數字電視中間件增值業(yè)務(wù)支撐平臺解決方案
林峰 孫軍 2009/03/11
作為數字電視產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)重要組成部分，增值業(yè)務(wù)占有重要地位。為實(shí)現增值業(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(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的交互應用能從前端快速輪播到后端并且高效地運行。
1.引言
作為數字電視產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)重要組成部分，增值業(yè)務(wù)占有重要地位。為實(shí)現增值業(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(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的交互應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，數據業(yè)務(wù)的傳送是通過(guò)輪播方式進(jìn)行的。輪播分兩種，數據輪播和對象輪播。目前國際上基于輪播傳送數據業(yè)務(wù)主要采用兩種技術(shù)，一種是以美國ATSC標準為代表所采用的數據輪播方案，另外一種是以歐洲DVB標準為代表所采用的對象輪播方案。數據業(yè)務(wù)的實(shí)現很大程度上是通過(guò)交互應用實(shí)現的，而交互應用的開(kāi)發(fā)和數據組織普遍使用文件系統，ATSC采用的數據輪播方案保持了數據輪播的簡(jiǎn)潔性和高效性，但不支持文件系統的傳輸。DVB采用的對象輪播技術(shù)支持文件系統傳送，適應性和擴展性很好，但實(shí)現較復雜，打包引入的冗余信息較大，且較難在中間件中實(shí)現。
本文提出了符合中國數字電視中間件標準(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(jìn)的數據輪播方案作為平臺交互應用廣播傳輸的技術(shù)基礎，并進(jìn)一步闡述中間件中實(shí)現該方案的數據廣播文件系統的設計和優(yōu)化策略。
2.數字電視中間件增值業(yè)務(wù)平臺架構
2.1 前端數據播發(fā)系統架構
如圖1所示，前端數據播發(fā)系統主要包括應用管理器，節目信息子系統，數據廣播服務(wù)器，系統軟件升級服務(wù)器和應用數據服務(wù)器等5個(gè)部分。
應用管理器是播發(fā)和控制交互應用及其數據，按照前述改進(jìn)的數據輪播方案將應用打包和傳輸，且通過(guò)應用信令控制廣播應用的運行；節目信息子系統，用于整個(gè)廣播網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)信息編輯，存儲，查詢(xún)和修改；數據廣播服務(wù)器接收來(lái)自各個(gè)功能模塊的數據，按照MPEG一2標準打包和復用，最終數據通過(guò)ASI端口發(fā)送到指定的復用器和音視頻流復用成傳輸流播發(fā)出去；系統軟件升級服務(wù)器為終端接收系統提供一種廣播環(huán)境下的在線(xiàn)軟件升級功能；應用數據服務(wù)器用于生成應用顯示處理的數據并將其封裝到MPEG一2私有段結構中。封裝內容的格式由各應用自身決定，這樣可以實(shí)現廣播環(huán)境下大量實(shí)時(shí)性應用數據的傳送，比如新聞消息和股票行情數據的傳送。
2.2 后端中間件架構
圖2所示為符合國家標準草案的中間件架構，在具體實(shí)現上采用了層次化和模塊化的設計方案。整個(gè)系統可以劃分為系統層、核心層和移植層。
系統層為上層具體應用的執行提供基于Java的運行環(huán)境。這層主要包括3部分：Java虛擬機、應用管理器和符合中間件標準的應用編程接口(API)集。Java虛擬機負責解釋和執行。lavaTM語(yǔ)言。應用管理器負責管理應用的生命周期。API集除了包括與MHP兼容的部分包，比如基本的Java包，DAVIC包外，還對國家中間件標準作了部分的擴展。
核心層主要采用C語(yǔ)言實(shí)現了Java層的功能，兩層之間通過(guò)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(guò)濾器，數據廣播協(xié)議棧，SI引擎，事件管理器，圖形系統，虛擬文件系統和條件接人模塊等。在具體實(shí)現時(shí)，對執行效率要求較低的管理控制工作一般在系統層實(shí)現，而對執行效率要求高的工作在本層實(shí)現。這是因為在嵌入式系統中，C語(yǔ)言執行效率要明顯優(yōu)于解釋性的lava語(yǔ)言。
移植層定義了一套統一的移植接口，屏蔽了核心層具體的硬件驅動(dòng)。核心層通過(guò)這些接口訪(fǎng)問(wèn)硬件資源。這樣，整個(gè)中間件系統只需要修改移植接口就可以在不同平臺上運轉，從而大大減輕了工作量。
3.中間件平臺特點(diǎn)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)的中間件標準，比如歐洲DVB提出的MHP，美國針對有線(xiàn)電視系統由Cablelabs提出的OCAP，美國ATSC提出的DASE等，其中MHP標準應用最為廣泛。圖2提出的中間件架構符合國家數字電視中間件標準(草案)，以JavaTM語(yǔ)言為基礎，在MHP基礎上去除了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，綜合考慮ATSC和DVB采用的數據輪播方案中的優(yōu)缺點(diǎn)，在簡(jiǎn)單的數據輪播基礎上加以改進(jìn)以滿(mǎn)足交互數字電視業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。同時(shí)，作為接收端中間件交互應用下載的核心部件，基于輪播方案的數據廣播文件系統存在一定延時(shí)，具體設計實(shí)現時(shí)必須優(yōu)化以提高系統性能。
3.1 改進(jìn)型數據輪播方案
在DSM-CC標準中，數據輪播主要使用DSl，DⅡ和DDB 3種消息封裝控制和數據信息。DVB標準對上述3種消息的語(yǔ)法、語(yǔ)義和部分描述子作了規范。為了利用DVB數據輪播協(xié)議傳送文件系統，作如下加強規范：
1) 對DSI消息GrouplnfoBuytes域的加強規范。該域包含對超級組內每個(gè)組的描述符。令一個(gè)組表示文件系統的一個(gè)目錄。該域中含有組的名稱(chēng)描述子Name-De-scriptor，描述該組對應目錄的路徑名。
因此，DSI消息是文件系統的入口，包含了所有的目錄信息，可被看作是文件系統完整的目錄索引表。
2) 對DⅡ消息ModulelnfoBytes域的加強規范。該域包含組內每個(gè)模塊的描述符。令一個(gè)模塊表示該組對應目錄下的一個(gè)文件，若DII的NumberOfModules值為0，說(shuō)明該組對應目錄下面沒(méi)有文件。該域中含有模塊的名稱(chēng)描述子Name_Descriptor，來(lái)描述文件名。若文件較大，可分成幾個(gè)子模塊傳送，子模塊間用Module-Link-De-scriptor連接，文件的具體內容由DDB攜帶傳送。
3) 對DSI，DⅡ中名稱(chēng)描述符Name-Descriptor的加強規范。該描述子用于描述目錄路徑名時(shí)，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(shí)，由于能夠通過(guò)模塊位置直接定位其所在組，進(jìn)而定位所在目錄節點(diǎn)，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范。DVB數據輪播協(xié)議定義了私有描述子Private_Descriptor以方便用戶(hù)進(jìn)行擴展，其tag范圍為Ox80-Oxff。現分配Ox80用于指示相對路徑目錄的父目錄。一個(gè)目錄的名稱(chēng)描述子有一個(gè)配對的私有描述子，用來(lái)指示父目錄。
上述語(yǔ)法中，凈荷為4 byte，其值是父目錄對應組的Groupld值，記做ParentGroupId。如果發(fā)現ParentGroupId值和DSI的Transactionld值相等，說(shuō)明其父目錄就是根目錄。通過(guò)尋找匹配的Groupld，可定位父節點(diǎn)，直到根目錄，從而構建整個(gè)文件系統的目錄樹(shù)。
通過(guò)上面4點(diǎn)加強規范，可使用DVB數據輪播傳送文件系統。該方案是國家數字電視中間件標準輪播傳輸備選方案之一，也可作為MHP平臺的一種改進(jìn)方案。
3.2 改進(jìn)型數據輪播方案
中間件的數據廣播文件系統主要負責裝載廣播應用，是數據輪播協(xié)議在終端實(shí)現的核心模塊。圖3給出了基于改進(jìn)型數據輪播方案的數據廣播文件系統的架構圖。相關(guān)Java功能在org．dvb．DSMCC包實(shí)現，對應中間件架構的系統層部分。具體的功能實(shí)現位于核心層。
數據廣播文件系統的一個(gè)突出特點(diǎn)就是存在較大延時(shí)，這對用戶(hù)快速切入啟動(dòng)交互應用非常不利。為提高系統的執行效率需要采取一些優(yōu)化措施。
首先，應用是通過(guò)輪播方式周期性地傳送，而輪播協(xié)議和應用數據封裝在一系列DSI，DⅡ，DDB段結構里，理想情況下接收所有輪播數據需要一個(gè)輪播周期。機頂盒接收端一般由硬件段過(guò)濾器過(guò)濾出段數據，然后以軟件方式按照協(xié)議解析這些數據，但時(shí)間較長(cháng)。如果接收一個(gè)段數據后馬上解析，很可能造成下一個(gè)段數據的丟失。為獲取丟失的段數據，只能等到下一輪播周期，延時(shí)很大。為降低這種延時(shí)，將段數據處理分成過(guò)濾和解析兩步，分別由兩個(gè)獨立線(xiàn)程同時(shí)進(jìn)行，并通過(guò)事件管理器通信協(xié)調運行狀態(tài)，如圖3所示。
另一方面，考慮到用戶(hù)很可能在不同的廣播應用之間來(lái)回頻繁切換。如果一個(gè)廣播應用退出時(shí)馬上釋放其相關(guān)資源，那么下次重啟時(shí)必須先從碼流中重新載入應用代碼并實(shí)例化，這在廣播環(huán)境下很費時(shí)間。因此，圖3中在DSM-CC文件系統中引入了應用緩存策略，如果緩存超出了預期分配上限值，則釋放部分緩存給新下載的應用。這種通過(guò)犧牲一定存儲空間換取時(shí)間效率的方法，可在廣播環(huán)境下有效提高系統的性能。
4.改進(jìn)型數據輪播性能測試和分析
表l比較了改進(jìn)型數據輪播和DVB對象輪播方案打包前后的數據。由表1可知，改進(jìn)型數據輪播引入的帶寬冗余信息要小于對象輪播，可為平臺節省更多的帶寬資源。
同時(shí)，考慮到接收端中間件運行的機頂盒環(huán)境資源相當有限，相對對象輪播協(xié)議來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的數據輪播協(xié)議實(shí)現更加容易，且耗費的系統資源更少，能有效提高系統平臺效率。
5.小結
筆者提出的數字電視中間件增值業(yè)務(wù)支撐平臺方案已經(jīng)在上海藍信軟件公司的媒體烽火臺(MBT)上設計實(shí)現。該平臺的前端數據廣播系統和后端中間件系統都已經(jīng)實(shí)現，并且在實(shí)際電視臺測試中表現出良好的性能。作為交互應用傳輸的技術(shù)基礎，改進(jìn)型數據輪播方案非常簡(jiǎn)潔，便于在系統資源有限的接收端實(shí)現。另外，其引入的帶寬冗余較小，能有效節約平臺的帶寬資源，是國家中間件標準備選方案之一。
《電視技術(shù)》
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