（控制科学与工程专业论文）基于mpeg4dvb的vod系统关键技术及其实现研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着多媒体技术和网络技术的发展，广播电视网络的带宽资源利用率大幅提高，为在 d v b 广播网络上开展v o d 增值业务提供了条件。在基于d v b 标准的数字电视网络上开 展v o d 服务，需要解决一系列新的技术问题，如服务算法、v c r 策略等。 网络带宽和服务器性能是影响v o d 系统服务质量和规模的两个主要因素，高效实用 的服务算法是提高网络带宽和服务器性能的主要手段之一。本文根据目前d v b 数字电视 网络现状，综合了f a s t 算法和s t a g g e r e d 算法的特点，提出了一种实用的广播服务算法一 一f s b 算法。f s b 算法总体性能优于现有的同类服务算法，可根据客户端缓冲情况，提供 不同的服务质量。在f s b 算法基础上，我们还提出了一种用于现场直播、能自动适应节目 长度动态变化的改进算法一d - f s b 算法。 v c r 功能是衡量v o d 系统服务质量的重要指标，提供v c r 功能可获得令用户满意 的服务质量，是增强系统吸引力和竞争力的重要手段。本文在f s b 算法的基础上，探讨了 几种比较常用的v c r 策略。在f s b 算法、v c r 策略等基础上，本文构造了基于 m p e g 4 d v b 的v o d 原型系统，v 从而为系统的开发和实现提供了依据。 本文的研究成果将有助于提高v o d 系统的性能价格比，使服务提供者能获得更高的 规模效益，使用户能享受到更廉价和更高质量的服务，同时也为进一步的研究工作提供了 良好的理论和实践基础，具有一定的参考价值。 关键字：视频点播、m p e g 4 、d v i b 、服务算法、v c r 策略、原型系统、视频服务器 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l c g i e s ，t h e b a n d w i d t he f f i c i e n c yi sw i d e l yi m p r o v e d ，a n dt h i si sp r o p i t i o u st od e v e l o pt h ev o ds e r v i c eo n d v b b r o a d c a s t i n gn e t w o r k i tm u s tr e s o l v ep r o t o c o lo fs e r v i c ea n dv c rs t r a t e g yt oi m p r o v e s e r v e re f f i c i e n c ya n dc o n s m n e rq o s v o ds y s t e ma b i l i t yl i e so nn e t w o r kb a n d w i d t ha n ds e r v e re f f i c i e n c ym o s t l y , e f f e c t i v e b a n d w i d t h s h a r i n gp r o t o c o lc a ni m p r o v et h es e r v i c ea b i l i t ya n dq o so fv o ds y s t e mw i t h l i m i t e ds y s t e mr e s o u r c es i g n i f i c a n t l y o nt h eb a s eo fs t a g g e r e da n df a s tp r o t o c o l s ，an e w p r o t o c o li sp r o p o s e d ，n a m e d a sf a s ts t a g g e r e db r o a d c a s t i n gp r o t o c o l ( f s b ) t h ea n a l y t i cr e s u l t s h a v es h o w nt h a tt h ef s b p r o t o c o lo u t p e r f o r m so t h e re x i s t i n gs t r a t e g i e so nt h ec u r r e n tc o n d i t i o n s o n ee n h a n c e dp r o t o c o li sp r o p o s e db a s e do nf s b - - d y n a m i cf s bp r o t o c o l ，a n di ti sa p p l i c a b l et o p l a yl i v eb r o a d c a s t i n g v c ri st h ei m p o r t a n c es t a n d a r do fq o s i nv o d s y s t e m ，a n dc o n s u m e r s c a nb es a t i s f i e dt op r o v i d et h ev c rf u n c t i o n p a p e rs t u d i e saf e wc o m m o nv c rs t r a t e g i e s p r o v i d i n gv o ds e r v i c eo nd v b n e t w o r kh a sa t t r a c t e dl a r g en u m b e r so fs e r v i c ep r o v i d e r s a n dc o n s u m e r s w h a tw eh a v ed o n ea n dw h a tw ew i l ld on e x tw i l la d v a n c et h ev o da p p l i c a t i o n ， a n dp r o v i d eag o o dt h c o m t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rv o dr e s e a r c hb a s e do n m p e g 4 d v b k e y w o r d s ：v o d ，m p e g - 4 ，d v b ，p r o t o c o lo fs e r v i c e , v c rs t r a t e g y , p r o t o t y p es y s t e m ， v i d e os e r v e r 第h 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 - 1 本文组织结构图6 图2 - 1 基于m p e g 4 d v b 的v o d 结构图8 图2 2d v b s 数字电视网络系统9 图2 - 3 终端系统框图1 0 图2 4 节目访问概率分布。1 2 图2 5 最大等待时间一缓存关系图1 4 图2 - 6 最大等待时间一网络带宽关系图1 4 图3 - 1s t a g g e r e d 算法示意图1 6 图3 2s t a g g e r e d 算法分段表示1 7 图3 - 3 分段相等时缓存需求情况1 8 图3 - 4f a s t 算法示意图1 9 图3 5f a s t 算法改进过程2 0 图3 - 6 点播请求示意图一2 l 图3 7 算法连续性播放证明2 5 图3 8c p d 示意图2 7 图3 - 9 客户端缓存( 带宽) 需求变化图2 8 图3 1 0 缓存一等待时间图2 9 图3 1 1f s b 算法适应能力3 0 图3 1 2d - f s b 算法现场视频点播策略3 4 图3 1 3 用户接收现场类视频策略3 5 图4 1v c r 操作实现过程3 9 图5 - 1 原型系统总体结构一4 1 图5 - 2f s b 算法前端播放模块“ 图5 3f s b 算法存储类节目播放4 5 图5 - 4 现场直播类节目播放4 5 图5 5 数据源模块4 6 图5 - 6 码流服务器模块一4 7 图5 7 播控服务器模块4 9 图5 8f s b 算法终端接收模块5 0 图5 9 终端控制与接收模块5 1 图5 1 0 终端系统主界面及主要设备5 2 图5 1 1 点播节目信息5 3 第m 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 - 1 2 节目缓冲5 3 图5 - 1 3 节目播放5 4 附图1 基于d v b 框架的m p e g 2 传输流协议栈5 9 附图2d v b 数据广播协议和其他协议之间的关系6 0 附图3m p e g 4 系统结构6 2 表3 - 1f s b 算法在不同缓存下的m w t 与a w t 表3 - 2f s b s t a g g e r e d f a s t 算法m i 祝a i v r 比较 表3 - 3c s 。；c 8 与压缩标准之间的关系 第1 v 页 凹如驼 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着数字化、多媒体压缩技术以及网络传输技术的发展，广播电视网络的频谱资源利 用率大幅提高，这就为在广播电视网络上开展增值业务提供了条件。中央教育电视台( c e t v l 计划利用卫星数字电视网络向广大农村地区传送农业技术知识讲座、农产品供求信息、党 员干部培训课程、中小学课件以及视频节目等，终端用户根据需要，在任意时刻选择和收 看感兴趣的节目。为实现上述习标，需要在单向卫星数字电视网络中开展视频点播( r o d ： v i d e oo nd e m a n d ) 业务。 在单向卫星数字电视网络中开展v o d 服务需要巨大的存储容量、高的存储带宽和网 络带宽。如何在资源有限的情况下为用户提供更多高质量的视频节目，需要采取一定的措 施，这些措施主要包括：系统采用编码效率较高的m p e g 4 节目作为视频源、采用高效的 服务算法来提供资源利用率、采用v c r ( 交互性) 操作来提高系统的服务质量等。但在基于 d v b - s 标准的单向卫星数字电视网络上传输m p e g - 4 节目流，对v o d 系统结构、服务算 法及播放质量提出了新的要求，存在一系列的技术问题。解决这些问题对于促进全国教育 事业的快速发展，提高全民素质，配合国家实施“教育扶贫、科教兴国”的战略目标，具 有重大意义。 1 1 1 基本概念 1 视频点播( v o d ：v i d e oo nd e m a n d ) v o d 1 - 3 l 是一种多媒体网络服务，它使用户能够在任何时间通过网络访问任何多媒体 数据内容( 视频、音频、动画等) ，并能对使用过程施加控制。v o d 类似于p v r ( 个人视频 录像机) ，只不过节目内容存储在提供商的服务器上，而不是在客户端或者说用户设备中。 v o d 按照用户点播终端的形式可以分为两类： 基于计算机的v o d ：是指在计算机上通过视频播放器点播宽带网络传送来的视频 节目。 基于机顶盒( s t b ：s e tt o pb o x ) 的v o d n ：是指通过机顶盒将宽带隈络与电视机等 视频娱乐终端连接起来，让人们更舒适地欣赏视频娱乐节目。根据网络传输方式 的不同又可分为两类：基于砰机顶盒的v o d 和基于数字电视机顶盒的v o d 。 2 d v b 标准 数字电视( d t v ：d i g i t a lt 、1 是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数 字化的数字电视广播系统。目前数字电视尚无统一的国际标准，美国、欧洲和日本各自形 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 成了三种不同的数字电视标准。美国的标准是御r s c ( 先进电视制式委员会) ，欧洲的标准是 d v b ( 数字视频广播) ，日本的标准是i s d b ( 综合业务数字广播) 。 作为最早提出数字电视技术标准的国家和地区之一，欧洲首先考虑的是卫星信道，并 提出了相应的d v b s 标准。由于a t s c 标准不涉及卫星广播，所以几乎所有的卫星广播数 字电视系统都采用d v b s 标准。我国也选用了d v b s 标准( 参见附录1 ) 。 3 m p e g - 4 标准 m p e g 4 是用于甚低数码率的音视频编码标准( 参见附录2 ) ，相比m p e g - 1 m p e g 一2 ， m p e g 4 编码效率更高，而且支持将自然信息和合成信息进行组合，包括图像与自然景物、 合成声音与自然声音的组合，适合用于远程教育中课件的合成。 4 基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统 m p e g - 4o v e rd v b 是m p e g 4 d v b 的另一种表达形式，指的是在d v b 广播电视网络 上传送m p e g 4 码流。基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统指的是在基于d v b 广播电视网络 上开展v o d 服务，系统视频编码标准采用m p e g 一4 标准。 1 1 2 相关技术 基于m p e g - 4 d v b 的v o d 系统主要由前端系统、终端系统以及将它们连接起来的 d v b 数字电视网络系统组成。用户通过终端接收机进行点播，终端接收机根据用户的选择 过滤节目，客户端设备解压数据并将它播放出来。节日播放过程中，用户可以对节目进行 交互控制，如快进、慢放、倒放、定位和暂停等。 基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统是一种综合性应用，涉及许多相关技术，我们按其结 构将这些技术归为以下四类： 1 数据压缩与解压缩标准 5 捌：本文主要采用压缩效率较高的m p e g 4 标准f 7 j 。 2 视频服务器：视频服务器是整个v o d 应用系统的中心，它负责存储m p e g 4 数据 和发送连续的m p e g 4 数据流。视频服务器主要涉及以下技术； 实时任务调度：多媒体信息通常具有严格的时序性，因而要求对多媒体任务进行 实时调度。调度分为c p u 调度、磁盘调度和网络调度三种。实时任务调度的主要 目标是保证实时任务的调度时限。 服务算法：对于一个特定的v o d 系统，其资源总是有限的。通过节日流数据复用， 使多个用户能共享点播流的部分或全部数据，能降低每个用户请求的资源需求， 从而扩展系统服务规模。服务算法研究的主要问题就是实现简单而高效的带宽复 用策略，以有限的资源支持更多甚至无限的用户。 3 通信网络：采用基于d v b - s 标准的卫星数字电视网络来传输节目。 4 客户端技术：客户端主要完成数据的接收、解码和回放。在特定的服务算法和相 关应用下，还要有多流接收和数据缓存功能。考虑到农村地区用户的文化层次和投入成本， 终端设备主要采用数字机顶盒( s t b ：s e tt o p8 0 x ) 力n 电视机方案。 第2 页一 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 3 系统主要特点 基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统主要特点【8 9 】如下： 1 网络的单向性：数字电视系统一般是单向的，双向改造工程巨大，需要投入大量 的资金，短期内无法实现，只能开展单向的v o d 服务。 2 资源的高消耗：v o d 应用实际上是一种资源消耗型应用。区别于传统的计算型应 用和事务处理型应用，v o d 应用对计算能力的要求是次要的，而对存储容量、存储带宽、 内存、网络带宽等资源的要求是主要的，表现在以下几个方面： 巨大的存储容量：以8 0 0 k 码流的m p e g - 4 压缩视频流为例，一部6 0 分钟的节目， 大约需要4 0 0 m b 的存储容量。以系统无冗余地存储1 0 0 0 部电影节目计 算，即需要0 4 t b 的存储空间。 高存储带宽：仍以8 0 0 k 的m p e g 4 压缩视频流为例，以系统能同时支持1 0 0 0 条 并发流计算，需要的存储带宽为0 8 g b p s 。 高网络带宽：同对存储带宽的要求一样，若系统能同时支持1 0 0 0 条并发流访问， 需要的网络带宽为0 8 g b p s 。 内存：流数据在从磁盘读取后到从网络发送出去前，需要缓存在内存中，根据上 面的分析，显然大规模v o d 应用的内存需求非常高。 3 高q o s 要求：现行的各种视频压缩标准产生的视频流大都有严格的时序和数据率 要求，视频服务器在发送视频数据流时必须严格保证发送的实时性。此外v o d 应用在延 迟、抖动、丢包率等o o s 约束方面都有较高的要求。 4 长时间的持续服务：如果将w e b 页面浏览看作是文本或图片类信息的点播，一次 这样的点播服务持续的时间仅为几秒钟或几分钟。而在v o d 系统中，完接地点播个视 频文件，需要1 5 小时左右的时间。 5 可拓展性：应能满足现在和未来需要。 6 更多的节目选择：用户总是希望v o d 系统能够提供更多的节目，这也是增强系统 吸引力的重要途径之一。 基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统应用的以上特性和要求决定了必须开发适合特性的新 技术，这对现有的数字电视系统和d v b 数字电视网络技术提出了新的挑战。满足以上特 性的要求并解决与之相关的问题，对提供更好的v o d 服务具有非常重要的意义。 1 2 课题来源及选题依据 卫星广播具有信号稳定、快速便捷、使用方便、费用低廉、实用性强且不受地域和经 济条件的限制、覆盖范围广等特点，这些特点决定了基于卫星技术的现代远程教育在今后 将成为扩大教育规模和提高教育质量的重要形式，特别是对广大偏远农村地区，卫星远程 - 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 教育具有无可替代的优势。1 9 9 9 年至2 0 0 0 年，中央教育电视台( c e t v ) n 用远程教育卫星 网向广大农村地区的中小学传输多媒体课件。2 0 0 3 年，中组部利用远程教育卫星网对广大 农村地区的党员干部进行培训。2 0 0 5 年，中宣部、广电部、科技部计划利用远程教育卫星 网向广大农村地区提供更加丰富的视频服务，比如农业技术知识讲座、农产品供求信息、 党员干部培训课程、中小学课件以及视频节目等，广大农村地区用户根据需要，在任意时 刻选择收看感兴趣的节目。为实现上述目标，需要在单向卫星数字电视网络中开展v o d 业务。 农村地区用户的文化层次和生活水平较低，系统的前期投入要低，设备的操作耍简单 易学，因此，终端设备方案主要采用数字机顶盒加电视机方案。数字电视机顶盒是数字电 视系统中不可缺少的重要组成部分，它是普通电视与通信网络之间的桥梁，用户通过机顶 盒可在普通电视上收看高清晰度图像以及进行v o d 服务。2 0 0 3 年，教研室开展了 “m p e g - 4 d v b 数字机顶盒软件设计与开发”项目研发，结合实际的需要，我们开展了“基 于m p e g - 4 d v b 的v o d 系统关键技术及其实现”的研究课题。在d v b s 广播网络上开 展v o d 服务，存在一系列的技术问题，如服务算法、服务质量等，本文就是针对这些技 术问题开展研究工作。解决这些问题有助于提高v o d 系统的性能价格比，可使服务提供 者获得更高的规模效益，使用户享受到更廉价和更高质量的服务。 1 3 国内外研究现状 早在1 9 8 6 年，南贝尔( b e l ls o u t h ) 公司就开始进行了v o d 的有关试验【3 9 1 。1 9 9 3 年， n y n e x 公司也开始向曼哈顿居民提供他们的第一套实验性的v o d 系统。1 9 9 5 年，i b m 公 司宣布建立交互性解码系统( d a v i d ) ，作为v o d 的标准和开发平台。日本n e c 等公司开 发了大型的视频服务器，并在东京地区建设了大规模的v o d 试验平台。近些年，美国的 许多大计算机公司都已经涉足v o d 系统这一领域。目前，全世界已有1 7 个国家正在开发 v o d 业务，通过电话线向家庭提供v o d 服务，并打算将这个系统的规模拓展到上千家庭， 并开始商业化。 1 9 9 7 年，广东在全省建设了综合业务宽带网络，并于其上开展v o d 业务。1 9 9 9 年初， 四川省成都市开始试验基于机顶盒接收的有线电视业务，这个试验无疑对今后的v o d 系 统打下了良好的基础。2 0 0 1 年，派威科技公司开发了一种新型的实时v o d 及数字广播系 统。该系统可在现有有线电视网络中实现数字电视的接收和互动v o d 功能。这项技术使 得无需为了实现上行通道而投入大量资金进行网络双向改造工程，仅利用现有单向有线网 络就可以实现v o d 服务，但需要大容量存储设备以及内置电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 的机顶盒。派威v o d 点播技术节省了大量双向改造费用，但设备的前期投入极大地限制 着其推广。 随羞新一代数据压缩标准m p e g - 4 的逐渐成熟，m p e g 4 高压缩比以及基于对象的编 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 码方式等特点，使其适合于在任何平台、任何网络上对所有媒体的统一处理和传输，并可 以应用在传输、广播、查询等环境下。如今，m i c r o s o f t 、a p p l e 、r e a l n e t w o r k s 等各大公司 纷纷推出了符合m p e g 4 标准的流媒体软件系统，但在国内却鲜有公司研究和开发这一类 产品，对m p e g 4 应用的研究主要集中在网络直播、实时监控等领域，对于m p e g 4 在 d v b 广播网络上的应用研究较少。 1 4 1 研究目标和思路 1 4 本文的工作和预期研究成果 在d v b 数字电视网络中，开展基于m p e g 4 的v o d 服务有很大的优点，可以在带宽 资源一定的情况下为用户提供更多的节目和更好的视频质量。但在单向的数字电视网络中 开展v o d 服务是一个非常复杂的、需要逐步细化的过程，这一过程中主要面临以下几个 障碍： 1 现有客户端硬件条件不能满足传统v o d 服务算法的需要，比如客户端缓存容量在 3 2 m 一1 2 8 m ，而传统v o d 服务算法所需要的容量远大于这个值。 2 带宽资源利用率偏低，使得v o d 系统中可供用户选择的节目有限。 3 受互联网上的网上电视、网上直播等交互性视频业务的影响，人们对v o d 系统的 服务质量要求越来越高，比如人们希望在v o d 系统中可以有更多的v c r 操作以及可及时 收看到现场视频节目等。 4 对基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统研究不多，可供借鉴原型系统较少。 如何解决这些问题呢? 以下是论文研究工作时所采用的研究步骤： 1 了解课题的研究背景和研究意义( 第一章) ，对基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统结构 进行分析，了解现阶段基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统存在的主要问题涕二章) 。 2 通过查阅相关资料来认识基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统存在的主要问题，并针 对系统客户端硬件条件，给出系统带宽资源利用率、服务质量等关键性问题的改进策略或 解决方案f 第二、三、四章) 。 3 在解决了主要问题的基础上，构造基于m p e g - 4 d v b 的v o d 原型系统( 第五章) 。 1 4 2 主要工作和成果 本文的研究熏点是基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统关键技术研究及原型系统设计，其 研究成果具有显著的学术价值和经济效益，在数字电视行业上具有广阔的应用前景。可能 取得的研究成果如下： 1 通过对课题研究背景、研究现状、研究意义等的分析，理清基于m p e g 4 d v b 的 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 v o d 系统的基本原理及存在的主要阔题，指出课题研究的必要性。 2 指出广播服务算法、v c r 实现策略等是基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统存在的主 要问题：网络带宽和服务器性能是影响v o d 系统服务质量和规模的两个主要因素，高效 实用的服务算法是提高网络带宽和服务器性能的主要手段之一。v c r 功能是衡量v o d 系 统服务质量的重要指标，提供v c r 功能可获得令用户满意的服务质量，是增强系统实用 性和吸引力的重要手段。 3 提出了新的广播服务算法：针对现有广播服务算法并不能满足实际需要的现状， 通过对现有广播服务算法研究与对比分析，提出新的广播服务算法。新算法应能较好地适 应客户端硬件环境，应能较好地满足实际的需要。 4 提出v c r 操作的实现策略：v c r 功自b 可以提高v o d 系统服务质量，是增强系统 吸引力的重要途径，在新的广播服务算法的基础上，提出几种常用v c r 操作的实现策略。 5 构造基于m p e g - 4 d v b 的v o d 原型系统；原型系统是整个系统软件开发的基础， 在新的广播服务算法、v c r 实现策略的基础上，构造基于m p e g 4 d v b 的v o d 原型系统。 1 5 论文结构 本文共分六章，各章节的组织结构如图1 - 1 所示： 、一 国 图1 - 1 本文组织结构图 第一章：分析了本文研究背景、基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统的国内外研究现状及 主要存在问题，概要介绍了本文的工作。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章：分析了基于m p e g - 4 d v b 的v o d 系统的总体结构特征，对基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统的服务算法、v c r 策略等关键技术进行了分析。 第三章：针对现有广播服务算法不能满足当前系统需求的现状，在f a s t 算法和 s t a g g e r e d 算法的基础上，提出了一种新的服务算法快速交叉式广播服务算法( f s b l 。并 通过和现有较优的广播服务算法的比较，指出了f s b 算法的优点及不足。在f s b 算法基 础上，提出了一种用于现场直播、能自动适应节目长度动态变化的改进算法一动态f s b 算 法。 第四章：提供v c r 功能可获得令人满意的服务质量，是增强系统吸引力重要途径。 本章在f s b 算法的基础上，研究了几种比较常用v c r 操作的实现方法。 第五章：在f s b 算法等的基础上，采用模块化思想设计了基于m p e g 4 d v b 的v o d 原型系统。 第六章：总结论文，指出论文的主要贡献，并展望了下一步的研究工作。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统结构与关键技术研究 基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统融合了数字电视技术、数据压缩技术以及视频服务器 等技术，系统通常由三个部分构成：前端系统、终端系统和将它们连接起来的通信网络。 为了从整体上认识系统，我们需要了解如何在单向网络上开展v o d 报务、系统的各个组 成部分是如何协调运行的、以及还存在哪些亟待解决的技术难题? 为此，本章首先对基于 m p e g 4 d v b 的v o d 系统结构进行分析，然后对系统涉及的关键技术进行概述。 2 1 基于m p e g - 4 d v b 的v o d 系统结构 在双向网络上开展v o d 服务，客户端直接和服务器进行交互，由客户端发出点播请 求，服务器根据用户的点播请求及资源消耗情况作出响应，这是一种典型的c s 模式。在 数字电视系统上开展v o d 服务，由于目前数字电视系统是单向的，客户端无法和服务器 进行交互，系统是采取周期性广播相同节目的服务策略来实现v o d 服务的。很显然，用 户只能在服务器播放的节目范围内进行选择。 图2 - 1 为简化的基于m p e g - 4 d v b 的v o d 系统的结构框图。整个v o d 系统主要由 三部分组成：前端系统、传输网络和终端系统组成。 2 1 1 前端系统 图2 - 1 基于m p e g - 4 ，d 的v o d 结构图 前端系统是整个v o d 系统的核心，主要设备和功能模块包括：m p e g - 4 节目源、 m p e g 4 码流服务器、播控服务器、d v b 数据打包器、业务信息编辑器等。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 码流服务器：v o d 系统的核心，主要完成节目流数据的获取、分段和传送功能。 播控服务器：主要完成节目信息管理、编排、更新等。 m p e g 一4 节目源：为v o d 系统提供节目的来源。 d v b 数据打包器：为了在d v b 数字电视网络中传送m p e g 一4 节目，须将m p e g 一4 码流封装在传输流( r r s ) 中。 业务信息编辑器：业务信息由p s i 和s i 两部分构成。p s i 是m p e g 一2 规定的，s i 是d v b 标准规定的。终端接收设备通过识别这些p s i s i 信息，在终端生成节目单。 前端主要任务为： 将m p e g 4 节目进行编码压缩，存放于视频服务器或直接发送。 将其它数据转换成m p e g 4 编码，并根据d v b 数据广播协议进行打包。这里可以 根据应用需求对多种应用数据进行处理。 播出控制管理根据具体业务要求制定调用顺序，并生成相应的系统及接收控制信 息和控制流。 根据所定的顺序输出相应的视音频节目、数据流或其它应用码流。 将需要输出的码流与控制流进行复用。 将复用后的码流调制并发送。 2 1 2 网络系统 网络系统是用来连接前端系统与用户终端系统的。系统是基于d v b s 卫星数字电视 网络构建的。卫星系统属于无线网络，其覆盖面广阔，信道质量比较好，频率资源也很丰 富，现己广阔应用于全球电视传输系统和国家级的电视广播。 d v b - s 主要规定卫星系统中从m p e g 2 复用码流到卫星通道部分的实现方法，即描述 了信道编码和调制的方法，完成了从基带信号到高频信号之间的适配。由于卫星广播的主 要特点是功率受到限制，因此为能够提供较稳定的服务必须着重考虑对信号进行抗干扰的 编码和调制。在d v b - s 标准中，信道编码是采用r s ( r e e ds o l o m o n ) 前向纠错编码，卷积 交织方式，调制则采用q p s k 方式。 图2 - 2d v b s 数字电视网络系统 一第9 页一 卫 星 射 频 信 道 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 3 终端系统 由于系统面向的是广大农村地区的用户，农村地区用户的文化水平和前期投入能力都 较低，设备的易操作性是我们考虑的重点，因此终端接收设备采用数字机顶盒加电视机， 机顶盒接收前端发送的数字视频信号，并将这些信号转换成电视机能够识别的模拟信号。 终端结构如图2 - 3 所示。 、h ld v b - s 夕芾 一 用 c l ，uk r a m 解 调 器 解 复 用 器 魏二阿 = 麓传输流j i 蚓蹴h 黜区 视 音 频 解 码 节目服务信息流 ( p s i ) 节目漶( s x l 有效节目i d ( p i d ) 歹t j 表 电子节目指首凹g ) k = = 爿广播服务算法 控制与接收 显 不 设 备 图2 3 终端系统框图 控制与接收模块根据p s i s i 信息，在终端生成电子节目指南( e p g ) 界面，用户根据e p g 界面来选择节目，f s b 算法模块根据选择结果判断客户端的接收策略，过滤出有效的节目 d ，用户就可以欣赏到自己选择的节目了。 2 2 基于m p e g 4 d v b 的v o d 系统中存在的关键阔题 在d v b 数字电视网络中，开展基于m p e g - 4 d v b 的v o d 服务有很大的优点，可以 在带宽资源一定的情况下为用户提供更多的节目和更好的视频质量。但在单向的数字电视 网络中开展v o d 服务是一个非常复杂的、需要逐步细化的过程，在这一过程中，仍有许 多问题有待解决，正是这些问题制约着基于m p e g - 4 d v b 的v o d 应用的进一步发展。 ( 1 ) 从m p e g - 4 码流的特点来看，在d v b 网络中传输m p e g - 4 视频流时需很高的网络 带宽，且单个节目的传输时间很长，一般在1 2 0 分钟左右。所以，用户在进行视频点播时， 需占用大量系统资源如同络带宽、服务器，客户端存储空间、服务器客户端的哟带宽等。 ( 2 ) 从客户端的情况来看，在基于m p e g 4 d v b 的视频点播系统中，各个客户端所能 提供的缓存容量、解码速度及客户服务质量需求等都存在很大的差异，视频点播系统应该 根据实际情况进行动态调整，以满足各客户的服务质最需求。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) 提供交互功能( v c r 功能) 可获得令人满意的服务质量，是增强视频点播系统吸引力 和竞争力的重要途径之一。在基于m p e g 4 d v b 的视频点播系统中提供对交互功能f 如快 进、快退等操作) 的支持时，由于当前卫星数字电视网络是单向的，提供交互功能会比较困 难，但在实际的视频点播应用中般必需提供对交互功能的支持。 ( 4 ) 如何在单向d v b 广播网络中开展视频点播服务，其系统结构如何，以及各个部分 如何协调致，这些都是我们关注的问题。 正因为基于m p e g - 4 d v b 的视频点播系统中还存在这样或那样的问题，为此，必须 针对客户的异构性以及视频流点播业务的特点研究相应的机制，以便为用户提供连续、流 畅的高质量视频漉点播服务，并满足不同客户对服务质量的个性化需求。 在设计基于m p e g 佃的视频流点播系统时，我们将主要从以下几个方面来考虑 系统的优化与设计： ( 1 ) 系统所能提供的节目数量； ( 2 ) 客户端所需的缓存； ( 3 ) 客户端的点播等待时间； ( 4 ) 客户端接收机制的复杂度； ( 5 ) 视频点播的服务质量； ( 6 ) 对请求用户的个性化服务质量的支持。 解决这些问题的途径主要有： ( 1 ) 系统节目采用编码效率较高的压缩编码，这样可以在资源一定的情况为用户提供更 多的节目数量，降低客户端的缓存需求、点播等待时间，提高服务质量等，所以我们采用 编码效率较高的m p e g - 4 节目作为视频源，但效果不是很明显。 系统采用效率较高的服务算法，效率较高的服务算法可提高系统节目容量，降低客 户端的缓存需求、点播等待时间，提高服务质量等，效果明显。 ( 3 1 提供v c r 功能，可为用户提供个性化服务，从而提高系统的服务质量。 服务算法和v c r 功能是解决问题主要途径，本文重点主要研究适合用于基于 m p e g 4 d v b 的视频流点播系统的服务算法和v c r 策略，这两部分将在第三、四章中展 开。 2 , 2 1 广播式服务算法 v o d 应用是一种资源高消耗型应用，实际上，v o d 应用在现阶段仍然被认为是一种 奢侈的应用。制约其进一步发展的主要障碍之一就是价格因素，降低v o d 服务系统的价 格是目前v o d 研究的主要目标。服务算法是降低系统价格的主要途径之一。 目前己经提出了种类繁多的服务策略，典型的v o d 服务算法分为两类：静态服务算 法和动态服务算法。一般而言，静态服务算法，又称周期广播式服务算法，采用推( p u s h ) 策略，是以服务器为中一l 、( s c r v c r - c e n t c r c d ) 的算法，主要包括分段广播服务算法和非分段广 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 播服务算法。动态服务算法则采用客户拉胛u u 0 策略，是以客户端为中一l , ( u s e r - c e n t e r e d ) 的算法。由于基于m p e g 4 d v b 的v o d 是单向系统，故本文仅研究广播式服务算法。 2 2 1 1 服务算法基础 1 理论基础 研究表明：在v o d 系统中，用户访问具有强烈的“访问局部性”特点。这种局部性 有两种形式： 时间局部性：即大部分的访问都集中于某些黄金时问段，如周末晚上访问量高于 工作日；每晚7 点至1 0 点访问量明显高于白天等，新节目刚投入市场时访问量很 高，随后逐渐下降等。 节目局部性：即大部分的访问都集中于一小部分热门节目上。 d a n 等 4 0 l 通过对v o d 系统中的用户行为进行统计分析，发现用户选择节目服从z i p 分布，即对n 部视频节目按访问概率大小排序，第i 部节目被访问的概率为： ，11 p 。- 专其中c 一 o s 口s l ( 1 _ 1 ) 蓦声 圈2 4 节目访问概率分布 图2 4 为节目数为1 0 0 的点播统计情况，从图中可以看出，大量点播请求集中在少量 的节目上，这一现象启发我们，当大量用户同时访问v o d 系统时，可将访问相同节目的 用户合并在一起，通过组播或广播方式传输媒体流，从而节约视频服务器i o 和网络带宽 资源。 2 数据传送方式 视频数据从前端传送到终端，可能的传输方式有三种：单播( u n i c a s t ) 、组播( m u l t i c a s t ) 和广播( b r o a d c a s t i n g ) 。 单播和组播都需要回传信道的支持，v o d 客户端向服务器请求所需的数据段，服务器 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 收到请求后，将相应数据段发送给客户端，客户端接收数据，发出下一步的数据段请求。 整个过程循环直至整个视频节目传送结束或被用户终止。 广播不需要回传信道的支持，播控服务器和码流服务器周期性地向网络发送数据段， 终端接收设备根据客户的点播需要从逻辑频道上下载所需要的数据段，并按照节目播放的 次序播放节目。现阶段，卫星数字电视系统是单向的，因此，本文所述系统主要采用广播 方式来实现v o d 服务。 3 流与频道 广播方式与v o d 服务系统中另一个重要概念一“流”( s t r e a m ) 概念紧密相关。使用广 播方式传送v o d 数据时，从用户的角度看，只要用户发出请求，即会有数据以较为平稳 的速率传输过来。通常将一次v o d 服务期间以一定数据率传送的一个或一段节目的数据 称为一条流，传送的速率称为码率。 频道( c h a n n e l ) 是与“流”匹配的熏要概念，由一组资源和相关操作的集合，为一个或 多个用户实现一次流式媒体的传输和服务。如果将流比喻为从水龙头中不断流出的水，那 么相应的频道则是水管( 需要的资源) 和水龙头( 控制器) 及为获得和控制水流而进行的各种 操作。 频道是一个重要的概念，在对服务算法的研究中经常用到。它主要有如下特点： 频道是一组资源的集合。频道被用于传输数据流，频道占用的系统资源包括磁盘 带宽、内存空间和网络带宽三个部分。 频道是一组相关操作的集合。这些操作包括频道生成、频道资源的获取和分配、 频道释放等。 2 2 1 2 广播服务算法存在的问题 根据是否对视频节目进行分段划分，广播服务算法可分为分段广播服务算法和非分段 广播服务算法。非分段广播服务算法主要包括交叉式( s t a 龉c r c d ) 广播服务算法【2 l 】，分段广 播服务算法包括金字塔( p y r 蛐i d ) 广播服务算法1 3 、基于置换的金字塔( p e r m u t a t i o np y r a m i d ) 广播服务算法【3 2 l 、摩天大楼( s k y s c r a p c r ) 广播服务算法】、快速( f a