深圳交互电视VOD系统

深圳交互电视深圳交互电视 VOD 系统系统 深圳市天威视讯股份有限公司 孙歆宗 随着电视的发展 观众的参与意识越来越强 传统电视的 你播我看 收视模式已不符合现代紧张的生 活节奏 不能满足广大用户的文化娱乐方面个性化需求 越来越多的人希望在 想看的时候就看电视 并 且要求有丰富的节目可以选择 个性化的需求在模拟电视时代受到传输手段的限制而无法实现 步入数字 电视时代后获益于视频压缩技术和数字通信技术的飞速发展 有线电视 HFC 网络的频率资源得到充分利 用 解决了的传输瓶颈 视频点播 VOD 成为大众渴望得到满足的服务 2004 年 深圳天威视讯股份有限公司 以下简称深圳天威 对基于以 VOD 应用为基础的交互电视 系统进行了可行性研究 结论是随着数字电视的核心技术日趋成熟 以及计算机技术和互联网技术在电视 领域的大量运用 有线电视运营商不仅能够提供大量的传统电视节目 还可以利用新技术提供大量新兴的 数字电视增值业务 交互电视系统是数字电视技术发展到现阶段的必然趋势 发展 VOD 业务既符合技 术发展的水平 同时又是公司发展战略的需要 2005 年 深圳天威完成了 VOD 系统的一期建设 提供 1440 个 MPEG 2 并发流 3 75Mbps 下同 容量 系统于 2006 年 5 月进行商业试运营 完整的一期建设 验证了我们选择的 VOD 系统架 构的可行性 为开展 VOD 业务夯实了技术基础 积累了丰富的经验 同时使工程技术人员在实践中得 到了锻炼 2006 年 在一期的建设基础上进行了二期扩容 在视频流的输出和传输环节增加了大容量交换机架 构 二期扩容工程完成后系统容量为 4260 个并发流 具备了商业应用的环境和基础 于同年 11 月正式 对深圳市民提供 VOD 商用业务 一 系统结构一 系统结构 深圳交互电视 VOD 系统采用集中分布式的架构 视频服务器 指令中心 应用服务器 大容量交 换机等核心设备安装在总前端 通过光网络 IP 城域网实现总前端的信号分发和信令回传 边缘调制器 CMTS 等设备分布在分机房 进行信号的转换 分配和传输 这样 VOD 系统既充分利用了 HFC 网 络的大带宽 又回避了网络带宽全网共享的弊端 同时 所有服务器集中架设 降低了存储成本 便于系 统的管理 维护和扩容升级 简化系统结构 提升系统的安全保障和稳定可靠性 VOD 系统分成三个部分 视频服务器 指令中心 运营管理系统构成 VOD 的前端系统 光传输网 络 边缘调制器 CMTS 及 IP 城域网构成传输网络 最后通过交互机顶盒终端实现点播功能 包括节 目浏览 购买 播放及快进快退暂停退出等操作 VCR 控制 系统框图如下图所示 1 VOD 前端系统前端系统 1 1 VOD 视频服务器视频服务器 集群集群 和管理系统和管理系统 视频服务器以集中式安装在总前端 主要负责数字媒体的储存和输出 视频服务器集群是多个服务器 节点通过 Infiniband I O 技术组成的一个具有 RAID 5 2 双重冗余功能的媒体服务器集群 通过 InfiniBand 交换机互连 支持多路并发 InfiniBand 是基于 I O 通道交换的背板体系结构 连接速率高达 80Gbps 在无需系统核心层介入 的情况下 能够提供零数据拷贝的传输 并通过硬件确保可靠性和容错性 改善系统的带宽和延迟等问题 当视频服务器集群在每个节点上记录视音频文件和其它普通文件数据时 以 RAID 5 方式在整个集 群上进行条带化 即把文件数据 打碎 奇偶校验后均匀分配到每个视频服务器节点 而分配到每个节点 的数据块在本地硬盘阵列上被再一次 RAID 5 条带化 这样 不仅得到每一节点上的本地 RAID 5 磁盘 阵列的数据保护 整个视频服务器集群同时还提供了第二层的对集群中所有节点数据的保护 这种双重的 RAID 5 称为 RAID 5 2 技术 确保系统的高可靠及可扩性 避免硬件双重冗余配置 下图为 4 节点情 况下的 RAID 5 2 示意 RAID 5 平方技术平方技术 视频服务管理系统主要负责管理所有的视频服务器 如下图所示 系统采用图形化界面管理视频服务系统中所提供服务的上线 离线 故障报警 媒体更新等功能 并 能监控视频服务器系统中任选的输出流单元 媒体存储单元等设备运行状况 1 2 VOD 指令中心指令中心 VOD 指令中心是整个 VOD 系统管理与播出控制的核心 其软件模块运行在通用的服务器上 对系 统中的所有视频服务器及连接 事件等进行控制与管理 下图是指令中心的工作流程 指令中心功能如下 指令中心功能如下 1 具有 连接管理 服务功能 可根据客户端 IP 或 STB 中的 MAC 地址 智能卡 ID 视 频服务器负载状况来自动指定某个视频服务器及路由等资源为用户服务 2 自动实现负载均衡 3 具备实时管理每个视频流的能力 一旦出现点播流播送错误时能够立即为用户建立新的播出流 并推送至客户端 其间无需客户端做任何干预操作 4 依据事件 如 VCR 控制 QAM 设备中断等 进行视频流管理 5 根据时间 当前储存能力 可用带宽 点播媒体的频率 操作人员制定优先级等策略推送媒体 内容至各视频服务器 1 3 VOD 运营运营 管理系统管理系统 VOD 运营管理系统是实现 VOD 商业运营重要组成部分 围绕着整个 VOD 的运营而提供一系列的 内容管理 产品营销管理 用户点播记录的数据挖掘及运营过程中的系统运营报告管理等功能 具体包括 以下功能 1 VOD 视频服务器与内容集成平台 CIP 间的数据接口 以 CableLabs 的 ADI 媒体元数据接口规范为蓝本 定义元数据接口 提供恒定码率 固定 GOP 长 度的 MPEG 2 TS 流 2 VOD 系统媒体管理 内容分发与编排管理 媒体文件的预览 上下载媒体文件流程监测及错误报告 支持媒体的分类检索 具有媒体禁播管理功能 3 VOD 节目导航管理 点播节目信息的发送使用基于 IP 的 Web App Server 该服务器具有并行的扩展性 并实现自动负 载均衡 4 VOD 产品营销管理 具备多种 VOD 服务模式及计费模式的管理 除了通常的免费 FOD 包月 SVOD 按次 RVOD 等服务和计费模式外 系统还应该提供多种促销手段的管理 如打折 买 M 送 N 等 5 VOD 计费系统与用户管理系统 SMS 的数据接口 提供实时计费及对帐功能 完成在线购买包月套餐功能 6 VOD 系统商业运营数据报表系统 自动收集不同网络节点的视频服务器系统信息 可查看的系统历史运行记录 节目内容和视频流报表 根据用户的点播记录 可向第三方系统输出 进行数据挖掘及分析 并协助进行媒体产品的运营规划 1 4 VOD 系统的扩展系统的扩展 能力能力 VOD 系统具有平滑升级扩容能力 升级扩容时不影响现有业务的运作 前端系统扩容主要涉及两个 部分 一是视频服务器集群 二是指令中心和运营管理子系统组成的应用服务器群 视频服务器以节点构成集群 一个集群的最大容量为 8 个节点 可提供 6818 个并发流 集群的存 储容量随节点的增加而增加 当 8 节点服务器集群的容量还不能满足需求时 可以以多集群并行工作的 模式来构建系统 如下图所示 应用服务器群采用了堆叠式构架 运用负载均衡技术 每类应用服务器的负荷能力按实际的使用情况 可单独进行扩容 仅需增加同类服务器和进行负载配置即可 2 内容分发网络 内容分发网络 和边缘调制和边缘调制 VOD 内容传输网络 采用大容量交换机将视频流以 UDP IP 包传送至分机房的边缘调制器 核心交 换机有以下作用 1 节目调度 在视频服务器和边缘调制器之间增加交换机 可以实现视频服务器任意一输出卡的视频码流转发到任 意一个服务区域 使系统的设置灵活方便 2 系统设计 如果视频服务器与边缘调制器采用直接连接的方式 系统的设计将受约束 通过核心交换机的转发 较小的系统输出能力能够覆盖更多的服务区 即系统输出并发流数量可以小于边缘调制器输出并发流数量 的总和 节约前端系统的早期投入资金 3 传输网络 交换机与边缘调制器之间采用 IP 光网络连接 直接完成了节目内容的传输 由于目前系统规模尚小 总前端的视频服务区与分中心的边缘调制器以 GbE 的 IP 光链路连接 以 节约初期投入的成本 随着系统规模的扩大 内容分发网络可进一步采用万兆 IP 网络 节约光纤资源和 传输设备 边缘调制设备采用的是高集成度的 IPQAM 设备 IPQAM 作为 VOD 系统的媒体网关 将从前端 传送来的 UDP IP 数据包重新打包成 DVB 包并调制成 QAM 信号输出 IPQAM 采用频率空间复用方式提高频率的利用率 即每个 服务区域 使用的频点是一样的 解决了 频率资源紧张的问题 IPQAM 与服务区的配置如下图所示 VOD 信号的覆盖采取区域信号和全网信号两层覆盖的方式 即在每个分机房安装 IPQAM 设备后 该区域的 VOD 视频流由该分机房的 IPQAM 设备提供服务 如果某个 IPQAM 设备故障 则将该 IPQAM 提供的 VOD 服务转移至全网信号 避免由于处于分机房的设备故障而中断 VOD 服务 全网覆 盖信号起到了区域信号的备份作用 提高了网络系统的可靠性 降低了网络系统建设成本 3 IP 数据及信令传输通道数据及信令传输通道 VOD 应用中 大量的节目内容介绍及身份认证 购买流程 播放控制等数据需要交互机顶盒通过 IP 通道与前端进行实时信息交互 交互机顶盒与前端建立的 IP 通路 是由机顶盒的内置 CableModem 分中心的 CMTS 及 IP 城域 网组成 利用已经建成的商用宽带数据网络 交互机顶盒作为宽频网络的用户 接受宽带前端和 CMTS 的授权和管理 4 终端 终端 交互机顶盒有别于传统的单向机顶盒 由于多业务并行和多事件多任务的特殊要求 对机顶盒的处理 能力有更高的要求 主芯片性能和机顶盒配置如下表描述 项目 要求 主芯片 CPU 160MHz GB T 17975 MPEG2 ML 内存 64MB 闪存 16MB 现阶段以在 OS 之上构建各类嵌入式应用 下图为交互机顶盒的软件结构示意 鉴于交互机顶盒功能复杂 应用模块越来越多 大大增加了机顶盒嵌入式应用的集成难度 对机顶盒 厂家技术开发能力提出了更高的要求 二 设备选型二 设备选型 深圳天威交互电视 VOD 系统在设备选型的出发点是系统稳定 可实现商业服务 1 视频服务器 视频服务器 选取了 SeaChange 公司的 HDS 601 视频服务器 每台视频服务器具有 3 2Gbps 输出能力 折合 852 个并发流 以 GbE 接口输出码流 其架构如下图所示 主要包括视频流输出单元 媒体储存单元 视频流输出单元推送的码流必须符合以下的格式 视频流输出单元推送的码流必须符合以下的格式 1 视频格式 支持 MPEG 2 GB T 17975 1 2 3 2000 标准的标清及高清视频格式 兼容 H 264 MEPG 4 等 2 音频格式 支持 Dolby AC3 MPEG 1 audio layer 2 3 兼容 MPEG4 AAC HDS 601 视频服务器具有以下性能 视频服务器具有以下性能 1 视频流输出单元是纯硬件流推送卡解决方案 不依赖于视频服务器本身的系统 CPU 及内存资 源来进行视频流的推送 2 通过 RTSP 协议 多个用户可同时以 VCR 控制的方式观看同一部储存在服务器系统的节目 3 单个节点内的存储磁盘可以在视频服务器不停机和停止服务的情况下进行更换 4 系统视频服务器及存储升级扩容后 原有磁盘上的存储内容不需要重新上载 5 具备在线升级扩容的功能 在不影响正常服务的前提下完成视频服务器存储系统及视频流输出 带宽在线扩展任务 6 后台自动执行磁盘碎片整理任务 保证磁盘阵列工作在最佳性能状态 目前以 5 台独立的视频服务器 节点 构成了一个集群 共有 24TB 的存储容量和 4260 个并发流 输出能力 2 核心交换机 核心交换机 核心交换机要求具有很大的背板带宽和稳定的工作性能 选取了 Cisco 公司的 7609 路由交换机作为 VOD 系统内容分发的核心交换机 具有 720G 背板带 宽 支持多种类型的线卡 满负荷运行可达 45000 个并发流容量 鉴于核心交换机的处于视频流内容分发的重要地位 我们采取了双引擎 双电源等配置来保证它 的 可靠性 3 边缘调制器 边缘调制器 IPQAM 安装在无人值守的分机房 要求工作稳定和支持远程管理 选取了 Harmonic 公司的 NSG9116 边缘调制器 NSG9116 共有 16 个 QAM 信号输出 要求使 用两两相邻的物理频道 支持 64QAM 256QAM 等 QAM 调制阶数 IPQAM 输出信号插入到分机房的最后一级光发射机 具有较短的传输链路和较好的传输环境 性能 良好的接入网络应尽量使用 256QAM 调制 增加单个 IPQAM 提供并发流的容量 减少 IPQAM 的投 资 因此 IPQAM 的调制性能必须给予充分的关注 4 机顶盒终端 机顶盒终端 采取与机顶盒厂商共同开发交互机顶盒的策略 机顶盒软件最终需要通过天威公司的认证 确保交互 机顶盒的功能和稳定性符合我们的技术规范要求 三 应用情况三 应用情况 深圳天威 VOD 系统目前容量达到 4260 个并发流 节目存储容量达到 10000 小时 内容包含电影 电视剧 娱乐 科教 新闻 体育等多个方面 节目内容供应方式主要是收录和购买节目 为用户提供了 包月套餐 按次点播 免费点播等多种多样的多种商业消费模式 满足不同用户对交互电视的应用需求 经过一年来的推广 目前深圳天威已经拥有 3 万交互电视用户 系统的使用率峰值约为 11 平 均每个终端使用 VOD 业务约 15 次 月 用户的 ARPU 值接近 10 元 户 月 同时 这一年的实 际运营也积累了大量用户的收视记录数据 这将为将来的进一步发展交互数字电视提供有力的支持 VOD 视频点播业务经过一年多的商业运营 完成了包括 CIP 和 SMS 在内的整个系统磨合 目前 系统运行稳定 完全达到商业运营的水平 随着 2008 奥运年的到来 深圳天威将增大对交互电视 VOD 的推广 将有越来越多的用户愿意了解和接受 VOD 业务 公司力争