新一代融合媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

張文軍，管云峰，何大治，陳智勇，宋利，徐異凌，夏斌

（上海交通大學(xué)未來(lái)媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

1 引言

智能終端的迅速普及使媒體的呈現(xiàn)形式越來(lái)越多樣化，面對(duì)靈活多樣的媒體信息，未來(lái)的媒體網(wǎng)絡(luò)將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。媒體形式已從傳統(tǒng)的文本、音頻、圖片、視頻過(guò)渡到數(shù)據(jù)量更高的高清（HD,high definition）、超高清（UHD,ultra high definition）視頻等。與此同時(shí)，能給用戶(hù)帶來(lái)沉浸式體驗(yàn)的3D 視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR,virtual reality）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR,augmented reality）等媒體業(yè)務(wù)正快速融入人們的生活。據(jù)預(yù)測(cè)，從2016—2021 年，移動(dòng)視頻流量將增長(zhǎng)9 倍，占據(jù)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量總量的78%[1]。如此巨大的媒體信息流量對(duì)下一代媒體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力、靈活性、可控性、交互性都提出了更高的要求[2]。

媒體業(yè)務(wù)的重要驅(qū)動(dòng)力是不斷提升用戶(hù)體驗(yàn)（QoE,quality of experience），涉及媒體數(shù)據(jù)的表示、生產(chǎn)、分發(fā)、呈現(xiàn)等全鏈路。以超高清視頻為例[3-4]，其數(shù)據(jù)表達(dá)和呈現(xiàn)范圍在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、幀速率、量化和色域5 個(gè)方面都做了擴(kuò)展，如圖1 所示。超高清視頻的分辨率以4K 起步，邁向8K，支持在大屏上展示更清晰的圖像細(xì)節(jié)；而高幀率（100 frame/s 或120 frame/s）則帶給用戶(hù)更流暢的觀影體驗(yàn)。高動(dòng)態(tài)和寬色域組合（HDR&WCG,high dynamic range &wide color gamut）能提供更加豐富的亮度、層次和色彩表現(xiàn)力，并將單像素量化深度從8 bit 擴(kuò)展到10～12 bit。因此，從高清提升至超高清，單一視頻數(shù)據(jù)量將增加約10～50 倍，這無(wú)疑給生產(chǎn)和分發(fā)環(huán)節(jié)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

視頻編碼技術(shù)作為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的重要方式，經(jīng)歷MPEG-2、H.264/AVS、HEVC/AVS2 三代標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，壓縮性能基本遵循倍指數(shù)規(guī)律（即壓縮比上一代翻倍）。最新的編碼標(biāo)準(zhǔn) AV1、AVS3、VVC 等也并未突破這一規(guī)律，考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，壓縮性能的提升將更不明顯，因此，單純依靠壓縮技術(shù)的進(jìn)步難以匹配數(shù)據(jù)量的快速增長(zhǎng)[5-6]。

另一方面，新型媒體交互技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自由視、點(diǎn)云、光場(chǎng)、全息等的發(fā)展，帶來(lái)了提升QoE 的新維度——沉浸性與交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)視頻通過(guò)頭戴設(shè)備，為用戶(hù)提供360°沉浸式觀看體驗(yàn)，在體育賽事直播、游戲等場(chǎng)景中帶來(lái)身臨其境的感受。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)通過(guò)智能眼鏡，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)、在線(xiàn)示教等，為用戶(hù)帶來(lái)直觀的增強(qiáng)體驗(yàn)。自由視、點(diǎn)云、光場(chǎng)和全息則進(jìn)一步提升交互的自由度，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的三維重現(xiàn)和六自由度觀察。參照GSMA Intelligence 對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下“帶寬-時(shí)延”需求坐標(biāo)圖[7]，按照沉浸性和交互性的維度劃分，將當(dāng)前和未來(lái)主要的視頻服務(wù)形態(tài)映射到不同的位置，如圖2 所示。沿著沉浸式維度演進(jìn)，媒體表示的數(shù)據(jù)量激增，對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了高通量的傳輸需求；視頻服務(wù)也從弱交互走向強(qiáng)交互，必然需要傳輸網(wǎng)絡(luò)提供超低時(shí)延保障。從媒體服務(wù)的視角出發(fā)，綜合考慮承載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)特點(diǎn)，提出“基本視頻”和“增強(qiáng)視頻”的概念，將現(xiàn)有廣播網(wǎng)和通信網(wǎng)能夠提供較好QoE 保障的視頻類(lèi)服務(wù)（如圖2 中虛線(xiàn)框所示）歸為基本視頻；而將包括超高清、自由視、點(diǎn)云、VR/AR 等的新媒體服務(wù)歸為增強(qiáng)視頻。這種服務(wù)分級(jí)的概念與 IP 網(wǎng)絡(luò)區(qū)分服務(wù)DiffServ）、5G 網(wǎng)絡(luò)切片相適配，也考慮到增強(qiáng)類(lèi)服務(wù)部署的性?xún)r(jià)比和前向兼容性。在媒體網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的過(guò)程中，通過(guò)融合、優(yōu)化現(xiàn)有媒體網(wǎng)絡(luò)資源，在充分保障基本視頻服務(wù)體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展增強(qiáng)視頻的試驗(yàn)和部署。

圖1 與視頻質(zhì)量相關(guān)的因素

圖2 按沉浸性和交互性的強(qiáng)弱，將視頻服務(wù)分為“基本視頻”和“增強(qiáng)視頻”

進(jìn)一步提升QoE 還需從媒體內(nèi)容本身考慮，這將提出“智能化”新需求[8]。一方面，通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)畫(huà)像和行為分析，為不同用戶(hù)提供定制個(gè)性化內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)“千人千影”觀看體驗(yàn)。另一方面，通過(guò)內(nèi)容感知和智能關(guān)聯(lián)，不斷豐富媒體中的元數(shù)據(jù)，提升交互維度，支持用戶(hù)多種模態(tài)地與媒體內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全新的觀看體驗(yàn)。

綜上所述，未來(lái)融合媒體服務(wù)提出了更高的QoE 需求，驅(qū)動(dòng)承載媒體服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)不斷演進(jìn)，走向高通量、強(qiáng)交互、低時(shí)延和智能化的新業(yè)態(tài)。本文首先回顧媒體網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已有的2 個(gè)階段（獨(dú)立演進(jìn)和初步融合），重點(diǎn)論述了應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)需求和關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)而提出了具備“物理層全覆蓋、協(xié)議層全融合、通信計(jì)算全協(xié)同”特性的新一代融合媒體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 媒體網(wǎng)絡(luò)1.0：獨(dú)立演進(jìn)

從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，數(shù)字電視廣播首先成為提供大范圍視頻媒體服的主要方式。數(shù)字電視廣播系統(tǒng)大致可以分為“臺(tái)”“網(wǎng)”和“端”3 個(gè)部分，如圖3 所示。

“臺(tái)”主要是指電視臺(tái)和信息服務(wù)提供商，通過(guò)攝/錄像機(jī)、后期制作、編碼器和復(fù)用器組成視頻服務(wù)器或者直播服務(wù)器，為觀眾提供錄制/直播電視節(jié)目?！熬W(wǎng)”承擔(dān)著內(nèi)容傳輸和網(wǎng)絡(luò)控制的功能，通過(guò)將電視節(jié)目進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝和復(fù)用后映射到實(shí)際的物理幀，結(jié)合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)傳輸手段（有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)和衛(wèi)星）實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目的分發(fā)傳輸?！岸恕敝饕峭ㄟ^(guò)電視機(jī)和機(jī)頂盒，將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾娨暪?jié)目呈現(xiàn)給觀眾。數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是可以通過(guò)單頻組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的大范圍播發(fā)，但無(wú)法進(jìn)行雙向交互，所以其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更注重提高傳輸效率和服務(wù)品質(zhì)。

圖3 數(shù)字電視廣播網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

從21 世紀(jì)開(kāi)始，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始逐步提供視頻服務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由信號(hào)源、骨干網(wǎng)、傳輸網(wǎng)（包括核心網(wǎng)和接入網(wǎng)）和智能終端組成。為了更好地應(yīng)對(duì)大流量的視頻服務(wù)，4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：1)實(shí)現(xiàn)全面分組化，所有業(yè)務(wù)由分組域?qū)崿F(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率得到提升；2)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基站eNode B 直接與核心網(wǎng)直連，信息轉(zhuǎn)發(fā)效率得到改善；3)數(shù)據(jù)全I(xiàn)P 化，模塊接口相互統(tǒng)一，不同網(wǎng)絡(luò)融合成為可能。

在即將到來(lái)的5G 移動(dòng)通信網(wǎng)中，由于基站的小型化、部署的密集化，接入網(wǎng)將采用C-RAN 等新型架構(gòu)；核心網(wǎng)也會(huì)引入SDN、NFV 來(lái)進(jìn)一步提高靈活性，以實(shí)現(xiàn)控制平面和用戶(hù)平面分離、硬件和軟件解耦、網(wǎng)絡(luò)切片等特性[9]，可以為用戶(hù)提供更大容量、更低時(shí)延和更多連接的視頻服務(wù)。總的來(lái)說(shuō)，與數(shù)字電視廣播相比，移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更注重提高靈活性和個(gè)性化，如圖4 所示。

過(guò)去20 年，數(shù)字電視廣播和移動(dòng)通信都積累了大量特定的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大范圍的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署，為用戶(hù)提供了媒體服務(wù)。但2 種網(wǎng)絡(luò)始終都在獨(dú)立和并行地發(fā)展，因其應(yīng)用需求的差異，數(shù)字電視廣播和移動(dòng)通信在網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋面、數(shù)據(jù)速率、移動(dòng)性支持等方面有較大差異。

3 媒體網(wǎng)絡(luò)2.0：初步融合

隨著視頻內(nèi)容流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)與網(wǎng)絡(luò)傳輸需求、用戶(hù)終端的多元化，傳統(tǒng)媒體網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立并行發(fā)展模式已不能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于內(nèi)容的高通量及個(gè)性化消費(fèi)要求。融合媒體網(wǎng)絡(luò)，綜合利用廣播和寬帶網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，成為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸、滿(mǎn)足用戶(hù)泛在化消費(fèi)需求的有效途徑：無(wú)線(xiàn)廣播網(wǎng)擁有較高并且穩(wěn)定的傳輸帶寬，可推送高碼率視頻；移動(dòng)通信網(wǎng)可以根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求的方式來(lái)發(fā)送，使用戶(hù)得以獲取定制化內(nèi)容[10]。這種直接利用廣播與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)各自傳輸優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)融合嘗試，被稱(chēng)為媒體網(wǎng)絡(luò)2.0。

過(guò)去5 年，網(wǎng)絡(luò)融合在協(xié)議層實(shí)現(xiàn)了突破，在沒(méi)有改變廣播與寬帶各自傳輸層架構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)上的融合，即用戶(hù)能夠在點(diǎn)播各種網(wǎng)絡(luò)視頻的同時(shí)也能享受高質(zhì)量廣播服務(wù)[11]。以歐洲為代表的數(shù)字電視運(yùn)營(yíng)商，以“電視”向“互聯(lián)網(wǎng)”靠攏為宗旨，從數(shù)字電視運(yùn)營(yíng)中發(fā)展增值業(yè)務(wù)，并推出基于中間件平臺(tái)兼容互聯(lián)網(wǎng)（寬帶）架構(gòu)的雙模業(yè)務(wù)系統(tǒng)——HbbTV[12]，綜合增強(qiáng)互動(dòng)電視業(yè)務(wù)的信令設(shè)計(jì)、傳輸方式和呈現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了廣播服務(wù)與寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的無(wú)縫封裝。但其缺少對(duì)多終端服務(wù)的支持，無(wú)法解決多終端、多網(wǎng)絡(luò)之間呈現(xiàn)同步的問(wèn)題，在一定程度上影響了媒體服務(wù)的質(zhì)量。Google公司在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器架構(gòu)上形成了GoogleTV[13]，整合了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、媒體播放與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但其沒(méi)有支持廣播通道的數(shù)字電視協(xié)議，難以被數(shù)字電視運(yùn)營(yíng)商接收并用來(lái)開(kāi)展增值業(yè)務(wù)。

為了更好地綜合利用廣播和寬帶網(wǎng)各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同傳輸，為用戶(hù)提供更加靈活高效的媒體服務(wù)，設(shè)計(jì)更具兼容性和靈活性協(xié)議層成為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合的首要目標(biāo)。新一代的智能媒體傳輸（SMT,smart media transport）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)廣播與寬帶網(wǎng)媒體資源協(xié)同傳輸與呈現(xiàn)[14]，如圖5 所示。首先，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)媒體封裝格式不統(tǒng)一，采用融合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型，對(duì)媒體內(nèi)容的碎片化處理，進(jìn)行多源媒體統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)了多組件內(nèi)容的靈活存儲(chǔ)與傳輸。然后，針對(duì)單向和雙向通道，傳輸模型可以高效響應(yīng)服務(wù)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容組件間無(wú)縫切換。最后，針對(duì)多終端多源內(nèi)容同步呈現(xiàn)場(chǎng)景，呈現(xiàn)模型能夠按照信令信息來(lái)組合媒體服務(wù)，一方面提供媒體數(shù)據(jù)在終端正確解碼處理的提示信息，另一方面在空間布置和時(shí)域更新上為不同終端提供媒體呈現(xiàn)策略，實(shí)現(xiàn)多源內(nèi)容在多終端上的靈活組織與精準(zhǔn)同步。

圖4 移動(dòng)通信網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

圖5 SMT 與HbbTV 的系統(tǒng)對(duì)比

隨著融合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展和各項(xiàng)應(yīng)用的成功落地，融合網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供了大流量、可交互、低時(shí)延視頻服務(wù)，但其在有效利用帶寬、合理分配網(wǎng)絡(luò)資源等方面還存在局限性，因此需要發(fā)展進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)。

4 媒體網(wǎng)絡(luò)3.0：全面融合

媒體網(wǎng)絡(luò)2.0 實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)廣播網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)在協(xié)議層面上的初步融合，提供了以連接和交互為目標(biāo)的高效媒體服務(wù)。隨著新一輪移動(dòng)信息浪潮的到來(lái)，媒體內(nèi)容多樣化、媒體平臺(tái)復(fù)雜化及媒體呈現(xiàn)多元化，媒體網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)迫切需求打造廣播與蜂窩、信息和網(wǎng)絡(luò)全面深度融合的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖6 所示，此為媒體網(wǎng)絡(luò)3.0。

4.1 物理層全覆蓋

圖6 廣播與蜂窩全面融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

利用已有地面無(wú)線(xiàn)廣播網(wǎng)和移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同覆蓋是實(shí)現(xiàn)信號(hào)全覆蓋的主要途徑?；诨镜难葸M(jìn)型多媒體廣播/多播業(yè)務(wù)（eMBMS,evolved multimedia broadcast multicast service）已經(jīng)在3GPP 中得到制定，該方案可以對(duì)抗200 μs 長(zhǎng)度的多徑，站間距達(dá)到60 km，能夠與現(xiàn)有地面廣播形成協(xié)同覆蓋。目前基于eMBMS 有3 個(gè)方向的全覆蓋研究[15]：1)Reimers 教授提出的Tower Overlay方式[16]，在不影響傳統(tǒng)廣播電視的前提下，利用DVB-T2 的擴(kuò)展幀來(lái)發(fā)射eMBMS 廣播信號(hào)實(shí)現(xiàn)大范圍集中廣播業(yè)務(wù)的流量分擔(dān)[17]；2)我國(guó)提出的先進(jìn)交互式廣播（AIB,advanced interactive broadcasting）[18-19]方案和歐洲的5G-Xcast 項(xiàng)目[20]，都在圍繞多小區(qū)的混合廣播（MC-MM,multi-cell mix mode）進(jìn)行研究，即根據(jù)需求，靈活利用地面廣播、eMBMS 的基站廣播和單小區(qū)廣播（SC-PTM,single cell point to multipoint）進(jìn)行混合廣播；3)羅德與施瓦茨公司參與的5G-Today 項(xiàng)目，專(zhuān)注于eMBMS方案的參數(shù)改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)，即進(jìn)一步演進(jìn)的多媒體廣播多播業(yè)務(wù)（FeMBMS,further evolved multimedia broadcast multicast service）[21]。在上述研究中，基于混合廣播的技術(shù)研究成果最為期待，該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)真正意義上的信號(hào)全覆蓋。

除了信號(hào)全覆蓋外，還需要構(gòu)建物理層的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中傳播內(nèi)容與傳輸網(wǎng)絡(luò)之間耦合關(guān)系較弱，媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 需要充分挖掘兩者之間的內(nèi)在屬性，重新組織和設(shè)計(jì)適配內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。一方面，媒體內(nèi)容具有高度的分集特征，如聚集性、模塊化、時(shí)效性等，在同等比特信息下給用戶(hù)群體帶來(lái)的價(jià)值不盡相同。另一方面，多元格局下的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在傳輸形態(tài)（如蜂窩、廣播、Wi-Fi等）、存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力及復(fù)雜度上都存在巨大差異。所涉及的媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 架構(gòu)（如圖6 所示），通過(guò)對(duì)媒體內(nèi)容特征的解析，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的異構(gòu)多集優(yōu)勢(shì)，協(xié)同邊緣存儲(chǔ)與計(jì)算資源對(duì)媒體內(nèi)容的差異化分流及管理，實(shí)現(xiàn)媒體內(nèi)容與傳輸網(wǎng)絡(luò)的適配，并最終獲得內(nèi)容傳播效率質(zhì)的突破。

4.2 協(xié)議層全融合

協(xié)議層全融合目的是在包容異構(gòu)性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、高效的通信服務(wù)，以節(jié)省開(kāi)支并充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源。融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與現(xiàn)有的通信系統(tǒng)相比，支持的業(yè)務(wù)更加多樣化，通過(guò)多種接入技術(shù)并存、協(xié)同工作，支持終端移動(dòng)性，提供可信任有保障的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的無(wú)縫切換與漫游。這對(duì)協(xié)議層全融合提出了更高的要求。在協(xié)議棧的各個(gè)層次，各種接入網(wǎng)絡(luò)存在差異，協(xié)議層融合必須解決網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層次的差異性問(wèn)題。當(dāng)多種接入網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)，通過(guò)統(tǒng)一的承載協(xié)議完成各種接入網(wǎng)絡(luò)之間的信息共享和資源的協(xié)同管理，提供高質(zhì)量保障的服務(wù)。

因此，媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 架構(gòu)需要建立支持媒體內(nèi)容提供者與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者之間的動(dòng)態(tài)協(xié)商機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多元融合網(wǎng)絡(luò)資源的有效控制，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)協(xié)同傳播。進(jìn)一步地，在包容異構(gòu)性的基礎(chǔ)上發(fā)揮各無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同配置和高效利用并重。

協(xié)議層全融合應(yīng)采用開(kāi)放的分層式架構(gòu)。為適應(yīng)高速數(shù)據(jù)處理并支持多通信接入技術(shù)并存下的復(fù)雜控制，協(xié)議層全融合需要支持?jǐn)?shù)據(jù)處理功能與控制功能分離。數(shù)據(jù)處理功能在原有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層及物理層的基礎(chǔ)上，增加了網(wǎng)絡(luò)通信聚合功能并提升網(wǎng)絡(luò)通信效能，如圖7 所示。

圖7 協(xié)議層全融合架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合傳輸，需要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的應(yīng)用層傳輸協(xié)議。該協(xié)議需具有以?xún)?nèi)容為核心的通用封裝單元，獨(dú)立可解、靈活關(guān)聯(lián)，并設(shè)計(jì)相關(guān)信令和控制機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)新媒體多源元素的靈活組合、協(xié)同傳輸、精準(zhǔn)呈現(xiàn)。同時(shí)，在鏈路層增加上層協(xié)議與下層技術(shù)的通信接口，對(duì)底層不同的接入技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，為上層提供統(tǒng)一的接口，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理。與傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源不僅包括頻譜，還包括信道編碼、發(fā)射功率、連接模式等，為此需要針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)有效的資源管理方式，目前較為成功的有聯(lián)合無(wú)線(xiàn)資源管理和多無(wú)線(xiàn)資源管理2種方法。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，端到端的服務(wù)不僅會(huì)跨越不同的網(wǎng)絡(luò)、采用不同的接入技術(shù)，而且不同網(wǎng)絡(luò)的QoS 支持能力與QoS 控制策略可能無(wú)法在服務(wù)發(fā)起前獲知，因此，QoS 管理需要提供基于IP的QoS 協(xié)商機(jī)制，不同網(wǎng)絡(luò)的QoS 信息能夠在同一體系中被表示與計(jì)算，并引入跨層的反饋交互機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的端到端QoS 保證。最后，針對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)接入問(wèn)題，許多研究者提出了隨機(jī)接入、高帶寬優(yōu)先接入等接入管理算法，但這些算法只考慮用戶(hù)端或總體網(wǎng)絡(luò)容量，缺乏對(duì)異構(gòu)資源影響的考慮。網(wǎng)絡(luò)接入管理算法需要細(xì)致分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)選擇的需求和特點(diǎn)，從多層協(xié)調(diào)的思想出發(fā)研究相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息模型。由于受各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特征的影響，需要引入多目標(biāo)決策理論，在有限資源的限制條件下找到一種平衡方案。

4.3 通信計(jì)算全協(xié)同

媒體網(wǎng)絡(luò)2.0 之前依靠通信擴(kuò)容手段來(lái)滿(mǎn)足多元化移動(dòng)媒體內(nèi)容流量的爆炸式增長(zhǎng)。受香農(nóng)容量的限制，通信擴(kuò)容的步伐越來(lái)越慢，所需成本越來(lái)越高。借助于媒體內(nèi)容對(duì)帶寬、計(jì)算與存儲(chǔ)高需求屬性，媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 通過(guò)基于通信與計(jì)算的深度融合，突破傳統(tǒng)的容量擴(kuò)展模式，運(yùn)用分布全網(wǎng)的多元、彈性計(jì)算和存儲(chǔ)資源，通過(guò)“以計(jì)算和存儲(chǔ)換帶寬”的架構(gòu)設(shè)計(jì)，突破海量媒體內(nèi)容移動(dòng)傳播的瓶頸，進(jìn)一步釋放媒體網(wǎng)絡(luò)通信潛能，提供可持續(xù)增長(zhǎng)的承載能力[22-23]。

因此，通信與計(jì)算全協(xié)同是媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 的核心功能。如圖8 所示，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC,mobile edge computing）將計(jì)算和存儲(chǔ)功能從云端下沉到移動(dòng)邊緣側(cè)，通過(guò)通信、計(jì)算和存儲(chǔ)三域資源的高效協(xié)同和配置，為高效廣域協(xié)同媒體內(nèi)容分發(fā)與傳輸提供更好的支持。具體來(lái)說(shuō)，邊緣內(nèi)容緩存技術(shù)極大地降低了內(nèi)容源節(jié)點(diǎn)與用戶(hù)節(jié)點(diǎn)間的連接限制，通過(guò)挖掘內(nèi)容屬性和用戶(hù)行為特征，支持動(dòng)態(tài)地將內(nèi)容緩存到網(wǎng)絡(luò)中的指定位置，賦予了媒體網(wǎng)絡(luò)3.0進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)更大的自由度，對(duì)解決網(wǎng)絡(luò)密集化所遇到的內(nèi)容回源、冗余傳輸、干擾管理等問(wèn)題具有巨大優(yōu)勢(shì)。邊緣媒體計(jì)算可以將媒體內(nèi)容下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)及終端設(shè)備，通過(guò)云、邊緣和終端計(jì)算資源的協(xié)同，可以大幅度降低無(wú)線(xiàn)帶寬需求，同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量需求。

在滿(mǎn)足8K 超高清、VR/AR 等對(duì)帶寬和計(jì)算資源均消耗巨大的增強(qiáng)視頻服務(wù)方面，通信與計(jì)算全協(xié)同技術(shù)潛力巨大。以VR 視頻為例，在保證端到端傳輸時(shí)延的基礎(chǔ)上，利用基站和終端協(xié)同計(jì)算能力可以顯著降低移動(dòng)VR 視頻傳輸所需帶寬。如圖9所示，相對(duì)于VR 視頻在基站邊緣完成渲染后傳輸?shù)浇K端的機(jī)制，將VR 視頻部分渲染任務(wù)卸載到終端，即基站與終端協(xié)同渲染的機(jī)制，可以節(jié)省大量的無(wú)線(xiàn)帶寬需求。仿真計(jì)算表明，在主頻為3 GHz的計(jì)算終端上，協(xié)同機(jī)制帶來(lái)67%的帶寬增益，即從260 MHz 帶寬消耗降低到85 MHz 帶寬消耗。該仿真結(jié)果表明了通信計(jì)算全協(xié)同在緩解媒體網(wǎng)絡(luò)空口流量壓力方面的巨大潛能。

圖8 基于MEC 的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖9 基站與終端協(xié)同計(jì)算能力換取通信帶寬需求性能

綜合上述物理層全覆蓋、協(xié)議層全融合和通信計(jì)算全協(xié)同，可以描繪出融合媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 下媒體內(nèi)容分發(fā)的未來(lái)圖景：富媒體節(jié)目由多個(gè)關(guān)聯(lián)的內(nèi)容模塊組成，各內(nèi)容模塊帶有流行度、時(shí)效性等屬性標(biāo)簽；當(dāng)用戶(hù)發(fā)起觀看請(qǐng)求，媒體網(wǎng)絡(luò)3.0 自動(dòng)地完成內(nèi)容模塊與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪m配，將流行度高的內(nèi)容通過(guò)廣播或多播推送，個(gè)性化的內(nèi)容通過(guò)單播方式傳送，并支持已被緩存的內(nèi)容在用戶(hù)間通過(guò)Wi-Fi/D2D 進(jìn)行分享；用戶(hù)無(wú)縫地接收來(lái)自不同傳輸通道的多個(gè)內(nèi)容模塊，在終端上完成按需組裝及同步呈現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

提供高質(zhì)量的融合媒體服務(wù)對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)廣播網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)提出新的挑戰(zhàn)，數(shù)字廣播和移動(dòng)通信的全面深度融合是有效的解決之道。通過(guò)物理層全覆蓋、協(xié)議層全融合和通信計(jì)算全協(xié)同，將有效發(fā)揮無(wú)線(xiàn)廣播網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)的各自?xún)?yōu)勢(shì)，構(gòu)建面向融合媒體的新一代媒體網(wǎng)絡(luò)。

此外，通過(guò)與不斷發(fā)展的人工智能技術(shù)相結(jié)合，新一代融合媒體網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步演化為服務(wù)所定義的網(wǎng)絡(luò)，具備“內(nèi)容感知網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)適配內(nèi)容”的新型媒體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。