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武汉广电高清互动电视平台原理与实现
武汉广电高清互动电视平台原理与实现
(一)(2010-01)
2010-04-20 新闻来源:
武汉广电网
张剑武汉广电数字网络公司数字电视技术部副经理
一、概述
数字电视产业在飞速发展,武汉广电网络作为中部地区最大的广电运营商在这个过程中获得了历史的机遇,同时也需要接受来自外部的诸多挑战,对于广电内部而言,直播卫星、手机电视等多种技术体系在冲击有线数字电视的领地,对于外部而言,各个电信运营商都在积极试点IPTV业务,对视频点播领域虎视眈眈。
如何应对这些挑战,能够在巩固原有的业务用户的基础上,同时能够获得新的业务增长点,这需要武汉广电网络能够对最终用户提供多种差异化的服务。
利用高清互动电视平台能帮助武汉广电网络实现在业务层面的三网合一,完成其从单一的视频业务服务商向综合信息服务运营商的转换。
武汉高清互动电视平台作为网络融合和业务融合大趋势下的产物,以武汉广电网络现有的HFC网络为基础,以双向互动机顶盒为纽带,将市民家中的电视机转换为家庭多媒体终端,是一个以实现业务融合和实现信息共享、传递为目标,以提供跨越多个不同网络的应用为核心,针对武汉市民建设的三网融合业务公共服务平台项目。
根据武汉市广播影视局(总台)的统一布署,为提高武汉广电网络的网络价值和业务竞争力,积极、稳妥地推进互动电视业务的发展,进行此次互动电视运营平台的建设,满足武汉城市信息化高速发展的需要。
武汉广电网络HFC网覆盖用户约200万,网络信号延伸到“1+8城市圈”部分城市。
在武汉城区,80%的HFC网为双向网络。
待互动平台一期建设完成后,用户只需要在终端升级机顶盒即可成为互动电视用户。
通过系统二期扩容后,互动电视用户可以扩展到武汉“1+8”城市圈,通过系统三期扩容后,可以作为国家广电网络NGB(下一代广播电视网)系统的一个节点,实现全国范围内的有效覆盖。
二、平台设计目标
武汉广电高清互动电视平台建设目标是建设一个以武汉广电网络为主导的大容量、高性能、易维护、开放性和扩展性良好、有服务质量保证的三网融合业务公共服务平台。
该平台可向用户提供数字电视高标清直播、VOD高标清点播、频道回看、频道时移、魅力武汉、阳光政务、家庭相册、在线游戏、远程教育、在线医疗、电视支付、电视银行等应用项目。
平台的具体设计目标如下:
(1)建设一个支持多CP/SP引入和支持多厂家互动多媒体业务系统的开放的区域性(覆盖武汉三镇和周边地区)中心平台。
(2)平台支持集中布署和分布式2级和3级架构布署的分级组网方式,并能支持从集中式布署向2级架构和向3级架构平滑扩展,服务可覆盖“1+8城市圈”或更大范围的区域。
(3)平台支持多种网络的接入以及业务在多种结构的承载网上运行,业务能够支持包括机顶盒在内的多种终端设备,今后可扩展支持PC、手机和“上网本”等移动终端和其他终端。
(4)编码格式支持:
H.264及MPEG2;支持H.264和MPEG2在任意设备任意输出端口的多格式混播,流承载协议(编码容器)为MPEG2TS。
支持编码格式为:
标清互动视频:
H.264标清,H.264主类3级(MP@L3),进行IP封装后码率2Mbps以内(在保证广播级视频质量的前提下应尽量优化降低带宽)
高清互动视频:
H.264高清,H.264高类4级(HP@L4),进行IP封装后码率9Mbps以内(在保证广播视频级质量的前提下应尽量优化降低带宽)
标清广播小窗口视频:
MPEG2标清,MPEG24:
2:
0MP@ML,进行IP封装后码率3.75Mbps以内(为兼容早期仅支持MPEG2的单向机顶盒,仅用于适合低分辨率图像的业务应用,如小窗口视频广告等);
标清广播视频:
MPEG2标清,MPEG24:
2:
0MP@ML,进行IP封装后码率6Mbps以内(用于自办虚拟频道直播码流进入DVB平台进行广播)
音频:
MPEG1layer2、AAC和杜比AC-3
(5)平台能根据用户数的增加实现在不中断业务的前提下平滑扩容,系统容量能够线性增长,最终能支持数百万用户规模。
(6)平台具有良好的媒体资源可管理性和开放性,能够统一管理和调度平台内的多媒体资源(视频、音频、图像、文本等),实现多个业务之间资源的共享和引用;实现平台同多个CP/SP之间可管理的资源共享和业务共享。
(7)平台内的业务系统(如VOD业务系统、时移业务系统、信息浏览业务系统、电视游戏业务系统等)能够具备业务管理和监测能力,并向其他系统提供运营信息和数据,具有开放的和标准化的接口。
(8)能够提供对多种业务的综合运营能力,支持业务的多种计费方式(如:
套餐、优惠、按次计费等)和多种付费方式(预付费和后付费等)。
(9)平台中布署的业务能够一次开发,一次集成,统一在终端上布署,全网运行。
(10)平台具有统一的接入门户和统一的鉴权。
三、平台总体技术方案
1、总体架构
互动平台系统拓扑图:
武汉广电高清互动电视平台,逻辑上可划分为业务层、支撑层、承载层、网络层次图如下所示:
图1 系统总体架构图
1.1业务层
业务层负责实现用户的各种服务请求,根据用户需求而开发的相关业务,它是平台的生产系统。
根据业务的属性不同,可分为视听业务和非视听业务两大类。
视听业务是广电运营商的核心业务,包含除传统的数字电视广播、虚拟频道、NVOD、数据广播等业务外,还有形式新颖、操作灵活的互动视听业务,包括:
直播回放系统、精彩回放系统、nPVR系统、VOD点播系统、互动教育系统、音乐点播、电视K歌等系统等。
非视听业务是能够提升ARPU值的增值业务,包括:
财经服务系统、电视游戏系统、电视投票系统、电视缴费系统、电视彩票系统、电视邮箱系统、电视商旅系统等等。
1.2支撑层
负责向合法用户提供相应的服务、记录用户已使用服务的情况,同时对系统所提供的各种互动业务进行管理与维护,为运营商的互动业务运营管理提供基础支撑服务。
主要包括:
认证鉴授记账系统(AAA)、内容管理系统(CMS)、运营管理系统(BMS)、业务及数据接口等组成部分。
通过这些接口可以和业务导航系统(iEPG)、网络管理系统(NMS)、视频业务平台(VSP)、SMS/BOSS等部分进行集成
1.3承载层
它是响应客户指令,实现各种服务的系统层,譬如:
视频服务资源分配和流的推送、服务页面的生成下发。
包括:
媒体采编收录系统(RC)、数字版权管理(DRM,可集成第三方)、(AMS)媒资管理系统、(CC)控制中心、(CDN)内容分发系统、(VS)视频服务系统和RTSP网关、网络管理系统(NMS)等组成部分。
1.4网络层
网络层的任务,具体来说就是指运营商负责实现互动业务的双向HFC网络或其它双向数字网络将各种服务内容或控制信号由前端系统传输到终端用户,同时接收终端用户回传的业务指令到前端系统。
此外,运营商在前端能通过该网络对客户终端进行有效的监管。
2、互动业务管理平台
互动业务管理平台包括以下系统:
AAA(认证、鉴权、记账系统),CMS(内容管理系统)、BMS(商业管理系统)。
平台负责统一接入、统一认证、统一授权、统一资源管理、统一业务接入等各种业务支撑或业务管理功能。
管理平台还为MAM(媒体资产管理系统)、NMS(网络管理系统)、BOSS(商业运营支撑系统)、VSP(视频业务平台)、iEPG(互动业务导航系统、SDS(业务分发系统)提供标准的接口,使得系统架构更加合理,开放性得以保证。
图2 互动业务管理平台架构
2.1AAA系统
AAA系统主要是承担了:
终端设备身份认证、用户业务权限鉴定及授权、业务使用明细记录、各类业务数据交互等功能。
AAA系统采用集群模式对业务系统或终端提供基于WebService的远程服务接口调用。
AAA系统功能主要包括有:
l 终端认证激活:
终端第一次使用前端系统时需要进行激活操作方能正确接入;
l 终端认证登录:
终端非第一次使用前端系统时,只需要进行简单的登录操作即可;
l 业务鉴权:
为业务系统提供统一的鉴权接口;
l 终端业务数据接口:
提供相关的业务数据查询接口,例如获取节目单、获取相关节目信息等;
图3 AAA系统
l 接入认证
认证流程主要是提供对终端的身份识别和权限校验功能。
支持对多重终端身份标识的混合校验,并能灵活定制校验规则。
使得后台运维系统可以根据用户实际的情况来灵活的设定其绑定规则信息,如用户、机、卡绑定。
认证流程提供安全完善的认证接口,分为激活和登录两种方式的用户认证。
接口模式采用WebService+SOAP,最大程度上支持了跨系统的业务逻辑操作,提高系统的兼容性。
通讯协议采用HTTPS协议,有效的规避了信息在网络传输过程中的安全性问题,杜绝非法用户利用容易获得的网络和业务信息不断探视网络。
终端用户在第一次开机时,需要用户输入用户标识(AliasNumber)和用户密码,终端发送输入的用户标识和用户密码、同时发送本机MAC,SmartCardID,STBID,IP信息到前端服务器进行用户激活,终端的IP由前端服务器通过通信协议中自动获得,经验证为合法用户后,前端回传用户编号(UserID)、接入令牌(Token)、业务信息版本〔Version〕、业务域信息〔Info〕,这些信息终端会在本地持久存储。
业务域信息包含业务配置信息、业务授权信息、网络配置信息等,下发到终端后由终端保存使用。
详细业务流程参看下图:
图4 激活流程
当用户激活成功以后,每次开机后,终端将不再进行激活操作,直接进行登录验证。
机顶盒终端发送登录请求给认证系统,请求系统认证它的合法性,认证系统将根据终端提交的登录信息(用户标识、用户签名和版本号),进行签名验证,并采用了奇偶校验方式,有效的规避当发生不可预料异常时产生的认证信息丢失问题。
签名校验通过后,将会下发一个新的Token到终端,终端再将新的Token保存到本地替代旧的Token;同时,前端服务器将会根据业务信息版本的变化决定是否下发业务信息,当业务域信息有变化时,机顶盒将持久化保存替换原有业务域信息内容。
图5 登陆流程
l 综合鉴权
鉴权流程主要提供鉴权逻辑,规避用户对服务、网络等资源的越权操作。
只有合法的认证用户,经过鉴权流程后,才具备使用和访问网络及业务的能力,在使用业务的时候需要对业务进行一些产品级的细分鉴权控制,该工作具体由前端互动业务管理平台的AAA模块负责,承担各类互动业务在业务使用时候的鉴权工作,由此,将各类互动业务的综合鉴权控制与视频流服务分离。
其流程时序图如下图所示:
图6 鉴权流程
l 综合记账
记账功能在商品交易过程中是必不可少的。
在介绍记账过程以前,先对预付费用户和后付费用户进行说明:
对于预付费用户,须先缴纳相应费用才能享受到对应业务,当用户余额小于暂扣金额时,无法点播、预览付费商品(但仍可以使用赠送的商品)。
对于后付费用户,可以先享受业务,再在一定时间后缴纳相应费用。
系统的记账过程分两步,分别在鉴权和记录使用事件这两个时刻完成:
(1)系统在对某商品进行鉴权过程中若产生记账请求(商品在鉴权过程中产生记账请求的条件:
商品为非赠送而得的商品、商品未被包月使用、该商品关联了重用规则且此次的使用不属于重用、或者用户是将该商品赠送给其他用户),将在用户暂扣金额中增加该商品的费用,记账第一步完成。
(2)用户使用该商品结束后,PMS向AAA系统发出的使用事件记录请求,对于该请求,AAA系统有两种处理方式:
即时向SMS上报该记录;先将使用事件信息暂存,以批量方式定时上报至SMS。
对于这两种方式,可自行选择其中一种方式进行。
(3)在上报使用事件时刻,系统将根据该商品关联的规则进行记账——此时有两种方式,金额返还(在用户暂扣金额减去该商品的费用)和扣款处理(在用户暂扣金额减去该商品的费用的同时还会在用户余额中也减去该商品的费用)。
2.2CMS系统
CMS系统主要是以内容管理为核心,负责了内容的上载、生命周期管理、网络存储及分发、内容信息管理、内容授权管理、内容发布及用户获取内容的导航方式定义等功能。
并且在没有完善的BOSS进行支撑时,CMS还承担了和BMS配合实现业务管理、资费管理、订购管理、用户管理等基本功能。
CMS提供了与其他模块(业务系统、门户系统和BMS)的数据同步接口,接口是基于SOAP协议的开放式远程调用,实现跨语言、跨系统间的数据同步。
CMS可以支持多种格式、多种码率的节目内容管理,包括但不限于MPEG2、H.264的高标清节目内容。
CMS功能主要有:
l 目录管理:
主要是负责前端EPG系统的导航目录的管理维护;
l 元数据管理:
如:
片名、主要演员、导演、影片海报、简介等
l 内容管理:
内容数据的管理与维护,包括了内容生命周期管理、内容的上载和分发等;
l 产品管理:
产品(包)数据的管理与维护,包括了产品生命周期管理、产品数据同步;
l 频道管理:
电视频道信息数据的维护管理;
l 节目单管理:
电视节目单信息数据的维护和管理;
节目内容生命周期管理流程:
图7 生命周期管理流程
2.3BMS系统
BMS系统主要是以用户、合作伙伴和业务等管理为核心,提供了基于终端的用户信息、账户信息、用户订购信息管理、机构(合作伙伴)信息管理及业务信息管理等,并。
同时,BMS提供了与其他模块(业务系统、营帐系统、门户系统)的数据同步接口,接口是基于SOAP协议的开放式远程调用,实现跨语言、跨系统间的数据同步。
图8 BMS总体架构图
BMS功能主要包含有:
?
用户管理:
主要是负责终端用户的信息维护、账户、订购关系、消费记录等管理;
?
业务管理:
业务数据的信息维护、业务生命周期管理以及业务数据同步;
?
订购(授权)管理:
维护用户订购关系及订购关系同步,也可由BOSS系统同步数据到CMS系统中,以供AAA在鉴权流程中取得授权信息;
?
资费管理:
资费信息管理及资费信息同步接口,由BOSS系统定价后同步到CMS系统中,EPG系统根据业务需要展现资费信息;
?
机构管理:
CP、SP、虚拟运营商、运营商、合作伙伴等信息管理与维护;
?
统计报表:
业务的运营统计和报表输出;
?
日志管理:
用户使用记录及系统操作员操作记录管理;
?
数据接口管理:
BMS提供了与其他模块(如业务系统、营帐系统、门户系统)的数据同步接口;
3、VSP视频播控平台
VSP实现对TS流的实时录制、上传、分发、存储、播放及控制功能,能够提供视频点播、直播回放、精彩回放、个人网络视频录制回放等基础增值业务。
同时提供TS文件的在数据网络组播或HFC网络的广播,实现虚拟直播服务,亦可以提供NVOD业务的播控服务,实现NVOD业务。
VSP主要由视频服务器与视频播发控制中心两部分组成:
图9 VSP系统架构图
l 视频子系统大体上分成两大部分:
视频服务接入前置中间件和视频服务设备。
l 视频服务接入前置中间件,就是我们的控制中心。
控制中心用于向平台提供统一的视频服务接入服务,屏蔽在同一系统中加载不同视频服务节点,带来的上传下载控制,录制控制,和点播時移服务控制的差异,并在视频子系统内部提供在不同服务节点间的服务能力和存储空间上的负载均衡,提供分布式部署的能力以及统一的会话资源管理的能力。
l 控制中心主要由3大部分组成,分别是会话资源管理及RTSP网关,录制及内容分布控制(包括時移节目单变更处理),CIP模块(上传代理和节目迁移控制)。
以上这三个模块需要分别适配不同类型的视频服务节点。
l 视频服务节点。
视频服务节点作为可以外购的单元,应该具有独立的存储空间和一定的节目点播和時移点播的并发能力。
具有快速响应点播和時移的请求的能力。
一个节点可以是一个存储媒体服务器,也可以是一个具有内部负载均衡功能的服务器群。
一个服务节点,必须具备统一的控制入口地址,统一的可访问的上传、下载地址,和统一的录制入口地址。
l 视频服务节点主要由4个子系统,分别是接入控制子系统,推流子系统,录制子系统,上传分发子系统。
3.1视频服务器(VS)
功能描述:
用于互动视频业务的VS分为:
RTSP协议接入模块、录制模块、推流模块、磁盘管理模块。
下面针对各个模块的功能分开进行阐述:
序号
功能模块
功能描述
1
RTSP协议接入模块
此模块提供了RTSP协议解析功能,用户发出的视频服务请求在经过CC转发后到达VS,由协议接入模块与CC进行交互,获得用户要进行的视频操作、文件内容、推流地址等信息。
2
录制模块
此模块通过录入的节目单进行实时节目的录制,生成正确可读的录制文件、播放索引文件以及快进快退索引文件。
3
推流模块
此模块是VS的核心模块,主要负责把流媒体文件及时读入缓存,推向指定地址。
4
磁盘管理模块
此模块负责管理磁盘空间、读写磁盘文件。
在有视频流请求时此模块会及时把媒体文件内容从磁盘读入缓存,在磁盘空间不足时,会自动删除长期不用的或过期的录制文件。
性能描述:
1、节目源格式与码率:
视频服务器支持包括MPEG2、MPEG4、AVS、H.264在内的多种节目格式,并且支持任意码率的高清或者标清节目的输出,保证了节目源的多样性。
2、通讯协议:
视频服务器与控制中心服务器之间的通信采用TCP/IP协议;视频服务器推流采用UDP/IP、RTSP协议;视频服务器与中心存储服务器之间采用HTTP、FTP协议;视频服务器与网管服务器之间采用SNMP协议。
3、推流格式:
视频服务器通过标准的千兆以太网口推流,每个网口的输出带宽不低于800Mbps,输出的流格式为TSoverIP,因此视频服务器既能通过IPQAM设备为广电的互动电视提供服务,又能通过宽带网络设备为IPTV提供服务。
4、反应速度:
视频服务器能够同时提供VOD、直播回放、精彩回放、nPVR等多种互动视频业务,并且点播响应时间不大于2秒。
5、节目录制:
视频服务器在保证推流能力的前提下,能够支持最大30路直播节目的录制。
6、分组录制:
支持中心与边缘分节点同时对节目进行录制。
3.2控制中心服务器(CC)
资源控制中心(ControlCenter),用于(为RTSPGateway)提供系统资源(例如:
IPQAM的数据播发通道、视频服务器资源等)的统一分配和管理的策略,提供全局负载均衡控制(例如:
按照一定的策略分配视频服务器为客户提供服务),并依据用户访问实时驱动内容分发。
图10 CC架构图
RTSP网关的功能如下:
1、统一STB的接入控制,让STB的接入管理更统一,利于规模化运营和升级维护,新的STB接入系统无需与多个厂家的视频服务器逐一集成,只需与RTSP网关做一次集成即可。
2、统一的RTSP接入协议,屏蔽了RTSP协议的多样性,让终端STB从处理各种复杂的视频服务器协议工作中解脱出来,使STB接入系统相对简单。
3、统一视频服务器的接入控制,可以轻松接入和管理不同厂家的视频服务器,多家厂商的视频服务器可能都有自己的存储架构、分发架构以及文件体系,控制中心/RTSP网关能够屏蔽这些个性化的特点,使多个厂商的视频服务器能在同一个平台上运行。
4、CDN系统
内容分发网络(CDN),是一种用于提高网络内容分发质量,降低骨干网络传输负载以及降低节目源的访问负载的技术,被运用于IPTV系统和数字电视系统,通常由媒体资源描述库、媒体存储源、边缘Cache(视频服务器)、分发控制中心组成。
图11 CDN系统图
CDN服务用于组织内容的路由分发、规划和管理内容存储。
在中央媒体中心保存所有节目资源,各个边缘Cache(视频服务器)存有热门的当前可用的节目资源的副本。
MCDN是混合方式的CDN,将传统的CDN与P2P传输结合起来,也就是大家常说的P-CDN。
在预分发和骨干网络的分发中采用通常的CDN,在区域节点群之间采用P2P的方式来均匀存储负载。
图12 CDN逻辑结构图
CDN系统提供节目源的复制和迁移策略,既涉及内容的预分发(预分发带宽控制,断点续传能力,平行分发功能),即时远程访问(GFS+iSCSI,或第三方解决方案等)和即时分发(下行限流直传,区域P2P分发——控制P2P对骨干网的干扰等)等内容访问和迁移策略,也涉及边缘Cache的空间调度管理以及节目缓存策略。
CDN的分发策略包括预分发、即时分发、热点置换、热点复制。
1、预分发
预分发方式是指中心存储服务器向各边缘服务器节点下发节目内容,或者各边缘服务器节点之间进行节目的分发,它是PUSH方式的分发,即由分发源主动向接收端分发节目。
边缘存储(节点群的内部存储总合)中VOD缓存中的60%-80%的空间用于热点文件的散布覆盖,剩余的20%-40%用于动态的热点复制,这个是动态变化的,当边缘存储越小——节点群越小,用来做热点复制的空间越小。
将中心存储服务器中的全部节目或热点节目尽可能的均匀散布到节点群中各个节点服务器上,这样可以降低骨干网络的压力。
当节点群较大时,或中心存储节目量较少时,可能出现整个边缘存储的用于散布的缓存空间已经大于中心存储的所有节目空间。
也就是说该节点群能够提供给用户访问任何节目的能力。
当散布空间不足时,新的热点节目下发时,会触发删除该节点群中静默节目或低访问度节目的动作。
2、即时分发
即时分发也称按需分发,即采用PULL的方式进行节目的分发,当边缘服务器节点需要每个节目时,该台服务器会主动向中心存储服务器或其它的边缘服务器节点索取该节目内容。
系统可以采用p2p的方式进行分发,也可以通过IPSAN的方式从中心存储服务器中获取节目内容。
3、热点置换
在节点群比较小的时候(通常情况都比较小),一般本地覆盖能力比较小。
对于用户的点播请求本地没有覆盖的节目时,一般通过p2p协同,IPSAN的方式提供服务,或者由中心节点提供服务,
边缘对这种方式提供服务的节目进行统计,当次数达到一定门限时,就需要在节点(群)内部进行热点置换,把节点(群)内近期无人或少人点播的节目删除,换成热点节目。
(对于时移节目也是如此)
4、热点复制
在节点群比较大的时候,一般本地覆盖能力比较大。
同时会有一定的冗余空间留出来,做热点节目的复制。
当某节目在该区域的点播比率高于一定门限时,就会启动热点复制,将该节目在节点群内进行再次复制,以此来分流用户的点播压力。
当某一节目比较热播的时候,在较大的节
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