融合广播与互联网络的数字媒体网络体系架构初探

当巨量的视音频数据如潮水般涌来，互联网该怎么办?当越来越多的视音频消费转向互联网，广播网又该怎么办?

随着互联网宽带接入和应用的不断发展，网络数字音视频服务需求增长迅猛。最新统计报告显示：网络音乐和网络视频分列互联网应用使用率的第一位和第四位，用户量分别达到2.14亿和1.8亿人。

网络数字音视频需求的增长，在催生出大量视频网站的同时，也对网络传输环境提出新的要求。尽管目前有CDN和P2P等技术解决方案，但服务器端的建设成本、大量无功流量对网络带宽的占用，以及网络数字音视频的服务品质等问题，仍制约着产业发展。本文通过对中国工程院李幼平院士提出的广播网络和互联网络相互融合的“播存结构”理论的理解，结合近年在IP数据广播技术和业务领域的实践，构思了广播网络和互联网络相互融合的数字媒体网络基本架构。希望藉此文抛砖引玉，引发有关专家和业界同仁的关注和研讨。

基本架构篇

借用清华大学宽带网络实验室戴琼海主任及程鹏博士在国家广电总局《下一代通信技术和计算机技术对广播电视发展的影响》项目调研报告中提出的“数字媒体网络”概念，本文对所研究的“数字媒体网络”定义为：“有线电视广播网络与互联网络相融合的，以IP技术为基本框架的，以媒体服务为主要承载业务的网络。”

选择IP技术为数字媒体网络基本框架，主要是考虑目前IP技术在广播网络和互联网络两种异构网络应用均非常成熟，在数字电视传输标准DVB数据传输协议中，对lP数据传输有明确规定。

数字媒体网络理论基础

经过多年对互联网与广播网络信息服务的研究，李幼平院士指出：互联网已演化成幂律分布／随机分布同时并存的网络。一方面，少数网站集中了大量的用户访问量，而且随着互联网“传媒化”的发展，这种现象将越发显现；另一方面，Web2.0带动草根文化的风行，仍反映了互联网文化的多元化特征。图1为对某网络端口某一时刻用户通过P2P下载视频文件的行为统计分析。

互联网上述信息服务特点，需要构建一种更合理的新型网络传输体系，以适应网络信息服务，特别是网络媒体服务需求的发展。李幼平院士创造性地提出，通过广播技术与存储技术相结合的“播存结构”，构建一个互联网的覆盖网(Overlay)，全面提升网络媒体服务品质。以“播存结构”为核心的网络融合技术体系的实现方式是：互联网络在保留TCP/IP为主结构的基础上，增添“广播传输和分布存储”的“播存结构”做为次级结构，通过主结构实现个性化的交互服务，通过次级结构实现共享信息内容的分发服务，通过用户端透明计算实现业务汇聚，用户无需了解内容从何种网络提供。

上述网络结构体系，也被李幼平院士称为“双结构互联网络”，奠定了数字媒体网络的理论基础。

数字媒体网络基本架构

1　数字媒体网络的技术核心

数字媒体网络将以IP技术为基本框架，实现有线电视广播网络与互联网络两种异构网络在传输层的融合，应用具有内容计算的“广播传输+分布存储”的“播存结构”理论，实现有线电视广播网络与互联网络融合所形成的双结构网络在应用层的汇聚。

2　数字媒体网络的层次化体系结构

数字媒体网络自上而下由应用层、传输层、网络层和物理层四层结构构成，如图2所示。

3　数字媒体网络的协议体系

IP技术为基本框架，通过以TCP/IP为主要传输协议标准的互联网络，与以UDP为主要传输协议标准的有线数字电视广播网络的相互融合。形成数字媒体网络协议体系，如图3和表1所示。

4　数字媒体网络的网络拓扑结构

如图4所示，数字媒体网络为广播网络和互联网络两个互为重叠的网络结构。

数据传输协议

在上述数字媒体网络协议体系中，多种协议标准及技术在互联网络中已得到广泛使用，在这里不复赘述。本文只对在协议体系中所涉及的数字电视DVB标准中的数据传输协议做简要介绍。

目前，在我国数字电视采用的DVB标准中，定义了六种基于MPEG-2 TS流的数据传输协议，分别为数据管道(Data Piping)、数据流(Data Streaming)、多协议封装(Mutiprotoeol Encapsulation)、数据轮播(Data Carousels)、对象轮播(ObjectCarousels)以及用户定义服务。

考虑到多协议封装协议对IP数据传输的支持，具有很好的通用性和可扩展性，因此在本文所论述的数字媒体网络中，广播网络选择采用多协议封装的IP数据传输技术。

关键技术篇

关键技术一：IP数据广播播发控制技术

IP数据广播播发控制技术主要提供数字媒体网络广播传输通道带宽分配、内容播发时间、服务优先级控制和管理，这里主要体现为差分并播技术机制。应用64QAM调制方式，有线电视广播网8MHz模拟带宽，数据传输速率可达到38Mbps，差分并播技术将用于解决高优先级的数据内容在广播网络的及时传输(Qos)和广播带宽的有效利用的问题。差分并播技术原理如图5所示：

在数字媒体双网络传输体系中，根据信息传输的路由选择策略，共性信息内容(如广播信息)一般通过广播网络传输通道进行传输。为保证广播网络传输带宽的有效利用，在优先级别高的业务结束后，其所占用的带宽应及时释放，供优先级别低的业务使用。图5将四种优先级别的播发业务对广播带宽的占用情况做简单示意：在广播通道信息传输开始阶段(t=0)，广播网络传输通道正在播发“立即播发”级别的几路视频直播流，其余带宽用于传输“尽快播发”级别的业务(一般为传输共享IP数据包)当一路视频直播播发结束时(t=TO)，系统将其占用带宽释放，而优先级别低的“尽快播发”的业务马上填充所释放的带宽；当优先级别最高的“紧急播发”的业务需求提交时(t=T1)，系统将立即响应，分配所需传输带宽，正在传输的“立即播发”级别的业务所占带宽不受影响，而优先级别低的“尽快播发”的业务所占带宽将被压缩；当前三个优先级别业务传输带宽需求小于广播网络传输通道总体带宽时(这里为38Mbps)(t=T2)，剩余带宽将由优先级别最低的“争取播发”业务所填充。

关键技术二：IP数据包传输路由选择技术

IP数据包传输路由选择技术关键在于共享IP数据包的确定。并将其通过广播网络快捷地分发到用户端，用户对两个传输通道接收的数据包进行组包。通过这种方式，热度越高的内容，用户获取的速度越快。整体的服务品质得以提升。

共享IP数 据包主要通过以下三种策略形成：

首先是用户需求动态捕捉策略。通过互联网络响应用户的下载需求，同时对用户行为进行动态分析统计，根据信息内容需求热度，形成共享lP数据包，通过广播网络进行播发；

其次是信息内容订阅策略。通过对用户的服务内容预订信息进行统计，形成信息内容热度排行，确定共享IP数据包，通过广播网络进行播发；

第三是用户需求预判策略(也可称为Cache方式)。根据用户消费习惯，对用户需求进行预判，事先将热度较高的内容，按一定比例(如80％)通过广播网络播发、预存在用户端，将热度次之的内容，也按一定比例(如60％)通过广播网络播发、预存在用户端。依此类推，通过在用户端对内容的预存，减少用户需求的响应时间，提高服务品质。

关键技术三：内容计算一语义标引(UCL)

根据本文对数字媒体网络定义，数字媒体网络应是以媒体服务为主要承载业务的网络。因此，有关信息内容的标引(定位)就显得十分重要。

受香农(Shannon)信息理论忽略语义的影响，在通信工程中缺失语义管理，只注重端对端的连接，不关心通信中传送的是什么内容。针对上述问题，李幼平院士在“播存结构”理论中提出了一个创新的概念：语义标引(或语义地址)，也称为统一内容定位(Uniform Content Loca60n，UCL)，并就应用UCL对传输的信息内容进行标识，提出在IP报头的任选(Option)段，嵌入UCL代码。使得IP数据包带有了内容的语义标引，这种ID数据包称为BIP分组，由此形成的传输规则称为BIP标准。数字媒体网络用户接收端通过对BIP分组自动进行识别，可从网络传输的大量的IP数据包中，将符合要求的IP数据包过滤出来，收存在本地。

如果说“广播+存储”带来了广播网络信息服务由“瞬态”到“常在”的变化，那么“语义标引”概念的提出，则带来广播网络与互联网络双网络传输环境内容的识别与重组，实现了广播网络与互联网络在存储节点(Buffer)的融合。同时，改变网络信息内容的无序状态，使用户可以从海量的信息中，准确地找到自己所需的内容，保证了网络所信息的准确性、权威性，实现了对网络公共信息的控制监管，这将是网络走向“新媒体”的必由之路。

应用篇

基于“播存结构”理论构建的广播网络与互联网络相融合的数字媒体网络具有如下四个特点。

特点一：帮助互联网络克服带宽瓶颈、提升服务品质

随着互联网应用，特别是互联网音视频应用的不断发展，对互联网传统的传输体系带来了新的挑战。有调查显示。互联网很可能会因承受不住大量数字媒体对带宽的拥塞而崩溃，

同时，目前互联网应用所呈现的需求趋同特征，为数字媒体网络提供了“英雄用武之地”。通过将大量共享信息从互联网中剥离出来，通过广播网络一次传播给所有的需求用户(而不是为每个用户都单独发送一遍)，这将大大缓解目前互联网面临的带宽危机，提供网络服务品质。

特点二：提升广播网络在信息传播领域的价值

数字媒体网络构架充分发挥了广播网络的传输优势，而这种优势过去一直被业界所低估和忽视。通过“播存结构”理论的引入，使广播网络信息服务由“瞬态”改变为“常在”，实现了用户互动。而与互联网络的融合，又满足了用户个性化的需求。

广播网络运营商可利用广播网络所特有的低成本传播特性，建立有别于其他网络运营商的、差异化数据业务经营模式，为数据增值业务的开展，开辟新的发展空间。

特点三：语义标引实现了公共服务信息的规范管理

语义标引UCL技术数字媒体网络传输内容增加了定位标识，实现对传输信息有效的识别和过滤，保证了信息内容传输的安全性，也有助于政府对公共信息的可靠监管。

特点四：促进网络媒体服务盈利模式的形成

数字媒体网络服务内容的品质保证，可带动网络数字媒体服务需求增长。而广播网络低成本特性，则有助于应用规模化发展，这种良性的业态发展环境，将会促进网络媒体服务盈利模式的形成。

综上所述，数字媒体网络带动了互联网络与广播网络的自然融合，在“三网融合”的发展历程中迈出了第一步，符合网络技术的发展方向，相信将具备广阔的发展前景。