CMMB數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張定京，金 鑫，王 穎，趙良福，陳德林

（國(guó)家廣播電影電視總局廣播科學(xué)研究院，北京 100045）

1 引言

中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（CMMB），作為信息傳播的一種新興媒體形式，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)，是今后廣播電視事業(yè)發(fā)展的新的重要領(lǐng)域。移動(dòng)多媒體廣播業(yè)務(wù)是指通過衛(wèi)星和地面無線廣播方式，在手機(jī)、PDA、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)、筆記本式計(jì)算機(jī)等7 in以下的小屏幕、移動(dòng)便攜手持式終端上，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地接收廣播電視節(jié)目收視與信息服務(wù)[1]。

在CMMB系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)廣播是指除音視頻基本業(yè)務(wù)之外的一種利用CMMB廣播信道傳輸數(shù)據(jù)流或數(shù)據(jù)文件的增值業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)廣播可以傳輸多種信息內(nèi)容，包括視頻、音頻、文本、圖片、網(wǎng)頁、業(yè)務(wù)流或其他多媒體信息數(shù)據(jù)。因此，CMMB數(shù)據(jù)廣播可為用戶提供除廣播電視節(jié)目之外的其他多種個(gè)性化服務(wù)，擴(kuò)展并豐富了移動(dòng)多媒體廣播的業(yè)務(wù)內(nèi)容，對(duì)推動(dòng)移動(dòng)多媒體廣播事業(yè)的發(fā)展起到越來越重要的作用。

CMMB數(shù)據(jù)廣播分為流模式和文件模式兩種。若數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以離散數(shù)據(jù)文件的方式展現(xiàn)，通常無時(shí)序要求、傳輸無時(shí)間標(biāo)簽指示或同步要求，則采用文件模式進(jìn)行處理[2]。目前，CMMB數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市進(jìn)行試播，其中在北京試播的數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)主要有：智能交通誘導(dǎo)、實(shí)時(shí)股票財(cái)經(jīng)、電子雜志、精選短視頻、網(wǎng)頁推送等[2]。其中電子雜志、精選短視頻、網(wǎng)頁推送等業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求不高，具有文件模式業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，所以采用數(shù)據(jù)廣播的文件模式進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器可作為文件模式業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄓ闷脚_(tái)實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)。

2008年9月16日，國(guó)家廣電總局科技司發(fā)布GD/J024—2008《移動(dòng)多媒體廣播數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器與XPE封裝機(jī)技術(shù)要求和測(cè)量方法》這一廣播電影電視行業(yè)暫行技術(shù)文件，該技術(shù)文件規(guī)定了數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器與XPE封裝機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)要求和測(cè)量方法[3]。筆者依據(jù)該技術(shù)文件及其他CMMB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)完成了CMMB數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器，并用于廣電總局開展的移動(dòng)多媒體廣播系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

本文中，筆者將依據(jù)GY/T 220.5—2008標(biāo)準(zhǔn)[2]和相關(guān)技術(shù)文件，介紹CMMB數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)和功能模塊組成，并以主要模塊為例，分析CMMB數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)過程及涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)方案

GD/J024—2008技術(shù)文件[3]描繪了CMMB數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器的功能框圖，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器的功能框圖

數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器主要功能包括輸入、文件分割封裝、輸出等。輸入模塊通過光驅(qū)、USB或以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)文件上載至數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器；文件分割模塊將數(shù)據(jù)文件分割成等長(zhǎng)的文件片，多個(gè)文件片組成一個(gè)文件塊；糾刪編碼模塊對(duì)文件塊進(jìn)行糾刪編碼生成糾刪檢驗(yàn)塊，糾刪校驗(yàn)塊分割為糾刪校驗(yàn)片；文件屬性表 （File Attribute Table，F(xiàn)AT）生成模塊根據(jù)待播數(shù)據(jù)文件的數(shù)量、屬性、傳輸參數(shù)等信息，生成FAT文件；數(shù)據(jù)封裝模塊主要是對(duì)FAT片、文件片和糾刪校驗(yàn)片進(jìn)行封裝，分別生成FAT片傳輸包、文件片傳輸包和糾刪校驗(yàn)片傳輸包；輸出模塊按照設(shè)定的發(fā)送碼率，采用UDP協(xié)議將封裝完成的文件模式傳輸包輸出給后級(jí)設(shè)備。

上述模塊中，文件分割、糾刪編碼和FAT生成模塊在設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，筆者將在下一章中以此3個(gè)模塊為重點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)過程以及涉及到的技術(shù)細(xì)節(jié)。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 文件分割

數(shù)據(jù)文件在進(jìn)行分割之前，首先應(yīng)確定編碼類型（是否采用壓縮編碼）。如需壓縮，則應(yīng)先生成源文件的壓縮文件后，對(duì)壓縮文件進(jìn)行分割。分割形式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)文件分割示意圖

文件分割參數(shù)計(jì)算如下[2]

式中：ceil（）為向上取整運(yùn)算；floor（）為向下取整運(yùn)算。 若 KA=KB，則 ZA=Z。 否則，ZA=（Kt-KB×Z）/（KA-KB），ZB=Z-ZA。

下面以文件“a.jpeg”和“b.wmv”為例，進(jìn)一步說明以上公式和參數(shù)的含義（見表1）。

表1 文件分割參數(shù)舉例

當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)文件被分割成多個(gè)等長(zhǎng)的文件片時(shí)，如果 Kt×T＞F，則在最后一個(gè)文件片的結(jié)尾處填補(bǔ)（Kt×T-F）個(gè)填充字節(jié)（填充值為“0”）。CMMB終端在接收數(shù)據(jù)廣播文件模式業(yè)務(wù)時(shí)，要確定待接收文件在傳輸中是否被填充，可通過分析FAT文件的內(nèi)容信息和分割信息來判斷。首先應(yīng)確定文件的有效長(zhǎng)度F，如果該文件未經(jīng)過壓縮 （file_encoding=0）[2]， 則F為file_length的值，否則為file_encoding_length的值[1]。然后計(jì)算文件實(shí)際傳輸?shù)拈L(zhǎng)度 F′，方法為

如果F′＞F，說明該文件在最后1個(gè)文件塊的最后1個(gè)文件片有填充字節(jié)。當(dāng)終端接收到最后1個(gè)文件片時(shí)，應(yīng)將文件片尾部的（F′-F）個(gè)填充字節(jié)丟棄，將剩余有效數(shù)據(jù)保存或?qū)懭胛募?/p>

3.2 糾刪編碼

糾刪編碼是一種前向糾刪碼，可糾正刪除錯(cuò)誤，被用于恢復(fù)在傳輸信道中丟失的數(shù)據(jù)。CMMB數(shù)據(jù)廣播文件模式采用的就是糾刪碼方法，來保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠的傳輸，其中糾刪碼采用低密度生成矩陣碼 （Low Density Generator-matrix Code，LDGC）[2]。

數(shù)據(jù)文件進(jìn)行糾刪編碼時(shí)按文件塊進(jìn)行，得到糾刪校驗(yàn)塊，糾刪校驗(yàn)塊再劃分成若干與文件片等長(zhǎng)的糾刪校驗(yàn)片，糾刪校驗(yàn)片與文件片連續(xù)編號(hào)[2]，如圖3a所示。

CMMB終端在接收數(shù)據(jù)文件時(shí)，如果在文件片傳輸層的低層協(xié)議層檢測(cè)到錯(cuò)誤，即可擴(kuò)展協(xié)議封裝包（eXtensible Protocol Encapsulation，XPE）[1]包出現(xiàn)誤碼，并且對(duì)XPE包數(shù)據(jù)進(jìn)行前向糾錯(cuò)也無法糾正錯(cuò)誤時(shí)，該XPE包將被拋棄，其所承載的數(shù)據(jù)也隨之丟失。丟失的位置是隨機(jī)的，既可能是文件片，也可能是糾刪校驗(yàn)片。在文件片傳輸層將表現(xiàn)為某個(gè)文件塊內(nèi)的文件片序號(hào)不連續(xù)且無法收齊，如圖3b所示。

如果出現(xiàn)上述情況，終端可利用糾刪校驗(yàn)片恢復(fù)丟失的文件片。終端需記錄下該文件塊的文件片/糾刪校驗(yàn)片的丟失位置，將組合后的文件塊和糾刪校驗(yàn)塊一起進(jìn)行糾刪解碼，如果文件片丟失數(shù)目在有效糾刪范圍內(nèi)，文件塊中所有文件片的數(shù)據(jù)將全部被恢復(fù)出來[4]，如圖3c所示。

圖3 文件片/糾刪校驗(yàn)片圖示

糾刪校驗(yàn)塊的數(shù)據(jù)是對(duì)文件塊進(jìn)行糾刪編碼（LDGC編碼）后生成，有關(guān)糾刪編碼相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下

下面以表1中的文件B（b.wmv）為例，說明各參數(shù)的含義（見表 2）。

表2 糾刪校驗(yàn)塊大小計(jì)算舉例

3.3 FAT文件

3.3.1 FAT生成

FAT文件用于描述數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所包含的數(shù)據(jù)文件的構(gòu)成、路徑、分割參數(shù)等信息[2]。FAT文件中各個(gè)元素的值需根據(jù)待播數(shù)據(jù)文件的數(shù)量、路徑、屬性、傳輸參數(shù)等信息而定。在生成FAT文件之前，需先獲取、計(jì)算并保存有關(guān)參數(shù)，F(xiàn)AT生成的基本流程見圖4。

圖4 FAT生成流程示意圖

下面以表1中的文件B（b.wmv）為例，說明FAT文件的具體內(nèi)容。其中，文件所在相對(duì)路徑為“b”，數(shù)據(jù)文件編碼方式為GZIP壓縮，糾刪編碼算法為L(zhǎng)DGC編碼，冗余開銷為25%。圖5為根據(jù)文件“b.wmv”生成的FAT文件實(shí)例。

圖5 FAT文件XML實(shí)例

3.3.2 FAT分割與傳輸

同數(shù)據(jù)文件一樣，F(xiàn)AT文件也需要分割后再進(jìn)行傳輸。FAT文件分割成FAT片，對(duì)FAT片進(jìn)行封裝，生成FAT片傳輸包，語法結(jié)構(gòu)見圖6[2]。

圖6 FAT片傳輸包的語法結(jié)構(gòu)

由圖6可以看出，F(xiàn)AT文件最多可以被分成256片（最后片序號(hào)為8位），F(xiàn)AT片的長(zhǎng)度為N byte（最大值為4 095 byte），通過FAT片傳輸包傳輸?shù)腇AT文件最大長(zhǎng)度為M byte（256×N）。FAT片長(zhǎng)度一般與數(shù)據(jù)文件的文件片長(zhǎng)度等長(zhǎng)，以便控制輸出碼率的穩(wěn)定。

如果原始FAT文件較大，文件長(zhǎng)度超出M值，F(xiàn)AT片傳輸包將無法完整傳輸FAT文件。這種情況下，F(xiàn)AT文件需要進(jìn)行壓縮編碼以縮短文件長(zhǎng)度，壓縮編碼方式可采用GZIP算法。壓縮后的FAT文件的長(zhǎng)度一般可比原始FAT文件縮小幾倍到幾十倍。FAT文件如經(jīng)過壓縮，被分割、封裝生成FAT片傳輸包，其中的“編碼類型”字段的值要設(shè)為“1”（GZIP 壓縮）。

3.4 狀態(tài)更新

當(dāng)數(shù)據(jù)廣播文件模式業(yè)務(wù)發(fā)送的文件發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)AT文件需要重新生成，文件片傳輸包和FAT片傳輸包也需要重新封裝，其中多個(gè)代表更新標(biāo)志的字段必須變更，以便于終端能及時(shí)發(fā)現(xiàn)文件業(yè)務(wù)的變化，進(jìn)行相應(yīng)處理。更新標(biāo)志字段包括：

1）MaxVersion，為FAT文件中的FAT元素大版本號(hào)屬性。若大版本號(hào)變化，終端需要重新構(gòu)建資源標(biāo)識(shí)與文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2）MinVersion為FAT文件中的FAT元素小版本號(hào)屬性。若僅有小版本號(hào)變化，資源標(biāo)識(shí)與文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系保持不變。

3）UpdateIndex為FAT文件中的FAI元素更新序號(hào)屬性。

4）文件片“更新序號(hào)”，即文件片/糾刪檢驗(yàn)片傳輸包語法中的更新標(biāo)志，與“UpdateIndex”一致，要聯(lián)動(dòng)變更。

5）FAT片“更新序號(hào)”，即FAT片傳輸包語法中的更新標(biāo)志，表示FAT信息發(fā)生變化。

表3為歸納的幾種主要更新標(biāo)志字段需要變更的情況。表3中，“√”表示當(dāng)數(shù)據(jù)廣播文件業(yè)務(wù)出現(xiàn)最左列描述的情況時(shí)，該更新標(biāo)志字段要變更（循環(huán)遞增加1）。

表3 更新標(biāo)志字段變更表

4 小結(jié)

目前，在移動(dòng)多媒體廣播系統(tǒng)中，除廣播電視節(jié)目之外的其他多種個(gè)性化服務(wù)都需要在數(shù)據(jù)廣播平臺(tái)上展開，多元化的服務(wù)內(nèi)容將是CMMB品牌的新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。接下來，CMMB還將不斷推出新的數(shù)據(jù)廣播增值業(yè)務(wù)，如精彩游戲、生活資訊、打折信息等服務(wù)，這些服務(wù)都可以采用文件模式進(jìn)行處理，因此數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器將在這些服務(wù)中發(fā)揮重要的作用。

筆者開發(fā)的CMMB數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器，已在CMMB前端播出平臺(tái)中得到應(yīng)用，經(jīng)過使用，運(yùn)行良好，對(duì)促進(jìn)CMMB前期實(shí)驗(yàn)工作的開展起到一定積極作用。

[1]解偉.移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）技術(shù)與發(fā)展[J].電視技術(shù)，2008，32（4）：4-7.

[2]GY/T 220.5—2008，移動(dòng)多媒體廣播 第5部分：數(shù)據(jù)廣播[S].2008.

[3]GD/J024—2008，移動(dòng)多媒體廣播數(shù)據(jù)廣播文件發(fā)生器與XPE封裝機(jī)技術(shù)要求和測(cè)量方法[S].2008.

[4]慕建君，路成業(yè)，王新梅.關(guān)于糾刪碼的研究與進(jìn)展[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2002（9）：1276-1281.