網絡技術在融媒體廣播電視工程技術中的應用

劉曉霞

（白銀市平川區融媒體中心，甘肅 白銀 730900）

0 引言

隨著移動互聯網技術的發展，大數據、智能終端、云計算服務、移動搜索、人工智能和5G 網絡技術不斷成熟，為新媒體的發展提供了廣闊的空間[1]。廣播電視、新聞媒體等行業與移動互聯網相互結合，產生了大量的新型傳播模式，例如網絡直播、IPTV 服務和移動電子商務等，融媒體廣播電視技術也進入“泛在計算”時代，移動終端、電腦終端和智能顯示屏終端等可以不受時間和空間的限制，及時傳輸信息和實時顯示海量圖片、文字和視頻數據，這些對網絡技術來說，需要更高的信息傳播速率和更強大的存儲能力，以滿足融媒體廣播電視工程面向不同媒介平臺的共生新常態和移動終端信息的隨著性和移動性需求[2]。

1 融媒體廣播電視工程源自網關節點的速率優先算法

在網絡信號傳輸的過程中，為了動態地調整和切換算速率，同時也為了減少全網廣播延遲的情況，不同的數學算法被提出，例如經典的廣播樹集中式算法（SL）、多速度多條無線網絡算法、加權連通支配集算法（WCDS）、源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）等。其中，源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法能夠通過集中式的規劃方法掌握和分發全局拓撲信息，有效地減少數據源節點至其他目標節點的傳輸時間[3]。

構建融媒體廣播電視工程無線網絡二維拓撲模型中網絡廣播節點有4 個，普通節點有11 個，轉發節點3 個。在網絡信號傳播的過程中，能夠接收到信號的最大范圍為廣播范圍，該范圍以廣播節點為圓心，以d（i）為半徑，廣播包以速率R（i）在這個范圍進行傳播，R（i）的計算方法如公式（1）所示[4]。

式中：R（i）為第i個無線廣播信號的傳播速率集，bit/s；Bw為無線網絡帶寬，Hz；N0為廣播信號噪聲功率譜密度；Psignal為信號的功率；Pnoise為信號噪聲的功率；Eb為廣播信號每比特信號能量。

基于圖1 的網絡傳播模型，采用仿真分析程序Matlab軟件搭建方格網絡拓撲進行計算，模型小網格的邊長最小為120m，最大為360 m，邊長增量為60m，共有5 種不同的網格邊長；節點數量最小值為20，最大值為140，節點數目增量為10。當網格節點間廣播信號傳播速率為1.0Mbit/s 時，其覆蓋半徑為483m，當傳播速率為2.0Mbit/s 時，其覆蓋半徑為370m，當傳播速率為5.5 Mbit/s 時，其覆蓋半徑為351m，當傳播速率為11.0 Mbit/s 時，其覆蓋半徑為283 m。

圖1 融媒體廣播電視工程無線網絡二維拓撲模型

為了研究無線網絡中各種算法的傳播效率，筆者將不同網絡節點數目條件下經典的廣播樹集中式算法（SL）、加權連通支配集算法（WS）和源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）的廣播延遲進行對比[5-7]，其計算結果如圖2～圖4 所示。

從圖2 可以看出，隨著節點數目增加，采用經典的廣播樹集中式算法（SL）得到的廣播延遲曲線也不斷增加。當網格邊長為120 m 時，廣播的延遲時間呈近線形增加，而當網格邊長為180 m、240 m 和300 m 時，廣播的延遲時間呈非線性增加的趨勢，增加的速率波動不大，當網格邊長為360m時，廣播的延遲時間呈先增速較快，后增速放緩的趨勢。在同一節點數目條件下，隨著網格邊長增加，廣播的延遲時間也不斷增加。

圖2 不同節點數目條件下SL 算法得到的廣播延遲曲線

從圖3 可以看出，隨著節點數目增加，采用加權連通支配集算法（WS）得到的廣播延遲曲線表現為一致的變化規律，均呈近線性增加。在同一節點數目條件下，隨著網格邊長增加，廣播的延遲時間也不斷增加。

圖3 不同節點數目條件下WS 算法得到的廣播延遲曲線

從圖4 可以看出，隨著節點數目增加，采用源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）得到的廣播延遲曲線表現為較為一致的變化規律，當網格邊長小于300 m 時，廣播延遲曲線均呈線性增加，當網格邊長為360 m 時，當廣播的延遲曲線在網格數據較大時，其延遲時間增速略有增加。在同一節點數目條件下，隨著網格邊長增加，廣播的延遲時間也不斷增加。

將圖2～圖4 進行對比可以發現，在同一網格邊長條件下，按經典的廣播樹集中式算法（SL）、加權連通支配集算法（WS）、源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）的順序，其計算的廣播延遲不斷減少。以網格邊長120 m 為例，與經典的廣播樹集中式算法（SL）相比，加權連通支配集算法（WS）得到的廣播延遲下降幅度約3.5%～28.9%，源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）得到的廣播延遲下降幅度約為50.4%～60.8%。由此表明，采用源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）可以有效地減少融媒體廣播電視工程廣播信號的延遲時間，提高了信號的傳播速率。

圖4 不同節點數目條件下RF 算法得到的廣播延遲曲線

2 異構環境下融媒體廣播電視工程技術代理緩存布局分析

在異構環境下，如果融媒體廣播電視傳播的第k個影片，其時間長度為l（m），而服務器的最大原始傳輸速率為Roriginal（k，j），代理緩存的最大傳輸速率為RCache（k，j），那么代理緩存的平均質量命中率QHR的計算方法可按公式（2）計算[8]。

式中：QHR為代理緩存的平均質量命中率；C（i）為異構環境的接入寬帶；Pop（m）為片段流行度；P（i）為異構用戶比例。

為研究無線網絡中不同緩存模式的使用性能，采用3 種不同的緩存布局方法進行比較，質量恒定緩存布局（LCD）、質量分層緩存布局（LLQ）和代理緩存布局方法（LQHR），同樣地采用仿真分析程序Matlab 軟件搭建方格網絡拓撲進行計算，計算時根據質量命中率計算方法考慮3 種不同的異構環境，分別為窄帶異構SN、統一異構UN 和寬帶異構SW，異構環境的接入寬帶按等比增加，分別為C（1）=64 Kbps、C（2）=128 Kbps、C（3）=256 Kbps、C（4）=512 Kbps、C（5）=1024 Kbps。

圖5～圖7 為異構環境下不同緩存布局模式的平均命中率。從圖5 可以看出，隨著歸一化磁盤容量增加，窄帶異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率曲線變化規律一致，呈冪指數增加的趨勢且在同一歸一化磁盤容量條件下，質量分層緩存布局（LLQ）和代理緩存布局方法（LQHR）得到的平均質量命中率相近，而質量恒定緩存布局（LCD）得到的平均質量命中率較低。

圖5 不同緩存布局模式窄帶異構平均質量命中率

從圖6 可以看出，隨著歸一化磁盤容量增加，統一異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率曲線變化規律與窄帶異構環境下得到的平均質量命中率曲線明顯不同，統一異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率曲線呈明顯的“S”形，在同一歸一化磁盤容量條件下，質量分層緩存布局（LLQ）和代理緩存布局方法（LQHR）得到的平均質量命中率相近，而質量恒定緩存布局（LCD）得到的平均質量命中率明顯較小。3 種緩存布局模式下的平均質量命中率最大值均小于窄帶異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率最大值。

圖6 不同緩存布局模式統一異構平均質量命中率

從圖7 可以看出，隨著歸一化磁盤容量增加，寬帶異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率曲線變化規律與窄帶異構環境、統一異構環境得到的平均質量命中率曲線明顯不同，寬帶異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率曲線介于“S”形和冪指數曲線之間，在同一歸一化磁盤容量條件下，質量分層緩存布局（LLQ）和代理緩存布局方法（LQHR）得到的平均質量命中率相近，而質量恒定緩存布局（LCD）得到的平均質量命中率明顯較小。3 種緩存布局模式下的平均質量命中率最大值均小于窄帶異構和統一異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率最大值。

圖7 不同緩存布局模式寬帶異構平均質量命中率

3 結論

該文采用仿真分析程序Matlab 軟件搭建融媒體廣播電視工程無線網絡二維拓撲模型，研究源自關節點的速率優先算法和異構環境不同緩存布局的存儲速度，得到以下3 個結論：1）在同一網格邊長條件下，按經典的廣播樹集中式算法（SL）、加權連通支配集算法（WS）、源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）的順序，其計算的廣播延遲時間不斷減少。采用源自網關節點無線網狀多速率廣播樹算法（RF）可以減少融媒體廣播電視工程廣播信號的延遲時間，提高信號的傳播速率。2）隨著歸一化磁盤容量增加，窄帶異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率曲線呈冪指數曲線，統一異構環境下的平均質量命中曲線呈“S”形曲線，而寬帶異構環境下的平均質量命中曲線介于冪指數曲線與“S”形曲線之間。3）同一歸一化磁盤容量條件下，質量分層緩存布局（LLQ）和代理緩存布局方法（LQHR）得到的平均質量命中率相近，而質量恒定緩存布局（LCD）得到的平均質量命中率明顯較小。3 種緩存布局模式的平均質量命中率最大值均小于窄帶異構和統一異構環境下不同緩存布局模式得到的平均質量命中率最大值。