基于移动P2P网络的移动电视的实现方案

移动电视（wobileTV）作为一种新的移动增值业务正在成为人们广泛关注的热点。一方面，移动用户对服务的要求越来越高。已经不满足于仅与其他用户进行通信，他们希望移动终端能够具有更多的功能。另一方面，移动网络运营商由于投入了大量的资金进行网络建设，因此希望能够向用户提供更多、更具有吸引力的增值业务，以收回成本并创造利润。此外，作为传统娱乐形式的广播电视服务提供商迫切希望开辟新的市场，扩大广播电视的受众群体，因而瞄准了用户众多的移动通信市场。这些因素是促进移动电视技术发展的动力。

目前，虽然移动电视技术受到广泛关注，但是实际使用移动终端收看广播电视的用户还是很少，大多数用户持观望的态度。造成这种状况的原因主要有以下几点。第一，目前运营中的移动网络的通信数据速率比较低，造成使用移动终端收看广播电视节目时画面的连贯性很差。这种断断续续的电视画面，用户是不能够忍受的。第二，目前移动运营商推出的移动电视业务被看作是一种数据业务，按数据流量收取费用，相对于其他业务，移动电视的费用非常高，一般用户还无法承担。第三，用户使用作为数据业务的移动电视业务时，需要长时间占用信道。第四，一些实现方案是在手机上增加电视信号接收模块，虽然这种方式不用占用移动通信信道，但用户还要额外为电视信号接收模块支付较高的费用。这些原因阻碍了移动电视业务的普及。

本文提出一种新的移动电视的实现方案。我们的方案虽然不能解决上述的所有问题，但至少相对于现有的实现方案有一定的改进和创新。文章第二部分简单介绍了移动P2P网络，并讨论新的移动电视方案所要解决的问题，第三部分详细介绍新方案的系统结构和实现方式。最后在第四部分展望了3G时代的移动电视业务的前景。

移动P2P网络

为了能够更好地在移动网络中实现移动电视业务，我们采用改进的移动P2P（MobileP2P，MP2P）网络构架。P2P（PeertoPeer）是如今发展最为迅速的互联网技术之一，基于P2P技术的应用已经超过了网页浏览，成为数据传输量最大的互联网业务。越来越多的Internet用户开始使用基于P2P技术的应用服务，如文件共享、视频点播以及收看网络电视。

目前主要的Internet技术模式是Server/Clients，此方式需要有处理能力强、带宽大的高性能计算机（Server），集中存放大量数据，并且要配合多样化的高档服务器软件，在处理数据的同时可以为Internet上的客户机（Client）服务，提供或接收数据，提供处理能力及其他应用，而与服务器联机并接受服务的客户机功能可以相对弱小。但是服务器的性能和网络带宽毕竟是有限的，当连接到服务器的客户机数量超过其负载极限时，就会使服务器对各客户机的服务质量下降。另外，由于大量的信息资源都集中在服务器端，一旦服务器受到攻击，整个网络就会瘫痪。

而P2P技术的特征就是弱化服务器的作用甚至取消服务器，任意两台PC互为服务器的同时又是客户机（即对等）。P2P技术使得网络内容“边缘化”，能够提高网络的性能和安全性。P2P网络是一种“上层”网络，一般基于TCP连接或HTTP连接。P2P层可以和物理层完全分离开，P2P层的连接并不反映物理层的连接。因此，只要是支持TCP连接方式的网络，不管其物理层如何定义，都可以在传输层上再加一个P2P层，组成P2P网络。对于移动网络，下层为移动网络的物理层，在传输层上加入P2P层，就构成了MP2P网络。[1]中提出一种MP2P网络的实现，并研究了用MP2P技术进行文件共享（如图1）。针对所要实现的功能，MP2P网络的物理结构和设备也可以不同。例如，[2]讨论在GPRS网络中实现P2P文件共享和[3]讨论MP2P文件共享系统的性能就使用了两种不同的MP2P网络构架。

目前，已经有成熟的基于P2P网络的广播电视软件。这种网络电视被称为P2PTV，由于采用P2P技术，能最大限度地利用用户的网络带宽，保证良好的收看质量，因此拥有庞大的用户群。我们可以借鉴Internet上的P2PTV，在移动网络中实现MobileP2PTV。

但是和（有线）Internet用户相比，移动用户具有以下的特点。第一，上网习惯不同。Internet用户一般采用以太网或xDSL的接入方式接入，因此可以保证长时间在线；而移动用户只在需要的时候才会上网，在线时间较短。第二，用户终端功能不同。Internet用户的网络终端一般为台式计算机或便携式计算机，具有强大的功能，如高性能CPU、大容量硬盘和内存等，并且网络接入带宽较高；而移动用户终端主要是手机，CPU性能较低，内存和外部存储空间较小，接入带宽较低。第三，网络特性不同。Internet用户通常采用有线连接，连接一旦建立，就可以保证高可靠性的数据传输；而移动网络特性不稳定，网络连接可能在数据交换还没有完成之前就断开了。第四，移动终端种类繁多，性能多样。我们知道，在Internet中，尽管每个人所使用的网络终端的性能不尽相同，但都是兼容IBMPC的计算机，通过Internet收看电视节目时，下载的是相同编码格式的视频流媒体文件。而移动网络用户的移动终端多种多样，各自的性能不同，需要采用不同编码格式的视频流媒体文件。

另外，广播电视节目也有其自身的特点。首先，由于广播电视的视频文件属于流媒体文件，用户在收看电视节目时，采用的是一边下载一边观看的方式。而其他大多数类型的视频文件采用的是先下载后观看的方式。其次，广播电视节目具有实时性的特点，它与其他内容的流媒体文件也不同。

为了解决上述问题，我们借鉴了[5]中介绍的在Internet中实现P2P视频点播（VOD）服务的系统结构和[6]中介绍的在移动网络中实现流媒体视频服务的系统结构，并且参考了[7]中对WCDMA系统中的移动流媒体服务的研究，对现有的MP2P网络进行了改进，使其能够支持移动电视业务。MP2PTV可以采用图2中混合（Hybrid）网络结构，主要包括源节点（SourcePeer）、目录服务器（IndexServer）和缓存节点（CachePeer）几个部分。源节点的功能主要是将广播电视信号转换为可以在网络中传输的流媒体文件并将其在网络上。它可以是架设在各个电视台的中央控制机房中的大型服务器，也可以是一般用户家中带有视频采集功能的计算机。目录服务器主要提供了电视台索引的功能，主要用来存储MP2P网络中各个节点的网络地址和收看电视频道的信息。缓存节点的主要功能是存储收视率较高的电视台的电视节目。

当两个移动用户在传输视频流媒体文件的时候，可能由于其中一个用户的下线或通信状况不好而导致两个用户之间的连接在数据传输没有完成的时候就断开了。因此，在系统中加入了缓存节点，当两个移动用户之间的连接非正常断开时，用户的移动终端会自动与缓存节点建立连接继续传输没有传输完的流媒体文件。此外，为了能够和Internet用户之间进行数据传输，源节点、缓存节点以及目录服务器都可以和Internet中的其他节点进行连接。

基于MP2P的移动电视

这一节中着重介绍用户如何通过该网络收看广播电视节目，及MP2P网络是如何管理电视节目流媒体文件的。

1、广播电视节目的

当源节点连接到网络中时，首先向目录服务器发送一条信息，信息中包含源节点的网络地址和所接收的电视频道的频道号。目录服务器在收到源节点发送的信息后，会将源节点的网络地址和接收的电视频道的频道号加入自己的目录中，同时向源节点返回确认信息。源节点在接收到目录服务器的确认信息后，开始将其接收到的某个或某几个电视频道的电视节目内容实时转换成网络上流行的流媒体文件格式，然后到网络上。通常，一个电视频道的电视节目可以由多个源节点，这样就加快了电视节目的速度。

2、用户收看电视节目

图3显示了用户收看电视节目的过程。移动用户在收看电视节目之前，需使移动终端连接到网络，并登陆到目录服务器的主页上。目录服务器的主页上显示了所有目前所能收看的电视频道以及各电视频道的收看人数。用户在目录服务器的主页上选择要收看的电视频道，用户移动终端则向目录服务器发出包括用户的网络位置和需要收看的电视频道的频道号的请求信息。目录服务器收到用户的请求信息后，首先返回一个确认信息，然后根据请求信息的内容在目录服务器的索引目录中查找同该用户需要收看的电视频道相符合的所有节点的信息，并将网络位置与该用户最近的几个节点的网络地址信息发送给用户。

用户移动终端在接收到目录服务器的确认信息后，等待目录服务器发出的其他节点的网络地址信息。在收到其他节点的网络信息后，用户移动终端与其他节点建立连接，连接建立成功后，向目录服务器发送正在收看的信息。目录服务器接收到用户的正在收看的信息后，将该用户的网络地址和所收看的电视频道的频道号加入到自己的目录中。

如果没有接收到目录服务器的确认信息，用户会重新发送请求信息，直到收到目录服务器的确认信息或者其他节点的网络地址信息或重发次数达到某个值时，才会停止重发并通知用户连接失败。

如果用户结束收看电视节目，只需要关闭移动终端上的视频播放软件即可。此时，用户移动终端会自动向目录服务器发送结束收看的信息。目录服务器在收到用户结束收看的信息后，会将该用户的相关信息从自己的索引目录中删除掉。

如果在收看期间需要切换频道，用户只需选择要切换到的频道。这时，用户的移动终端会向目录服务器发送切换频道的信息，该信息的内容包括用户的网络地址、当前收看的电视频道的频道号和需要切换到的电视频道的频道号。目录服务器在收到用户的切换频道的信息后，会根据切换频道信息的内容在索引目录中查找同该用户需要切换到的电视频道相符合的所有节点的信息，并将网络位置与该用户最近的几个节点的网络地址信息发送给用户。用户的移动终端在收到该信息后自动与信息中包含的节点建立连接。连接建立以后，用户移动终端会向目录服务器发送切换完成的信息。目录服务器在收到切换完成的信息后，会对索引目录中的该用户的相关信息进行修改，将该用户正在收看的电视频道的频道号更新为切换后该用户收看的电视频道的频道号。

我们知道，移动用户的上网习惯与Internet用户不同，因此，当某个移动用户正在收看电视节目时，向其传输电视节目数据的移动用户可能会因为某些原因断开他的网络连接。另外，由于移动网络自身的特性，两个用户之间的电视节目数据连接也可能因为网络通信状况变差而断开。这两种情况都会导致用户收看的电视节目意外中断。在用户的数据连接中断的时候，移动终端向目录服务器发送收看中断的信息，该信息包括用户的网络位置和收看的电视频道号。目录服务器接收到收看中断的信息后，在目录服务器的索引目录中查找存储着相应电视频道节目的缓存节点的信息，并将与用户网络位置最近的缓存节点的信息发送给用户。用户的移动终端收到该信息后，尝试和缓存节点建立连接。如果和缓存节点成功建立了连接，用户的移动终端会在连接建立后向目录服务器发送请求新节点的消息。目录服务器在收到用户请求新节点的消息后，执行与收到用户请求收看电视节目信息后相同的程序。在查找到新的节点后，目录服务器向用户返回新节点的信息。用户的移动终端收到新节点的信息后尝试与新节点建立连接。在与新节点的连接建立成功后，用户断开与缓存节点的连接。如果用户在规定的尝试次数中不能与缓存节点建立连接，用户的移动终端会自动告知用户收看意外中断，同时停止电视节目的播放。另外，为了降低数据连接中断对用户收看电视节目的影响，用户的移动终端在内存中缓存一段时间（具体的时间长度决定于用户移动终端的性能和整个网络的通信状况）的电视节目流媒体文件。这样，如果在这段时间内用户终端能够与缓存节点或其他节点重新建立连接，用户就不会感觉到连接中断对收看的影响。

3、电视节目流媒体文件的管理

前面的分析指出，移动网络用户的终端多种多样，性能也各不相同。不同型号和性能的移动终端的显示屏尺寸和分辨率以及存储空间大小也不同，这就要求针对不同型号的移动终端采用不同编码格式的视频流媒体文件。例如，对于显示屏分辨率较高的移动终端采用画面分辨率大的视频编码格式，而对于存储空间比较小的移动终端就要使用传输速率低的视频编码格式。为了能够支持更多类型的移动终端，我们参考[8]在P2P网络中进行实时视频文件传输的方案，在我们的MP2P网络中加入了编码变换服务器（TranscodeServer）来实现编码变换的功能。图4为增加了编码变换服务器的MP2PTV网络结构。另外，由于广播电视节目具有实时性，编码变换服务器要能够动态地对视频流媒体文件进行编码转换。

为了能够实现动态编码变换的功能，需要预先知道用户的移动终端型号、显示屏分辨率、内部存储空间的容量等与性能有关的信息。因此，在MP2P网络中，目录服务器还应该具有移动用户的认证和管理功能。用户移动终端初次连接到MP2P网络上时，需要在目录服务器上注册自己的基本信息，其中包括移动终端的型号。

为了减少编码变换所增加的传输延迟时间，我们将编码转换服务器放置在靠近移动用户的位置上。另外，如果某两个移动用户收看的是同一个电视频道的电视节目，而他们所使用的移动终端也是相同型号的移动终端，则在它们之间进行视频流媒体文件传输时就不需要通过编码变换服务器进行变换。

前面曾提到，源节点电视节目时会将广播电视信号编码为移动网络上流行的流媒体文件格式，然后到网络上，这就保证了大多数移动用户在收看时不需要进行编码变换就可以直接收看。只有用户移动终端不支持这些流行格式时才会通过编码变换服务器进行编码变换。用户在使用移动终端收看电视之前，需要先向目录服务器发送收看电视节目的请求信息，因此，目录服务器会根据用户的注册信息和索引目录中的其他节点信息来判断该用户是否需要进行编码变换。当用户需要进行编码变换时，传输给移动用户的电视节目流媒体文件会先传输给编码变换服务器，再由编码变换服务器传输给移动用户。相反，该移动用户传输给其他节点的电视节目流媒体文件也会先传输给编码变换服务器，再由编码变换服务器传输给其他节点。更复杂的情况是两个收看同一电视频道的移动用户所使用的移动终端都不支持网络上流行的流媒体编码格式，并且他们的移动终端的型号也不同，需要进行两次编码变换。当然，目录服务器会尽量避免使网络中出现这种情况。

综上所述，采用P2P技术架设MP2P网络来实现移动电视业务从原理上来说是可行的。根据移动用户自身的特点，可以在P2P网络的基础上增加缓存节点来解决移动用户之间连接非正常断开的问题。另外，还可以加入编码变换服务器动态实现视频流媒体文件的编码变换功能，解决移动终端型号繁多的问题并保证用户收看电视节目的实时性。当然这一方案还不够完善，还有需要改进的地方。例如，为了简化问题的复杂性，我们并没有考虑移动网络中的移动用户越区切换的问题，但这个问题并不是简单可以忽略的，它对移动用户收看电视节目的质量有很大的影响。

随着移动通信技术的不断发展，3G已经离我们越来越近了。3G将给我们带来更高的通信带宽、更好的服务质量和更加多样的增值服务。届时，3G网络运营商将会为用户提供高质量低价格的移动电视业务。而基于MP2P网络的移动电视技术也必将会被广大移动用户所接受，成为用户通过移动终端收看广播电视节目的方式之一。