基于云架构的多媒体集成系统设计

国艳群，韩 敏，孙林夫

（1.西南交通大学 CAD工程中心，四川 成都 610031；2.西南电子设备研究所，四川 成都 610036）

随着数字技术的发展，企业的办公环境以及个人的家庭生活都在逐步被改变，数字电视、多媒体等设备已在企业及人们的家庭生活中广泛使用，催生了企业多媒体系统、数字家庭[1]等概念的诞生，并且随着网络的普及，更是促进了B2C（Business to Customer）商业模式[2]、家庭办公[3]等应用的发展。如何依托网络，实现企业/家庭多媒体设备的一体化集成，高效利用当前的媒体网络，服务企业商务运行及人们的日常生活成为当前亟待解决的问题。文献[4]提出了基于专用硬件设备实现电信网、广播电视网以及互联网数字家庭媒体设计方案，家电厂商更是基于云计算技术[5]，提出了“家庭云”[6]的概念，同时云计算技术也在企业中广泛应用。然而，这些设计未从一体化融合的角度开展企业/家庭的多媒体系统集成工作，且多基于专用设备或专用软件，应用较复杂，难以实现系统的普及推广。

本文基于云架构设计思想及企业/家庭中广泛应用的无线网络，给出了基于云架构的企业/家庭多媒体集成系统设计，可实现各种数字设备的一体化集成及云存储、设备遥控、家庭办公等功能。从企业的角度，实现了基于媒体终端的商务应用拓展，从家庭的角度，则实现了家庭媒体设备的集成并推动了家庭办公的发展，且该设计不需要专用设备支持，并可基于无线网络灵活扩展，对推动多媒体设备在企业及家庭中的应用、普及发展具有重要意义。

1 系统架构

云计算是目前计算机及网络领域的新兴技术，依托网络将IT资源、数据及应用作为服务提供给用户，为处于云端的设备屏蔽基础硬件及操作系统，透明地提供计算服务、虚拟存储等应用。参照云计算架构，本系统在架构上采用3层体系结构，如图1所示。

系统主要由基础层、服务层及应用层构成，通过服务层，实现对基础层设备的屏蔽，对外提供红外集成控制、虚拟存储及远程控制等服务，支撑实现云存储、设备遥控、B2C商务等各种应用，各层主要作用为：

图1 系统架构

1）基础层：主要包括电视终端、计算机、会议媒体系统、存储阵列、企业服务器等设备以及光纤/网线（含ISP等服务运行商）、无线网络系统等网络基础设施，另外还包括Windows，UNIX，iOS等主流操作系统，基础层位于系统架构的底层，为系统应用提供基础硬件及操作系统支撑。

2）服务层：服务层属于系统的中间层，对上为应用层提供“无线—红外”转换服务、虚拟存储服务、远程控制服务、企业信息推送与互动等应用服务，对下实现对基础层设备与系统的访问，实现对设备的控制与资源调度。

3）应用层：是系统的主要业务应用层，用户依托基础层设备及服务层应用服务，实现云存储、设备遥控、B2C商务、家庭办公等应用。其中B2C应用主要表现在企业可通过媒体服务器，将企业业务通过家庭中广泛应用的流媒体设备向个人用户推送，并收集相应的反馈信息，进一步实现B2C商务应用的拓展。家庭办公则可通过家庭计算机，通过网络，远程访问企业相应存储信息及企业应用系统，使人们在家庭中完成企业业务的处理。

2 系统总体设计

在设备组成方面，企业多媒体与家庭多媒体有着基本同构的设备，区别主要在于设备的规格、数量不同，从集成架构上，两者基本一致。在工程实施上，以当前广泛应用的媒体设备为例，给出了系统的典型设计，如图2所示。

系统由数字电视子系统、多媒体子系统、存储子系统、控制子系统、网络子系统及空调等其他设备组成。

1）数字电视子系统：典型数字电视系统由数字机顶盒及数字电视构成，入户网络连接到数字机顶盒，数字机顶盒一般以HDMI线缆连接至数字电视。数字电视子系统在企业中可作为视频会议的终端系统，在家庭中既可以作为电视媒体，也可以通过企业应用扩展，作为企业信息的家庭发布终端。

图2 系统总体设计

2）多媒体子系统：多媒体子系统在企业应用中主要表现为企业的多媒体会议系统，而在家庭中则主要表现为家庭影院系统。一般由DVD、功放、音箱、投影机及幕布组成，在系统设计上，可通过一个HDMI转接头，将数字机顶盒信号分成两路，一路送至电视，一路送至功放，可实现电视信号通过投影方式显示，实现电视子系统与多媒体子系统的互联。

3）存储子系统：主要由存储阵列托架及存储硬盘组成。

4）控制子系统：包括计算机、手机等系统控制终端以及具备学习功能的红外控制器，可实现网络信号到红外控制信号的转换。

5）网络子系统：主要包括Internet及室内无线网络，是连接企业、用户及各种媒体设备的基础，用户可可通过Internet接入企业或家庭内部网络，并在室内可直接利用WiFi信号，实现对室内各设备的访问与控制。

6）其他家电设备：包括空调系统、打印机等，这类设备通过无线或红外的方式集成接入企业/家庭系统。

3 系统应用设计

3.1 无线覆盖设计

由于本系统的设计基础为无线网络，因此无线信号的稳定覆盖是需要解决的首要问题，根据经典无线信号传播模型，信号的强度随着距离的增加而降低，其数学模型遵循Friis公式[7]

式中：PR与PT分别代表接收端与发射端的功率；GR与GT分别代表接收端与发射端的信号增益；λ为波长；d为接收端与发射端的距离，根据信号衰减模型，距离发射点d距离处的信号衰减Ld为

从理论公式看，在开阔环境下，无线信号的接收不受接收端发射功率的影响，可以达到较好的传播效果，通过增大无线路由器的发射功率，可以实现较远的信号传播与覆盖；但在走廊环境下，信号传播情况则较为复杂，文献[8]基于3次样条插值，拟合给出了信号强度的衰减模型，根据其衰减模型及室内实测情况，在距离增加到一定数值后，信号衰减值受接收端信号增益的影响较大。

在实际使用中，由于企业及家居环境中墙壁、走廊等影响，且接收端（计算机、手机等）设备的信号增益固定且较小，仅依靠简单增大无线路由器的措施则无法实现室内无线信号的覆盖，在信号较弱的房间或区域，必须通过“网络布线+无线AP”的方式，解决信号覆盖问题，如图3所示。

图3 无线覆盖应用示意图

3.2 系统存储体系

随着高清、蓝光等媒介的出现，简单的存储设备已经难以满足当前家庭对数字资源存储与访问的需求，企业的海量应用数据同样也需要具备容量可扩展、可异地访问的存储设备，需建立可灵活扩展的虚拟存储体系。目前，可用的虚拟存储体系主要有基于主机的虚拟存储、基于存储设备的虚拟存储以及基于网络的虚拟存储[9]，从实际应用的方便性考虑，本文采用基于路由器的虚拟存储设计来实现系统虚拟存储体系的构建，如图4所示。

通过硬盘阵列托架，实现对系统硬盘阵列的统一管理，目前硬盘接口一般为SATA接口，对于IDE接口等硬盘，可以通过相应的接口转换设备加装到硬盘托架，共同构成系统的物理存储阵列。将硬盘托架以USB接口的方式连接于路由器，再在路由器上通过固件实现虚拟化存储，手机、计算机等设备则可基于有线/无线网络以透明方式实现对存储资源的访问。

图4 虚拟存储体系

3.3 系统存储体系

对多媒体设备的控制目前大多为红外遥控的方式，为实现通过无线网络控制多媒体设备的功能，需要通过具有红外学习功能的红外控制器，来实现对多媒体设备控制，其控制时序如图5所示，具体控制可分为学习、设备注册与用户编程、远程控制等3个过程。

图5 远程控制流程

1）学习过程：设备遥控器向设备发送红外控制信号，红外控制器接收、并存储波形信号的过程，通过多次操作，可将主要多媒体设备的控制信号记录并存储，为实现统一控制奠定基础。

2）设备注册与用户编程过程：通过下载控制端到计算机或手机等设备，通过无线网络，获得同一局域网内红外控制器的控制权，并通过用户界面，编程实现多个设备的一键组合控制。

3）用户远程控制过程：用户通过网络（Internet或局域网络），连接室内路由器设备，并发送控制信号，由路由器根据控制设备类型，选择以向设备发送无线控制信号或通过红外控制器转发红外控制信号，实现对多媒体设备的远程控制。

4 小结

通过基于云架构的企业/家庭多媒体集成系统设计，将多媒体技术、云计算技术、物联网技术相结合，依托基础网络，实现企业/家庭数字设备的一体化互联与智能控制，既可以实现对企业/家庭设备的集成与控制，又推动了B2C应用、家庭办公等应用的普及与发展。但在系统中，对系统中设备状态的监控以及因网络的应用而导致的系统安全仍然是亟带解决的难点，可考虑通过远程监控系统、通信绑定等技术手段进一步研究解决。

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[1]田玉静.浅议数字家庭[J].电视技术，2007，31（8）：54-55.

[2]李玲，翟剑飞.B2C电子商务网站的设计与实现[J].计算机与数字工程，2005，33（12）：113-115.

[3]王慨.利用远程桌面实现家庭办公[J].南通职业大学学报，2003，17（3）：55-57.

[4]方侠海.基于三网融合的数字家庭媒体中心设计[J].电视技术，2011，35（4）：4-6.

[5]李伯虎，张霖，任磊，等.云计算典型特征、关键技术与应用[J].计算机集成制造系统，2012，18（7）：1345-1356.

[6]王丁.联想家庭云中心[J].个人电脑，2012（12）：20-21.

[7]LATHAM A.Jphide&Seek[CP/DK].[2014-03-01].http：//linux01.gwdg.de/～alatham/stego.html.

[8]陈岭，许晓龙，杨清，等.基于三次样条插值的无线信号强度衰减模型[J].浙江大学学报：工学版，2011，45（9）：1521-1527.

[9]付云生，王开云.虚拟存储技术的研究与比较[J].计算机科学，2011，38（10A）：202-203.