（控制科学与工程专业论文）hfc网络交互业务支撑关键技术研究.pdf

摘要 摘要 h f c 网络是我国广播电视传输的重要基础设施，在网络业务日趋融合的发 展趋势下，利用h f c 网络进行多媒体和数据的宽带传输、开展个性化双向交互 业务已经成为广播电视领域的迫切需求。国家广电总局部署了专门的科技攻关项 目，进行h f c 网络交互业务支撑技术的研究，并开展交互业务的示范。 本文以“海南双向h f c 网络交互业务示范网及其终端的研制 课题为依托， 开展了h f c 网络交互业务系统支撑关键技术的研究，主要工作及创新点如下： 1 ) 提出了一种基于e r l a j l gb 拒绝模型的h f c 网络交互视频单业务的流量 分析模型。采用该模型，可以准确计算出交互业务实际需要的带宽数，用以指导 网络的设计和经济部署。 ( 2 ) 采用多维状态空间来描述多业务流边缘汇聚时的网络流量，并利用 k a u 丘i l 锄r 0 b e r t s 递归算法计算出多业务共享带宽模式下的业务阻塞率，用以支 持交互业务的新部署。理论分析表明，多业务共享边缘带宽能够提高1 0 的带宽 利用率。 ( 3 ) 提出了一种结合组播和单播技术的统一带宽分配模型。基于该模型，以 网络当前点播强度和节目流行度为参数，提出了一种控制单播和组播带宽的分配 算法。仿真结果表明，该模型及算法能够在带宽利用率和业务的交互性能之间达 到平衡，在点播高峰期，组播带宽提高了系统的吞吐量；在点播低峰期，单播带 宽实现了用户的交互性。 ( 4 ) 提出了一种基于服务端定向流的交互终端寻址方法，用于解决h f c 网络 大规模交互终端的双向寻址问题。通过结合h f c 网络m p e g 2 协议和i p 网r t p 协议，提出了一种基于m p e g 2 私有表结构的节目流时间戳的下发机制，用于解 决基于实时流时间的v c r 跳转问题。 ( 5 ) 提出了一种时移电视业务系统终端的软件实现方法。在现有m p e g 2 解 码器的基础上，采用纯软件的实现方式，降低了机顶盒的硬件成本、方便于集成 到各种不同类型的机顶盒中并通过软件升级的方式兼容已部署的机顶盒。完成了 终端软件模块和b r o a d c o m 、p h i l i p s 双模机顶盒的集成。 上述方法及机制( 1 ) 、( 2 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 己应用并部署于海南双向h f c 网络交互业 务示范网中。 关键词：，h f c 网络，交互业务，网络融合，流量工程，交互终端，多业务 a b s t r t a b s t r a c t h f cn e t w o r ki s 恤i m p o n 锄ti n 觚t m c t u r ei nn a t i o 舱lb r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o n 恤l n s m i s s i o n w i mn l e 纰n do fn 咖o r kb u s i 鹏s si n t e 则i o n ，t h eu 辩o fh f cm t w o r k t 0 缸a 璐m i t m l t i m e d i a 舭db r o a d b 锄dd a l a 觚dc a 玎yo u t “旧一、硼i yi n t e m c t i v e p e 渤1 1 a l i z e db u s i n e s st 娜b e c o n l et l l eu 唱e n td e r m n do f b r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o n 矧 1 1 h es t a t ea d i l l i i l i s 仃a t i o no fb r o a d c 嬲t i n gt e l e v i s i o no p e n e du ps p e c i a l i z e dp r o j e c t st 0 他s e a r c ht l l ei n t e r a c t i v eb u s i n e s ss u p p o r tt e c l l l l o l o g i e so fh f cn e m o r k ，a i l dd e p l o y e d t h ei n t e m c t i v eb u s i n e s sd e m o n s 仃a t i o ns y s t e m b a s e do n ”d e s i g na n dd e v e l o p m e mo fh a i n 孤m o - w a yh f ci i l t e r a c t i v eb u s i n e s s d e m o n s 咖t i o nn e 帆o r ka 1 1 dt e m i n a l ”p r o j e c t ，t l l i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h er e s e a r c h 0 fh f cn 嘶0 r ki n t e r a c t i v eb u s i n e s ss u p p o r tk e yt e c l l i l o l o g i e sa n d l em a i nw o r k 舭d i i l n o v a t i o na 1 e 缸f 0 u o w s ： ( 1 ) ah f cn 舐0 r ki n t e r a u c t i v ev i d e ob u s i n e s s 舰伍ca i l a l y s i sb 硒e do ne r l a n gb 啊e c t e dm o d e lw 嬲p m p o s e d b a s e d0 nn 圮m o d e l ，e r l a n gf o m m l ac 锄b el l s e dt 0 c a l c u l a t et l l ea c n l a lb a n d w i d mm 1 i i l b e ro fm ei n t i e r 2 枷v eb u s i n e s s ，w l l i c hg u i d e st i l e 咖r k d e s i g i la n dr e a c h e st i l el o 、e s to ft l l e 鹏t 、r kd e p l o y m e mc o s t s ( 2 ) m u l t i d i i n e i l s i o i l a ls t a t es p a c ew 嬲p m p o s e dt 0d e s c r i b en e t w o r k 伽i cw l 嘲l 舢l t i - s e r v i c e p r o g r 锄 s t r e ：锄罗 c o n v e 唱e a t 廿l en e t 、o r k e d g e n 啪u g l l k a u n n 锄- r o b e r t sr e c u r s i v ea l g o r i t h m ，i n u l t i p l eb u s i n e s s e sb l o c k i n gr a t ew e r e c a l c u l 砷e dm l d e rb 觚d w i d ms h a r i n gc i r c u m s t 觚c e t h e o r e t i c a l 锄a l y s i ss h o w e dt l l a t 圮l n u l t i s e n ，i c eb a i l d w i d t l ls h a r i n gc o u l di n c r e a s eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nb ylo ( 3 ) a 眦i f i e db a n d w i d t ha l l o c a t i o nm o d e lw 雒p r o p o s e dt l l i - o u 曲t h ec o n l b i n a t i o n o fi i i l i c 嬲t 雒dm u l t i c a s tt e c l l i l o l o g i e s b 嬲e do nm em o d e l ，au n i c a s t 觚dn m l t i c a s t b 跹d w i d ma l l o c a t i o na l g o r i t h n lw 舔p r o p o s e d ，w h i c ha d o p t e dc u r r e m r kl o a d a n dp r 0 铲锄p o p u l a i i t ) ，嬲d e t e m l i n e dp a r 锄e t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss l l o wt h a t t h em o d e la l l da l g o r i t hc 觚a c h i e v ead y 彻m i cb a l a r l c eb e t w e e nb 锄d 诵拙 u t i l i z a t i o na 1 1 db u s i n e s si n t e r a c t i o np e r f b m l a n c e i nt l l ed e m a l l dp e a k ，舢l t i c a s t b a n d w i d t hi n c r e 嬲e st h em r o u g h p u to ft l l es y s t e m a n di nt l l el o wd 豇n a r l dp 耐o d ， u i l i c a s tb a n c h 们d t l la c l l i e v e s 圮u s e r s i n t e r a c t i o n ( 4 ) at e 衄i 1 1 a la d d r e s s i n gm e t h o db 嬲e do nt h ed i r e c t i o n a js n e 锄w 嬲p r o p o s e d t 0e 仃e c t i v e l ys o l v ea c c e s sp r o b l e mi nar e a l - t i m e ，s t a b l e ，a i l de 嬲ye x p 肌s i o nw a yf o r l a 够s c a l et e 册i n a l s b yc o m b i n i n gh f cn e t 、 r o r km p e g 2p r o t o c o la 1 1 di pn e t 、) r o r k i i a b s t r a c t i 盯pp r o t o c o l ，ap r o g r 锄n o wt i m ed i s t r i b u t i o nm e m o dw 嬲p r o p o s e db 懿e d0 n p r i v 龇em p e g 2t a b l e t l l ed i s t r i b u t i o no fp r 0 影髓f l o wt i m ew 嬲a p p l i e dt 0p r 0 v i d e v c r o p e r a t i o n so fi n t e r a c t i v et e 如1 i n a l 。 ( 5 ) at i m e s h i rt e l e v i s i o ns y s t 锄t e m i n a ls o r w a r em o d u l ew a sp r o p o s e d b a s e d o n 伍ee x i s t e dm p e g 2d e c o d e r ，t i l et i m e s h i rt e r n l i n a lc 锄b ei m p l e m e n t e db y s o f o n l y t h es o r w a r e 印p r o a c he l i m i na _ t e sm el l a r d 、v a r ed 印e n d e n c y 锄dl o w e 瑙 t h ec o s to fs e t t o p - b o x ，a i l dt h et i m e - s h ms o r w a r em o d u l ec a ne 嬲i l yb ei n t e 铲a t e d i n t o 粕yt l l i r d p a r t ys e t t 叩- b o xa n dc o m p a t i b l e 、j ，i t l la l r e a d yd e p l o y e ds e t - t o p - b o x t 1 1 r o u g has o 衔暑【i eu p g r a d em a n n e r t h es o 胁a r em o d u l eh 嬲b e e ns u c c e s s m l l y i n t e f a ：t e di n t ob r o a d c o m 觚dp h i l i p sd u a l m o d es e t t o p _ b o x 1 ka b o v e ( 1 ) ，( 2 ) ，( 4 ) ，( 5 ) m e t l l o d sa i l dm e c h a n i s m sh a v eb e e nd 印l o y e di n h a i n a n 觚o w a yh f c n e t w o r ki n t e m c t i v eb u s i n e s sm o d e ln e t w o r l ( s k e y w o r d s ：h f cn e t 、v o r k ，i n t e 砌c t i v es e i c e ，n e 铆o r kc o n v e 玛e n c e ，缸瓶c e n g i i l e e r i n g ，i n t e r a c t i v et e n n i n a l ，m u l t i - s e i c e i i i 缩略语 缩略语 a p i c 刑 c m c m t s c p e d o c s i s d o s d v b e q a m e r m h d t v h f c i p i p t v i p q a m m c n s m p e g m p t s m s n 1 1 p n v o d p a t p p m t p s t n p v r q a m q o s r f r t p i u p r r s p s d t v s d v s m s p t s s i u s t b 缩略语 英文全称中文全称 a p p l i c a t i o np r 0 髓珊m i n gi n t e r e 应用编程接口 c 咖m u n n y 锄t e 肌at e l e v i s i o n 有线电视 c a b l em 0 d 锄 有线调制解调器 c a b l em 0 d e mt e n i l i n a ls y s t e m电缆调制解调器头端系统 c 嘲o m e rp r e m i s e se q u i p m 雠t 甩户驻地设备 d a 嘻。陀r c a b l es e n ，i c ei n t e m l c cs p e c i f i c a t i o n 线缆服务接口数据规格 d e n i a lo fs e r v i c e 服务拒绝率 d i g i t a l d e ob r o a d c a s t i n g e d g e ( 沁a d 均：t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n e d g er e s o u r c em 锄a g e r h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v s i o n h y b r i df i b e rc o a x i n t e m e tp r o t o c o l i n l e m e tt v i pq 啪d r a t u 舱a m p l i t u d em o d u l a t i o n m u l t i m e d i ac a b l en e t 、o r ks y s 钯mp a n n e r s m 0 v i n gp i 咖他e x p e r tg m u p m u l t i p l ep r o g f a mt m s p o r ts 骶锄 m e d i as e r v e r n e t 、j i ，o r kn m ep r o t o c o l n e 盯v i d e 0 0 n d e m a i l d p m g 舢a s s o c i a t i o nt a b l e p m g 舢i d e n t i f i e r p r o g 瑚nm 印1 孙l e p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k p e r s 0 n a l 、，i d e 0r e c o r d e r q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i 伽 q u a l 时o fs e r v i c e r a d i 0f r e q u e n c y r e a l - t i m et r a n s p o np “) t o c o l r e a l - t i m et r a n s p o nc o n t r o lp r o t o c 0 i r lt m es 骶a m i n gp f o t o c o l s t 锄d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n s w i t c h e dd i g i t a lv i d e o s e s s i o nm 锄a g e m e n t s i n g l ep r o g 代衄n a n s p o r ts t r e 踟 s e s s i o nr e s o u r c em a n a g e r s e t t o pb o x i v 数字视频广播 边缘调制解调器 边缘资源管理器 高清晰度电视 混合光纤同轴电缆 互联网协议 网络直播电视 边缘正交调幅调制器 多媒体有线网络系统伙伴 运动图像专家组 多节目传送流 媒体服务器 网络时间协议 准视频点播 节目关联表 包标识符 节目映射表 公共交换电话网络 个人录像机 正交调幅调制器 服务质量 射频 实时传输协议 实时数据传输控制协议 实时流协议 标准清晰度电视 交换数字视频 会话管理 单节目传输流 会话资源管理器 机顶盒 缩略语 t s t d t t o t t v s t v o d u d p u t c v c r v o d v r o i p t 砌s p o ns t r e 锄 t i m ed a t e t a b i e t i m eo f r s e t1 a b l e t i m e s h i r d e os e r v i c e t 1 1 j e d e oo nd e m 觚d u s e rd a t ap r o t o c o l u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d v i d e oc 雒s e t t ei k c o r d e r v i d e oo n d e m a n d 1 v ，o i c e0 v e ri n t e m e tp r o t o c o l v 传输流 时间与日期表 时间偏移表 时移视频点播 真视频点播 用户数据报协议 协调世界时 视频录像机 视频点播 网络电话 图表索弓 图 图表索引 图1 1城域h f c 网络结构。l 图1 2h f c 网络交互业务系统图- 4 图1 3 交换广播频道选择流程图9 图1 4 边缘共享的体系结构。9 图2 1传统h f c 网络的广播内容分发15 图2 2 交换组播示意图1 6 图2 3 基于业务请求的内容分发流程1 7 图3 1基于服务端存储的交互电视系统2 2 图3 2电视频道的流行度2 7 图3 3 时移频道和流行度的影响2 8 图3 4 用户数和呼叫强度的影响2 8 图3 5 码流大小的影响2 9 图3 6h f c 网络多业务带宽共享模型。3 l 图3 7h f c 网络两种业务状态空间图( n _ 2 ，c c l = 4 ，c c 2 2 ) 3 l 图3 8 简化的状态空间图( m = 5 ，m l = l ，m 2 - 2 ) 3 2 图3 9 流量强度和服务性能的影响3 4 圈3 1 0 码流大小和频道数的影响3 4 图4 1多业务的频谱分配图3 7 图4 2m c m t s 结构3 8 图4 3 边缘汇聚的体系结构3 9 图4 4 边缘资源管理e r m 4 0 图4 5 ( a ) 全局会话资源管理4 l 图4 5 ( b ) 边缘资源管理4 l 图4 6 带宽控制策略的模型4 3 图4 7 ( a ) 二维空间的m a r k o v 链完全共享( b ) 完全分割( c ) 部分共享4 5 图4 8 完全分割的带宽控制4 5 图4 9 有线电视网络交互业务图4 6 图4 1 0s r m 总体框架结构图4 7 图4 1 l资源分配流程示意图4 8 图4 1 2s r m 实验环境结构图。4 9 图4 1 3 ( a ) 资源分配时间与用户点播总延时( b ) 资源利用率实验数据图5 0 图5 1系统结构图5 5 图5 2 ( a ) 启动时同步缓存( b ) 缓冲池作为数据源的播放5 5 图5 3 带宽分配算法5 6 图5 4 组播系统性能( b = 1 。5 、允= 2 0 ) 5 8 图5 5 ( a ) 流行度b 对系统性能的影响( 名= 1 5 ) 5 8 图5 5 ( b ) 流行度b 对组播用户数的影响( 力= 1 5 ) 5 9 图5 6 到达强度z 和流行度b 的影响5 9 图6 1 节点组示意图6 1 x 图表索引 表 图6 2 基于定向流的寻址流程6 2 图6 3 基于t s i d 的寻址流程6 6 图6 4d v bt 【) t 包格式6 7 图6 5r t p 包头的节目流时间戳6 7 图6 6 节目流时间戳下发流程图6 8 图6 7 节目流时间信息的包格式7 0 图6 8 节目流时间戳扩展后的r t p 头部7 0 图7 ih f c 网络交互业务系统7 4 图7 2v o d 数据和信令流程框图7 4 图7 3t v s 系统设计7 5 图7 4d o c s i s 系统7 8 图7 5 ”，s 系统模块的通信。7 9 图7 6t v s 消息格式。7 9 图7 7t v s 系统业务流程8 l 图7 8t v s 系统点播业务流程8 2 图7 9f 汀s p 协议8 3 图7 1 0 双向触发业务的头端设计8 6 图8 1 机顶盒结构图9 0 图8 2 双向h f c 网络及终端系统9 l 图8 3 硬件架构9 3 图8 4d o c s i s 频谱划分9 5 图8 5m a c 帧结构9 7 图8 6 系统软件总体架构9 8 图8 7 机顶盒网络协议栈。1 0 2 图8 8s t b 和c p e 网络协议栈1 0 2 图8 9 机顶盒的软件结构图1 0 4 图8 。l o 时移点播模块的内部设计1 0 5 图8 1 l 管理进程的调度1 0 8 图8 1 2t v s 模块独立调度的实现1 0 9 表3 1 节目流的码率2 5 表6 1p f 盯表结构6 5 表6 2p m t 表结构7 l 表7 1e i t 表结构8 7 表7 2 私有描述符表8 7 表8 1d o c s i s 协议栈9 6 表8 2 嵌入式操作系统比较1 0 0 表8 3 机顶盒的内存分配1 0 7 x i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 辱弘 作者签名：盟坐 沙挣年汐易月1 5 i 日 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 有线电视网络是我国广播电视传输的重要基础设施，最初是用于广大家庭 用户的模拟电视信号接收。经过2 0 多年的建设与发展，我国的h f c ( h y b r i df i b e r c o a ) 【) 网络己成为世界上用户规模最大的有线电视网络。截至2 0 0 7 年底j ，我 国有线广播电视用户数量达到1 4 3 亿，全国拥有近3 3 0 0 个有线电视前端。有 线电视网络的里程超过了3 0 0 万公里，其中国家级光缆线路4 万公里，省级及 地市级光缆线路超过1 0 万公里。目前，全国共有3 1 个省级网络公司、3 2 1 个 地市级网络公司、1 0 0 0 多个县级有线电视网、2 0 0 0 多个专用电视网。 l 凿 l 二 图1 1 城域h f c 网络结构 7 、 电缆网络( 5 i o 2 | i 甫 户光节点) 一 、。、 有线电视网络最初是用于广大家庭用户的模拟电视信号接收，网络的结构 称之为主干分支结构i2 1 。随着网络的发展，网络运营商开始在网络上部署各种 商业增值业务，如付费电视、互联网接入、数据业务等【) j 。为了提高网络数据 传输质量，网络运营商开始升级网络基础设施，以环状结构通过光网连接各主 节点，并逐步把光链路推向个分节点，直至用户终端，从而形成如图1 1 所示 的环状树形结构【4 1 。图1 1 所示是一个典型的城市区域的有线电视网络，5 0 万 到1 0 0 万的有线用户由一到两个有线电视的主前端服务，主前端通过光网和几 、 二 一癣磊 第一章绪论 个一级节点环接，各一级节点通过树状形式向各次级节点扩散，直至到达用户 小区的光节点后，以同轴电缆形式到达单独的用户家庭。每个光节点服务的用 户数一般为5 0 0 到2 0 0 0 户。 h f c 网络的视频传输经历了模拟电视、数字电视到目前的交互电视【5 _ 8 】。数 字电视系统是指电视节目产生、发射、传输、电视机接收全部采用数字信号的 信息服务平台。与模拟电视相比，数字电视具有更好清晰度和抗干扰能力，更 充分利用网络带宽资源、传输更多的电视节目，便于网络互联和多功能业务的 开展等优势。全球范围内，自法国于1 9 9 6 年4 月推出第一个数字电视商业广播 后，全世界的数字电视广播飞速发展。2 0 0 6 年，全球数字电视用户已达到2 2 亿，数字电视渗透率达2 0 【9 】。我国拟定于2 0 1 5 年完全实现数字转换工作，目 前正处于从模拟技术向数字技术全面转换的关键时期。我国大约有3 5 亿模拟 电视用户要向数字电视转化。目前，全国有几百家有线网络公司开始播出有线 数字电视，2 0 0 7 底有线数字电视用户总量达到2 6 1 6 万，并以每年3 0 0 的速度 递增，多个城市完成了有线数字电视的整体转换【l j 。 数字电视的整体转换和相关技术的发展，是h f c 网络交互电视业务的基 石。伴随着人们对交互电视业务的需求日益增加，相关行业利用数字技术、采 用各种方式正力图进入传统的广播影视服务领域。技术与业务的不断融合导致 信息传播正在从单向单一形态向双向多元形态转变。与此同时，网络技术的飞 速发展以及用户终端宽带接入技术的层出不穷，都在极力促使国内h f c 网络双 向化改造建设的发展。h f c 网络双向化改造可以为用户提供更为个性化、专业 化、多样化的广播电视和信息服务，为用户提供互动性更强的交互视频业务已 成为h f c 网络发展的方向。 中国作为世界第一大有线电视用户国，目前国内大部分有线电视网络是单 向广播式网络，用户到广电中心的回传通道没有打通，只能为用户提供单一音 视频的广播式业务。国内已经全面开始双向h f c 网络的改造，其广播电视行业 增值业务正在从单向广播业务向单向兼顾双向转变、从纯音视频业务向视频 数据融合业务转变，为用户提供多种类的个性化双向交互业务，部分网络公司 在有线电视网络中率先实现了宽带数据接入，视频点播等双向功能业务。h f c 网络的交互业务支撑能力变得越来越重要。此时，进行h f c 网络交互业务支撑 及业务系统关键技术的研究具有实际应用和长远意义。 传统有线电视网络从模拟时代开始就是一个单向广播网络，网络只支持视 频信号从网络前端到用户的单向传送，传送采用广播技术，在任何地点接入网 络的终端都可以接收到完全相同的节目内容。h f c 网络的广播传输实现了视频 内容最有效分发，在提供高带宽、用户数目无限扩展、有质量保证的同时，实 2 第一章绪论 现了内容的集中管理和简单、方便的运营及维护。但这种恒定不变的单向的、 单一的视频广播方式也为网络自身的发展带了严重的局限。伴随着通信和数字 电视的快速发展，用户已经广泛接收互联网的基于内容请求的交互式个性化的 内容获取方式，人们对交互电视业务的需求日益增加。单向的广播内容分发已 不能满足用户对个性化交互业务的需求，单一的视频内容服务也已经不能满足 用户对多样化业务的需求。有线电视网络的现状不能满足有线运营商开展双向 交互多业务的迫切需求。 为了利用h f c 网络进行多媒体和数据的宽带传输、开展个性化双向交互业 务，h f c 网络多业务和交互业务的支撑技术已成为近年来广播电视领域的研究 热点。1 9 9 7 年，多媒体电缆网络系统m c n s 提出了第一代双向h f c 网络接入 标准d o c s i s1 0 ，到2 0 0 7 年c a b l a b s 工作组已推出了d o c s i s 3 0 l l o j 。该标准 能够提供下行1 6 0 m b p s 、上行不低于1 2 0 m b p s 的双向通信信道，同时支持视频、 语音、数据的三种接入和交互。2 0 0 5 年，s a i l g e e t a 黜吼a k r i s h n 锄提出下一代边 缘汇聚的h f c 网络架构【1 2 。，利用边缘资源管理器e r m ( e 姑er e s o u r c em a u l a g e r ) 管理和共享网络频谱带宽，统一为广播电视( b r o a d c 硎n g1 v ) 、视频点播电视 v o d ( d e o o n d e m a i l d ) 、音频v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 和高速i r l t e m e t 数据业务分配 传输网络带宽。2 0 0 6 年，l u i sr o v i a 等提出了一种交换数字广播s d v ( s 晰t c h d i 西t a lv i d e o ) 的开放性框架和相关模块的通信协议，尝试对s d v 技术进行标准 化【。同时美国最大的h f c 网络运营商c o m c a s t 在2 0 0 7 年开始部署基于s d v 技术的数字电视业务，同年骶mw r a u t e r s 等人对s d v 业务的流量进行了建模， 用于指导实际网络的设计与部署。2 0 0 4 年，以i p q a m 为代表的新一代h f c 网 络边缘传输交换设备开始推向市场，i p q a m 连接i p 骨干网和h f c 接入网进行 下行视频传输、数据和控制信令分开的交互业务业务系统得到了广泛研究与开 发。其中，最具代表性的交互应用是时移直播电视t v s ( n m e - s h i f t d e 0s e r v i c e ) 和视频点播v o d 。 1 2h f c 网络交互业务系统及业务支撑关键技术 在互联网的w r e b 时代，电信网络在提供电话业务的同时，为互联网提供了 最大的网络接入能力，在推动互联网发展的同时创造了巨大的增值利润。随着 互联网视频时代的来临，电信公司和内容服务商正在互联网上扩充它们的视频 业务，同时网络媒体公司正独立于实际传输网络在互联网上开发流媒体传输技 术。在互联网视频业务发展的竞争下，有线电视网络的体系结构和分发技术必 须进行革新，以发挥它在传输视频方面的传统优势作用。 3 第一章绪论 h f c 网络作为普及广泛的骨干网，具有频带宽、容量大、成本低、抗干扰 能力强、连接千家万户的优势。目前的i p t v 由于长期以来受网络带宽瓶颈的 影响，严重阻碍了其迅速发展。由于有线数字电视的具有5 0 m h z 1 0 0 0 m h z 高容 量的下行广播带宽，如果能利用其广播信道来取代i p t v 下行数据分发通道， 那么将会突破网络瓶颈的影响，实现许多新型的个性化交互业务，使得有线电 视网络的优势得到充分发挥。 双向化改造之后的h f c 网络提供了用户和服务端系统的交互，利用i p 网 络的单播技术能够实现用户的双向交互及个性化的多业务。但同时交互多业务 的承载给天然h f c 广播网带来了流量控制和网络设计、带宽管理和有效使用、 多业务设计与部署、多业务终端的嵌入式实现等多方面带来了巨大挑战。h f c 网络交互业务支撑关键技术的研究可以方便有线运营商交互业务的快速经济部 署和运营，有效收费和保护原有投资，从而迅速抓住市场商机，在短时间内成 功部署可增值的新业务。 1 2 1h f c 网络交互业务系统 j ! ? 负训叠l 条 图1 2h f c 网络交互业务系统图 凶 终鼬 删州t 雩 如图1 2 所示，是基于业务请求的h f c 网络交互业务系统。前端播出系统 是多媒体和数据业务的内容集中存储和控制区，是网络内容传送的数据源，包 括但不限于实时的直播电视流、时移电视服务器、v o d 服务器、w 曲服务器、 数据广播服务器。 传输和交换网络是一个i p 骨干网和h f c 接入网络构成的混合传输网络， 中间有c m t s 【1 4 】，i p q a m 等媒体终端系统设备进行i p 网和h f c 网的互联 和交换，构成一个有效的双向传输网络。驻地网是个i p 局域网或共享频谱的 有线电视网同轴电缆部分。 边缘资源管理器对网络传输资源( i p 网络传输带宽、h f c 网络的频点带宽) 4 岛燃l凰燃 第一章绪论 进行管理。终端是计算机或带机顶盒s t b ( s c t t o p b o x ) 的电视机，包括接入网 络的任何媒体消费设备。 1 2 2 交互业务关键支撑关键技术与难点 h f c 网络交互业务支撑技术，是近年来国内外交互电视研究的热点之一。 作为对抗来自卫星直播电视、数字地面电视和基于互联网的i p t v ，提高h f c 网络竞争性的重要途径，在广播数字电视领域具有重要的研究价值和应用前景。 但由于具有较高的技术难度、核心技术保密的原因、公开发表的文献也相对较 少，导致长期以来h f c 网络交互多业务系统一直没有得到广泛的部署和应用， 在交互业务系统及终端的嵌入式实现方面也缺少统一标准和相互兼容。本文研 究的h f c 网络交互业务系统主要具有如下的技术难点： 多业务流量分析及网络设计的关键技术 为了实现对多业务的支撑，h f c 网络的带宽必须从传统的直播电视频道中 释放出来【1 6 ，17 1 。而另一方面，基于业务请求的h f c 网络交互业务系统中，传输 网络的带宽需求不再是由前端播出内容静态决定、不再是固定的节目频道数， 而是根据具体业务的特征、业务的渗透率和业务用户的行为等动态决定。传输 网络的流量强度不再和直播的节目数成正比，而是由业务及业务的请求决定。 h f c 网络交互多业务在网络的传输层和网络边缘都会产生流量汇聚，双向 网络的流量模型和网络设计完全不同于单向网络。流量模型的建立直接决定了 网络的设计与部署，从而决定了业务的部署费用和服务性能质量。标准的直播 电视业务通过已部署的q a m 调制器广播所有节目到所有的光节点，对于新增 的交互业务而言，网络的部署费用取决于需要部署的i p q a m 数目。如何动态 的构建h f c 双向网络，并进行流量控制和q o s 保证是其中的技术难点。在保 证一定用户服务性能指标的前提下，选择最少的i p q a m 数目是控制交互业务 成本的关键问题。 目前国内外对交互业务流量分析和网络设计的研究还比较少，为了有效利 用网络传输带宽、提高交互业务的服务性能，必须对多业务流量进行分析。 动态带宽管理及有效使用关键技术 目前多业务h f c 系统中，各业务采用各自的q 删频点带宽、各自的带宽 管理系统，无法实现有限带宽的共享使用和系统带宽的统一管理。统一的边缘 资源管理系统通过动态管理h f c 网络的频点带宽资源，实现q a m 资源的共享。 q a m 资源共享和业务传输的边缘汇聚，使得h f c 网络能够在统一的体系架构 上传递t v 、v 0 i p 和高速互联网数据等，实现网络传输视频、语音和数据的融 厶 口o 边缘q a m 的共享意味着总带宽数目需要在各支撑业务之间划分，由于各 s 第一章绪论 业务对网络运行的重要性不同；同时，不同的业务有着不同的业务流量特征、 带宽需求和q o s 要求，这些业务特征的差别需要资源管理系统使用不同的控制 策略来进行带宽的管理。随着业务和用户的增长，r f 射频带宽的短缺是h f c 网络多业务支撑网要解决的核心问题。在满足业务最小q o s 的基