双网融合可视电话业务模式分析与架构设计*

廖永红

（广东轻工职业技术学院计算机工程系 广州 510300）

双网融合可视电话业务模式分析与架构设计*

廖永红

（广东轻工职业技术学院计算机工程系 广州 510300）

基于多媒体电话的智能网关是数字家庭的一种优选解决方案，其承载业务从基础的可视通信业务，扩展到互动电视、多媒体娱乐服务、数字家居、远程监控、泛业务应用等增值业务，本文探讨其多赢的商业模式，提出双网融合（PSTN+ADSL/IP）通信及其应用方案，着眼于双网协作、融合，分析其特点与优势，并给出项目策略及技术线路，设计基于双网融合协作通信交换体系的业务服务架构及SaaS实现模式、多媒体可视电话媒体传播架构及P2P关键技术方案。

多媒体视讯；双网融合通信；PSTN+ADSL/IP；数字家庭

* “2007广东省重点工业攻关计划”基金资助项目（No.0711020400060）

1 引言

随着互联网及网络融合技术的发展，广电网、电信网、互联网相互渗透，数字家庭产业前景被看好，但存在制约产业发展的两个问题：标准问题（技术体系）及商业模式问题（产业价值链）[1]。基于数字电视、机顶盒的数字家庭技术是当前一种普及性的解决方案。以广州大学城数字家庭孵化中心为产业研发基地的广东数字家庭产业联盟，业界称之为“广联”，提出了“基于数字电视系统，将安防、家电远程控制、互动娱乐等功能集成为一体的解决方案”，并制定了相关标准。广联在广州大学城设立了国家数字家庭应用示范产业基地，启动了以数字电视互动应用为基础的“数字家庭行动计划”，利用大学城产学研的优势，以建设数字家庭大平台为契机，发展以“新媒体、新服务、新产业”为标志的数字家庭文化产业，以数字家庭的推广应用来推动国民生活信息化。

数字家庭是多媒体可视电话的业务发展方向，采用双网协作（分组交换+电路交换）的融合通信技术、以多媒体可视电话为网关中心的数字家庭解决方案，能充分利用现有电信网的软、硬资源，得到电信运营商的大力支持，同时，它采用电路辅助业务认证技术，以大众悉知的电话号码为业务定位IP地址，以电话概念(有线固话、移动固话)的低终端成本及易操作性作为切入点，推广入户，易于规模普及，特别适合于在农村、社区信息化中的应用。相对于电视机机顶盒数字家庭技术方案，它是一种竞争的数字家庭互联方案，其经济易用性、大众标识性、精准分众性、传统兼容性、P2P互动性，使它更易实现局部、分步推广，可以按行业、社区、企业、协会等逐群推广。

双网融合多媒体可视电话的增值业务特色在于精准互动性，可以按分众精准的思想，向用户提供需求个性化的媒体内容服务，个性化的媒体内容传播可精准到点到户，即“分众需求，精准传播”。因此，可先以精准传媒业务为商业模式的着力点，逐渐向数字家庭方案演进。

2 双网融合可视电话及特色

数字家庭网关是为用户提供多种业务统一接口的智能接入设备，是运营商延伸到用户家中的控制中心，是数字家庭业务的切入点，对固网运营商的业务转型尤其具有重要意义[2]。我们通过分析可视电话技术及数字家庭业务特点，从产业价值链出发，设计了双网融合（PSTN+ADSL/IP）的可视电话方案，并基于多媒体可视电话实现数字家庭网关功能，向数字家庭业务方向推进。双网多媒体可视电话项目以可视通信作为市场推广切入点，以基于可视电话的综合视讯、媒体/服务推送、数字家庭中心、泛业务应用等增值业务作为市场的盈利面，着眼于双网融合，开发并集成数字家庭业务应用的框架体系[3]。

双网融合方案为盈利商业模式奠定了技术基础。双网融合可视电话的语音走PSTN，视频、数据走IP，双网融合能充分地发挥电信网优势，一方面，它盘活了电信网冗余资源，获得了高质语音的可视通信；另一方面，可以实现电路交换辅助的业务认证，并创造性地使用“电话号码”为业务定位地址。传统号码是一种价值无量的优势资源，它的大众熟悉性、精确性、易用性、稳定性，是其他形式的地址无法比拟的。

基于数字电视、数字机顶盒的数字家庭技术方案以有线电视网络为主通道，以互动服务为导向，以数字电视为中心，实现3C融合在家庭。基于多媒体可视电话的数字家庭解决方案以互联网接入为通道，以多媒体可视电话智能网关设备为中心，延伸至数字电视大屏幕，以精准互动媒体为主要运营业务，向数字家庭多业务发展。

3 软件服务化业务服务模式

多媒体可视电话用户数量庞杂，用户个性需求多样化，多媒体可视电话增值业务在不断发展，特别是数字家庭业务还处于市场发育期，因此必须多方建设、融合实施，业务服务模式要求技术实现标准化、系统使用家电化、运营服务个性化，因此，引入 SaaS（software-as-a-service，软件即服务）作为业务服务的技术架构。客户购买了多媒体可视电话的系列服务产品，即获得全程、自动的产品服务，插件式功能定制、在线安装升级、后台监控与维护、计费缴费、服务提醒等功能，都构建于SaaS架构中。

多媒体可视电话数字家庭方案由3部分组成：（1）多媒体可视电话智能终端，遵循3C融合的数字家庭核心概念及主流技术标准，承担数字家庭网关中心、媒体中心、控制中心的功能[3]；（2）数字家庭 H2H（home to home）多业务交换及运营支撑体系，采用区域链路集中传播策略及二层运营管控的逻辑架构，构建业务交换及基础服务平台，提供电信运营级的H2H业务定位与交换、信息采集与计费、业务认证与数字版权（DMR）控制、H2H信任机制、知识管理与搜索、业务运营支撑等基础服务[5]；（3）数字家庭软件服务化（SaaS）平台，提供数字家庭多种业务应用服务。

基于SaaS模式的多媒体可视电话数字家庭业务服务平台工作原理解释如下：

·电信运营商或代理商构建多媒体可视电话数字家庭H2H多业务交换与运营支撑平台，向业务内容提供商提供基础服务（H2H业务定位与交换、信息采集与计费、业务认证与数字版权控制等）及运营支撑服务；

·业务内容提供商可以专心于业务应用，依据数字家庭业务接口标准及H2H多业务交换与运营支撑平台的公开接口标准，开发软件化的业务服务程序，发布到SaaS的业务服务平台；

·数字家庭用户向SaaS的业务服务平台查询业务服务，申请所选的业务服务（软件），下载到数字家庭环境（设备）中，由平台授权运行，接受业务服务；

·在多媒体可视电话智能终端中运行的业务服务（软件），依据数字家庭相关接口标准及H2H多业务交换与运营支撑平台公开标准，与H2H多业务交换与运营支撑平台进行交互，直接调用其提供的基础服务，并向运营支撑平台提供业务数据，用于控制、统计、决算。

通过SaaS技术，实现业务运营与业务内容建设的分离，家庭用户面对的是相对单一的运营商，业务经营规范、高效，因此，服务质量、商业信誉也较有保障。业务运营商向业务内容提供商提供基础服务 （H2H业务定位与交换、信息采集与计费、业务认证与数字版权控制等）及运营支撑服务，这样，业务内容提供商可以专心于业务应用，其在经营上也只面对运营商，不必面对广大的用户，减少成本。运营商、业务内容提供商利用平台采集的数据统计来计算利益分配。

4 多媒体可视电话媒体传播架构设计

视频电话会议、电视直播、视频点播、媒体广告等业务是多媒体可视电话的重要增值业务[4]，涉及在SIP协议栈上设计和实现P2P流媒体广播的技术。实现流媒体广播的三大技术有：数据分发网络（CDN）、IP组播、P2P技术。其中，P2P技术可以充分利用广泛分布、结构一致、远程可控的多媒体可视电话资源。

4.1 P2P媒体服务传播系统

考虑到双网协作可视通信系统的特点，在多媒体可视电话上嵌入媒体服务广播组件，基于电信交换架构生成的信息资源，由节目排播服务器进行分众调度，以改进的PeerCast技术实现媒体P2P传播，如图1所示。

业务交换服务器是整个可视电话传媒业务的纽带，其主要功能是：（1）从前台业务支撑系统查取用户信息，对终端进行登录认证；（2）接收终端的定时心跳包，维持服务器与终端间的内外网通路，记忆所辖终端的通信及业务状态信息，为各业务服务器和广大终端提供通信及业务即时信息查询；（3）按电话号码进行终端的标识与定位，分析电话号码，动态地映射到IP地址，为通信方提供终端的内外网IP/端口/掩码信息，实现通信中介交换功能；（4）传送业务事件信息到业务统计/计费服务器。在P2P媒体服务广播应用中，业务交换服务器主要辅助媒体推送服务器和媒体节目排播服务器对终端进行认证与定位。

从终端对流媒体服务的申请有3种方法：（1）用户在终端上操作，如：点播视频；（2）从排播服务器分发到终端的媒体服务申请命令；（3）从排播服务器分发到终端的媒体节目排播表，根据计划按时申请媒体播放服务。图1中的媒体节目排播服务器的任务是：根据电话用户的属性分类，综合各媒体客户的播放时段、受众要求，生成各终端的媒体排播表，并在通信/业务交换服务器的协助下，分发到各终端执行。

4.2 P2P流媒体分组传播的协议过程

适用于媒体数据传输的P2P数据分发基础协议有：基于树状拓扑的协议及扩展和基于Gossip的协议。多媒体可视电话终端规模广大，有统一的交换体系与服务端管理系统，可以及时获知它们的在线网元信息及终端资源信息。设计多媒体可视电话P2P媒体广播的协议过程时，采用PeerCast生成树作为基本模型，在双网协作可视通信交换服务系统的协助下，基于网络物理拓扑形成超级树节点，并在超级树节点内采用了Gossip协议的技术特点，超级节点内的终端之间是动态的对等伙伴关系，每终端定期取得伙伴的上下行带宽及流媒体数据片信息，伙伴间相互交流传输流媒体数据片。其设计特征在于：（1）以电话号码标识终端，从通信业务交换服务器进行认证，并且查询交换数据库，根据在线终端的内外网信息，选择在同一个内网中的伙伴；（2）终端请求服务时首先查询是否存在树节点伙伴，优先加入由相同内网伙伴组成的超级节点，当不存在所属超级节点时，才向流媒体服务器提出入树请求；（3）设计了多播树的性能调优过程，性能越好的终端越靠近流媒体数据源；（4）在可视电话终端上采用二级缓存技术，一级缓存的内容无序，用于节点/伙伴间数据交换，二级缓存的内容有序，用于流媒体的播放，设计有一级缓存的映射BM，缓存映射BM随心跳包发送给关系节点/伙伴。关键协议过程如下。

（1）节点加入，终端请求媒体服务，加入多播树的过程

· 用户点播、定时排播、远程现时播放命令等触发媒体服务请求，可视电话终端N向媒体推送服务器提出服务请求包[电话号码、机身ID、节目ID、认证信息、网终类型、带宽]。

·媒体推送服务器向通信业务交换服务器转发服务请求包，由交换服务器进行终端N的认证与伙伴查询（外网IP相同、内网IP与掩码确定的内网段相同的终端为伙伴），返回给媒体推送服务器伙伴信息包[电话号码、机身ID、节目ID、认证结果、伙伴信息（内外网IP/电话号码/机身ID）列表]。

· 媒体推送服务器向终端N返回服务请求许可包[电话号码、机身 ID、节目 ID、节目授权串、伙伴信息（内外网 IP/电话号码/机身 ID）列表]。

· 终端N收到服务请求许可包，从包中取出伙伴信息列表，向伙伴终端发送节目询问包[电话号码、机身ID、节目ID、节目授权串]，询问是否有伙伴已加入多播树、接收数据片状态、上行剩余带宽。如果满足这样的伙伴终端条件：发现已加入多播树的树节点伙伴、有最近数据片、有足够上行带宽，则标识终端N为已加入多播树。定时（2 s）向已加入多播树的伙伴发送通告包[电话号码、机身ID、节目ID、节目授权串、数据片位图、上行剩余带宽]，并接收其他伙伴发来的通告包，保存其他伙伴的通信及数据片状态，发现并选择有更新数据片的带宽最优伙伴，进行媒体数据片的拉操作。此步骤逐渐建立与扩大超级节点，伙伴间相互通报与传播媒体数据。

·在上一步中，如果没有发现已加入多播树的伙伴，则向媒体推送服务器发送入树请求包 [电话号码、机身ID、节目ID、节目授权串、上下行带宽]。推送服务器收到入树请求包，如果有足够的资源，则向此终端N直接提供媒体服务，否则把此终端N的请求转发给其某个直接的子节点（轮询选取）。如果子节点有伙伴，选择有足够的资源的伙伴，把此入树请求转发给它处理，否则子节点自己处理。子节点或伙伴根据自己的资源情况判断是否给终端N提供媒体服务，以此类推，直到N找到一个父节点。如果被请求节点没有足够的资源，需要把终端N的请求重定向到服务器的其他子节点。此步骤逐渐构建了多播树，多播树中每个节点维护自己的父节点和直接的子节点的信息。

（2）节点离开，终端正常和非正常离开多播树的过程

终端是多任务的，当A任务与媒体广播任务并发时，如果媒体广播任务优先级高于A任务（例如：正在以媒体广播的方式播报台风紧急通知，任务优先级很高），媒体广播任务优先拥有带宽与CPU资源；如果媒体广播任务优先级低于A任务（例如：在流媒体广播时，用户拨打可视通话），可预见带宽与CPU资源不足，此时发生终端正常离开多播树。

终端正常离开多播树时，通知父节点收回资源，并且重定向子节点的数据传输，通知直接子节点重新请求入树。非正常离开是通过检测节点发现的，每个节点需要周期性（2 s）地向它们的父节点（或树节点伙伴）和子节点发送心跳包[电话号码、机身ID、节目ID、节目授权串、数据片位图、带宽]，说明自己工作正常。如果某个节点在3个周期内都没有收到子节点正常的消息，则认为子节点己经非正常离开，将回收服务该子节点的资源。同样子节点在3个周期内都没有收到父节点正常的消息，则认为父节点（或树节点伙伴）己经非正常离开，该节点重新请求加入多播树。

（3）节点调整，终端节点性能不同的原因，调整多播树的过程

·终端N向媒体推送服务器请求加入多播树，服务器本身没有足够的服务资源，将任务交给一个轮询选取的子节点，如果终端N的带宽性能优于选中的直接子节点，则终端N替代此直接子节点，接管其节点任务，原直接子节点重新请求入树。

·终端N的入树请求被转发给某个被父节点选中的子节点时，如果终端N的带宽性能优于选中的节点，则终端N替代此节点，接管其节点任务，原节点重新请求入树。

·终端检测或判断到带宽的较大变化时，带宽性能数据随心跳包通知父节点或树节点伙伴，父节点收到子节点的心跳包，树节点伙伴收到其他伙伴的心跳包，从而获得子节点或伙伴的带宽性能数据，按公式 Bn=0.9×Bn-1+0.1×B （其中 Bn为收到第 n个心跳的带宽时段值，B为从第n个心跳包中取到的子节点带宽值）统计节点的带宽时段值，某子节点（或伙伴）的带宽时段值超过父节点 （或树节点伙伴）的20%，则协商对换子节点（或伙伴）和父节点（或树节点伙伴）在树中的位置。

4.3 P2P流媒体二级缓存技术

终端的P2P媒体广播本质上就是一种存储转发技术，数据缓冲及其管理的关键模块之一，决定着数据分发的性能。缓存策略使用了两级缓存机制，根据调度策略采取非顺序接收数据包，保存在一级缓存里。一级缓存采用LRU（最近最少使用）替换策略，替换固定时间内访问次数最少的媒体块包。一级缓存负责数据包存储转发，二级缓存对一级缓冲数据进行有序化，负责提供给本地播放。二级缓存采用先进先出策略替换。在每个周期，节点/伙伴会将Bmap（本地数据缓冲状况）写入一张表内，表中记录了每个片段在该节点本地保存的情况，节点之间就是通过这张表的传递互相感知对方数据存储的情况。数据的调度是根据节点/伙伴的Bmap信息，从节点/伙伴上获取媒体数据。

节点的伙伴及伙伴之间数据的传输方向并不固定，伙伴之间根据各自缓存的数据情况进行数据交换，所以节点和伙伴需要相互知道所缓存数据的内容。媒体数据流可被分割成相同大小的片断，片断是否在缓存区内存在可以用一个缓存映射BM（buffer map）来表示。伙伴间通过不断交换BM来了解相互间的缓存情况。在具体实现中，每个片断包含1 s的数据，用一个滑动窗口（sliding window）来代表BM，大小为120个片断，对应BM中120 bit，每个比特代表一个数据片断，比特的值为l表示有这个片断，0表示没有这个片段。

系统的调度算法采用了以下规则：（1）规定每个包的有效时间（Deadline）为30 s，即每个包在源节点产生之后，必须在30 s内到达其他节点，否则视为无效。在向伙伴节点获取某个数据包之前，节点会依照当前的时间、该包的时间戳以及必要的网络延迟来决定该包是否还有获取的必要。（2）稀少数据优先策略，在系统中，如果某个片段的提供者越少，就越难满足播放时间Deadline的要求，因此，系统在每个数据调度周期会适当地优先考虑获取提供者数目较少的片段。此外，在有多个数据片段提供者时，在可以保证Deadline的前提下，系统会选择带宽或者网络状况最好的提供者。（3）缓冲播放窗口滑动，系统定义了一定大小的播放窗口，在每个数据调度周期来临时，节点会根据当前的数据流速度移动滑动窗口。当在滑动窗口内还存在没有收到的包时，将优先请求这些数据。

5 结束语

实践证明：在实现平台基本功能的前提下，要形成基于多媒体可视电话的数字家庭运营模式，关键是终端的普及落地与内容体系的建设。在技术上，终端普及落地问题就是如何对产品的精简优化，内容体系建设必须是开放标准、多方参与、业务可控，其中，数字版权控制是技术难点之一。

1 孙常清，赵英涛.数字家庭网络发展分析.电信科学，2007，23（6）：23～27

2 韩军，刘昕.家庭网关网络部署及业务发展思路的探讨，http://www.hcdc.com.cn/txqk，2010-6-20

3 廖永红，李洛等．构建嵌入式多媒体电话的泛应用框架.计算机工程与设计，2008，34（12）：27～34

4 廖永红，李洛等．高离散P2P会议模型带权基因衍生算法.计算机工程与应用，2008，34（20）：124～128

5 廖永红，李洛等．双网融合可视电话的业务寻址与交换设计.计算机工程，2009，36（2）

6 徐宝民，彭峻.社区综合信息服务商业模式实践.广东通信技术，2007，27（6）：19～21

7 刘文超，万象等.大宽带背景下的家庭网络应用技术研究及发展探讨.电信科学，2010，26（2）：5～9

Dual-Network Collaborative Communications Business Model and Architecture Design

Liao Yonghong
（Department of Computer Technology,Guangdong Industry Technical College,Guangzhou 510300,China)

Intelligent gateway based on multimedia phone is an optimal solution for the digital home.Based on the video-communications business,expanding into interactive TV,multi-media video services,digital home,remote monitoring,the multi-business applications,and other value-added services,research the multi-win business model,the project of dual-network collaborative (PSTN+ADSL/IP)communications and its multi-business applications is proposed,focus on the dual-network integration,analysis of its characteristics and advantages is down,and the project strategy and technical route is introduced.Based on the dual-network integration switch system,the business services architecture and implementation with SaaS(software-as-a-service)mode is designed,the media transport architecture and P2P technology by multi-media video telephone is given.

multi-media videophone,dual-network collaborative communication,PSTN+ADSL/IP,digital home

2010-05-19）

廖永红，硕士，广东轻工职业技术学院副教授，主要研究方向为嵌入式应用、计算机网络与安全。