTV技術(shù)的校園數(shù)字電視臺(tái)可充分利用各校已有的帶寬資源和網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)視音頻信息的傳播與覆蓋。和其他數(shù)字電視傳輸技術(shù)相比，這將大大減少傳輸通道的基建和改造工作，極大地節(jié)約了建設(shè)費(fèi)用，具有出色的性價(jià)比。

第三，IPTV技術(shù)擁有良好的可拓展性，便于逐步投建。建設(shè)單位可根據(jù)自身需求和資金的實(shí)際情況，采用整體規(guī)劃、核心先行、逐步拓展的方式，分批投建和完善校園電視臺(tái)的傳播功能，擴(kuò)大傳播覆蓋范圍。這一特點(diǎn)特別契合學(xué)校作為行政撥款單位的實(shí)際情況，減輕了一次性投建所帶來的資金壓力。

第四，IPTV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精確的內(nèi)容和用戶管理，保證校園電視臺(tái)信息傳播的安全。校園電視臺(tái)主要服務(wù)對(duì)象是校內(nèi)師生員工，信息傳播的范圍和內(nèi)容不具有完全開放性，因此收視用戶的管理和控制是必須的?；贗PTV技術(shù)的校園數(shù)字電視臺(tái)通過對(duì)收視用戶進(jìn)行分層、分級(jí)、分區(qū)域管理，能方便地對(duì)節(jié)目內(nèi)容的收視進(jìn)行加密和權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳播內(nèi)容和傳播對(duì)象的有效控制，確保信息傳播的安全[2]。

另外，IPTV是基于計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的，在系統(tǒng)日常維護(hù)上，各校也都具有相應(yīng)的技術(shù)人手和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)作也是一種有利條件。

2 系統(tǒng)的基本構(gòu)架

基于IPTV的校園數(shù)字電視臺(tái)是對(duì)已有的寬帶局域網(wǎng)功能的一種附加和拓展，其系統(tǒng)構(gòu)架類似網(wǎng)站的建設(shè)。如圖1所示，其基本組成包括節(jié)目信源、節(jié)目編碼、節(jié)目服務(wù)器、內(nèi)容編排、用戶收視和用戶管理幾個(gè)主要環(huán)節(jié)[3]。校園電視臺(tái)的節(jié)目信源主要來自校內(nèi)自制新聞和專題節(jié)目、重要活動(dòng)直播、影視資料庫、多媒體課程錄像或直播、中央和地方電視臺(tái)新聞和文體頻道轉(zhuǎn)播等。目前各類學(xué)?；径冀ㄓ凶约旱亩嗝襟w課程制作教室或小型電視演播中心，自制新聞和教學(xué)類電視節(jié)目有一定的基礎(chǔ)。同時(shí)，豐富的有線電視頻道和影視作品，也可以為校園數(shù)字電視臺(tái)提供多樣的信息資源。IPTV的編碼技術(shù)可以很好地兼容和處理各類影音信息，便捷地轉(zhuǎn)換成適合網(wǎng)絡(luò)傳播的數(shù)字電視格式，為各類電視欄目增添源源不斷的節(jié)目內(nèi)容。

直播編碼器功能是將各路節(jié)目信源即時(shí)壓縮成流媒體格式，上傳至服務(wù)器。目前主流的高清編碼器采用先進(jìn)的H.264或MPEG4視頻壓縮算法，最高分辨率可達(dá)1920×1080P，可實(shí)現(xiàn)高清視頻流媒體文件的生成處理。有線/衛(wèi)星接收編碼機(jī)則帶有信號(hào)接收功能，主要用于電視頻道信號(hào)的重新編碼。單臺(tái)機(jī)器一般能同時(shí)對(duì)7～8個(gè)頻道進(jìn)行信號(hào)接收和編碼，可視需要轉(zhuǎn)播的電視頻道的數(shù)量進(jìn)行增配。

視頻服務(wù)器是IPTV的核心設(shè)備，一般分為點(diǎn)播服務(wù)器和時(shí)移服務(wù)器。點(diǎn)播服務(wù)器主要用于接收、存儲(chǔ)編碼器生成大量影音節(jié)目，響應(yīng)用戶點(diǎn)播。如經(jīng)典影視作品、重要專題新聞、網(wǎng)絡(luò)多媒體課程等節(jié)目內(nèi)容，可以長期存放在點(diǎn)播服務(wù)器上，供用戶隨時(shí)點(diǎn)播收視。而時(shí)移服務(wù)器則主要用于電視頻道的即時(shí)轉(zhuǎn)播以及電視會(huì)議的直播，其特點(diǎn)在于可以提供延時(shí)和回看功能。規(guī)模小的學(xué)?？梢詫烧吆隙橐唬绻麅?nèi)容和用戶較多，建議分設(shè)服務(wù)器。這樣可以分擔(dān)并發(fā)流量，保證節(jié)目網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鲿场?/p>

Web/DB服務(wù)器則負(fù)責(zé)向用戶提供電子節(jié)目指南，響應(yīng)用戶請(qǐng)求，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行、管理和控制等工作。作為校園電視臺(tái)，各種靜態(tài)資訊數(shù)據(jù)以及后臺(tái)管理系統(tǒng)都可集中在這一服務(wù)器上。

機(jī)頂盒的主要功能是接入網(wǎng)絡(luò)，訪問節(jié)目菜單，接收數(shù)字信號(hào)，解碼并輸出給終端電視機(jī)，實(shí)現(xiàn)視音頻節(jié)目的最終收看。這一功能也可以通過仿真軟件加以實(shí)現(xiàn)，這樣就可以通過計(jì)算機(jī)直接解碼和觀看節(jié)目，特別適合學(xué)校辦公室和宿舍區(qū)的用戶。

除硬件外，數(shù)字電視臺(tái)還包括各種后臺(tái)管理系統(tǒng)，如節(jié)目管理、節(jié)目導(dǎo)航和用戶管理。

內(nèi)容管理系統(tǒng)主要用于設(shè)定播出頻道和欄目，分級(jí)審核和發(fā)布節(jié)目內(nèi)容，編排節(jié)目，管理節(jié)目分類及存儲(chǔ)，監(jiān)控節(jié)目播出情況等。

圖1 校園數(shù)字電視臺(tái)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

電子節(jié)目導(dǎo)航系統(tǒng)(EPG,Electronic Program Guide)是節(jié)目與用戶的交互界面，用于展示節(jié)目內(nèi)容，供用戶選擇。系統(tǒng)可以根據(jù)內(nèi)容發(fā)布管理系統(tǒng)的設(shè)定，為用戶直觀地展示直播頻道和點(diǎn)播節(jié)目信息，方便用戶快捷地查找所需的直播頻道和點(diǎn)播節(jié)目，同時(shí)將用戶的選擇需求傳回服務(wù)器。界面的美觀、友好是導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。

用戶認(rèn)證管理系統(tǒng)主要功能在于分配用戶收視等級(jí)與權(quán)限，核實(shí)用戶身份與密碼，以及用戶收視數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

上述系統(tǒng)各相關(guān)廠家都有比較成熟的產(chǎn)品。相比電信級(jí)的廣播服務(wù)，校園電視臺(tái)的后臺(tái)管理要簡單很多，各種后臺(tái)管理系統(tǒng)只需在通用版本的基礎(chǔ)上，作一些簡單移植和相應(yīng)的設(shè)置，就足以滿足日常管理的各種功能要求。

總體上看，基于IPTV技術(shù)構(gòu)架的校園數(shù)字電視臺(tái)具有良好的兼容性。節(jié)目信源上，它可以和學(xué)校已有的節(jié)目資源無縫銜接；傳輸通道上，它可以嵌入現(xiàn)有的校園局域網(wǎng)；接收端上，它同樣兼容各種視聽設(shè)備，如電視機(jī)、投影儀、計(jì)算機(jī)，并可實(shí)現(xiàn)平板電腦和智能手機(jī)的移動(dòng)收視。其經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，十分顯著。

3 系統(tǒng)拓展

校園數(shù)字電視臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)模和規(guī)格，是以用戶群的大小和服務(wù)內(nèi)容的多少作為標(biāo)準(zhǔn)的。根據(jù)我們的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，一個(gè)2000人左右規(guī)模的中小學(xué)校，校園電視臺(tái)的并發(fā)用戶峰值一般不超過200；同時(shí)，節(jié)目內(nèi)容也不復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)和傳輸?shù)膲毫Σ淮?，按上述基本?gòu)架搭建的數(shù)字電視臺(tái)足以較好地應(yīng)對(duì)實(shí)際的收視需求。

相比較而言，對(duì)眾多高等院校而言，校園數(shù)字電視臺(tái)的用戶群和信息量的指標(biāo)要高幾個(gè)等級(jí)。一個(gè)萬人左右的大學(xué)，并發(fā)接入峰值則可達(dá)2000以上，并有大量的高清節(jié)目收視需求。這就需要對(duì)校園電視臺(tái)系統(tǒng)的存儲(chǔ)、響應(yīng)和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)進(jìn)行功能拓展和強(qiáng)化。IPTV中的CDN技術(shù)在這方面表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

CDN（Content Delivery Network）即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其基本方法是在信息傳播節(jié)點(diǎn)上設(shè)置緩存服務(wù)器（邊緣服務(wù)器），作為中心流媒體服務(wù)器的鏡像。系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各節(jié)點(diǎn)的連接、負(fù)載狀況以及到用戶的距離和響應(yīng)時(shí)間等綜合信息，將用戶的請(qǐng)求導(dǎo)向離用戶最近的服務(wù)器上，讓用戶就近取得所需內(nèi)容，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和信息的傳播速度[4]。

按這一設(shè)計(jì)思路，對(duì)于規(guī)模較大的學(xué)校，校園電視臺(tái)可根據(jù)學(xué)校的規(guī)模和布局，在接入點(diǎn)較集中的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置邊緣服務(wù)器，作為中心服務(wù)器的鏡像，響應(yīng)區(qū)域內(nèi)用戶的收視請(qǐng)求，以分擔(dān)系統(tǒng)服務(wù)的壓力，實(shí)現(xiàn)節(jié)目傳輸?shù)目旖莺土鲿场?/p>

如圖2所示，一個(gè)并發(fā)峰值在2000左右的學(xué)校，可通過在辦公區(qū)、教學(xué)/公共區(qū)和宿舍生活區(qū)設(shè)置3～4臺(tái)邊緣服務(wù)器，基本可滿足全校用戶的收視需求。其中學(xué)生的宿舍生活區(qū)接入點(diǎn)最多，如視峰值情況，分區(qū)增設(shè)2～3臺(tái)邊緣服務(wù)器，則即使在收視高峰期，也可以保證用戶有著良好的收視體驗(yàn)。

除此之外，為適應(yīng)大量高清節(jié)目的存儲(chǔ)和播出，可增加中心服務(wù)器數(shù)量，將不同的影音文件分類存儲(chǔ)，這不僅能提升存儲(chǔ)空間，最重要的是可以大大加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其他環(huán)節(jié)，如服務(wù)器性能的提升、交換機(jī)指標(biāo)的提高、傳輸策略的優(yōu)化，都對(duì)校園電視臺(tái)整體傳播能力的提高有著顯著作用。

與此同時(shí)，隨著智能手機(jī)和移動(dòng)電腦的普及，校園數(shù)字電視臺(tái)還可以通過無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目內(nèi)容的移動(dòng)收視。學(xué)?？梢栽诠矆?chǎng)所，如圖書館、體育館、會(huì)議中心、學(xué)生活動(dòng)中心、食堂等公共區(qū)域設(shè)置WIFI接入點(diǎn)，為智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦的用戶提供實(shí)時(shí)觀看或下載服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)校園電視臺(tái)信號(hào)的全面覆蓋，提高傳播功效。

4 設(shè)備選型和預(yù)算

校園電視臺(tái)的建設(shè)是個(gè)系統(tǒng)工程，其建構(gòu)涉及環(huán)節(jié)較多，運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性要求較高，需要有足夠的資金予以支持。但在實(shí)際建設(shè)中，各類學(xué)校往往面臨著資金緊張的困境。因此，除了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上合理構(gòu)架外，設(shè)備的選型也需要緊扣實(shí)際需求，精打細(xì)算，力求以有限投入，達(dá)到較高的性能和效用。

在校園電視臺(tái)整個(gè)系統(tǒng)中，視頻服務(wù)器是主要設(shè)備，其性能和數(shù)量將直接決定著系統(tǒng)傳輸效率的高低和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，是資金投入的重點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，各廠家都推出了價(jià)格適中、性能優(yōu)良的各類服務(wù)器。我們建議，盡管目前高性能的PC級(jí)服務(wù)器性價(jià)比較高，但從系統(tǒng)穩(wěn)定的角度考慮，還是選擇品牌廠家的企業(yè)級(jí)服務(wù)器為好。中心服務(wù)器采用單或雙主流CPU、內(nèi)存4G以上、配千兆網(wǎng)卡、價(jià)格2～3萬元左右的機(jī)型比較合適。

圖2 校園數(shù)字電視臺(tái)系統(tǒng)的拓展：CDN邊緣服務(wù)器設(shè)置

交換機(jī)是信息傳輸?shù)慕徊纥c(diǎn)，也是系統(tǒng)中使用最多的設(shè)備。其中，核心交換機(jī)需是全千兆網(wǎng)口的三層交換機(jī)；終端接入交換機(jī)則可采用支持組播的百兆交換機(jī)，而中間的傳輸節(jié)點(diǎn)上，也應(yīng)采用千兆交換機(jī)，確保信息傳輸?shù)牧鲿碂o阻。

編碼器應(yīng)采用具有多路編碼功能的機(jī)型，如8路直播編碼器，支持HDMI數(shù)字視音頻輸入，支持多路輸入，支持高清720P、1080I、1080P視頻格式。其中帶編碼功能的有線/衛(wèi)星接收機(jī)能同時(shí)接收和編碼7～8個(gè)頻道內(nèi)容，如果需要在校園電視臺(tái)中轉(zhuǎn)播更多的電視節(jié)目，則需要相應(yīng)增加接收機(jī)的數(shù)量。一般應(yīng)配置3～4臺(tái)直播編碼器、接收機(jī)，以適應(yīng)較多的節(jié)目信號(hào)處理。

機(jī)頂盒應(yīng)具有高清解碼功能,解碼標(biāo)準(zhǔn)H.264、MPEG4,最高分辨率可達(dá)1920×1080P，具有HDMI、S-Video等多路輸出、10M/100M以太網(wǎng)接口。

另外，技術(shù)運(yùn)用合理，功能完備、界面友好的后臺(tái)管理系統(tǒng)也是校園電視臺(tái)高效運(yùn)行的重要保證。建設(shè)中，應(yīng)選用經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)成熟、用戶較多、有良好售后服務(wù)、口碑較好的系統(tǒng)開發(fā)商的軟件產(chǎn)品。

綜合考慮各種建設(shè)和開發(fā)費(fèi)用，我們認(rèn)為，除了節(jié)目演播和制作系統(tǒng)之外，一個(gè)小型的校園電視臺(tái)的建設(shè)，投入資金可控制在15萬以內(nèi)；而一個(gè)大型的校園電視臺(tái)的建設(shè)，60萬左右的建設(shè)資金是比較合理的預(yù)算。

和電視演播系統(tǒng)一樣，校園數(shù)字電視臺(tái)的傳播和接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)同樣是一項(xiàng)綜合的復(fù)雜系統(tǒng)工程。要達(dá)到功能全面、投入經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行安全高效的效果，其中科學(xué)的設(shè)計(jì)、合理的配置和周全的安排，是成功的關(guān)鍵。應(yīng)該說，技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的普及，為校園數(shù)字電視臺(tái)的建設(shè)提供了現(xiàn)實(shí)的可能，也提供了多種可選擇設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是能夠運(yùn)用先進(jìn)的信息傳播技術(shù)，以有限的投入，打造出一個(gè)經(jīng)濟(jì)而高效的校園電視傳播平臺(tái)，并在學(xué)校教育和校園文化建設(shè)上，發(fā)揮重要作用。

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[4]付鵬，周華春，陳旭東.CDN技術(shù)在IPTV系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國有線電視，2004(7)