虛擬化技術在電視播控系統中的應用實踐

黃曉峰

摘 要：電視播控系統的目的是實現電視播控環境緊密交互，本文根據電視播控系統與電視播控環境交互的特點，研究其資源優化和配置的方法，并運用虛擬化技術理論建立系統實時性、能耗等性能的自適應優化和資源配置的有效策略，為電視播控系統的發展提供理論和應用基礎支持。

關鍵詞：虛擬化技術；電視播控系統；應用

1.電視播控系統的研究背景及意義

近年來，無線通信、傳感器、虛擬化技術等的進步使信息系統得到了前所未有的發展，然而，在經濟建設的各主要領域，播控基礎設施和信息基礎設施的建設往往是分開進行的。一方面，人們不斷地建設和完善電視播控系統，另一方面，人們也不遺余力地發展數據中心、個人電腦和寬帶網絡等信息世界，信息世界和現實生活世界割裂開來。而國民經濟的發展對信息系統早已提出了更高的要求，現代科技的發展要求將計算技術拓展到整個人類活動的空間，將人類的電視播控世界計算化、網絡化、信息化，使信息系統和可視化系統整合統一成為電視播控系統。

電視播控系統的重要特性是與電視播控環境緊密交互，其應用任務的臨界性（Criticality）通常對電視播控系統的精度、能耗、實時性、組網可靠性、安全性、服務質量等性能指標有著嚴格的要求。然而，也正是由于同電視播控環境的緊密結合，環境因素不可避免的影響傳感/執行子系統的采樣數據并且不斷產生變化，電視播控環境的不確定性（例如噪聲、傳輸介質特性、地形、溫度等的變化）和系統自身的誤差給整個系統的性能造成極大的影響。另一方面，由于市場和推廣的原因，電視播控系統通常采用大量低成本的非定制器件（Off-the-Shelf）來搭建和設計，系統資源非常有限。難以使用復雜的信號處理技術及優化控制協議來克服電視播控環境變化和系統誤差帶來的影響。因此系統的性能保障問題正在成為電視播控系統設計和應用的瓶頸，阻礙其大規模發展的步伐。電視播控系統企圖超越已有傳感網，在感知功能的基礎上實現感控功能，其研究涉及傳感、通信、計算、控制等多個科技領域。

2.虛擬化技術在電視播控系統中的應用研究

2.1 電視播控系統研究現狀

電視播控系統在國內外都是一個較新的研究方向，在國內，何積豐教授和李建中教授已經開展了電視播控系統的研究工作，對電視播控系統的研究現狀和挑戰做了較為全面的研究綜述，蔣國平教授則將復雜動態網絡及其同步機制等用于研究電視播控系統中的控制問題，國家自然科學基金已經就電視播控系統的研究資助了多個項目。

在國外，不同側面的研究已經展開，特別是在電視播控系統的應用嘗試方面取得了較大的進展。例如，將大規模數據服務中心視為一個復雜的電視播控系統，研究其中的能源管理策略；設計用于醫療領域的電視播控系統；用電視播控系統實現建筑結構的健康監測；設計面向交通安全的電視播控系統，用于預測車輛的位置，從而避免發生碰撞等。這些研究工作有力地推動了電視播控系統的發展，然而，電視播控系統中的研究還剛剛開始，關于其合理的資源分配和調度來實現性能優化的研究結果仍然不多。

2.2 電視播控系統中的能耗優化的研究現狀

近年來，微電子技術、虛擬化技術和無線通信等技術的進步，推動了無線傳感器網絡的快速發展。無線傳感器網絡是由大量能量受限且配置有計算和無線通信能力的微型傳感器節點組成的無結構網絡。傳感器節點往往采用隨機部署，如通過飛機播撒或發射炮彈到指定區域，通過無線通信向基站發送探測到的數據。在無線傳感器網絡中，節點一般依靠電池供電，其能量十分有限，而且無線傳感器網絡經常部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，為傳感器節點替換電池是不可行的。因此，如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是無線傳感器網絡面臨的首要挑戰。基于以上的主要原因，以能耗和實時性為主要目標的調度機制被廣泛的研究。

傳統的高性能計算領域通常將任務劃分為映射和調度兩個問題進行研究，這樣的思想也被借鑒到無線傳感器網絡中。Heemin Park 等提出適用于 Ad hoc 傳感器網絡的能量有效型任務分配框架。該框架將優化任務的分配和遷移用最小化代價函數來描述，函數反映了全網的節點能耗、時延和給定約束。整個算法包括兩個階段：在設計階段進行集中式任務分解轉化和分配；在執行任務階段，各節點執行分布式任務遷移策略。Younis 等提出的一種任務分配優化算法，主要關注全局任務在簇頭上的分配問題，通過提高簇頭的能量有效性，使全網的生存期得到延長。任務分配問題被建模成0-1非線性優化問題，目標函數是最大化所有簇頭的剩余生存期的權重之和。同時考慮通信時間、帶寬和能量的約束，設計了一種在線任務調度機制，用于在簇內周期性應用任務中分配網絡資源，根據預先設定的任務執行頻率上限，優化每個節點的任務頻率。然而，該機制并沒有把任務映射到傳感器節點上。更有研究提出一種分布式計算構架，將任務分為兩級：傳感器節點的低級感知任務和簇頭的高級處理任務。但是高級處理任務可能超出簇頭的計算能力，而且算法的通用性不強。

2.3 虛擬化技術在電視播控系統性能優化和資源分配中的應用

在電視播控系統的研究中，采用虛擬化技術能有效的提高計算系統和網絡系統多性能保障的自適應性。在嵌入式實時系統中，虛擬化技術可以利用系統中的動態反饋信息來調節工作負載，從而自適應的保證實時系統的實時性能。例如歐洲國家使用了基于虛擬化技術的 CPU 利用率調節機制，該機制能有效的滿足分布式系統中端到端的時間約束。研究表明，利用虛擬化技術能在不可預知的環境中提供實時性能保障，在開放和未知的環境中的分布式嵌入式系統實時圖像傳輸機制，提出了滿足能耗約束條件下的多任務調度策略來控制多個執行器的任務調度問題。圖1為虛擬化電視播控系統中視頻圖像處理框架圖。

除此之外，有學者設計了采集肌電生物信號來控制假肢的電視播控系統，并且引入了信任管理機制來克服電視播控環境和器件誤差造成的不確定性因素，并利用數據融合和虛擬化技術來改善系統的判斷準確率。還有研究稱通過控制系統的利用率來提高系統的保真度。此外虛擬化技術在傳統的分布式的許多協議中發揮了重要的作用，例如 MAC通信協議，能量管理協議，和拓撲控制協議，這些工作對于本文的研究有借鑒意義。盡管大量的文章已經使用虛擬化技術來改善傳統分布式系統和嵌入式系統的性能，但是在電視播控系統中利用虛擬化技術來合理的分配系統的資源這方面的研究結果仍然不多。

3.結語

由于電視播控系統與電視播控環境的緊密結合，增加和擴展了電視播控系統的新功能，因此在安全、市政設施、能源、醫療、工業制造以及物流等諸多領域具有廣泛的應用前景，得到了國內外學術界和工業界的高度重視。但是電視播控系統要進入實際的應用還需要滿足許多性能的約束條件，例如：實時性、能耗、連接的可靠性、電視播控系統的保真度（Fidelity）等。為了滿足各種性能的約束條件，電視播控系統的各種性能優化協議會互相搶占有限的系統資源，給多性能平衡和資源分配帶來挑戰。

參考文獻

[1] 孫曉峰.中小電臺總控系統的設計[J].內蒙古廣播與電視技術.2003（04）：97-98.

[2] 孟憲林，李振武.市級廣播電臺總控系統的構建和應用[J].通訊世界.2015（18）：166-167.

[3] 朱尚榮，朱錦文，方達星.義烏電臺總控系統改造簡介[J].電聲技術.2014（01）：14-16.

[4] 章 崴.2014索契冬奧會中央電視臺前場總控系統應用概述[J].現代電視技術.2014（04）：203-204.