數(shù)字電視中間件增值業(yè)務(wù)支撐平臺方案

 　　1 引言

    作為數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)鏈的一個重要組成部分，增值業(yè)務(wù)占有重要地位。為實現(xiàn)增值業(yè)務(wù)，需要有完善的中間件業(yè)務(wù)支撐平臺，使第三方增值軟件開發(fā)商開發(fā)的交互應(yīng)用能從前端快速輪播到后端并且高效地運行。

    在廣播環(huán)境下，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送是通過輪播方式進行的。輪播分兩種，數(shù)據(jù)輪播和對象輪播［1］。目前國際上基于輪播傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要采用兩種技術(shù)，一種是以美國ATSC標(biāo)準(zhǔn)為代表所采用的數(shù)據(jù)輪播方案［2］，另外一種是以歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)為代表所采用的對象輪播方案［3］。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)很大程度上是通過交互應(yīng)用實現(xiàn)的，而交互應(yīng)用的開發(fā)和數(shù)據(jù)組織普遍使用文件系統(tǒng)，ATSC采用的數(shù)據(jù)輪播方案保持了數(shù)據(jù)輪播的簡潔性和高效性，但不支持文件系統(tǒng)的傳輸。DVB采用的對象輪播技術(shù)支持文件系統(tǒng)傳送，適應(yīng)性和擴展性很好，但實現(xiàn)較復(fù)雜，打包引入的冗余信息較大，且較難在中間件中實現(xiàn)。

    本文提出了符合中國數(shù)字電視中間件標(biāo)準(zhǔn)(草案)的增值業(yè)務(wù)平臺整體解決方案。為了提高平臺的整體性能，提出了一種改進的數(shù)據(jù)輪播方案作為平臺交互應(yīng)用廣播傳輸?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)，并進一步闡述中間件中實現(xiàn)該方案的數(shù)據(jù)廣播文件系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化策略。

    2 數(shù)字電視中間件增值業(yè)務(wù)平臺架構(gòu)

    2．1前端數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)

    如圖1所示，前端數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)主要包括應(yīng)用管理器，節(jié)目信息子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器，系統(tǒng)軟件升級服務(wù)器和應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)器等5個部分。

    應(yīng)用管理器是播發(fā)和控制交互應(yīng)用及其數(shù)據(jù)，按照前述改進的數(shù)據(jù)輪播方案將應(yīng)用打包和傳輸，且通過應(yīng)用信令控制廣播應(yīng)用的運行；節(jié)目信息子系統(tǒng)，用于整個廣播網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)信息編輯，存儲，查詢和修改；數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器接收來自各個功能模塊的數(shù)據(jù)，按照MPEG一2標(biāo)準(zhǔn)打包和復(fù)用，最終數(shù)據(jù)通過ASI端口發(fā)送到指定的復(fù)用器和音視頻流復(fù)用成傳輸流播發(fā)出去；系統(tǒng)軟件升級服務(wù)器為終端接收系統(tǒng)提供一種廣播環(huán)境下的在線軟件升級功能；應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)器用于生成應(yīng)用顯示處理的數(shù)據(jù)并將其封裝到MPEG一2私有段結(jié)構(gòu)中。封裝內(nèi)容的格式由各應(yīng)用自身決定，這樣可以實現(xiàn)廣播環(huán)境下大量實時性應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳送，比如新聞消息和股票行情數(shù)據(jù)的傳送。 2．2后端中間件架構(gòu)

    圖2所示為符合國家標(biāo)準(zhǔn)草案的中間件架構(gòu)，在具體實現(xiàn)上采用了層次化和模塊化的設(shè)計方案。整個系統(tǒng)可以劃分為系統(tǒng)層、核心層和移植層。

    系統(tǒng)層為上層具體應(yīng)用的執(zhí)行提供基于Java的運行環(huán)境。這層主要包括3部分：Java虛擬機、應(yīng)用管理器和符合中間件標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口(API)集。Java虛擬機負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行。lavaTM語言。應(yīng)用管理器負(fù)責(zé)管理應(yīng)用的生命周期。API集除了包括與MHP兼容的部分包，比如基本的Java包，DAVIC包外［4］，還對國家中間件標(biāo)準(zhǔn)作了部分的擴展。

    核心層主要采用C語言實現(xiàn)了Java層的功能，兩層之間通過Java本機方法接口連接。這層主要的功能模塊包括MPEG一2段過濾器，數(shù)據(jù)廣播協(xié)議棧，SI引擎，事件管理器，圖形系統(tǒng)，虛擬文件系統(tǒng)和條件接人模塊等。在具體實現(xiàn)時，對執(zhí)行效率要求較低的管理控制工作一般在系統(tǒng)層實現(xiàn)，而對執(zhí)行效率要求高的工作在本層實現(xiàn)。這是因為在嵌入式系統(tǒng)中，C語言執(zhí)行效率要明顯優(yōu)于解釋性的lava語言。

    移植層定義了一套統(tǒng)一的移植接口，屏蔽了核心層具體的硬件驅(qū)動。核心層通過這些接口訪問硬件資源。這樣，整個中間件系統(tǒng)只需要修改移植接口就可以在不同平臺上運轉(zhuǎn)，從而大大減輕了工作量。

    3 中間件平臺特點及優(yōu)化策略

為了支持交互電視的發(fā)展，國際上許多組織制訂了相關(guān)的中間件標(biāo)準(zhǔn)，比如歐洲D(zhuǎn)VB提出的MHP［4］，美國針對有線電視系統(tǒng)由Cablelabs提出的OCAP，美國ATSC提出的DASE等，其中MHP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛。圖2提出的中間件架構(gòu)符合國家數(shù)字電視中間件標(biāo)準(zhǔn)(草案)，以JavaTM語言為基礎(chǔ)，在MHP基礎(chǔ)上去除了MHP包中的冗余部分。

    在中間件平臺中，輪播方案是交互業(yè)務(wù)傳送的基礎(chǔ)，綜合考慮ATSC和DVB采用的數(shù)據(jù)輪播方案中的優(yōu)缺點，在簡單的數(shù)據(jù)輪播基礎(chǔ)上加以改進以滿足交互數(shù)字電視業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。同時，作為接收端中間件交互應(yīng)用下載的核心部件，基于輪播方案的數(shù)據(jù)廣播文件系統(tǒng)存在一定延時，具體設(shè)計實現(xiàn)時必須優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。

    3．1改進型數(shù)據(jù)輪播方案

    在DSM-CC標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)輪播主要使用DSl，DⅡ和DDB 3種消息封裝控制和數(shù)據(jù)信息。DVB標(biāo)準(zhǔn)對上述3種消息的語法、語義和部分描述子作了規(guī)范。為了利用DVB數(shù)據(jù)輪播協(xié)議傳送文件系統(tǒng)，作如下加強規(guī)范［5］：

    1)對DSI消息GrouplnfoBuytes域的加強規(guī)范。該域包含對超級組內(nèi)每個組的描述符。令一個組表示文件系統(tǒng)的一個目錄。該域中含有組的名稱描述子Name-De-scriptor，描述該組對應(yīng)目錄的路徑名。 因此，DSI消息是文件系統(tǒng)的入口，包含了所有的目錄信息，可被看作是文件系統(tǒng)完整的目錄索引表。

    2)對DⅡ消息ModulelnfoBytes域的加強規(guī)范。該域包含組內(nèi)每個模塊的描述符。令一個模塊表示該組對應(yīng)目錄下的一個文件，若DII的NumberOfModules值為0，說明該組對應(yīng)目錄下面沒有文件。該域中含有模塊的名稱描述子Name_Descriptor，來描述文件名。若文件較大，可分成幾個子模塊傳送，子模塊間用Module-Link-De-scriptor連接，文件的具體內(nèi)容由DDB攜帶傳送。

    3)對DSI，DⅡ中名稱描述符Name-Descriptor的加強規(guī)范。該描述子用于描述目錄路徑名時，絕對路徑名格式如"／目錄1／目錄2／"，相對路徑名格式如"目錄2／"。描述文件路徑名時，由于能夠通過模塊位置直接定位其所在組，進而定位所在目錄節(jié)點，因此文件路徑名直接為文件名，格式如"文件1"。

    4)對私有描述子的加強規(guī)范。DVB數(shù)據(jù)輪播協(xié)議定義了私有描述子Private_Descriptor以方便用戶進行擴展，其tag范圍為Ox80-Oxff�，F(xiàn)分配Ox80用于指示相對路徑目錄的父目錄。一個目錄的名稱描述子有一個配對的私有描述子，用來指示父目錄。

    上述語法中，凈荷為4 byte，其值是父目錄對應(yīng)組的Groupld值，記做ParentGroupId。如果發(fā)現(xiàn)ParentGroupId值和DSI的Transactionld值相等，說明其父目錄就是根目錄。通過尋找匹配的Groupld，可定位父節(jié)點，直到根目錄，從而構(gòu)建整個文件系統(tǒng)的目錄樹。

    通過上面4點加強規(guī)范，可使用DVB數(shù)據(jù)輪播傳送文件系統(tǒng)。該方案是國家數(shù)字電視中間件標(biāo)準(zhǔn)輪播傳輸備選方案之一，也可作為MHP平臺的一種改進方案［5］。

    3．2改進型數(shù)據(jù)輪播方案

    中間件的數(shù)據(jù)廣播文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)裝載廣播應(yīng)用，是數(shù)據(jù)輪播協(xié)議在終端實現(xiàn)的核心模塊。圖3給出了基于改進型數(shù)據(jù)輪播方案的數(shù)據(jù)廣播文件系統(tǒng)的架構(gòu)圖。相關(guān)Java功能在org．dvb．DSMCC包實現(xiàn)，對應(yīng)中間件架構(gòu)的系統(tǒng)層部分。具體的功能實現(xiàn)位于核心層。 數(shù)據(jù)廣播文件系統(tǒng)的一個突出特點就是存在較大延時，這對用戶快速切入啟動交互應(yīng)用非常不利。為提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率需要采取一些優(yōu)化措施。

    首先，應(yīng)用是通過輪播方式周期性地傳送，而輪播協(xié)議和應(yīng)用數(shù)據(jù)封裝在一系列DSI，DⅡ，DDB段結(jié)構(gòu)里，理想情況下接收所有輪播數(shù)據(jù)需要一個輪播周期。機頂盒接收端一般由硬件段過濾器過濾出段數(shù)據(jù)，然后以軟件方式按照協(xié)議解析這些數(shù)據(jù)，但時間較長。如果接收一個段數(shù)據(jù)后馬上解析，很可能造成下一個段數(shù)據(jù)的丟失。為獲取丟失的段數(shù)據(jù)，只能等到下一輪播周期，延時很大。為降低這種延時，將段數(shù)據(jù)處理分成過濾和解析兩步，分別由兩個獨立線程同時進行，并通過事件管理器通信協(xié)調(diào)運行狀態(tài)，如圖3所示。

    另一方面，考慮到用戶很可能在不同的廣播應(yīng)用之間來回頻繁切換。如果一個廣播應(yīng)用退出時馬上釋放其相關(guān)資源，那么下次重啟時必須先從碼流中重新載入應(yīng)用代碼并實例化，這在廣播環(huán)境下很費時間。因此，圖3中在DSM-CC文件系統(tǒng)中引入了應(yīng)用緩存策略，如果緩存超出了預(yù)期分配上限值，則釋放部分緩存給新下載的應(yīng)用。這種通過犧牲一定存儲空間換取時間效率的方法，可在廣播環(huán)境下有效提高系統(tǒng)的性能。

    4 改進型數(shù)據(jù)輪播性能測試和分析

    表l比較了改進型數(shù)據(jù)輪播和DVB對象輪播方案打包前后的數(shù)據(jù)。由表1可知，改進型數(shù)據(jù)輪播引入的帶寬冗余信息要小于對象輪播，可為平臺節(jié)省更多的帶寬資源。

    同時，考慮到接收端中間件運行的機頂盒環(huán)境資源相當(dāng)有限，相對對象輪播協(xié)議來說，簡單的數(shù)據(jù)輪播協(xié)議實現(xiàn)更加容易，且耗費的系統(tǒng)資源更少，能有效提高系統(tǒng)平臺效率。

    5 小結(jié)

    筆者提出的數(shù)字電視中間件增值業(yè)務(wù)支撐平臺方案已經(jīng)在上海藍(lán)信軟件公司的媒體烽火臺(MBT)上設(shè)計實現(xiàn)。該平臺的前端數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)和后端中間件系統(tǒng)都已經(jīng)實現(xiàn)，并且在實際電視臺測試中表現(xiàn)出良好的性能。作為交互應(yīng)用傳輸?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)，改進型數(shù)據(jù)輪播方案非常簡潔，便于在系統(tǒng)資源有限的接收端實現(xiàn)。另外，其引入的帶寬冗余較小，能有效節(jié)約平臺的帶寬資源，是國家中間件標(biāo)準(zhǔn)備選方案之一。