李月芳

(常州轻工职业技术学院电子电气工程系，江苏常州213164)



互联网与广播网的融合研究

李月芳*

(常州轻工职业技术学院电子电气工程系，江苏常州213164)

摘要:分析研究了如何在MPEG－2的广播网上提供IP数据业务和Internet上传输视频类数据，并采用M/M/N排队论分析一个城市的MPEG－2广播网部署VoD系统的服务性能。根据两个网络的性能和所传输数据格式的特点，提出了一种两网融合的数据传输方案。

关键词:Internet与广播电视网的融合; M/M/N排队论分析;基于广播网的VoD(Video on Demand)系统

数字电视正在走向网络化和交互化，在电视内置嵌入式平台，实现互联网与广播电视网的接入。用户可在电视终端切换接入模式，通过音视频解码设备读取电视节目资源和嵌入式浏览器访问互联网资源。在国内，最近出台政策鼓励电信网、广播电视网和互联网3网融合，计划将在2013～2015年全面实现3网融合地发展。通过技术改造完成广播电视网、电信网与互联网3大网的物理合一，实现数据、声音、图像这3种业务用一个网络、一种平台进行服务。在国外，欧洲正在推进的HbbTV项目希望将宽带网和广播网结合，借助电视和机顶盒，向终端消费者提供娱乐内容。［1］

本文分析了如何在MPEG－2的广播网上提供IP数据业务和Internet上传输视频类数据，并采用M/M/N排队论分析一个城市的MPEG－2广播网部署VoD(Video on Demand)系统的服务性能，最后根据两个网络的性能和所传输数据格式的特点，提出了一种两网融合的数据传输方案。

1　MPEG－2广播网上提供IP数据业务

MPEG－2规定每个传输的TS包以188 byte为固定长度，可分为4 byte的TS包头和184 byte的TS有效负载。在TS头部有13 bit长的PID(Packet Identify)字段，用于标志携带不同负载数据类型的TS包。DVB定义的传统TS包头没有源地址和目标地址，MPEG－2 TS的网络设备通过PID将用户需求数据与具体的TS包相映射。

当需要在MPEG－2网络上提供IP数据业务，DVB组织对TS包的有效负载部分进行了扩展，可以使用MPE(Multi-Protocol Encapsulation)和ULE (Ultra Lightweight Encapsulation)［2］两种方式将IP数据包封装到TS包中。没有经过双向改造之前的MPEG－2 TS网络只能单向传输，因此IP数据业务是单向服务的。IP数据包封装器接收以太网数据帧或其他IP数据，将接收到数据作为PDU，添加一定格式的包头和包尾，成为子网数据单元SNDU，然后封装到MPEG－2 TS包的有效负载部分。

使用MPEG－2 TS网络可以传送IP数据业务，可以把MPEG－2 TS网络看成整个IP网络的一跳。基于DVB的MPEG－2 TS网络对提供IP业务服务也可以采用多播的形式，这时需要在IP数据头进行多播定义［3］。通过MPEG－2 TS网络提供IP业务在卫星传播和地面无线广播中比较常用［4］。

2　Internet上传输视频类数据

Internet可提供的DVB业务包括:直播形式的多媒体业务(电视，无线电形式)，具有可控功能的多媒体业务(快进，停止，后退)，内容点播业务，内容下载业务。［6］MPEG－2 TS包可以通过实时传输协议(RTP)和直接用户数据协议(UDP)两种方式封装到IP数据包上。文献［5］详细定义了如何在Internet网上提供DVB业务，包括双向IP网络传递基于MPEG－2 TS的DVB业务，双向IP网络的DVB业务发现选择机制，RTSP协议控制内容点播服务，多播方式传输内容，家庭网络的终端设备分配IP地址，文件上传系统，远程管理和固件升级，文件下载push和pull机制。

3　基于广播电视网的VoD方案［7］

假设将550 MHz到750 MHz之间的200 MHz带宽完全分配给数字电视业务。MPEG－2编码数字电视节目，复用设备将10套节目流复用成一个传输流，并以64-QAM方式调制，所需要的信道带宽是8 MHz。考虑到各传输流之间的带宽间隔保护，200 MHz的带宽可以同时传输:套电视节目。

目前用于传输数字电视业务的网络拓扑结构主要分为环形和树形。以3层树枝结构分析，可将一个地区的覆盖分为城市结点，分区结点，街道结点。在VoD点播模型中，视频点播请求处理主要步骤为:

步骤1:用户点播一个视频，客户端通过回传信道将请求点播消息发送给服务器。

步骤2:服务器侦听到请求点播消息，根据被请求的视频标识符从视频数据库中寻找相应的视频。

步骤3:服务器根据当前已经被利用的通信带宽信息，计算剩余的带宽。如果有足够的带宽去传送当前的视频，分配相应的带宽去传送。如果没有足够的带宽去传送当前的视频，把视频存放在请求队列中直到有足够的带宽去分配。

基于M/M/N排队队列模型假设［8］(图4.2):

(1)每秒有λ个VoD请求到达，符合泊松到达过程。

(2)每个视频的服务时间为Ts，这包括服务器分配信道时间和传输视频从服务器到客户端的时间，Ts基于指数分布。

(3)等待请求的排队队列缓存足够大，服务器永远不会拒绝用户请求。

(4)排队队列中每个请求的平均等待时间是Tw。

(5)每个用户的请求是不分优先级的，服务器对每个用户请求的响应是公平的。

(6)服务器在某一时间点可用于VoD服务的频道数是N。

(7)每个VoD服务对某一频道的占用时间是一样的。

(8)排队队列中，每个请求的调度规则是先到先服务(FIFS)。

有VoD信道的利用率是

爱尔兰式:

式中，

用户平均等待时间是

平均每个VoD在系统中的滞留时间是

用户等待时间少于t s的概率是

以南京为例来进行VoD点播模型分析，假定南京城区人口有1 912 000，可以划分为6个主要城区:下关、玄武、鼓楼、建邺、白下、秦淮，每个城区又可划分为6个街道，每街道分配一个服务器，同一街道的用户请求由此服务器来调配。以三口之家为例，每服务器的平均有用户数:17 704。一部高清电影的平均容量为3 Gbit，传输码率是4 Mbit/s，则传输服务时间为512 s/部，一周平均每个家庭收看4部电影。用户到达率，信道资源利用率为:ρ=λTS/N = 0.300≤1，用户点播等待概率为:Erlang C=0。如果只追求将信道利用率提高至90%以上，N=67，ρ=λTS/N = 0.9≤1，用户点播等待概率为:Erlang C= 0.282，点播一部电影需要平均等待时间为，如此长的等待时间必然会造成客户的流失。

为此，用MATLAB设计一个M/M/N队列仿真系统，以每个街道分配一个服务器，一部电影平均服务时间512 s，用户请求的泊松到达率0.117。

用户点播一个节目需要等待时间过长必然会造成客户的流失，同时，分配所有的数字电视信道带宽给VoD系统使用户等待时间过短有点浪费，也是不可取的。一般用户能容忍5 s左右的点播等待时间，同时设计一个系统都会追求信道利用率在90%以上。图1反映了分配信道数与平均等待时间的关系，从图中可以看出小于70左右等待时间过长，大于80左右等待时间过短，都是不可取的。图2反映了分配信道数与等待时间少于5 s的概率，从图中可以看出大于70以后，等待时间少于5 s的概率都可以大于80。所以综合考虑可以看出分配70个～77个信道比较合适。

图1　分配信道数与平均等待时间

图2　分配信道数与等待时间少于5 s的概率

4　基于数字电视广播网与Internet的数据传输方案

传输数据业务可主要分为:(1)数字电视直播节目数据; (2)多媒体点播可控节目数据;其他非视频类数据。数字电视广播网与Internet融合后，可设计一个高效的数据传输方案:根据传输数据的特点，两网的信道带宽负载情况和被传输的数据业务热度来选择传输网络。

视频类数据对传输网络的延迟和抖动要求较高，可以容忍一定的丢包率;非视频类数据对传输网络所保证的数据正确率要求较高，可以容能一定的网络延迟和抖动。数字电视广播网采用广播方式传输数据，视频传输实时性能好，传输质量高，但是封装的数据格式有一定的限制，只能传输MPEG－2和MPEG－4等格式的数据包，客户端构建交互式程序较复杂。Internet的TCP/IP以IP数据包封装上层数据，上层数据格式无限制，且有比较成熟的路由差错控制等协议，客户端与服务器的交互应用方面有许多成熟的技术，但是对视频的传输质量和服务性能不及广播网传输。

根据传输数据业务的特点决定选择传输网络的优先级基本原则:

(1)视频类内容优先选择数字电视广播网。当数字电视广播网的信道带宽不足时，选择Internet传输。

(2)非视频内容优先选择Internet。当Internet的信道带宽不足时，并且请求同一传输内容的用户与网络所覆盖用户之比达到一定比率时，选择数字电视广播网传输数据。

图3中，系统框图的核心部分是网络选择模块，它将根据传送数据的特点，用户点播数和网络负载情况选择所要传输的网络类型。在分析文献［9－10］基础上，本文将提出针对VoD系统的网络选择模块算法。不同的电影其访问热度不同，用户对第i部电影的访问频率可以用Zipf分布fi=c/i(1－θ)来描述，θ是分布系数，c是归一化系数，一般取θ=0.271来描述［10］。

假设数字电视网分配给VoD系统的信道带宽为B，从B中预留带宽Br用于视频的可控处理，当前网络的负债带宽为Bt，传输一部电影需要的信道带宽为b。

当用户在观看过程中按停止播放操作，需返还分配给它的信道带宽。停止一段时间后按继续播放操作，这时用户容能的等待播放时间比初始播放时的等待时间少，从预留带宽Br分配信道给用户，这可以减少用户的等待时间。

采用［9］提出的batching机制，当VoD服务器侦听到用户点播电影i时，需要等待T时间后再选择传输网络。如果T时间内有相同的电影i被点播，那么将计数器Ci增加1。当等待T时间到达后，根据计数器Ci与预设的门限值α比较结果和网络带宽负载情况选择网络传输。

条件1:Ci＞α

条件2:Bt+b≤B－Br

如果条件1和条件2同时成立，则选择数字电视广播网传输。

如果条件1成立，条件2不成立，网络选择模块等待T时间后判断条件2是否成立。

如果条件2成立，选择数字电视广播网传输;如果条件2不成立，选择Internet传输。

如果条件1不成立，为了节约数字电视广播网的带宽，选择Internet传输。

图3　两网融合之后的发送端系统框图

5　总结

数字电视广播网可以传输非视频类数据，Internet可以传输视频数据。本文用M/M/N排队论模型分析了VoD系统应用于南京城市的可行性与性能:为每个街道分配一个VoD点播服务器和用户点播后平均等待服务时间。然后提出广播电视网和Internet融合之后的数据传输方案，并设计了VoD系统的网络选择模块算法，对于两网融合之后的网络选择模块算法需要通过模拟仿真分析，以验证和改进算法。

参考文献:

［1］HBBTV［EB/OL］.http://www.hbbtv.org/index.htm.

［2］A Framework for Transmission of IP Datagrams over MPEG-2 Networks，RFC4259［S］.2005.

［3］Host extensions for IP multicasting，RFC1112［S］.1989.

［4］Televission History［EB/OL］.http://www.aramiska.com.

［5］Transport of MPEG-2 TS Based DVB Services over IP Based Networks，ETSI TS 102 034 V1.3.1［S］.Europe:DVB，2007.

［6］Albert J Stienstra.Technologies for DVB Services on the Internet ［J］.Proceedings of the IEEE，2006，94(1):228－235.

［7］方哲.数字电视系统中广播技术与IP技术融合研究［D］.南京:东南大学，2010.

［8］(美)斯托林斯，齐望东.高速网络与互联网:性能与服务质量［M］.第2版.北京:电子工业出版社，2003:144－168.

［9］Asit DanI，Dinkar SitaramI，Perwez Shahabuddin.Dynamic Batching Policies for an On-Demand Video Server［J］.Multimedia Systems，1996:112－121.

［10］Asit DanI，Dinkar SitaramI，Perwez Shahabuddin.Scheduling Policies for an On-Demand Video Server with Batching［J］.Proceedings of the Second ACM International Conference on Multimedia，1994:15－23.

李月芳(1975－)，女，江苏金坛人，副教授，硕士，研究方向为电子与自动控制。

Design and Implementation of Error Correction Neural Network Algorithm Based on FPGA

ZHU Cheng*
(Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China)

Abstract:In order to achieve in real hardware platform，the original error correction constructive neural network algorithm is optimized，and the optimized error correction algorithm is implemented based on FPGA.The proposed algorithm improves the performance of the algorithm by a set of two parameters in the automatic generation of a suitable neural architecture.All steps of this algorithm give a comprehensive description and the use of two benchmark issues in-depth analysis of the results.The results show that compared with the implementation based on standard personal computer(PC)the proposed FPGA implementation of the neural network algorithm in this paper significantly improves the calculation speed，which proved the practicability and applicability of FPGA implementation in the error correction algorithm in neural computing task.

Key words:FPGA; constructive neural network(CoNN); error correction; threshold network

doi:EEACC:129510.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.044

收稿日期:2014－08－29修改日期:2014－09－23

中图分类号:TN919.8; TN943

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0935－04