互聯(lián)網(wǎng)與廣播網(wǎng)的融合研究

李月芳

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，江蘇常州213164)

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互聯(lián)網(wǎng)與廣播網(wǎng)的融合研究

李月芳*

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)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(wǎng)上提供IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和Internet上傳輸視頻類數(shù)據(jù)，并采用M/M/N排隊論分析一個城市的MPEG－2廣播網(wǎng)部署VoD系統(tǒng)的服務(wù)性能。根據(jù)兩個網(wǎng)絡(luò)的性能和所傳輸數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)，提出了一種兩網(wǎng)融合的數(shù)據(jù)傳輸方案。

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

數(shù)字電視正在走向網(wǎng)絡(luò)化和交互化，在電視內(nèi)置嵌入式平臺，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與廣播電視網(wǎng)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(shè)備讀取電視節(jié)目資源和嵌入式瀏覽器訪問互聯(lián)網(wǎng)資源。在國內(nèi)，最近出臺政策鼓勵電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)3網(wǎng)融合，計劃將在2013～2015年全面實現(xiàn)3網(wǎng)融合地發(fā)展。通過技術(shù)改造完成廣播電視網(wǎng)、電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)3大網(wǎng)的物理合一，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、聲音、圖像這3種業(yè)務(wù)用一個網(wǎng)絡(luò)、一種平臺進(jìn)行服務(wù)。在國外，歐洲正在推進(jìn)的HbbTV項目希望將寬帶網(wǎng)和廣播網(wǎng)結(jié)合，借助電視和機(jī)頂盒，向終端消費(fèi)者提供娛樂內(nèi)容。［1］

本文分析了如何在MPEG－2的廣播網(wǎng)上提供IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和Internet上傳輸視頻類數(shù)據(jù)，并采用M/M/N排隊論分析一個城市的MPEG－2廣播網(wǎng)部署VoD(Video on Demand)系統(tǒng)的服務(wù)性能，最后根據(jù)兩個網(wǎng)絡(luò)的性能和所傳輸數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)，提出了一種兩網(wǎng)融合的數(shù)據(jù)傳輸方案。

1　MPEG－2廣播網(wǎng)上提供IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

MPEG－2規(guī)定每個傳輸?shù)腡S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(fù)載。在TS頭部有13 bit長的PID(Packet Identify)字段，用于標(biāo)志攜帶不同負(fù)載數(shù)據(jù)類型的TS包。DVB定義的傳統(tǒng)TS包頭沒有源地址和目標(biāo)地址，MPEG－2 TS的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過PID將用戶需求數(shù)據(jù)與具體的TS包相映射。

當(dāng)需要在MPEG－2網(wǎng)絡(luò)上提供IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，DVB組織對TS包的有效負(fù)載部分進(jìn)行了擴(kuò)展，可以使用MPE(Multi-Protocol Encapsulation)和ULE (Ultra Lightweight Encapsulation)［2］兩種方式將IP數(shù)據(jù)包封裝到TS包中。沒有經(jīng)過雙向改造之前的MPEG－2 TS網(wǎng)絡(luò)只能單向傳輸，因此IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是單向服務(wù)的。IP數(shù)據(jù)包封裝器接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀或其他IP數(shù)據(jù)，將接收到數(shù)據(jù)作為PDU，添加一定格式的包頭和包尾，成為子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元SNDU，然后封裝到MPEG－2 TS包的有效負(fù)載部分。

使用MPEG－2 TS網(wǎng)絡(luò)可以傳送IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以把MPEG－2 TS網(wǎng)絡(luò)看成整個IP網(wǎng)絡(luò)的一跳。基于DVB的MPEG－2 TS網(wǎng)絡(luò)對提供IP業(yè)務(wù)服務(wù)也可以采用多播的形式，這時需要在IP數(shù)據(jù)頭進(jìn)行多播定義［3］。通過MPEG－2 TS網(wǎng)絡(luò)提供IP業(yè)務(wù)在衛(wèi)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(shù)據(jù)

Internet可提供的DVB業(yè)務(wù)包括:直播形式的多媒體業(yè)務(wù)(電視，無線電形式)，具有可控功能的多媒體業(yè)務(wù)(快進(jìn)，停止，后退)，內(nèi)容點(diǎn)播業(yè)務(wù)，內(nèi)容下載業(yè)務(wù)。［6］MPEG－2 TS包可以通過實時傳輸協(xié)議(RTP)和直接用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)兩種方式封裝到IP數(shù)據(jù)包上。文獻(xiàn)［5］詳細(xì)定義了如何在Internet網(wǎng)上提供DVB業(yè)務(wù)，包括雙向IP網(wǎng)絡(luò)傳遞基于MPEG－2 TS的DVB業(yè)務(wù)，雙向IP網(wǎng)絡(luò)的DVB業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)選擇機(jī)制，RTSP協(xié)議控制內(nèi)容點(diǎn)播服務(wù)，多播方式傳輸內(nèi)容，家庭網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備分配IP地址，文件上傳系統(tǒng)，遠(yuǎn)程管理和固件升級，文件下載push和pull機(jī)制。

3　基于廣播電視網(wǎng)的VoD方案［7］

假設(shè)將550 MHz到750 MHz之間的200 MHz帶寬完全分配給數(shù)字電視業(yè)務(wù)。MPEG－2編碼數(shù)字電視節(jié)目，復(fù)用設(shè)備將10套節(jié)目流復(fù)用成一個傳輸流，并以64-QAM方式調(diào)制，所需要的信道帶寬是8 MHz?？紤]到各傳輸流之間的帶寬間隔保護(hù)，200 MHz的帶寬可以同時傳輸:套電視節(jié)目。

目前用于傳輸數(shù)字電視業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為環(huán)形和樹形。以3層樹枝結(jié)構(gòu)分析，可將一個地區(qū)的覆蓋分為城市結(jié)點(diǎn)，分區(qū)結(jié)點(diǎn)，街道結(jié)點(diǎn)。在VoD點(diǎn)播模型中，視頻點(diǎn)播請求處理主要步驟為:

步驟1:用戶點(diǎn)播一個視頻，客戶端通過回傳信道將請求點(diǎn)播消息發(fā)送給服務(wù)器。

步驟2:服務(wù)器偵聽到請求點(diǎn)播消息，根據(jù)被請求的視頻標(biāo)識符從視頻數(shù)據(jù)庫中尋找相應(yīng)的視頻。

步驟3:服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)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(dāng)前的視頻，分配相應(yīng)的帶寬去傳送。如果沒有足夠的帶寬去傳送當(dāng)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(shè)［8］(圖4.2):

(1)每秒有λ個VoD請求到達(dá)，符合泊松到達(dá)過程。

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

(3)等待請求的排隊隊列緩存足夠大，服務(wù)器永遠(yuǎn)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(yōu)先級的，服務(wù)器對每個用戶請求的響應(yīng)是公平的。

(6)服務(wù)器在某一時間點(diǎn)可用于VoD服務(wù)的頻道數(shù)是N。

(7)每個VoD服務(wù)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(diào)度規(guī)則是先到先服務(wù)(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(tǒng)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(jìn)行VoD點(diǎn)播模型分析，假定南京城區(qū)人口有1 912 000，可以劃分為6個主要城區(qū):下關(guān)、玄武、鼓樓、建鄴、白下、秦淮，每個城區(qū)又可劃分為6個街道，每街道分配一個服務(wù)器，同一街道的用戶請求由此服務(wù)器來調(diào)配。以三口之家為例，每服務(wù)器的平均有用戶數(shù):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(wù)時間為512 s/部，一周平均每個家庭收看4部電影。用戶到達(dá)率，信道資源利用率為:ρ=λTS/N = 0.300≤1，用戶點(diǎn)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(diǎn)播等待概率為:Erlang C= 0.282，點(diǎn)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(shè)計一個M/M/N隊列仿真系統(tǒng)，以每個街道分配一個服務(wù)器，一部電影平均服務(wù)時間512 s，用戶請求的泊松到達(dá)率0.117。

用戶點(diǎn)播一個節(jié)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(shù)字電視信道帶寬給VoD系統(tǒng)使用戶等待時間過短有點(diǎn)浪費(fèi)，也是不可取的。一般用戶能容忍5 s左右的點(diǎn)播等待時間，同時設(shè)計一個系統(tǒng)都會追求信道利用率在90%以上。圖1反映了分配信道數(shù)與平均等待時間的關(guān)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(shù)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(shù)與平均等待時間

圖2　分配信道數(shù)與等待時間少于5 s的概率

4　基于數(shù)字電視廣播網(wǎng)與Internet的數(shù)據(jù)傳輸方案

傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可主要分為:(1)數(shù)字電視直播節(jié)目數(shù)據(jù); (2)多媒體點(diǎn)播可控節(jié)目數(shù)據(jù);其他非視頻類數(shù)據(jù)。數(shù)字電視廣播網(wǎng)與Internet融合后，可設(shè)計一個高效的數(shù)據(jù)傳輸方案:根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，兩網(wǎng)的信道帶寬負(fù)載情況和被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱度來選擇傳輸網(wǎng)絡(luò)。

視頻類數(shù)據(jù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)所保證的數(shù)據(jù)正確率要求較高，可以容能一定的網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動。數(shù)字電視廣播網(wǎng)采用廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，視頻傳輸實時性能好，傳輸質(zhì)量高，但是封裝的數(shù)據(jù)格式有一定的限制，只能傳輸MPEG－2和MPEG－4等格式的數(shù)據(jù)包，客戶端構(gòu)建交互式程序較復(fù)雜。Internet的TCP/IP以IP數(shù)據(jù)包封裝上層數(shù)據(jù)，上層數(shù)據(jù)格式無限制，且有比較成熟的路由差錯控制等協(xié)議，客戶端與服務(wù)器的交互應(yīng)用方面有許多成熟的技術(shù)，但是對視頻的傳輸質(zhì)量和服務(wù)性能不及廣播網(wǎng)傳輸。

根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)決定選擇傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級基本原則:

(1)視頻類內(nèi)容優(yōu)先選擇數(shù)字電視廣播網(wǎng)。當(dāng)數(shù)字電視廣播網(wǎng)的信道帶寬不足時，選擇Internet傳輸。

(2)非視頻內(nèi)容優(yōu)先選擇Internet。當(dāng)Internet的信道帶寬不足時，并且請求同一傳輸內(nèi)容的用戶與網(wǎng)絡(luò)所覆蓋用戶之比達(dá)到一定比率時，選擇數(shù)字電視廣播網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

圖3中，系統(tǒng)框圖的核心部分是網(wǎng)絡(luò)選擇模塊，它將根據(jù)傳送數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用戶點(diǎn)播數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況選擇所要傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)類型。在分析文獻(xiàn)［9－10］基礎(chǔ)上，本文將提出針對VoD系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(shù)，c是歸一化系數(shù)，一般取θ=0.271來描述［10］。

假設(shè)數(shù)字電視網(wǎng)分配給VoD系統(tǒng)的信道帶寬為B，從B中預(yù)留帶寬Br用于視頻的可控處理，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的負(fù)債帶寬為Bt，傳輸一部電影需要的信道帶寬為b。

當(dāng)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(xù)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(yù)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(jī)制，當(dāng)VoD服務(wù)器偵聽到用戶點(diǎn)播電影i時，需要等待T時間后再選擇傳輸網(wǎng)絡(luò)。如果T時間內(nèi)有相同的電影i被點(diǎn)播，那么將計數(shù)器Ci增加1。當(dāng)?shù)却齌時間到達(dá)后，根據(jù)計數(shù)器Ci與預(yù)設(shè)的門限值α比較結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載情況選擇網(wǎng)絡(luò)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(shù)字電視廣播網(wǎng)傳輸。

如果條件1成立，條件2不成立，網(wǎng)絡(luò)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(shù)字電視廣播網(wǎng)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(jié)約數(shù)字電視廣播網(wǎng)的帶寬，選擇Internet傳輸。

圖3　兩網(wǎng)融合之后的發(fā)送端系統(tǒng)框圖

5　總結(jié)

數(shù)字電視廣播網(wǎng)可以傳輸非視頻類數(shù)據(jù)，Internet可以傳輸視頻數(shù)據(jù)。本文用M/M/N排隊論模型分析了VoD系統(tǒng)應(yīng)用于南京城市的可行性與性能:為每個街道分配一個VoD點(diǎn)播服務(wù)器和用戶點(diǎn)播后平均等待服務(wù)時間。然后提出廣播電視網(wǎng)和Internet融合之后的數(shù)據(jù)傳輸方案，并設(shè)計了VoD系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)選擇模塊算法，對于兩網(wǎng)融合之后的網(wǎng)絡(luò)選擇模塊算法需要通過模擬仿真分析，以驗證和改進(jìn)算法。

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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(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0935－04