基于HFC网的分布式VOD体系结构

基于HFC网的分布式VOD体系结构作者：本文作者孙松林先生，北京邮电大学多媒体中心博士；蔡安妮女士、孙景鳌先生，教授、博士生导师。海量的声像节目如何快速高效地传递到最终用户，是在HFC网上开展多媒体业务需要解决的一个关键问题，本文就此提出了一种基于HFC网的分布式VOD体系结构。一HFC网上的VOD系统结构HFC网的构成是:在CATV干线上，从头端(Headend)到住宅小区附近的混合节点(HybirdNode)使用光缆，现多采用星型网络拓扑结构；在配线上，从混合节点到最终用户则使用原有的树状小型同轴电缆网络。混合节点亦称为光节点，一个光节点一般拥有500个用户。HFC网中一根同轴电缆的频带可高达750MHz、850MHz，甚至于1GHz，在没有放大器的情况下传输距离为300～600m。以上各种信号的频带分配，目前还没有正式的国际标准，一种典型的分配方案是5～42MHz传送上行数据，50～550MHz传送模拟电视，550～750MHz传送下行数据，750～1000MHz预留给未来的双向业务。点播电视(VOD)等数字互动业务可以在550～750MHz这个频段上开展。图1图1是一个典型的基于HFC网的VOD系统。图1中用户机顶盒(STB)利用PSTN实现点播命令的回传，此时可以不对单向的广播网络进行双向改造。尽管HFC的带宽很宽，但用来开展互动业务的频带是有限的，只有200MHz。如果采用64QAM调制的话，可以传递大约300套3Mb/s节目。随着服务的用户数目的增加，频道资源的争用问题将比较严重。一种可能的解决方法是将光节点作为服务接入点。如果在光节点增加多个混合器，可以灵活控制单个混合器服务的用户数，从而得到更好的服务质量。二宽带IP网上声像内容的分布式存储与分发将海量的声像节目提供给最终用户，并快速高效地将节目传递到用户终端设备上是设计VOD系统的目标。2001年，从SGI公司独立出去的专门研究网络流媒体解决方案的Kasenna公司，提出了一种在宽带广域网上进行视频内容分布式存储和分发的策略——VCD(VideoContentDistribution)。这个策略综合了传统的分布式内容服务DCS(DistributedContentServices)和缓存技术的优点，其结构如图2所示。图2该结构的主要原理是将文件的描述数据，即元数据(Metadata)与声像数据分离。主服务器存储着所有的完整声像文件，而直接面向最终用户的边缘服务器则保存了全部节目的元数据、部分热门节目和一部分节目的第一段数据。元数据描述了声像文件的特性，如文件格式、大小、速率等，还记录了该文件的存取权限和在网络中的位置信息，其中位置信息记录的是保存有该节目完整数据、而且离该边缘服务器最近的服务器。位置信息可能会经常更新，而且各服务器内相同节目元数据的网络位置信息也可能不同。KasennaVCD还采用了一种称为“预取缓存”(PrefixCaching)的技术，就是将一些节目的最前面的一段数据，如10%、20%，甚至全部，预先存储到边缘服务器上。当用户点播时，先将这部分数据发送下去，同时通过元数据中的网络位置信息了解本服务器内有没有该节目的完整数据。如果没有，则从其他服务器上获得该文件的其他数据。这样做既可以节省存储空间，又降低了用户的初始等待延时，提高了系统性能。目前，KasennaVCD技术结合该公司最新的MediaBaseXMP软件已经应用于诸如10Base-T、100Base-T、吉比特以太网等IP网络和ATM网络，可以为用户提供高质量的MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4节目。三HFC网上的分布式VOD系统1.体系结构现有的VOD系统基本上是各自自成一体，自己管辖的用户只能点播本系统视频服务器上存储的节目，无论是要扩大节目存储量，还是要扩大所服务的用户数，代价都很高，因而只适用于旅馆、居民小区和企业内部等小范围的应用。为了解决上述问题，我们在KasennaVCD的基础上，提出了将光节点作为服务接入点的分布式VOD体系结构。我们将一个头端以下的服务区称为一个“区域服务区”；光节点内一个混合器以下的服务区称为一个“边缘服务区”。如果一个光节点配备了多个混合器，那会有多个边缘服务区。图3给出了一个区域服务区的结构。图3下行信道采用64QAM调制方式，每个64QAM调制器可以将约40Mb/s的数字信息调制到8MHz的模拟频道上。这样，每个边缘服务区大约可以传递300套3Mb/s节目，因为边缘服务区的用户数一般为500个左右，所以能够较好满足用户要求。点播命令的上传可以采用QPSK或FSK调制方式，上行信道多址方式可以采用时隙ALOHA/FDMA或其他方式。在一个区域服务区内，头端有一个区域视频服务器及光盘库，存储该区域服务区内所有节目的完整备份和元数据。元数据包括该节目文件的描述信息，如节目名称、简介、索引关键词、节目码率、长度等，以备查询;在每个边缘服务区有一个边缘服务器，存储该边缘服务区内的热点节目，以及该区域服务区内其他部分节目的“头块文件”。头块文件包含该节目最前面的一部分数据，其大小可以根据服务器容量、节目长短等因素确定。边缘服务器可以完整地存储热点节目，以减少用户的等待延时，减轻系统干线的网络负担。对于非热点节目，边缘服务器存储其中点播概率相对较高的一些节目的头块文件;而对于其他点播概率相对较低的非热点节目则可以不存，当有用户点播时，再从区域服务器上获得。通过合理地调整，这样的节目存储策略可以使用户的总平均等待时间最短。如图3所示，边缘视频服务器和用户机顶盒之间的交互工作方式与一般现有小型VOD系统没有什么不同，而边缘服务器与区域服务器之间的通信则需要通过双向光缆进行。当边缘服务器请求区域服务器内的文件时，其命令经过FSK调制进入上行光纤，传输到头端的命令信号经FSK解调后送入区域服务器。从区域视频服务器下传的声像文件经过边缘QAM调制送入光纤，在光节点进行接收处理后，即可存储到边缘服务器。图3中接收处理模块所做的工作主要有两个:QAM解调和解复用。从本质上讲，它完成的工作与机顶盒除解码外的工作是完全一致的。因此，可以将其认为是没有解码但进行存储的机顶盒。而边缘服务器从区域服务器获得视频文件的过程亦可以认为是边缘服务器作为客户端向区域服务器请求进行一次点播的过程，不过点播的结果不是播放到终端，而是存储到边缘服务器内。不同的区域服务区可以通过头端利用ATM、SDH或DWDM等成熟技术形成环状拓扑结构，组成骨干网，如图4所示。这样不仅可以最大程度地保证网络的稳定性，还可以灵活分配各线路上的带宽，最终实现不同区域服务区的节目共享，为用户提供真正的海量节目。图4各区域服务区之间的节目传送亦可以参考边缘服务区与所在区域服务区之间的通信模式。图5是不同区域服务区进行文件传送的系统结构图。图5当区域服务器1请求区域服务器2内的文件时，其命令经过FSK调制进入光纤环网，头端2将请求信号接收后经FSK解调送入区域服务器2。下传的声像文件则需要经过区域QAM调制后送入光纤环，在头端1进行接收处理后，即可存储到区域服务器1。需要注意的是，同一个区域服务器有两种QAM:一种是边缘QAM，用于向该区域内边缘服务区发送节目；另一种是区域QAM，用于向其他区域服务区发送节目。这两种QAM尽管都出自同一区域服务器，但其传送的节目是不同的。在我们提出的这个体系结构中，骨干网线路—干线—配线构成了三级传输线路。在这三级线路中，550～750MHz频段上传送的数据都不相同，因而该频段得到了最大程度的利用。其中，骨干网线路具有最高的通信代价，其次是头端到光节点的光纤干线，而配线的同轴网络线路的通信代价最低。因此应当尽量地减少高代价线路上的流量，这既可以通过增大区域服务器和边缘服务器上的存储量来实现，也可以通过合理配置热点节目及头块文件来改进。2.节目分发和传送策略图6图6是接纳控制服务器对用户点播请求的处理流程，其中包含着分布式VOD体系结构的内容分发和传送策略。我们以一个用户点播节目为例，来说明在该VOD体系结构中是如何实现节目的分发和传送的。a.边缘服务区内的节目传送如果用户点播的节目是热点节目，在边缘服务器内有该节目的完整备份，所有的操作均在该边缘服务区内完成，只需分配频道资源即可。b.区域服务区内的节目分发和传送如果用户点播的节目是非热点节目，那就需要区域服务器的参与才能完成。边缘服务器的接纳控制部分接收到用户的点播请求后，根据该服务器上是否有该节目的头块文件进行分别处理:(1)如果有头块文件，向区域服务器发出传送请求;如果可以在规定的时间内得到剩余数据，边缘服务器将一边传送头块文件给用户，一边从区域服务器得到该节目的剩余数据；如果提供剩余数据的时间过长，将询问用户是否依然点播，以决定是否释放资源和传送剩余数据；(2)如果没有头块文件，向区域服务器发出传送请求；然后返回传送节目的时间，询问用户是否依然点播，以决定是否释放资源和传送数据。c.区域服务区外的节目分发和传送如果用户想点播所在区域服务区之外的节目，或者本区域服务区的管理员希望获得相邻服务区的节目，用户要首先通过边缘服务器向区域服务器发出查询请求，而管理员则可直接通过拓扑环，对其他区域服务器内保存的相应节目的元数据进行查询；如果选中，将返回该节目传送到本区域服务器的时间，询问用户是否传送。传送成功后，就可以作为没有头块文件的非热点节目供用户点播。不同边缘服务区内的用户观看节目可能具有不同的喜好和时间，这就造成了各边缘服务区在空间和时间上的不同倾向性。我们可以充分利用这个倾向性来合理配置网络和节目资源，使系统在用户等待延时、网络通信开销、服务器存储容量等性能上达到全局最优。四结论因为CATV网络具有较高的用户普及率和优秀的网络质量，利用HFC开展互动多媒体业务具有较大优势。基于HFC网的分布式VOD体系结构充分利用现已有的CATV网络，可以将海量的节目迅速高效地提供给用户，为开展VOD等多媒体互动业务提供了一种合理的框架。