專利名稱：一種用于數(shù)字視頻廣播傳輸網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于MPEG-2/DVB傳輸網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法，尤其是用于支持DVB網(wǎng)絡(luò)及IP與DVB互連網(wǎng)絡(luò)中傳輸流的復(fù)用。
背景領(lǐng)域數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB(Digital Video Broadcast)是一個關(guān)于數(shù)字電視的通用國際標(biāo)準(zhǔn)。DVB標(biāo)準(zhǔn)以MPEG-2編碼系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到衛(wèi)星、電纜、地面各種傳輸模式。
均勻復(fù)用問題源于MPEG-2/DVB傳輸流復(fù)用器的設(shè)計。MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定義復(fù)用器的功能為采用時分復(fù)用的形式復(fù)用輸入的音頻、視頻、數(shù)據(jù)流以及相關(guān)信令表，最后產(chǎn)生包長為188字節(jié)的傳輸流，復(fù)用要求滿足一定的實時要求。輸入流具有恒碼率或分段恒碼率的特性。復(fù)用流進(jìn)入調(diào)制器或直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)(如SDH，SONET)。復(fù)用流的總碼率受到一個預(yù)先設(shè)定的傳輸碼率限制。如果復(fù)用流有效數(shù)據(jù)的碼率小于傳輸碼率，則應(yīng)插入空包以填充剩余的帶寬。
為了避免解碼器的上溢和下溢，應(yīng)當(dāng)使輸入流的TS包均勻地分配到復(fù)用輸出流中。解碼器對于各種輸入流的處理能力應(yīng)符合MPEG-2/DVB標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并且依賴于具體實現(xiàn)。
復(fù)用決定了傳輸流進(jìn)入解碼器緩沖區(qū)的模式。為了確保高品質(zhì)呈現(xiàn)，MPEG-2系統(tǒng)定義了一個用于解碼處理的概念定時模型。在這一模型中，視頻基本流、音頻基本流及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸緩沖區(qū)大小均為512字節(jié)。當(dāng)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)時，分別以18Mbps(MP@ML)，2Mbps和1Mbps的速率取走數(shù)據(jù)。這些緩沖區(qū)應(yīng)當(dāng)避免上溢并每秒鐘至少應(yīng)清空一次。后續(xù)的緩沖區(qū)一般也應(yīng)當(dāng)避免上溢和下溢。如果在組合的傳輸流(如38Mbps的一路DVB傳輸流)中的組份流分布不均勻，那么突發(fā)與稀疏就會引起緩沖區(qū)的上溢和下溢，導(dǎo)至呈現(xiàn)質(zhì)量的下降。
復(fù)用決定了組份傳輸流進(jìn)入緩沖區(qū)的次序，以時戳同步機(jī)制確定了取走緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的方式。例如，編碼器的系統(tǒng)時鐘采樣周期性地轉(zhuǎn)化為傳輸流中的系統(tǒng)時鐘參考(PCR)域。用于解碼器重建編碼器系統(tǒng)時鐘，呈現(xiàn)時戳(PTS)指示從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)的時間。解碼器根據(jù)由PCR生成的解碼時鐘和呈現(xiàn)時戳控制獲取數(shù)據(jù)的過程。復(fù)用和同步基本上是兩個獨(dú)立的機(jī)制(沒有一種能夠完全決定另一種)。因為同步信息由傳輸流承載，但其位置(也就是延時與抖動)是由復(fù)用決定的，因而復(fù)用會影響同步。
多次復(fù)用會使原本十分準(zhǔn)確的PCR值變得不精確。隨意的復(fù)用方法可能嚴(yán)重影響PCR的準(zhǔn)確性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出PCR的容許范圍500ns。因而保持PCR的準(zhǔn)確是復(fù)用過程的必要條件，然而即使PCR是準(zhǔn)確的，隨意復(fù)用仍可能無法滿足T-STD的緩沖區(qū)操作要求。如果能夠使復(fù)用足夠均勻，除了可能產(chǎn)生一個恒定的延時外，組份流在復(fù)用流中的分布與其原始分布相似。PCR的誤差總能控制在容許的范圍內(nèi)，因而PCR校正就不是必要的了，特別是針對一些定時要求不很嚴(yán)格的應(yīng)用。針對PCR還有其他的規(guī)定，MPEG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個節(jié)目兩個連續(xù)的PCR之間的間隔不應(yīng)超過100ms。而DVB建議間隔應(yīng)不大于40ms。因而承載PCR的傳送流必須均勻分布。
DVB采用MPEG-2作為源編碼規(guī)范。為了輔助用戶通過服務(wù)/事件瀏覽以及自動配置集成接收/解碼器。DVB將MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范擴(kuò)展以產(chǎn)生完全的服務(wù)信息。特別是DVB規(guī)定了PSI/SI的最小重復(fù)速率。例如PMT和PAT最大重復(fù)間隔不應(yīng)大于100ms。全部NIT段應(yīng)至少每10秒傳送一次；所有BAT段(section)應(yīng)當(dāng)至少每10秒傳送一次。針對實際復(fù)用的SDT段應(yīng)當(dāng)至少每2秒傳送一次。針對其它傳輸流的SDT段應(yīng)每10秒傳送一次。TDT和TOT應(yīng)每30秒傳送一次。因而SI表應(yīng)當(dāng)傳送的足夠快，但也不要太快。如前所述，因為不適當(dāng)?shù)腟I數(shù)據(jù)復(fù)用導(dǎo)致的瞬時突發(fā)會引起解碼器緩沖區(qū)上溢。
實際實現(xiàn)解碼器時，也要求輸入傳輸流是均勻的。例如，ST5500芯片組支持最多32個slot；每一個slot可配置成過濾基本流PES包或PSI/SI表。過濾出的數(shù)據(jù)通過DMA傳送到長度為8K的循環(huán)FIFO中。因為CPU不得不支持實時計算、人與解碼器的交互、及其它I/O操作，只留下有限時間處理FIFO中的數(shù)據(jù)。因而瞬時突發(fā)輸入可能導(dǎo)致FIFO溢出并進(jìn)而丟失數(shù)據(jù)，這將嚴(yán)重影響后續(xù)解碼過程。
MPEG-2視音頻流的復(fù)用中一般要求為視音頻流分配固定的帶寬；而對于數(shù)據(jù)流來說，分配每路PID承載的帶寬，一方面是資源管理的需要，另一方面是平衡每路PID的負(fù)載情況，避免解碼緩沖區(qū)上溢。
在面向IP與廣電網(wǎng)絡(luò)互連的系統(tǒng)中，用戶端接收設(shè)備的種類和型號很多，如面向計算機(jī)的數(shù)據(jù)接收卡，交互式機(jī)頂盒等，由于其選用的器件不同、主CPU的處理能力不同，實現(xiàn)機(jī)制不同，對于單路PID流的過濾能力不同。如果相同PID數(shù)據(jù)流突發(fā)性過強(qiáng)，會超過接收設(shè)備的過濾能力，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。而IP網(wǎng)絡(luò)本身的數(shù)據(jù)又具有突發(fā)性的特點(diǎn)，這一方面是由于象TCP這樣的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議本身就會造成數(shù)據(jù)突發(fā)，另一方面，即使在發(fā)送端均勻發(fā)出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過路由、交換等設(shè)備后，同樣會變得具有突發(fā)性。
數(shù)據(jù)服務(wù)對帶寬的要求不同于MPEG-2視音頻，其數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。為每路數(shù)據(jù)服務(wù)分配固定的帶寬，一方面不適應(yīng)數(shù)據(jù)突發(fā)性要求，在數(shù)據(jù)帶寬要求高時導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；另一方面當(dāng)數(shù)據(jù)帶寬要求小于分配帶寬時，又會浪費(fèi)部分帶寬。統(tǒng)計復(fù)用是提高帶寬利用率的有效途徑，然而在DVB網(wǎng)絡(luò)中，由于接收設(shè)備的性能不同，要求每路PID承載的數(shù)據(jù)流的位率要受到一個上限的限制。
復(fù)用設(shè)備用于IP over DVB服務(wù)時，將每個IP地址或者網(wǎng)絡(luò)地址映射到一個目的PID上，進(jìn)行多協(xié)議封裝后傳輸。傳統(tǒng)的先進(jìn)先出(FIFO)方法無法消除IP數(shù)據(jù)的突發(fā)性，而IP網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的一些調(diào)度方法如加權(quán)公平隊列(WFQ)、加權(quán)輪循(WRR)等雖然可以完成流的隔離功能，但它們調(diào)度的結(jié)果是按相對權(quán)重分配資源，在活動流較少的情況下，單個流的準(zhǔn)許速率可以很高，甚至達(dá)到整個鏈路速率，造成延時抖動的上升，不適用于DVB網(wǎng)絡(luò)特性的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于MPEG-2/DVB傳輸網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法，是簡單易行的復(fù)用算法，保證復(fù)用流中每路PID流承載的MPEG-2視音頻流、信令流以及其它數(shù)據(jù)流具有均勻性。減小多路復(fù)用不均勻性對后續(xù)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備，包括終端設(shè)備的緩沖區(qū)造成上溢或下溢的概率?；蛟谙嗤邮召|(zhì)量下減小緩沖區(qū)容量。本發(fā)明另一個目的在于將信令信息(PSI、SI、PCR等)納入一個以帶寬為唯一控制參數(shù)的統(tǒng)一調(diào)度框架，簡化數(shù)據(jù)復(fù)用調(diào)度操作，同時保證信令信息實時性要求。
技術(shù)方案本發(fā)明主要包括三部分內(nèi)容，1.支持均勻復(fù)用的調(diào)度算法eMUX；2.適用于均勻復(fù)用的信令帶寬分配方案；3.基于測量的時變帶寬分配方案。本發(fā)明采用固定與時變兩種帶寬分配方式，并且在復(fù)用流的均勻性控制方面具有良好性能。其中eMUX均勻復(fù)用調(diào)度算法是本發(fā)明的核心內(nèi)容。本發(fā)明將復(fù)用問題抽象轉(zhuǎn)化為實時調(diào)度問題，從而設(shè)計了一種eMUX均勻調(diào)度算法。采用這種調(diào)度算法，使每個流的TS包均勻地分布在復(fù)用流中，理論證明其均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)的PFair調(diào)度算法，如PF、PD、PD2等。
1.用于均勻復(fù)用的eMUX調(diào)度算法傳統(tǒng)的MPEG2復(fù)用方法對于信令信息的復(fù)用往往采用優(yōu)先級調(diào)度，給承載信令信息的TS流以高優(yōu)先權(quán)，然而由于信令流的插入，會改變其它流TS包的時序特征，而且優(yōu)先權(quán)調(diào)度的方法經(jīng)過多級復(fù)用后會使一些流具有突發(fā)性。為了簡化調(diào)度輸出，本發(fā)明將通過帶寬分配，將信令調(diào)度與視音頻流和數(shù)據(jù)流納入統(tǒng)一的eMUX調(diào)度方案。
設(shè)鏈路傳輸位率為kbps，第i個復(fù)用流的位率為ki。滿足∑1≤i≤nki≤k，n為流的個數(shù)。均勻復(fù)用的目標(biāo)是使MPEG-2視、音頻流及信令表的TS包均勻地分布在整個復(fù)用流中，使其比特率最大限度保持恒定。對于數(shù)據(jù)流則根據(jù)實時性要求保證流的峰值速率不超過某一限定，避免接收緩沖區(qū)上溢。
調(diào)度算法的調(diào)度單位為長度為188字節(jié)的TS包。引入虛擬時間參考系統(tǒng)，一個TS包的傳輸時間抽象為1。則對于一個位率為kibps的復(fù)用流，可以抽象成一個周期性任務(wù)實例τi＝{(Ii，Gi，Di，Pi)}；其中Ii為任務(wù)起始時間，Gi為單個任務(wù)執(zhí)行時間，Di為相對死限(deadline)，Pi為任務(wù)周期。對于定長TS包的復(fù)用，Ci＝1；Pi＝k/ki；Di＝Pi。EMUX算法描述如下
(1) 初始化vt＝0；dm＝0；for(i＝1 to n){ri＝0；ci＝0；fi＝ri+k/ki；HeapActive.Insert(i)}(2)每一個調(diào)度周期Ts執(zhí)行m＝Ts*k/188/8；//求出本調(diào)度周期需要調(diào)度的TS包個數(shù)m＝m+dm； //記下非整數(shù)部分 for(j＝1 to m){if(IsEmpty(HeapActive)){輸出一個空包；}else{i＝HeapActive.Delete()；ri＝fi；fi＝ri+k/ki；Heap Wait.Insert(i)；//堆插入if(q[i].Length()＜＞0){q[i].OutPut()；//調(diào)度輸出隊首包；ci＝ci+1；//輸出包計數(shù)}else{輸出一個空包；}
}vt＝vt+1；while(！Heap Wait.IsEmpty()){i＝Heap Wait.Look()； //取優(yōu)先權(quán)最高元素的TS隊列索引 {//堆非空i＝Heap Wait.Delete()；//堆刪除操作HeapActive.Insert(i)；}else break；}if(vt＝Max_VT){//調(diào)整vt；避免溢出vt＝0；for(i＝1 to n){ri＝ri-Max_VT；fi＝fi-Max_VT；}}}其中n復(fù)用流個數(shù)；vt虛擬參考時間；ri流i隊首包的可調(diào)度輸出時間；fi流i隊首包的傳輸完成時間；ci復(fù)用流i調(diào)度輸出的TS包數(shù)，不含空包，每個帶寬分配周期清零一次；Ts調(diào)度周期。根據(jù)具體實現(xiàn)環(huán)境中的處理器能力，時鐘精度等確定，體現(xiàn)了調(diào)度粒度；dm記錄上次調(diào)度的剩余的非整數(shù)部分包Max_VT給定的常數(shù)，當(dāng)參考時鐘數(shù)值等于此常數(shù)時，進(jìn)行時鐘調(diào)整，避免溢出。
HeapWait實現(xiàn)以可調(diào)度輸出時間為優(yōu)先權(quán)的隊列的堆，此堆中元素對應(yīng)復(fù)用TS流隊列隊首包可調(diào)度輸出時間上取整小于參考時鐘當(dāng)前值vt，稱此堆為待調(diào)度堆。
HeapActive實現(xiàn)以傳輸完成時間為優(yōu)先權(quán)隊列的堆，此堆中元素對應(yīng)復(fù)用TS流隊列隊首包的可調(diào)度輸出時間上取整大于或等于參考時鐘當(dāng)前值vt，也就是代表活動包，稱為活動堆。
eMUX均勻復(fù)用算法的復(fù)雜度主要體現(xiàn)在確定下一個調(diào)度輸出包的操作上，本發(fā)明采用兩個堆進(jìn)行優(yōu)先權(quán)隊列的具體實現(xiàn)，為待調(diào)度堆HeapWait，另一個活動堆HeapActive。調(diào)度器從活動堆中取優(yōu)先級最高的元素(傳輸完成時間最小的元素)，從相對應(yīng)TS隊列調(diào)度輸出一個TS包，并生成一個新的待調(diào)度元素插入待調(diào)度堆，更新參考時鐘后，檢查待調(diào)度堆中是否有元素處于活動狀態(tài)，如有，依次從待調(diào)度堆中移出，插入活動堆。堆的實現(xiàn)建議采用數(shù)組，元素包含TS隊列編號TSQueneNo，優(yōu)先權(quán)分別為流隊首包的可調(diào)度輸出時間rTSQueneNo和流TSQueneNo隊首包的傳輸完成時間fTSQueneNo采用這一實現(xiàn)方式，eMUX算法復(fù)雜度為log(n)，n為復(fù)用流數(shù)。
均勻性分析為了分析本發(fā)明的均勻復(fù)用調(diào)度算法性能，本發(fā)明首先定義如下概念L上的覆蓋數(shù)對于以時隙為單位的時間間隔L＝[t，t+l)中屬于同一流數(shù)據(jù)項出現(xiàn)的次數(shù)稱為此數(shù)據(jù)項在時間間隔L內(nèi)的覆蓋數(shù)，記為Cover(S，i，t，l)，S為一個調(diào)度產(chǎn)生的序列。
s上的間隔屬于同一流的數(shù)據(jù)項的第j次出現(xiàn)與第(j+s)次出現(xiàn)的距離。記為Space(i，j，s)。
l上的最小覆蓋數(shù)cvr(S，i，l)＝min{Cover(S， i，t，l)|t∈N0}，簡記為cvri，l；l上的最大覆蓋數(shù)CVR(S，i，l)＝max{Cover(S，i，t，l)|t∈N0}，簡記為CVRi，l；稀疏覆蓋偏離
突發(fā)覆蓋偏離 s上的最小間隔spc(S，i，s)＝min{Space(S，i，j，s)| j∈N0}，簡記為spci，ss上的最大間隔SPC(S，i，s)＝max{Space(S，i，j，s)|j∈N0}，簡記為SPCi，s；稀疏間隔偏離 突發(fā)間隔偏離 稀疏覆蓋偏離、突發(fā)覆蓋偏離、稀疏間隔偏離、突發(fā)間隔偏離是用于體現(xiàn)復(fù)用均勻性的指標(biāo)，其值越小，表明組分流數(shù)據(jù)在服用流中的分布越均勻。
定理1將復(fù)用流看作一個可行的單位周期性任務(wù)集，τi＝{(Ii，Ci，Di，Pi)}；Ci＝1；當(dāng)采用eMUX調(diào)度時，有如下結(jié)論成立 (證明從略)定理2給定一個均勻復(fù)用實例(k；k1，k2，...，kn)或等價表示(w1，w2，...，wn)，其中wi＝ki/k，∑l≤i≤nwi≤1。將此實例建模為實時調(diào)度問題{τi}＝{(Ii，Ci，Di，Pi)|Ii＝0，Ci＝1，Di＝Pi＝1/Wi，∑1 ≤i≤nwi≤1}，那么采用eMUX將產(chǎn)生如下屬性的調(diào)度 (4)cvr-devi≤1.
(證明從略)
采用傳統(tǒng)的Pfair調(diào)度方法如PF、PD、PD2等，其均勻性屬性如下 比較而言，采用eMUX調(diào)度，spci，s，SPCi，s，cvri，l，CVRi，l的變化范圍均小于傳統(tǒng)的Pfair調(diào)度方法。eMUX具有更好的均勻性屬性。
2.適用于均勻復(fù)用的信令帶寬分配方法為了簡化調(diào)度過程，將信令流、視音頻流、數(shù)據(jù)流納入一個統(tǒng)一的eMUX調(diào)度框架，本發(fā)明建立了DVB規(guī)范中信令表重復(fù)周期約束與使用eMUX調(diào)度時帶寬要求之間的關(guān)系，按照下面所述的信令表傳輸帶寬分配方法進(jìn)行信令帶寬分配，然后利用eMUX算法進(jìn)行調(diào)度輸出，將同時滿足均勻性與信令表傳輸實時性要求，并且不會對其它流的約束條件滿足性造成破壞。
本發(fā)明中所涉及的信令信息主要包括PSI/SI表，PCR等。針對解碼過程所選的節(jié)目，包含系統(tǒng)信息的完整傳送流分組進(jìn)入系統(tǒng)傳送緩沖區(qū)，TBsys。這類分組有PID值為0或1的傳送流分組和由PAT表識別的具有program_map_PID值的傳送流分組。
分配PAT、PMT及CAT表帶寬RPAT、RPMT、RCAT應(yīng)滿足如下約束 RPAT+ RPMT+ RCAT≤ Rsys(5)
其中 R傳輸流帶寬；Rxsys緩沖區(qū)數(shù)據(jù)處理速率；T’ 緩沖區(qū)清空周期；Tslot傳輸一個TS包的時間；NPAT 承載PAT表的TS包數(shù)；NPMT 承載PMT表的TS包數(shù)；NCAT 承載CAT表的TS包數(shù)；TPAT PAT表出現(xiàn)的最大重復(fù)周期約束；TPMT PMT表出現(xiàn)的最大重復(fù)周期約束；TCAT CAT表出現(xiàn)的最大重復(fù)周期約束。
按照滿足上述約束(1)、(2)、(3)、(4)、(5)分配信令表帶寬，采用均勻復(fù)用調(diào)度算法eMUX，復(fù)用結(jié)果可嚴(yán)格滿足相關(guān)表的最小重復(fù)周期要求，并保證在任意時間段內(nèi)緩沖區(qū)不上溢。為了節(jié)約帶寬，本發(fā)明建議取 對于其他的信令表帶寬分配應(yīng)滿足約束 其中Tslot傳輸一個TS包的時間Ntab 承載某類信令表的TS包數(shù)Ttab 信令表出現(xiàn)的最大重復(fù)時間間隔約束最大重復(fù)周期約束取值可參考DVB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為了節(jié)約帶寬，建議取 PCR編碼頻率確定如果PCR由一個獨(dú)立的流承載，那么應(yīng)當(dāng)使
其中RPCR 承載PCR流帶寬；Tslot傳輸一個TS包的時間；R傳輸流帶寬；TPCR 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PCR最大重復(fù)時間間隔；為了節(jié)約帶寬，本發(fā)明建議取 如果PCR用某路基本流承載，那么應(yīng)當(dāng)使 其中M連續(xù)兩個含有PCR的TS包間隔(以TS包為單位)；Ri承載PCR的TS流帶寬；Tslot傳輸一個TS包的時間；R傳輸流帶寬；TPCR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PCR最大重復(fù)時間間隔。建議取 3.基于測量的時變帶寬分配方法本發(fā)明使用基于測量的時變帶寬分配方案，與均勻復(fù)用算法一起應(yīng)用，解決速率受限的復(fù)用流統(tǒng)計復(fù)用問題，適應(yīng)DVB網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高帶寬利用率。
設(shè)共有n個流共享容量為r的鏈路。第i個復(fù)用流具有保證帶寬gi，最高帶寬hi。帶寬統(tǒng)計復(fù)用的原則為按gi保證第i個復(fù)用流帶寬，剩余帶寬在復(fù)用流之間平等共享，但復(fù)用流i獲得的帶寬ki受hi限制。∑1≤i≤ngi≤r；gi≥0；hi≥ki≥gi；首先確定hi。hi受到兩個約束，第一是接收端的處理能力的約束Hc1，第二為在發(fā)送端人為設(shè)定的最高速率的約束Hc2，則hi＝min(Hc1，Hc2)。
每一個帶寬分配周期Tb執(zhí)行如下算法<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ for(i＝1 to n){ ni＝(ci+qi)*188*8/Tb；//計算復(fù)用流i所需帶寬 ci＝0；ki＝gi；//分配確保帶寬 r＝r-gi } while(r＞0){ N＝{Si|ki＜ni∧ki＜hi，1≤i≤n}；//確定帶寬要求未滿足流 if (|N|＝＝0)break； arv＝r|N|；//計算均分額度 ki＝ki+max{0，min{min{ni-ki，hi-ki}，arv}}； r＝r-max{0，min{min{ni-ki，hi-ki}，arv}}；}]]></pre>其中g(shù)i復(fù)用流i的確保速率；hi復(fù)用流i的最高速率；ni復(fù)用流i的需求速率；qi帶寬分配時復(fù)用流i隊列TS包數(shù)；ci自上次帶寬分配后復(fù)用流i調(diào)度輸出的TS包數(shù)，不含空包；ki復(fù)用流i分配的帶寬；r 剩余可分配帶寬；Tb帶寬分配周期，為Ts的整數(shù)倍；arv數(shù)據(jù)流可得到的均分額度；N帶寬要求未滿足流集合。
復(fù)用流所需帶寬的計算綜合兩個測量信息后確定，一為自上一次帶寬分配后調(diào)度輸出數(shù)據(jù)的平均位率，帶寬分配時復(fù)用流i隊列TS包數(shù)，使用公式ni＝(ci+qi)*188*8/Tb計算得到自上一次帶寬分配后的數(shù)據(jù)到達(dá)速率，作為本次帶寬分配所須帶寬的依據(jù)。
完成帶寬分配后，使用均勻復(fù)用算法，實現(xiàn)以帶寬分配周期為粒度的時變均勻復(fù)用。在提高帶寬利用率的同時，各流公平共享剩余帶寬，并且有效地控制每路PID承載數(shù)據(jù)流的突發(fā)速率。上述帶寬分配算法可統(tǒng)一處理固定帶寬要求與可變帶寬要求兩種情況，對于要求固定帶寬的復(fù)用流，只需令hi＝gi，這保證了固定比特率傳輸?shù)牧鞯囊蟆?br>
以下結(jié)合附圖及一較佳實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明
圖1是本發(fā)明用于IP-DVB網(wǎng)關(guān)的均勻復(fù)用的邏輯框圖；圖2是本發(fā)明用于IP-DVB網(wǎng)關(guān)帶寬分配模塊與均勻復(fù)用調(diào)度的控制流程圖；圖3是帶寬分配模塊的處理流程圖；圖4是調(diào)度模塊完成TS包的調(diào)度輸出流程圖。
圖1為本發(fā)明一實施例的用于IP-DVB網(wǎng)關(guān)的均勻復(fù)用的邏輯框圖，本網(wǎng)關(guān)同時支持MPEG-2復(fù)用功能。
如圖1所示的本發(fā)明用于IP-DVB網(wǎng)關(guān)均勻復(fù)用調(diào)度的系統(tǒng)模型，復(fù)用流包括PSI，SI表信息、MPEG-2視音頻流、數(shù)據(jù)服務(wù)流(IP及其它)等。圖1中設(shè)置有計數(shù)器(未示出)。圖1中的各模塊工作機(jī)制如下IP數(shù)據(jù)輸入模塊從IP數(shù)據(jù)輸入接口(如以太網(wǎng)接口)讀入IP數(shù)據(jù)，進(jìn)行封裝后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為MPEG-2 TS包的形式，然后根據(jù)規(guī)定的流映射規(guī)則(如目的地址為159.226.42.1的IP數(shù)據(jù)包封裝后進(jìn)入PID為1001的TS流隊列)將TS包送入對應(yīng)TS包隊列，等待調(diào)度輸出。
TS流輸入模塊從TS流輸入接口(如ASI接口)讀入TS流數(shù)據(jù)，消除PID沖突后，依據(jù)PID的不同，將TS流送入相應(yīng)TS流隊列，等待調(diào)度輸出。
信令數(shù)據(jù)生成模塊根據(jù)MPEG-2/DVB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生成信令數(shù)據(jù)，因為同類信令流有同樣的周期約束要求，同類信令流(如不同節(jié)目的PMT表)依次進(jìn)入同一TS流隊列，等待調(diào)度輸出。
以上三類數(shù)據(jù)傳送過程可獨(dú)立進(jìn)行，在軟件實現(xiàn)的情況下，采用不同的線程進(jìn)行并行處理。
每一個帶寬分配周期，流量測量與緩沖區(qū)監(jiān)視模塊將把上一周期調(diào)度輸出的流量與隊列中現(xiàn)存待輸出的數(shù)據(jù)量通知帶寬分配模塊。
帶寬分配模塊主要完成兩部分帶寬分配功能。首先檢查產(chǎn)生用于產(chǎn)生信令信息的原始數(shù)據(jù)和設(shè)置是否有變化，如果有變化，檢查是否引起信令表大小變化，如果有變化，依據(jù)MPEG-2/DVB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及新的大小調(diào)整變化信令表流的帶寬。如沒有變化，則進(jìn)入數(shù)據(jù)及視音頻流帶寬分配過程。時變均勻復(fù)用帶寬分配器收集流量測量模塊統(tǒng)計的流輸出速率及隊列管理模塊監(jiān)視的隊列長度情況，計算各個復(fù)用流的所需帶寬，結(jié)合確保速率信息、約束條件等，完成復(fù)用流的時變帶寬分配。
帶寬分配的結(jié)果送入eMUX均勻復(fù)用調(diào)度器，在每一個調(diào)度周期，eMUX均勻復(fù)用調(diào)度模塊根據(jù)帶寬參數(shù)，采用eMUX調(diào)度算法，調(diào)度輸出各個TS隊列的TS包，送入輸出接口。
圖2為本發(fā)明一實施例的用于IP-DVB網(wǎng)關(guān)帶寬分配模塊與均勻復(fù)用調(diào)度的控制流程圖。帶寬分配與均勻復(fù)用調(diào)度采用定時器驅(qū)動，設(shè)調(diào)度例程的啟動周期為Ts，帶寬分配例程的啟動周期為Tb＝n*Ts，通過調(diào)整帶寬分配周期的大小，可以調(diào)整調(diào)度器對流量變化的反應(yīng)速度。由于規(guī)定Tb為Ts的整數(shù)倍，則可用一個超時周期為Ts的定時器控制兩個例程的執(zhí)行。具體如圖2。其過程簡要說明如下(1)判斷計數(shù)器C是否為0，如果為0，轉(zhuǎn)入帶寬分配過程(2)，否則轉(zhuǎn)入(3)；(2)進(jìn)行帶寬分配；(3)執(zhí)行eMUX調(diào)度(4)計數(shù)器加1，并以n取模，轉(zhuǎn)1。
帶寬分配模塊的處理流程如圖3。其過程說明如下(1)判斷是否首次帶寬分配，如果不是，轉(zhuǎn)入(3)；(2)為所有信令表流分配帶寬，依據(jù)公式 如果PCR由一個獨(dú)立的流承載，為承載PCR流分配帶寬，依據(jù)公式 其中RPCR承載PCR流帶寬；TPCR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PCR最大重復(fù)時間間隔；然后轉(zhuǎn)步驟(5)；(3)判斷是否有某類信令長度發(fā)生變化，如無變化，轉(zhuǎn)(5)；(4)為發(fā)生長度變化的信令重新分配帶寬，依據(jù)公式同步驟(2)；(5)計算未分配剩余帶寬r，依據(jù)公式
r=R-Σi=1MRtabi-RPCR]]>(6)分配視音頻及數(shù)據(jù)流確保帶寬(如某流未規(guī)定確保帶寬，視為確保帶寬為0)，依據(jù)如下算法for(i＝1 to n){ni＝(ci+qi)*188*8/Tb；//計算復(fù)用流i所需帶寬ci＝0；ki＝gi；//分配確保帶寬r＝r-gi}(7)分配剩余帶寬，依據(jù)如下算法while(r＞0){N＝{Si|ki＜ni∧ki＜hi，1≤i≤n}；//確定帶寬要求未滿足流if(|N|＝＝0)break；arv＝r|N|；//計算均分額度ki＝ki+max{0，min{min{ni-ki，hi-ki}，arv}}；r＝r-max{0，min{min{ni-ki，hi-ki}，arv}}；}帶寬分配過程描述所用符號意義如下Tslot傳輸一個TS包的時間；R傳輸流帶寬，下同；Ntab 承載某類信令表的TS包數(shù)Ttab 信令表出現(xiàn)的最大重復(fù)時間間隔約束M信令表種類。
ni復(fù)用流i的需求速率；qi帶寬分配時復(fù)用流i隊列TS包數(shù)；ci上次帶寬分配后復(fù)用流i調(diào)度輸出的TS包數(shù)，不含空包；ki復(fù)用流i分配的帶寬；r 剩余可分配帶寬；gi復(fù)用流i的確保速率；
Tb帶寬分配周期，為Ts的整數(shù)倍；arv數(shù)據(jù)流可得到的均分額度；N帶寬要求未滿足流集合；eMUX調(diào)度模塊完成TS包的調(diào)度輸出，如圖4。算法采用雙堆實現(xiàn)以可調(diào)度輸出時間和傳輸完成時間為優(yōu)先級的隊列，管理TS包由等待調(diào)度到可調(diào)度狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及調(diào)度輸出TS包的選擇。其具體步驟如下(1)判斷是否首次執(zhí)行調(diào)度，如果不是，轉(zhuǎn)入(3)；(2)變量初始化，過程如下vt＝0；dm＝0；for(i＝1 to n){ri＝0；ci＝0；fi＝ri+k/ki；HeapActive.Insert(i)}(3)求出本次調(diào)度應(yīng)調(diào)度輸出的TS包數(shù)m，依據(jù)算法如下m＝Ts*k/188/8+dm； //記下非整數(shù)部分 (4)置計數(shù)器j等于1；(5)判斷活動堆是否為空，如果非空，轉(zhuǎn)第(10)步；(6)從活動堆刪除一個元素，得到對應(yīng)隊列索引ii＝HeapActive.Delete()；(7)計算隊列i對應(yīng)的下一個輸出包可調(diào)度時間和傳輸完成時間，隊列索引進(jìn)入等待堆；ri＝fi；fi＝ri+k/ki；Heap Wait.Insert(i)；
(8)如果第隊列i為空，則轉(zhuǎn)(10)；(9)從隊列i中調(diào)度輸出一個TS包，相應(yīng)輸出計數(shù)器加1，轉(zhuǎn)(11)；(10)調(diào)度輸出一個空包；(11)調(diào)整虛擬時鐘vt＝vt+1；(12)將隊首包可調(diào)度輸出時間上取整，如果大于系統(tǒng)虛擬時間，將對應(yīng)隊列索引從等待隊列移出，以傳輸完成時間為優(yōu)先級進(jìn)入活動隊列，算法如下while(！Heap Wait.IsEmpty()){i＝Heap Wait.Look()；//取優(yōu)先權(quán)最高元素的TS隊列索引 {//堆非空i＝Heap Wait.Delete()；//堆刪除操作HeapActive.Insert(i)；}else break；}(13)判斷系統(tǒng)系統(tǒng)虛擬時鐘是否達(dá)到設(shè)定最大值MAX_VT，如果不是，轉(zhuǎn)(15)；(14)調(diào)整系統(tǒng)虛擬時間及各隊列隊?wèi)?yīng)待傳送包的可調(diào)度時間和傳輸完成時間vt＝0；for(i＝1 to n){ri＝ri-Max_VT；fi＝fi-Max_VT；}(15)計數(shù)器j加1；(16)如果j大于m，退出，否則轉(zhuǎn)(5)。EMUX復(fù)用調(diào)度過程描述涉及符號意義如下n復(fù)用流個數(shù)；vt虛擬參考時間；
ri流i隊首包的可調(diào)度輸出時間；fi流i隊首包的傳輸完成時間；ci復(fù)用流i調(diào)度輸出的TS包數(shù)，不含空包，每個帶寬分配周期清零一次；Ts調(diào)度周期。根據(jù)具體實現(xiàn)環(huán)境中的處理器能力，時鐘精度等確定，體現(xiàn)了調(diào)度粒度；dm記錄上次調(diào)度的剩余的非整數(shù)部分包；qTS包隊列；Max_VT給定的常數(shù)，當(dāng)參考時鐘數(shù)值等于此常數(shù)時，進(jìn)行時鐘調(diào)整，避免溢出。
HeapWait實現(xiàn)以可調(diào)度輸出時間為優(yōu)先權(quán)的隊列的堆，此堆中元素對應(yīng)復(fù)用TS流隊列隊首包可調(diào)度輸出時間上取整小于參考時鐘當(dāng)前值vt，稱此堆為待調(diào)度堆。
HeapActive實現(xiàn)以傳輸完成時間為優(yōu)先權(quán)隊列的堆，此堆中元素對應(yīng)復(fù)用TS流隊列隊首包的可調(diào)度輸出時間上取整大于或等于參考時鐘當(dāng)前值vt，也就是代表活動包，稱為活動堆。
權(quán)利要求
1.一種用于MPEG-2/DVB傳輸網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法，包括如下步驟(1)判斷計數(shù)器C是否為0，如果為0，轉(zhuǎn)入帶寬分配步驟(2)，否則轉(zhuǎn)入步驟(3)；(2)進(jìn)行帶寬分配，首先檢查產(chǎn)生用于產(chǎn)生信令信息的原始數(shù)據(jù)和設(shè)置是否有變化，如果有變化，檢查是否引起信令表大小變化，如果有變化，依據(jù)MPEG-2/DVB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及新的大小調(diào)整變化信令表流的帶寬；如沒有變化，則進(jìn)入數(shù)據(jù)及視音頻流帶寬分配過程；(3)執(zhí)行eMUX調(diào)度，帶寬分配的結(jié)果送入eMUX均勻復(fù)用調(diào)度器，在每一個調(diào)度周期，eMUX均勻復(fù)用調(diào)度模塊根據(jù)帶寬參數(shù)，采用eMUX調(diào)度算法，調(diào)度輸出各個TS隊列的TS包，送入輸出接口；(4)計數(shù)器加1，并以n取模，轉(zhuǎn)1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于MPEG-2/DVB傳輸網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法，其特征在于，帶寬分配步驟包括(1)判斷是否首次帶寬分配，如果不是，轉(zhuǎn)入(3)；(2)為所有信令表流分配帶寬，依據(jù)公式 如果PCR由一個獨(dú)立的流承載，為承載PCR流分配帶寬，依據(jù)公式 其中RPCR承載PCR流帶寬；TPCR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PCR最大重復(fù)時間間隔；然后轉(zhuǎn)步驟(5)；(3)判斷是否有某類信令長度發(fā)生變化，如無變化，轉(zhuǎn)(5)；(4)為發(fā)生長度變化的信令重新分配帶寬，依據(jù)公式同步驟(2)；(5)計算未分配剩余帶寬r，依據(jù)公式r=R-Σi=1MRtabi-RPCR]]>(6)分配視音頻及數(shù)據(jù)流確保帶寬(如某流未規(guī)定確保帶寬，視為確保帶寬為0)，依據(jù)如下算法for(i＝1 to n){ni＝(ci+qi)*188*8/Tb；//計算復(fù)用流i所需帶寬ci＝0；ki＝gi；//分配確保帶寬r＝r-gi}(7)分配剩余帶寬，依據(jù)如下算法while(r＞0){N＝{Si|ki＜ni∧ki＜hi，1≤i≤n}；//確定帶寬要求未滿足流if(|N|＝＝0)break；arv＝r/|N|；//計算均分額度ki＝ki+max{0，min{min{ni-ki，hi-ki}，arv}}；r＝r-max{0，min{min{ni-ki，hi-ki}，arv}}；}
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于MPEG-2/DVB傳輸網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法，其特征在于，eMUX調(diào)度步驟包括(1)判斷是否首次執(zhí)行調(diào)度，如果不是，轉(zhuǎn)入(3)；(2)變量初始化，過程如下vt＝0；dm＝0；for(i＝1 ton n){ri＝0；ci＝0；fi＝ri+k/ki；HeapActive.Insert(i)}(3)求出本次調(diào)度應(yīng)調(diào)度輸出的TS包數(shù)m，依據(jù)算法如下m＝Ts*k/188/8+dm； //記下非整數(shù)部分 (4)置計數(shù)器j等于1；(5)判斷活動堆是否為空，如果非空，轉(zhuǎn)第(10)步；(6)從活動堆刪除一個元素，得到對應(yīng)隊列索引ii＝HeapActive.Delete()；(7)計算隊列i對應(yīng)的下一個輸出包可調(diào)度時間和傳輸完成時間，隊列索引進(jìn)入等待堆；ri＝fi；fi＝ri+k/ki；Heap Wait.Insert(i)；(8)如果第隊列i為空，則轉(zhuǎn)(10)；(9)從隊列i中調(diào)度輸出一個TS包，相應(yīng)輸出計數(shù)器加1，轉(zhuǎn)(11)；(10)調(diào)度輸出一個空包；(11)調(diào)整虛擬時鐘vt＝vt+1；(12)將隊首包可調(diào)度輸出時間上取整，如果大于系統(tǒng)虛擬時間，將對應(yīng)隊列索引從等待隊列移出，以傳輸完成時間為優(yōu)先級進(jìn)入活動隊列，算法如下while(！Heap Wait.IsEmpty()){i＝Heap Wait.Look()；//取優(yōu)先權(quán)最高元素的TS隊列索引 {//堆非空i＝Heap Wait.Delete()；//堆刪除操作HeapActive.Insert(i)；}else break；}(13)判斷系統(tǒng)系統(tǒng)虛擬時鐘是否達(dá)到設(shè)定最大值MAX VT，如果不是，轉(zhuǎn)(15)；(14)調(diào)整系統(tǒng)虛擬時間及各隊列隊?wèi)?yīng)待傳送包的可調(diào)度時間和傳輸完成時間vt＝0；for(i＝1 to n){ri＝ri-Max_VT；fi＝fi-Max_VT；}(15)計數(shù)器j加1；(16)如果j大于m，退出，否則轉(zhuǎn)(5)。
全文摘要
本發(fā)明通信技術(shù)中的一種用于MPEG－2/DVB網(wǎng)絡(luò)的均勻復(fù)用方法，主要包括eMUX均勻復(fù)用調(diào)度算法、適用于均勻復(fù)用的信令帶寬分配方法、基于測量的數(shù)據(jù)時變帶寬分配方法等三部分，其中eMUX均勻復(fù)用調(diào)度算法是本發(fā)明的核心內(nèi)容。方法步驟包括(1)判斷計數(shù)器C是否為0，(2)進(jìn)行帶寬分配，(3)執(zhí)行eMUX調(diào)度，(4)計數(shù)器加1?；趀MUX的均勻復(fù)用算法適用于面向廣電網(wǎng)絡(luò)接入的應(yīng)用，適應(yīng)異種接入設(shè)備以及輸入流特征復(fù)雜的DVB以及DVB與IP網(wǎng)絡(luò)互連的網(wǎng)絡(luò)。復(fù)用算法可嚴(yán)格保證信令信息實時性，數(shù)據(jù)流的均勻性，避免接收端緩沖區(qū)瞬時溢出，確保接收質(zhì)量。或在同等條件下減小緩沖區(qū)的大小，節(jié)約資源。
文檔編號H04N7/015GK1489387SQ0317869
公開日2004年4月14日 申請日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
發(fā)明者賀思敏, 趙巍, 孫書韜, 高文 申請人:中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所