基于云架構(gòu)的多媒體集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國艷群，韓 敏，孫林夫

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

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的辦公環(huán)境以及個(gè)人的家庭生活都在逐步被改變，數(shù)字電視、多媒體等設(shè)備已在企業(yè)及人們的家庭生活中廣泛使用，催生了企業(yè)多媒體系統(tǒng)、數(shù)字家庭[1]等概念的誕生，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，更是促進(jìn)了B2C（Business to Customer）商業(yè)模式[2]、家庭辦公[3]等應(yīng)用的發(fā)展。如何依托網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)/家庭多媒體設(shè)備的一體化集成，高效利用當(dāng)前的媒體網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)企業(yè)商務(wù)運(yùn)行及人們的日常生活成為當(dāng)前亟待解決的問題。文獻(xiàn)[4]提出了基于專用硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字家庭媒體設(shè)計(jì)方案，家電廠商更是基于云計(jì)算技術(shù)[5]，提出了“家庭云”[6]的概念，同時(shí)云計(jì)算技術(shù)也在企業(yè)中廣泛應(yīng)用。然而，這些設(shè)計(jì)未從一體化融合的角度開展企業(yè)/家庭的多媒體系統(tǒng)集成工作，且多基于專用設(shè)備或?qū)Ｓ密浖瑧?yīng)用較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的普及推廣。

本文基于云架構(gòu)設(shè)計(jì)思想及企業(yè)/家庭中廣泛應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，給出了基于云架構(gòu)的企業(yè)/家庭多媒體集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字設(shè)備的一體化集成及云存儲(chǔ)、設(shè)備遙控、家庭辦公等功能。從企業(yè)的角度，實(shí)現(xiàn)了基于媒體終端的商務(wù)應(yīng)用拓展，從家庭的角度，則實(shí)現(xiàn)了家庭媒體設(shè)備的集成并推動(dòng)了家庭辦公的發(fā)展，且該設(shè)計(jì)不需要專用設(shè)備支持，并可基于無線網(wǎng)絡(luò)靈活擴(kuò)展，對(duì)推動(dòng)多媒體設(shè)備在企業(yè)及家庭中的應(yīng)用、普及發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

云計(jì)算是目前計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的新興技術(shù)，依托網(wǎng)絡(luò)將IT資源、數(shù)據(jù)及應(yīng)用作為服務(wù)提供給用戶，為處于云端的設(shè)備屏蔽基礎(chǔ)硬件及操作系統(tǒng)，透明地提供計(jì)算服務(wù)、虛擬存儲(chǔ)等應(yīng)用。參照云計(jì)算架構(gòu)，本系統(tǒng)在架構(gòu)上采用3層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)層、服務(wù)層及應(yīng)用層構(gòu)成，通過服務(wù)層，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)層設(shè)備的屏蔽，對(duì)外提供紅外集成控制、虛擬存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程控制等服務(wù)，支撐實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)、設(shè)備遙控、B2C商務(wù)等各種應(yīng)用，各層主要作用為：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1）基礎(chǔ)層：主要包括電視終端、計(jì)算機(jī)、會(huì)議媒體系統(tǒng)、存儲(chǔ)陣列、企業(yè)服務(wù)器等設(shè)備以及光纖/網(wǎng)線（含ISP等服務(wù)運(yùn)行商）、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，另外還包括Windows，UNIX，iOS等主流操作系統(tǒng)，基礎(chǔ)層位于系統(tǒng)架構(gòu)的底層，為系統(tǒng)應(yīng)用提供基礎(chǔ)硬件及操作系統(tǒng)支撐。

2）服務(wù)層：服務(wù)層屬于系統(tǒng)的中間層，對(duì)上為應(yīng)用層提供“無線—紅外”轉(zhuǎn)換服務(wù)、虛擬存儲(chǔ)服務(wù)、遠(yuǎn)程控制服務(wù)、企業(yè)信息推送與互動(dòng)等應(yīng)用服務(wù)，對(duì)下實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)層設(shè)備與系統(tǒng)的訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制與資源調(diào)度。

3）應(yīng)用層：是系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用層，用戶依托基礎(chǔ)層設(shè)備及服務(wù)層應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)、設(shè)備遙控、B2C商務(wù)、家庭辦公等應(yīng)用。其中B2C應(yīng)用主要表現(xiàn)在企業(yè)可通過媒體服務(wù)器，將企業(yè)業(yè)務(wù)通過家庭中廣泛應(yīng)用的流媒體設(shè)備向個(gè)人用戶推送，并收集相應(yīng)的反饋信息，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)B2C商務(wù)應(yīng)用的拓展。家庭辦公則可通過家庭計(jì)算機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程訪問企業(yè)相應(yīng)存儲(chǔ)信息及企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，使人們?cè)诩彝ブ型瓿善髽I(yè)業(yè)務(wù)的處理。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在設(shè)備組成方面，企業(yè)多媒體與家庭多媒體有著基本同構(gòu)的設(shè)備，區(qū)別主要在于設(shè)備的規(guī)格、數(shù)量不同，從集成架構(gòu)上，兩者基本一致。在工程實(shí)施上，以當(dāng)前廣泛應(yīng)用的媒體設(shè)備為例，給出了系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)，如圖2所示。

系統(tǒng)由數(shù)字電視子系統(tǒng)、多媒體子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)及空調(diào)等其他設(shè)備組成。

1）數(shù)字電視子系統(tǒng)：典型數(shù)字電視系統(tǒng)由數(shù)字機(jī)頂盒及數(shù)字電視構(gòu)成，入戶網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)字機(jī)頂盒，數(shù)字機(jī)頂盒一般以HDMI線纜連接至數(shù)字電視。數(shù)字電視子系統(tǒng)在企業(yè)中可作為視頻會(huì)議的終端系統(tǒng)，在家庭中既可以作為電視媒體，也可以通過企業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展，作為企業(yè)信息的家庭發(fā)布終端。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2）多媒體子系統(tǒng)：多媒體子系統(tǒng)在企業(yè)應(yīng)用中主要表現(xiàn)為企業(yè)的多媒體會(huì)議系統(tǒng)，而在家庭中則主要表現(xiàn)為家庭影院系統(tǒng)。一般由DVD、功放、音箱、投影機(jī)及幕布組成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，可通過一個(gè)HDMI轉(zhuǎn)接頭，將數(shù)字機(jī)頂盒信號(hào)分成兩路，一路送至電視，一路送至功放，可實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)通過投影方式顯示，實(shí)現(xiàn)電視子系統(tǒng)與多媒體子系統(tǒng)的互聯(lián)。

3）存儲(chǔ)子系統(tǒng)：主要由存儲(chǔ)陣列托架及存儲(chǔ)硬盤組成。

4）控制子系統(tǒng)：包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)等系統(tǒng)控制終端以及具備學(xué)習(xí)功能的紅外控制器，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)到紅外控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

5）網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)：主要包括Internet及室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，是連接企業(yè)、用戶及各種媒體設(shè)備的基礎(chǔ)，用戶可可通過Internet接入企業(yè)或家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并在室內(nèi)可直接利用WiFi信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各設(shè)備的訪問與控制。

6）其他家電設(shè)備：包括空調(diào)系統(tǒng)、打印機(jī)等，這類設(shè)備通過無線或紅外的方式集成接入企業(yè)/家庭系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 無線覆蓋設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為無線網(wǎng)絡(luò)，因此無線信號(hào)的穩(wěn)定覆蓋是需要解決的首要問題，根據(jù)經(jīng)典無線信號(hào)傳播模型，信號(hào)的強(qiáng)度隨著距離的增加而降低，其數(shù)學(xué)模型遵循Friis公式[7]

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

從理論公式看，在開闊環(huán)境下，無線信號(hào)的接收不受接收端發(fā)射功率的影響，可以達(dá)到較好的傳播效果，通過增大無線路由器的發(fā)射功率，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的信號(hào)傳播與覆蓋；但在走廊環(huán)境下，信號(hào)傳播情況則較為復(fù)雜，文獻(xiàn)[8]基于3次樣條插值，擬合給出了信號(hào)強(qiáng)度的衰減模型，根據(jù)其衰減模型及室內(nèi)實(shí)測(cè)情況，在距離增加到一定數(shù)值后，信號(hào)衰減值受接收端信號(hào)增益的影響較大。

在實(shí)際使用中，由于企業(yè)及家居環(huán)境中墻壁、走廊等影響，且接收端（計(jì)算機(jī)、手機(jī)等）設(shè)備的信號(hào)增益固定且較小，僅依靠簡(jiǎn)單增大無線路由器的措施則無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線信號(hào)的覆蓋，在信號(hào)較弱的房間或區(qū)域，必須通過“網(wǎng)絡(luò)布線+無線AP”的方式，解決信號(hào)覆蓋問題，如圖3所示。

圖3 無線覆蓋應(yīng)用示意圖

3.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)體系

隨著高清、藍(lán)光等媒介的出現(xiàn)，簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)設(shè)備已經(jīng)難以滿足當(dāng)前家庭對(duì)數(shù)字資源存儲(chǔ)與訪問的需求，企業(yè)的海量應(yīng)用數(shù)據(jù)同樣也需要具備容量可擴(kuò)展、可異地訪問的存儲(chǔ)設(shè)備，需建立可靈活擴(kuò)展的虛擬存儲(chǔ)體系。目前，可用的虛擬存儲(chǔ)體系主要有基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)、基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬存儲(chǔ)以及基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)[9]，從實(shí)際應(yīng)用的方便性考慮，本文采用基于路由器的虛擬存儲(chǔ)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)虛擬存儲(chǔ)體系的構(gòu)建，如圖4所示。

通過硬盤陣列托架，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬盤陣列的統(tǒng)一管理，目前硬盤接口一般為SATA接口，對(duì)于IDE接口等硬盤，可以通過相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換設(shè)備加裝到硬盤托架，共同構(gòu)成系統(tǒng)的物理存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)虛擬化存儲(chǔ)，手機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備則可基于有線/無線網(wǎng)絡(luò)以透明方式實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)資源的訪問。

圖4 虛擬存儲(chǔ)體系

3.3 系統(tǒng)存儲(chǔ)體系

對(duì)多媒體設(shè)備的控制目前大多為紅外遙控的方式，為實(shí)現(xiàn)通過無線網(wǎng)絡(luò)控制多媒體設(shè)備的功能，需要通過具有紅外學(xué)習(xí)功能的紅外控制器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體設(shè)備控制，其控制時(shí)序如圖5所示，具體控制可分為學(xué)習(xí)、設(shè)備注冊(cè)與用戶編程、遠(yuǎn)程控制等3個(gè)過程。

圖5 遠(yuǎn)程控制流程

1）學(xué)習(xí)過程：設(shè)備遙控器向設(shè)備發(fā)送紅外控制信號(hào)，紅外控制器接收、并存儲(chǔ)波形信號(hào)的過程，通過多次操作，可將主要多媒體設(shè)備的控制信號(hào)記錄并存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制奠定基礎(chǔ)。

2）設(shè)備注冊(cè)與用戶編程過程：通過下載控制端到計(jì)算機(jī)或手機(jī)等設(shè)備，通過無線網(wǎng)絡(luò)，獲得同一局域網(wǎng)內(nèi)紅外控制器的控制權(quán)，并通過用戶界面，編程實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的一鍵組合控制。

3）用戶遠(yuǎn)程控制過程：用戶通過網(wǎng)絡(luò)（Internet或局域網(wǎng)絡(luò)），連接室內(nèi)路由器設(shè)備，并發(fā)送控制信號(hào)，由路由器根據(jù)控制設(shè)備類型，選擇以向設(shè)備發(fā)送無線控制信號(hào)或通過紅外控制器轉(zhuǎn)發(fā)紅外控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

4 小結(jié)

通過基于云架構(gòu)的企業(yè)/家庭多媒體集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將多媒體技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，依托基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)/家庭數(shù)字設(shè)備的一體化互聯(lián)與智能控制，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)/家庭設(shè)備的集成與控制，又推動(dòng)了B2C應(yīng)用、家庭辦公等應(yīng)用的普及與發(fā)展。但在系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控以及因網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用而導(dǎo)致的系統(tǒng)安全仍然是亟帶解決的難點(diǎn)，可考慮通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、通信綁定等技術(shù)手段進(jìn)一步研究解決。

：

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

[2]李玲，翟劍飛.B2C電子商務(wù)網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2005，33（12）：113-115.

[3]王慨.利用遠(yuǎn)程桌面實(shí)現(xiàn)家庭辦公[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，17（3）：55-57.

[4]方俠海.基于三網(wǎng)融合的數(shù)字家庭媒體中心設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2011，35（4）：4-6.

[5]李伯虎，張霖，任磊，等.云計(jì)算典型特征、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18（7）：1345-1356.

[6]王丁.聯(lián)想家庭云中心[J].個(gè)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(hào)強(qiáng)度衰減模型[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，45（9）：1521-1527.

[9]付云生，王開云.虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的研究與比較[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，38（10A）：202-203.