虛擬化技術(shù)在電視播控系統(tǒng)中的應(yīng)用實踐

黃曉峰

摘 要：電視播控系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)電視播控環(huán)境緊密交互，本文根據(jù)電視播控系統(tǒng)與電視播控環(huán)境交互的特點，研究其資源優(yōu)化和配置的方法，并運用虛擬化技術(shù)理論建立系統(tǒng)實時性、能耗等性能的自適應(yīng)優(yōu)化和資源配置的有效策略，為電視播控系統(tǒng)的發(fā)展提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)支持。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；電視播控系統(tǒng)；應(yīng)用

1.電視播控系統(tǒng)的研究背景及意義

近年來，無線通信、傳感器、虛擬化技術(shù)等的進(jìn)步使信息系統(tǒng)得到了前所未有的發(fā)展，然而，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各主要領(lǐng)域，播控基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)往往是分開進(jìn)行的。一方面，人們不斷地建設(shè)和完善電視播控系統(tǒng)，另一方面，人們也不遺余力地發(fā)展數(shù)據(jù)中心、個人電腦和寬帶網(wǎng)絡(luò)等信息世界，信息世界和現(xiàn)實生活世界割裂開來。而國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對信息系統(tǒng)早已提出了更高的要求，現(xiàn)代科技的發(fā)展要求將計算技術(shù)拓展到整個人類活動的空間，將人類的電視播控世界計算化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，使信息系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)整合統(tǒng)一成為電視播控系統(tǒng)。

電視播控系統(tǒng)的重要特性是與電視播控環(huán)境緊密交互，其應(yīng)用任務(wù)的臨界性（Criticality）通常對電視播控系統(tǒng)的精度、能耗、實時性、組網(wǎng)可靠性、安全性、服務(wù)質(zhì)量等性能指標(biāo)有著嚴(yán)格的要求。然而，也正是由于同電視播控環(huán)境的緊密結(jié)合，環(huán)境因素不可避免的影響傳感/執(zhí)行子系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)并且不斷產(chǎn)生變化，電視播控環(huán)境的不確定性（例如噪聲、傳輸介質(zhì)特性、地形、溫度等的變化）和系統(tǒng)自身的誤差給整個系統(tǒng)的性能造成極大的影響。另一方面，由于市場和推廣的原因，電視播控系統(tǒng)通常采用大量低成本的非定制器件（Off-the-Shelf）來搭建和設(shè)計，系統(tǒng)資源非常有限。難以使用復(fù)雜的信號處理技術(shù)及優(yōu)化控制協(xié)議來克服電視播控環(huán)境變化和系統(tǒng)誤差帶來的影響。因此系統(tǒng)的性能保障問題正在成為電視播控系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的瓶頸，阻礙其大規(guī)模發(fā)展的步伐。電視播控系統(tǒng)企圖超越已有傳感網(wǎng)，在感知功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)感控功能，其研究涉及傳感、通信、計算、控制等多個科技領(lǐng)域。

2.虛擬化技術(shù)在電視播控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

2.1 電視播控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

電視播控系統(tǒng)在國內(nèi)外都是一個較新的研究方向，在國內(nèi)，何積豐教授和李建中教授已經(jīng)開展了電視播控系統(tǒng)的研究工作，對電視播控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)做了較為全面的研究綜述，蔣國平教授則將復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)及其同步機(jī)制等用于研究電視播控系統(tǒng)中的控制問題，國家自然科學(xué)基金已經(jīng)就電視播控系統(tǒng)的研究資助了多個項目。

在國外，不同側(cè)面的研究已經(jīng)展開，特別是在電視播控系統(tǒng)的應(yīng)用嘗試方面取得了較大的進(jìn)展。例如，將大規(guī)模數(shù)據(jù)服務(wù)中心視為一個復(fù)雜的電視播控系統(tǒng)，研究其中的能源管理策略；設(shè)計用于醫(yī)療領(lǐng)域的電視播控系統(tǒng)；用電視播控系統(tǒng)實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測；設(shè)計面向交通安全的電視播控系統(tǒng)，用于預(yù)測車輛的位置，從而避免發(fā)生碰撞等。這些研究工作有力地推動了電視播控系統(tǒng)的發(fā)展，然而，電視播控系統(tǒng)中的研究還剛剛開始，關(guān)于其合理的資源分配和調(diào)度來實現(xiàn)性能優(yōu)化的研究結(jié)果仍然不多。

2.2 電視播控系統(tǒng)中的能耗優(yōu)化的研究現(xiàn)狀

近年來，微電子技術(shù)、虛擬化技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量能量受限且配置有計算和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點組成的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點往往采用隨機(jī)部署，如通過飛機(jī)播撒或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域，通過無線通信向基站發(fā)送探測到的數(shù)據(jù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點一般依靠電池供電，其能量十分有限，而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，為傳感器節(jié)點替換電池是不可行的。因此，如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。基于以上的主要原因，以能耗和實時性為主要目標(biāo)的調(diào)度機(jī)制被廣泛的研究。

傳統(tǒng)的高性能計算領(lǐng)域通常將任務(wù)劃分為映射和調(diào)度兩個問題進(jìn)行研究，這樣的思想也被借鑒到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。Heemin Park 等提出適用于 Ad hoc 傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效型任務(wù)分配框架。該框架將優(yōu)化任務(wù)的分配和遷移用最小化代價函數(shù)來描述，函數(shù)反映了全網(wǎng)的節(jié)點能耗、時延和給定約束。整個算法包括兩個階段：在設(shè)計階段進(jìn)行集中式任務(wù)分解轉(zhuǎn)化和分配；在執(zhí)行任務(wù)階段，各節(jié)點執(zhí)行分布式任務(wù)遷移策略。Younis 等提出的一種任務(wù)分配優(yōu)化算法，主要關(guān)注全局任務(wù)在簇頭上的分配問題，通過提高簇頭的能量有效性，使全網(wǎng)的生存期得到延長。任務(wù)分配問題被建模成0-1非線性優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)是最大化所有簇頭的剩余生存期的權(quán)重之和。同時考慮通信時間、帶寬和能量的約束，設(shè)計了一種在線任務(wù)調(diào)度機(jī)制，用于在簇內(nèi)周期性應(yīng)用任務(wù)中分配網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的任務(wù)執(zhí)行頻率上限，優(yōu)化每個節(jié)點的任務(wù)頻率。然而，該機(jī)制并沒有把任務(wù)映射到傳感器節(jié)點上。更有研究提出一種分布式計算構(gòu)架，將任務(wù)分為兩級：傳感器節(jié)點的低級感知任務(wù)和簇頭的高級處理任務(wù)。但是高級處理任務(wù)可能超出簇頭的計算能力，而且算法的通用性不強(qiáng)。

2.3 虛擬化技術(shù)在電視播控系統(tǒng)性能優(yōu)化和資源分配中的應(yīng)用

在電視播控系統(tǒng)的研究中，采用虛擬化技術(shù)能有效的提高計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多性能保障的自適應(yīng)性。在嵌入式實時系統(tǒng)中，虛擬化技術(shù)可以利用系統(tǒng)中的動態(tài)反饋信息來調(diào)節(jié)工作負(fù)載，從而自適應(yīng)的保證實時系統(tǒng)的實時性能。例如歐洲國家使用了基于虛擬化技術(shù)的 CPU 利用率調(diào)節(jié)機(jī)制，該機(jī)制能有效的滿足分布式系統(tǒng)中端到端的時間約束。研究表明，利用虛擬化技術(shù)能在不可預(yù)知的環(huán)境中提供實時性能保障，在開放和未知的環(huán)境中的分布式嵌入式系統(tǒng)實時圖像傳輸機(jī)制，提出了滿足能耗約束條件下的多任務(wù)調(diào)度策略來控制多個執(zhí)行器的任務(wù)調(diào)度問題。圖1為虛擬化電視播控系統(tǒng)中視頻圖像處理框架圖。

除此之外，有學(xué)者設(shè)計了采集肌電生物信號來控制假肢的電視播控系統(tǒng)，并且引入了信任管理機(jī)制來克服電視播控環(huán)境和器件誤差造成的不確定性因素，并利用數(shù)據(jù)融合和虛擬化技術(shù)來改善系統(tǒng)的判斷準(zhǔn)確率。還有研究稱通過控制系統(tǒng)的利用率來提高系統(tǒng)的保真度。此外虛擬化技術(shù)在傳統(tǒng)的分布式的許多協(xié)議中發(fā)揮了重要的作用，例如 MAC通信協(xié)議，能量管理協(xié)議，和拓?fù)淇刂茀f(xié)議，這些工作對于本文的研究有借鑒意義。盡管大量的文章已經(jīng)使用虛擬化技術(shù)來改善傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的性能，但是在電視播控系統(tǒng)中利用虛擬化技術(shù)來合理的分配系統(tǒng)的資源這方面的研究結(jié)果仍然不多。

3.結(jié)語

由于電視播控系統(tǒng)與電視播控環(huán)境的緊密結(jié)合，增加和擴(kuò)展了電視播控系統(tǒng)的新功能，因此在安全、市政設(shè)施、能源、醫(yī)療、工業(yè)制造以及物流等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。但是電視播控系統(tǒng)要進(jìn)入實際的應(yīng)用還需要滿足許多性能的約束條件，例如：實時性、能耗、連接的可靠性、電視播控系統(tǒng)的保真度（Fidelity）等。為了滿足各種性能的約束條件，電視播控系統(tǒng)的各種性能優(yōu)化協(xié)議會互相搶占有限的系統(tǒng)資源，給多性能平衡和資源分配帶來挑戰(zhàn)。

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