付艳娟，李国平，赵海武，滕国伟，王国中，李 萍

（1.上海大学 通信与信息工程学院，上海 200072；2.上海国茂数字技术有限公司，上海 201204）

随着数字电视的普及，电视台的数字电视的节目数量和类型也越来越多，这对数字电视前端系统搭建的要求也越来越高。目前的数字电视的前端系统主要包括信号输入部分、信号处理部分、信号输出部分和系统管理部分等[1]。系统存在的缺点有：搭建复杂，为确保其稳定性导致设备的冗余较大以及管理繁琐等。

云计算是虚拟化（Virtualization）、效用计算（Utility Computing）、基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）等概念混合演进并跃升的结果，其中大部分的软件和硬件通过动态扩展虚拟化的层次，为知识应用提供无限的空间和计算能力，信息是通过互联网进行传输的，数据存储在云端，服务存储在云端，通过利用数据的强大计算能力，为用户服务[2－3]。

目前云计算在广播电视领域已经有了一定的应用[4]。笔者提出了一种基于云计算的数字电视前端系统的方案，该方案利用云计算的许多优良特性，克服传统的数字电视前端系统缺点，使得数字电视前端系统的资源分配进一步优化，用户管理更加便捷和容易，系统的可扩展性和可靠性也得到了增强。

1 基于云计算的数字电视前端系统的技术背景

1.1 云计算的概念和特点

云计算（cloud computing）是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。云其实是网络、互联网的一种比喻说法。云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供按需服务，提供资源的网络被称为“云”[2－3]。

根据以上定义，可以总结出云计算的本质特征，即分布式计算和存储特性、高扩展性、用户友好性和良好的管理性。

1.2 数字电视前端系统的基本架构

数字广播电视前端系统可分成4部分：信源系统、信号处理系统、数据传输系统和用户及节目管理系统[1]。数字电视前端系统的基本架构如图1所示。

1）信源系统。主要用来产生各种电视节目，其来源包括卫星接收、电信接收、本地服务器和互联网等，其主要设备包括数字卫星接收机、视频服务器、各种类型的编码器或者转码器，例如AVS编码器、H.264编码器、MPEG－2到AVS的转码器等。

图1 数字电视前端系统的基本架构

2）信号处理部分。主要是对各种数字信号进行处理，主要包括的设备有加扰器、EPG服务器、复用器、字幕机、数据广播服务器、NVOD服务器等。

3）数据传输部分。主要是进行信道编码调制，针对不同的传输媒体采用不同的调制方式，如QAM，QPSK等调制方式。

4）系统管理部分。是控制复杂化的数字前端的关键，要满足性能管理、设置管理、故障管理、安全性管理和用户管理等网络运行的基本要求。

目前传统的数字电视前端系统存在以下不足：首先，搭建复杂，涉及的设备与服务器繁多。其次，由于数字电视的特殊性，任何时候、任何情况下都要确保其安全播出。因此，系统的稳定性和可靠性就显得非常重要。为确保其稳定性，在搭建系统的过程中，就要给关键设备配备冗余配置。由于目前的数字电视前端系统每个电视台或者电视台的每个设备都是独立管理的设备，这样冗余设备的需求量就比较大，搭建成本也比较高。第三，用户管理不方便。由于每个设备都是独立的设备，用户在管理的过程中就需要对每个设备进行单独的管理，这样随着广播电视数字化的全面普及、节目数量也不断增多的情况下，管理人员的工作量会越来越大。同时，目前的数字电视头端系统，大多数的管理都要在电视台机房进行，不能很好地实现异地管理与多人分级管理。最后，可扩展性较弱，增加新的功能和新的设备都不是很方便。

2 基于云计算的数字电视前端系统架构

考虑到上述传统的数字电视前端系统的缺点和云计算的特点，笔者提出将云计算应用到数字电视前端系统，并给出了基于云计算的数字电视前端系统的架构，如图2所示。在本系统中，主要采用了云计算的以下几个方面的应用，即云组网、云备份、云扩展和云服务。下面详细介绍。

基于云计算的数字电视前端系统主要包括信源输入云、编码器云、管理云和播发云4部分。下面详细介绍每块云的组成和特点：

1）信源输入云

传统的数字电视前端系统的信号源输入系统比较复杂，所用设备繁多，例如卫星信号接收机、MPEG－2解码器等；编码器的输入信号也有多种，例如SDI信号输入、ASI信号输入、IP信号输入等。这就要求电视台的工作人员，必须熟悉这些信号的特点和这些设备的使用。接收设备与编码器相连需要用专有的信号线，编码器也要具有多种输入输出接口，这样才能满足在节目制作过程中不同的输入输出要求。

信源输入云能够协助电视台的工作人员，使数字电视前端系统的搭建变得更加简单。对于用户而言，只需告诉信源输入云需要什么样的节目，该数据云就会在繁多的输入信号或者视频服务器中寻找符合用户要求的数据，然后通过光纤网络传输给编码器云。该数据云其实就是给用户提供了一种服务，用户无须了解该数据云中具体是如何接收数据或者在视频服务器中寻找数据，就能够从该数据云中方便地得到需要的数据。

2）信源编码云

编码器或者转码器是数字电视前端系统的重要组成部分，编码器将输入的视音频信号压缩编码，再复用成适合传输的TS流，转码器将输入的传输流或者节目流经过解复用得到数字视音频的数据，再对这些数据进行解码，然后进行重新的压缩编码，再复用成适合传输的TS流。目前的数字电视前端系统在用户管理的过程中，需要对每一个编码器或者转码器进行独立管理，因为每台编码器都是独立的，这样在准备备机的过程中，就需要给每台编码器都准备备机以确保在某一台编码器工作不正常的时候，其备机能够代替它正常工作，从而不影响电视台的直播。由此可见，传统的数字电视前端系统对于编码器的管理复杂繁琐，并且备用机的数量多，冗余度大。

信源编码云将所有的编码器看作一块编码器云，如图3所示，该编码器云通过网络只有一个输入，并且只有一个输出，所有的输入信号都通过网络输入给编码器云，然后该云对输入的码流进行分析，然后根据用户的要求和该云所拥有的资源，即编码器，给每个编码器进行任务的分配，让这些编码器资源最合理地利用起来。例如，输入给编码器云中的节目是5路标清MPEG－2的TS流和1路高清的SDI信号，用户要求输出的TS流总带宽不超过15 Mbit/s，并且要求在该带宽下，输出的码流达到最佳的画质和观赏效果，这时编码器云就会根据用户的这一要求，分析输入的码流特点，对高清信号分配1台性能好的、配置高编码器进行编码，码率也分配得较高，如8 Mbit/s的传输率。对于剩下的5套标清TS流需要将其转码成为5套标清的AVS传输流，这样，这5套传输流占用的总带宽不超过7 Mbit/s。编码器云会对这5套码流进行自动分析，对于运动量大的频道，分配相对较多的码率，对于静止画面较多的新闻频道分配较少的带宽。这些原本都需要人为进行测试和设置工作，现在都可交给编码器云自动完成，这样就在很大程度上使得数字电视前端系统的管理变得简单许多。因为编码器云中的资源都是统一管理，这样就不需要给每一台编码器或者转码器一个独立的备用机，从而减少了备用机的冗余度，节约了整个数字电视前端系统的搭建成本。

编码器云是一块私有云，它只能被电视台的工作人员进行管理和控制，因此其安全性是有可靠保障的[3]。

3）管理云

目前，数字电视前端系统的管理主要包括以下4个方面：用户管理系统（SMS）的管理，条件接收系统（CAS）的管理，电视节目指南系统（EPG）的管理和数据库管理系统（DBMS）的管理。

管理云是一块社区云，它由多个组织共同管理操作，这些组织具有一致的任务调度和安全策略。管理人员都是通过网络管理该云的资源的，因此，管理人员不必局限在电视台或者机房，只要在与该云在同一局域网内的地方，就能调用云计算资源，对其进行管理。对于管理云中的不同模块，可以设置不同人员对其进行独立管理，每个管理人员的级别和可控制的范围也可以根据需要进行分级设置，云计算在安全性方面也有保障[3－4]。

4）播发云

播发云的工作主要有以下两个方面：第一是将编码器云中输出的传输流接入复用器中，对码流进行复用；第二是针对不同的传输媒体采用不同的调制方式，如QAM，QPSK等调制方式，进行信道编码调制发送。

由以上介绍可见，基于云计算的数字电视前端系统与传统的数字电视前端系统相比，具有以下优点：第一，资源分配更加优化；第二，用户管理更加便捷和容易，首先是用户可以在局域网内部的任何地方对该系统进行管理，其次，可以多用户多级别的对该系统进行管理；第三，系统的可扩展性增强；第四，系统的可靠性增强，当某些编码器或者服务器发生故障时，基于云计算的系统能提供更好的容错及恢复机制和更高的数据可靠性。

3 基于云计算的数字电视前端系统的应用

以上提出的基于云计算的数字电视前端系统方案，目前已经成功应用在某省台的双国标地面数字电视头端系统中，这里的双国标地面数字音视频编解码标准AVS和地面数字电视传输标准DTMB[5]。基于云计算的数字电视前端系统的应用方案如图4所示。

1）数据云

该系统的数据云通过网络被某公司管理，该公司负责给用户提供各种各样的节目片源，节目可能来自于该公司提供的视频服务器中，也可能是实时从卫星接收的卫星信号等。

2）编码器云

该系统的编码器云由多台AVS编码器和AVS转码器组成，这些编码器分布在多地，如省台机房、市台机房以及县电视台里。这些分布在多地的编码器或者转码器构成了该系统的AVS编码器云，该系统的管理人员可以在任何能够接入该网络的地方对该云进行管理；AVS编码器或者转码器输出TS流，该码流的视频部分是符合AVS1.0标准的AVS视频流，其音频部分是MPEG－1 Lay⁃er 2、AC3或者MPEG－1 Layer 3格式的码流，该TS流通过光纤局域网输入给输出云中。为了保证该云的稳定性，该编码器云中有冗余系统以确保在某些编码器不能正常工作时代替其工作。

3）管理云

管理云中有CAS服务器、EPG服务器、DBMS服务器等，每种服务器都有独立的功能和作用，这些服务器由专门的公司提供。管理人员可以在异地对这些服务器进行维护和更新。

4）输出云

输出云中的设备复用器，通过光纤局域网接收来自编码器云中的TS流，并将这些单路节目的TS流复用成为含有多路节目的TS流，把这个TS流送给DTMB数字无线调制器，该调制器将TS流调制发送。

4 总结

本文从传统数字电视头端系统的结构和云计算的特点出发，分析了目前的数字电视头端系统所存在的问题，并且根据这些问题，结合云计算自身的特点，提出了基于云计算的数字电视前端系统的架构，并以实际某省网基于AVS标准的地面无线数字电视头端系统为例，介绍了将该架构的应用，证明了该架构的可行性。

[1]高红令，贾涛.数字有线电视前端系统的构成和功能特点[J].科技传播，2011（11）：7－8.

[2]牛宪龙.云网络视频服务平台及其资源调度研究[D].合肥：中国科学技术大学，2011.

[3]李乔，郑啸.云计算研究现状综述[J].计算机科学，2011（4）：32－37.

[4]张大勇，何宇飞，闫鹏，等.三网融合环境下的视频云架构[J].广播与电视技术，2011（5）：50－55.

[5]王国中.基于中国AVS标准的地面数字电视解决方案[J].电视技术，2011，35（24）：6.