CN1720737A - 准视频点播流的过滤 - Google Patents

Abstract

用于使用准视频点播广播协议广播至少一个主题的广播系统100包括多个广播接收机150。数据分发器的分级结构网络从中央分发器110出发经过至少一层中间分发器120、130、140到广播接收机，用于将主题广播为数据块序列。至少一个过滤控制器180从广播接收机接收对于主题的供应的请求，以及控制至少一个中间分发器来滤除没有被在分级结构上低于该中间分发器的接收机请求的主题的数据块。

Description

准视频点播流的过滤

发明领域

本发明涉及一种使用准视频点播(near-video-on-demand)广播协议来广播至少一个主题的广播系统，其中该系统包括多个广播接收机和从中央分发器开始经过至少一层中间分发器到广播接收机的数据分发器的分级结构网络。本发明也涉及一种广播数据流的方法。本发明还涉及在这样的系统中使用的广播接收机、分发器和过滤控制器。

发明背景

用于把数据流广播到多个广播接收机的诸如有线网络之类的传统广播系统使用数据分发器的分级结构网络。网络顶层由一个中央头端形成，设备的底层由家用广播接收机形成。例如，旨在把音频/视频广播到总共200,000个家庭的系统可以使用七层设备的分级结构。在顶层，主头端可以把数据提供给五个城市头端，每个城市头端覆盖不相连的城市区域。这些区域的每个可被再划分成五个集线器(hub)，其具有在城市头端与集线器之间的直接链路。每个集线器可被直接连接到二十个光纤节点，从每个节点又发出四个同轴电缆。每个同轴电缆连接多达一百个家庭。

典型地，同轴电缆具有约每秒1吉比特的下行流(即向着广播接收机的方向)的容量。这个容量的一些被保留用于传统的广播频道，如最受欢迎的电视台。这样的频道在原则上可以由所有的广播接收机接收(即它经由所有的同轴电缆被发送)，尽管实际的接收可能取决于付费。小部分带宽往往被保留用于从广播接收机向上通过网络到感兴趣的一方的上行通信。通常，这种上行通信是使用宽带有线调制解调器到因特网。它也可以是到用于交互应用的业务供应商。利用剩余的带宽，在大部分接收机可以同时接收其供应基本上紧接在用户表示他希望接收该主题之后就开始的主题(例如电影)的场合下，即使提供有效的视频点播业务是可行的，也是困难的。为了克服这一点，已经开发了所谓的准视频点播广播分发协议，其中使用一组多个广播频道来重复广播主题。高度有效的协议是在J.-F.Pris，“A fixed-delay broadcasting protocol forvideo-on-demand(用于视频点播的固定延时广播协议)”，Proceedings ofthe 10^th International Conference on Computer Communications andNetworks，pp.418-423中描述的宝塔(Pagoda)式广播协议。在这个协议中，在例如一分钟的初始延时后，广播接收机可以通过从多个频道检索数据块来实时呈现主题，其中协议规定块在哪个频道被发送和在频道上块的发送顺序。典型地，接收机需要打开频道组的一小部分(例如两个频道)以避免数据下溢。第一频道的重复率是最高的，导致相对较低的初始延时。最后的频道的重复率是最低的(这个频道可用来发送大多数不同的块)。为了支持大量准视频点播电影(例如1000个电影)的同时发送，广播系统需要高的带宽。对于在主头端与光纤节点之间的级别，这可以使用适当的专用链路而容易地实现，例如使用基于光纤的分布。特别是，在最低级别处，使用诸如同轴电缆—之类的共享介质是最经济的。共享介质的带宽对于广播相对较大量的准视频点播主题来说是不够的。这阻碍这样的系统的引入。

发明概要

本发明的目的是提供一种可以支持更多主题的广播的准视频点播系统和在这样的系统中使用的设备。

为了实现本发明的目的，用于通过使用准视频点播广播协议来广播至少一个主题的广播系统包括：多个广播接收机；从中央分发器出发经过至少一层中间分发器到广播接收机的数据分发器的分级结构网络，用于将主题以数据块序列的形式来广播；以及至少一个过滤控制器，用来从广播接收机接收对于主题的供应的请求，以及用于控制至少一个中间分发器来滤出没有被在分级结构上低于中间分发器的接收机请求的主题的数据块。通过滤除没有被要求的块，在低于中间分发器的网络处容量被释放。这个容量可被中央分发器使用来广播更多的主题。过滤控制器监视哪些主题是由较低的网络分段所需要的，并从而控制过滤。

正如由从属权利要求2的范围描述的，主题的数据块通过使用在按照准视频点播调度表的频道内的顺序时隙经由多个频道被广播，该调度表对主题的每个数据块相对于用来广播主题的第一数据块的时隙规定用于广播数据块的一个时隙和频道；被分配给频道的数据块在频道内被重复地广播；过滤控制器用来：存储关于在结构上低于请求主题的中间分发器的所有接收机(此后称为”感兴趣的接收机”)的信息，以使得过滤控制器能够对于每个频道确定至少一个感兴趣的接收机是否需要接收被分配给该频道的数据块；以及如果没有感兴趣的接收机需要接收被分配给该频道的数据块，则控制中间分发器滤除该频道。过滤控制器存储关于感兴趣的接收机的信息，例如在其上它开始接收主题的时隙和/或当前的时隙和/或接收的数据块。这样的信息使得过滤控制器能够确定频道是否需要被广播(如果至少一个感兴趣的接收机仍旧在分流(tap)一个频道，则该频道需要被广播)。如果没有感兴趣的接收机分流一个频道，则整个频道可被滤除并用于其它用途，例如用于广播另一个准视频点播主题。

正如由从属权利要求3的范围描述的，准视频点播调度表规定：主题的数据块经由广播系统的c个并行的相等容量的频道被广播，其中每个广播频道与各个顺序频道号相联系；主题被划分成多个连续的数据块序列；每个块序列按照频道号顺序被分配给一个相应的频道；每个频道重复广播所分配的块序列；广播接收机具有同时接收多个r(1＜r≤c)频道的容量；广播接收机对主题的接收，是通过开始接收在顺序上最低的r个频道和每次响应于接收到频道i的块序列的所有块而终止对频道i的接收并开始对频道r+i的接收，直至所有的块序列被接收为止。这样的宝塔式广播调度表使得过滤控制器能够纯粹根据由接收机使用的第一时隙而只对每个频道确定在下一个时隙中是否需要数据块。这样，过滤控制器只需要知道接收的开始点，并且不需要来自能够控制频道级别上的过滤的接收机的连续信息流。

正如由从属权利要求4的范围描述的，宝塔式广播调度表使得过滤控制器甚至在一个子频道级别上也能够过滤，在此，频道被划分成时分复用的子频道。

类似地，正如由从属权利要求5的范围描述的，宝塔式广播调度表使得过滤控制器甚至在数据块级别上也能够过滤。

正如由从属权利要求6的范围描述的，频道被时分复用。通过时分复用频道，频道的重用被简化。实际上，滤除频道、子频道或各个数据块都导致释放可重用于其他目的的一个或多个时隙。

正如由从属权利要求7的范围描述的，中间分发器用来提取经由要被至少一个感兴趣的接收机接收的r个频道广播的数据块，并经由预定的频道把提取的数据块发送到感兴趣的接收机。特别是，如果主题没有被许多接收机通过使用不同的时隙而接收，则这是把N个频道减小到仅仅r个频道的有效的方法。用于主题的所有剩余的N-r个频道可被滤除。

正如由从属权利要求8的范围描述的，中间分发器包括过滤控制器。这简化两方之间的交互。

正如由从属权利要求9的范围描述的，至少一个广播接收机用来经由广播系统的上行频道与过滤控制器通信。使用上行频道是与过滤控制器通信的有效方法。特别是，如果过滤控制器与中间分发器组合，则上行通信可以被过滤控制器简单地截取，而广播接收机不需要网络拓扑和/或分发器的位置和/或过滤控制器的任何知识。

参照此后描述的实施例，本发明的这些和其它方面是显而易见，并将被阐明。

附图简述

在附图中：

图1示出其中可以采用本发明的示例性分级结构广播网络；

图2示出按照本发明的广播系统的框图；

图3A和3B说明宝塔式NVoD协议；

图4说明在宝塔式协议中添加一个频道；

图5说明由接收机实际读出的块；

图6示出对于一个电影所使用频道的预期数目；

图7示出描述最小传输方案的状态的马尔可夫链；

图8示出对于一个电影所需的频道的预期数目的下限；

图9示出根据最佳块周期和选择的传输而对于一个电影所需的频道的预期数目的第二界限；

图10比较图6、8和9的曲线图；以及

图11示出两个选择传输调度表与下限之间的比值。

优选实施例详细说明

图2示出按照本发明的广播系统的框图。广播系统100包括数据分发器的分级结构网络。网络顶层由中央分发器110形成。该系统包括至少一层中间分发器。为了简化该图起见，只示出一个用于下行广播的中间层，其具有三个中间分发器120、130和140，每个中间分发器覆盖不连接的地理区域。图1示出用于200,000个连接的家庭的城市的典型分级结构网络，其具有三个中间下行层(城市头端、集线器、光纤节点)。在该例中，四个同轴段被连接到每个光纤节点。图2也表示下行路径160，它在中央分发器110处开始，经过中间分发器120、130和140，并在该系统的多个广播接收机处结束。传统上，分发器分割指向在分层结构上低一层的接收机/分发器的广播信号。为了简化起见，只示出一个广播接收机150。典型地，路径被划分成多个频道，每个可被再分成子频道。在最低级别上，通常同轴段用来形成到广播接收机的共享介质。在同轴电缆中，频道通常被频分复用。在这样的频道内的子频道可以被时分复用。在较高的级别上，典型地使用光纤。在这样的介质上，频道也可以被时分复用。可以使用任何适当的传输技术，例如各种类型的介质与多路复用技术。广播系统被描述为通过使用准视频点播(NvoD)协议广播数字数据流经过网络到多个广播接收机。数据流可以利用诸如MPEG2视频编码之类的任何适当的技术被编码。广播数据不是寻址到特定的接收机，而是原则上可以由分级结构网络的所有段中所有的接收机接收。接入数据可能要付费。在按照本发明的广播系统中，也可以利用适当的条件接入机制来控制接入。对于该系统的每个设备，图2示意地示出对于发送/接收广播数据和执行所有必须的处理所必需的各个硬件/软件功能112、122、132、142和152。这样的HW/SW本身是已知的，并且可用于按照本发明的系统。HW/SW可以由通过使用诸如信号处理器之类的适当的处理器控制的适当的收发信机(例如光纤收发信机和/或有线调制解调器)形成。也可以使用专用硬件，例如MPEG编码器/译码器、缓冲器等等。

传统上，所有的数据流由中央分发器110引入，并由每个中间层未修改地复制到网络的最低部分(即信号被分割)。为了引入，中央分发器可以具有存储装置115，用于存储多个主题，例如电影。它还可以具有连接160，用于例如通过卫星连接接收实况广播。存储装置可以在例如基于RAID系统的适当的服务器平台上被实施。接收机也可接入到存储装置155。这个存储装置也可由硬盘或诸如闪存的RAM之类的固态存储器形成。存储装置用于在呈现主题之前(临时或永久)存储经由下行频道接收的整个主题或主题的一部分。图2也示出指向中央分发器的网络的上行频道170。原则上，上行频道可以在中间级别处开始向上发送。优选地，上行频道已经存在于最低的级别上，还允许传送到广播系统的外面(例如经由中央分发器传送到因特网或中间分发器向外传送)。

过滤

为了支持大量准视频点播电影(例如1000个电影)的同时传输，广播系统需要高的带宽。对于在主头端与光纤节点之间的级别，这可以使用适当的专用链路而容易地达到，例如使用基于光纤的分布。特别是，在最低级别处，使用诸如同轴电缆之类的共享介质是最经济的。通过按照本发明例如在光纤节点处选择性地过滤数据并只传送对于其存在至少一个感兴趣的接收机的数据，带宽可以足够用于同时分发相对较大量的电影。应当指出，在网络的较高的级别，也可以作出选择，例如集线器只需要转发将由它的子树上的任何用户使用的电影的块；而不必转发其它部分。

为了能够进行过滤，该系统包括至少一个过滤控制器，用来控制至少一个中间分发器来滤除没有被在分级结构上低于中间分发器的接收机请求的主题的数据块。图2示出一个中央过滤控制器180。优选地，该系统包括多个过滤控制器，其中有利的是每个过滤控制器控制一个中间分发器并可以与它相组合。为了使过滤控制器能够确定是否有接收机需要主题的某些数据块，它直接或间接从广播接收机接收对于主题供应的请求。优选地，它经由网络的上行频道直接从接收机接收这个信息。根据所使用的NVoD协议，对于过滤控制器知道作为由控制器控制的网络段的一部分的每个接收机接收的开始(例如第一块的时隙)可能是足够的。例如，这是诸如宝塔式之类的固定延时NVoD广播调度表的情形。这样的调度表对于主题的每个数据块规定相对于用于广播主题的第一数据块的时隙的、用于广播数据块的时隙和频道(和/或频道内的子频道)。对于其它调度表，可能需要过滤控制器更定期地对于接收机所需要的块进行更新。过滤控制器存储有关在分级结构上低于已请求主题的中间分发器的所有接收机(此后称为“感兴趣的接收机”)的信息，以便能够对于每个频道确定至少一个感兴趣的接收机是否需要在每个时间点接收分配给频道的数据块。对于所描述的固定延时调度表，过滤控制器只需要存储由接收机使用的第一数据块的时隙。由于这些调度表规定整个块传输调度表，原则上，诸如当前使用的块之类的其它信息足以确定在下一个时隙中接收机是否需要数据块，以及如果需要的话确定经由哪个频道/子频道。过滤可以以几种方式进行，例如，可以停止经由一个频道对于一个或多个块的广播或可以停止经由一个子频道对于一个或多个块的广播。可以对每个单独的时隙或只对例如相应于通过频道或子频道重复广播的主题的块序列的时隙序列进行过滤。过滤控制器可以指示中间分发器对于每个时隙是否传送从中央分发器接收的数据块。将会看到，通过滤除块(的序列)而节省的带宽可以被重新使用。如果系统中的频道被时分复用，则重新使用可以特别简单。对于这样的系统，典型地没有被使用的时隙可用于其它用途，例如用于其它等时(isochronous)频道(广播、多播或直接寻址)或用于非同步的数据。对于使用频分复用频道的系统，过滤控制器可以指示中间分发器如何把(过于多的)输入频道映射到较少的输出频道。为了过滤小的序列(或甚至单独的块)，过滤控制器可能需要通知广播接收机(例如经由直接寻址消息)它可以在哪个频率上接收该频道。特别是对于固定延时调度表，过滤控制器可以定期地计算从频道到频率的这种映射。它甚至可以广播这样的调度表给接收机。

在优选实施例中，中间分发器可以根据被广播给分发器的流来构成用于一个或多个接收机的频道。如果在该时刻只有相对较少的接收机对于主题感兴趣和/或它们正在观看几乎相同的序列，则这是特别有效的。为此，分发器从专用于该主题的频道组中提取接收机所需要的主题的数据块，并利用较少的频道把它们重新广播到接收机。在下面对于宝塔调度表给出的例子中，这涉及从分配给该主题的c个频道提取块以及只使用r个频道重新广播块。

参考宝塔式NVoD广播协议将描述按照本发明的过滤。本领域技术人员将能够把相同的原理也应用到其它调度表。

固定延时的宝塔式广播

优选地，固定延时的宝塔式广播协议用作用于广播主题的数据块的准视频点播协议。这个协议是渐近最佳的，并且它可以容易地适配于有限的客户I/O带宽。图3A给出这个的小例子。图3B示出对于任意时刻的请求如何进行检索。在图3的例子中，至多两个频道同时被分流，以及所有的块及时到达。在这个NVoD方案中的关键是，频道i在频道i-2的分流完成后开始被分流，由此把要被分流的频道数限制为2。这意味着，例如对于频道4，接收机在它开始分流该频道之前必须等待两个时间单位。由于块7必须在请求后的7个时间单位内被接收，这意味着只留下5个时间单位以接收它，因此它必须以周期至多为5而不是为7被发送。它实际上以周期为4被发送。以上的广播方案的总体结构将对可被接收的给定的数目c个服务器频道和给定的数目r个客户频道进行描述。而且，偏移o被看作为意味着，在播放之前用户将总是等待附加的o个时间单位。频道i中(分流的)分段的开始由s_i表示，以及由e_i表示末端。然后，为了不超过用户可接收的频道的最大数目r，在频道i-r中的分流结束后开始在频道i＝r+1，…，c中的分流。因此，

接着，在频道i发送数据块l_i，…，h_i。在频道i中发送的不同块的数目因此由n_i＝h_i-l_i+1给出，以及

为了及时接收每个块，块k要在时间单位o+k中或之前被发送。如果块k要在时间单位s_i开始被接收的频道i中被发送，则这意味着块k应当以至多o+k-(s_i-1)的周期被广播。理想地，这个周期对于每个块k刚好满足，但达到足够接近是足够的。

在宝塔方案中频道i的结构为如下。首先，频道i被划分成由下式给出的数目d_i个子频道：

$d_i=\left[\sqrt{o+l_i-(s_i-1)}\right]---\left(1\right)$

即块l_i的最佳周期的平方根舍入到最接近的整数。这些子频道的每个以循环方式得到发送块的时间单位的1/d_i。换句话说，在时间单位t中，子频道t模d_i可以发送一个数据块，其中我们把子频道编号为0，1，…，d_i-1。

现在如果在频道i的一个子频道内给予块k一个周期p_k，则块k以p_kd_i的周期在频道i上被广播。因此，为了得到p_kd_i≤o+k-(s_i-1)，这意味着，

$p_k\≤\left[\frac{o+k-(s_i-1)}{d_i}\right]$

通过对于在每个子频道内所有的块取相等的周期，可以轻微地避免冲突。所以，如果l_ij是频道i的子频道j中最低的块数，则这意味着对于频道i的子频道j内所有的块选择以下的周期，

因此，我们可以在这个子频道发送n_ij＝p_ij个块(块l_ij，…，l_ij+n_ij-1)。块号由下式给出：

在频道i中发送的块的总数n_i然后由下式给出：

$n_i=\underset{j=0}{\overset{d_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{ij}}$

通过它我们可计算h_i＝l_i+n_i-1。

最后，频道内分段的开始和结束的时刻被再检查。频道i的所有的子频道在时间s_i开始发送。频道i的子频道j在n_ij个块后准备好，它花费频道i内d_in_IJ个时间单位。因此，子频道j中分段的末端由e_ij＝s_i-1+d_in_ij给出，以及当频道i的最后的子频道在e_i时间结束时频道i结束：

$e_i=e_{i,d_i-1}=s_i-1+d_i{n}_{i,d_i-1}$

为了示例性说明上述，图4说明把第五频道加到图3的例子上。对于第五频道，以下公式成立：l₅＝12，s₅＝e₃+1＝6，以及偏移o＝0。子频道数目是d₅＝[√(0+12-5)]＝3。对于子频道j＝0，这给出l_5，0＝12，因此我们可以在这个子频道中发送

个块，即块12和13。对于子频道j＝l，这给出l_5，1＝14，因此我们可以在这个子频道中发送

个块，即块14、15和16。对于子频道j＝2，这给出l_5，2＝17，因此我们可以在这个子频道中发送 个块，即块17、18、19和20。子频道中分段的末端由e_5，0＝5+3*2＝11、e_5，1＝5+3*3＝14和e_5，2＝5+3*4＝17给出，因此e₅＝17。

h_i的数值，即一个电影可被分割成的块的数目在对于偏移零和对于不同的r值的表1中给出。级数收敛到分别为对于r＝2，3，4和∞的以约1.75，2.42，2.62和e≈2.72的为底的幂级数。

	r＝2	r＝3	r=4	r＝∞
					i＝1	1	1	1	1
i＝2	3	3	3	3
					i＝3	6	8	8	8
i＝4	11	17	20	20
					i＝5	20	39	47	50
i＝6	38	86	113	124
					i＝7	68	198	276	316
i＝8	122	467	692	822
					i＝9	221	1102	1770	2176
i＝10	397	2632	4547	5818
					i＝11	708	6308	11800	15646
i＝12	1244	15192	30748	42259
					i＝13	2195	36672	80273	114420
i＝14	3862	88710	210027	310284
					i＝15	6757	214792	549998	842209

                     表1

最后的列相应于对于客户频道的数目没有限制。使用上述的h_c值，当使用c个频道时，最大等待时间由电影长度的1/h_c给出。如果使用正的偏移o，则对于最大等待时间的一般公式是电影长度的(o+1)/h_c。

在以前的分段中，频道i的子频道的数目d_i是固定的，由公式(1)给出。应当指出，不同的数值也可用来根据电影可被分割成的块的数目而得到更好的解。为此，可以通过每个频道i利用围绕在(1)中给出的目标值的多个不同的数值、计算可以适于频道i的最后得到的块的数目、以及取其频道i可包含最高数目的块的子频道的数目而施加一阶最佳化。应当指出，这是按各个频道完成的，即没有反向跟踪以前的频道，以避免用于直接实施方案的指数运行时间。这可导致次最佳解决方案，因为选择频道i的不同数目的子频道以得到其中较高数目的块会导致加大结束时间e_i，由此加大频道i+r的开始时间s_i+r，这又会减小适于这个频道的块的数目。无论如何，这个一阶最佳化给出良好的结果，如表2所示。h_i的新的数值是对于偏移零和对于不同的r数值给出的。虽然数目大于以前的表中的数目，但幂级数的底是与表1的底相同的。

	r＝2	r＝3	r＝4	r＝∞
					i＝1	1	1	1	1
i＝2	3	3	3	3
					i＝3	6	8	8	8
i＝4	11	18     (+1)	20	20
					i＝5	21    (+1)	41     (+2)	47	50
i＝6	42    (+4)	94     (+8)	115    (+2)	127    (+3)
					i＝7	81    (+13)	218    (+20)	287    (+11)	328    (+12)
i＝8	148   (+26)	510    (+43)	728    (+36)	859    (+37)
					i＝9	269   (+48)	1213   (+111)	1868   (+98)	2283   (+107)
i＝10	478   (+81)	2908   (+276)	4831   (+284)	6112   (+294)
					i＝11	841   (+133)	6993   (+685)	12543  (+743)	16459  (+813)
i＝12	1487  (+243)	16869  (+1677)	32685  (+1937)	44484  (+2225)
					i＝13	2627  (+432)	40749  (+4077)	85391  (+5118)	120485 (+6065)
i＝14	4617  (+755)	98625  (+9915)	223390  +13363)	326795 +16511)
					i＝15	8058  (+1301)	238841 (+24049)	584993 (+34995)	887124 (+44915)

                                 表2

在其余部分，将使用用于传统的宝塔式协议的表1的数值。

在至今为止的说明中已经假设主题具有恒定的比特速率(CBR)。然而，传输方案可以容易地适于应付可变比特速率(VBR)的流。由o+k对CBR流给出的块k必须到达的时间然后由函数o+t(k)给出。这里，t(k)是递增函数，它描述及时播出流的方式。关于传输方案的影响为如下。如果块k在频道i中在时间s_i开始被发送，则它必须以至多o+t(k)-(s_i-1)的周期被广播。因此，如在公式(1)中给出的子频道数目的目标值现在成为

在频道i的子频道j中的块的数目，即在这个子频道内使用的周期然后由下式给出：

计算的其余部分保持相同。

网络假设

在其余部分给出对于如图1所示的分级结构网络的例子。假设主要的瓶颈是由从家庭到光纤节点的上行和下行链路的容量造成的。在本例中，假设从光纤节点到家庭的下行链路的容量是20Mb/s。假设5Mb/s的视频传输速率，则这意味着每个家庭可以下行4个视频频道。而且假设希望具有1000个电影的集合，每个电影持续6000秒(100分钟)。电影的大小因此是30Gb或3.75GB。针对约一秒的最大响应时间和分流的r＝3个频道的限制，表1表示应当使用11个传输频道，其中一个电影可以被分割成6308个块，以及实际的最大响应时间是6000/6308≈0.95s。生成全部1000个电影的11个传输频道将使用55Gb/s。将会看到，这极大地超过网络的最低级别的容量，其中最低级别的容量约为1.5Gb/s。

按照本发明的过滤

传统的宝塔式NVoD广播方案或其它类似的NVoD方案的缺点在于，所有的主题被全部地连续广播，占用许多带宽。这对于流行的电影可能不是主要问题，因为许多接收机在接收该主题，但对于不流行的主题可能是重大的带宽浪费。在已知的系统中，不流行的电影得到与流行的电影分配的相同的带宽量。按照本发明，通过不发送对服务于用户请求所不需要的块来减小使用的频道数目。图5说明对于由箭头表示的三个初始的用户请求使用宝塔式调度表由接收机实际读出的块。这些块以灰色表示。所有其它的块被广播但不消耗浪费的带宽。可以看到，在像宝塔那样的调度表中，接收机只在接收机特定的开始和结束时间之间分流频道。被分配给该频道的块序列的所有其它重复不被那个接收机接收(但可能被其它接收机接收)。相同的观察应用到子频道级别，即每个子频道只需要在用于该子频道的接收机的特定的开始和结束时间之间被接收机分流。因此，数据块只需要在它处在对于某个请求(即至少一个接收机需要经由块/子频道或频道发送的序列或序列的块)的读时间间隔内才被发送。如果没有这样的请求，则不需要发送块，并且带宽可用于其它用途。结果，同时使用的频道的平均数目可以大大低于最糟糕情形的数目11,000。所以，如果在时间t出现请求，则频道i的子频道j应当从时间单位t+s_i开始是工作的，直至时间单位t+e_ij为止，即在时间单位x是工作的，其中t+s_i≤x≤t+e_ij。用相反方式，如果在时间单位x轮到子频道j，则它在且只在时间t时有请求才发送块，其中x-e_ij≤ t≤x-s_i。

任何用户在时间单位对于电影f的请求的概率被表示为p_f。如果在某个时间单位轮到频道i的子频道j，则需要发送块的概率由下式给出：

$p_{\mathrm{fij}}=1-{(1-p_f)}^{e_{\mathrm{ij}}-s_i+1}=1-{(1-p_f)}^{d_i{n}_{\mathrm{ij}}},$

假设在不同时间单位中的请求是独立的。对于图5的例子，这给出：

                     p_f，3，0＝1-(1-p_f)²

                     P_f，3，1＝1-(1-p_f)⁴，

因为d₃＝2，n_3，0＝1和n_3，1＝2，其分别相应于在两个时间单位和四个时间单位的时间间隔中到达的概率。电影f的频道i必须发送的预期的块的部分因此被给出为：

$E_{\mathrm{fi}}=\underset{j=0}{\overset{d_i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{\mathrm{fij}}}{d_i},$

以及必须发送用于电影f的块的频道的预期总数被给出为：

$E_f=\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{fi}}.$

现在，假设泊松到达过程具有参数λ，则在一个时间单位中的到达概率被给出为：

                    p_f＝1-e^-λu，

其中u是时间单位的长度。图6在对数标度上对每小时10^x个接收机的不同到达速率(x被水平地显示)垂直地显示对于一个电影所使用的频道的预期数目。

假设1000个电影，其中31、115、200、285和369个电影分别具有0.01、0.0316、0.001、0.00316和0.0001的被选择的概率，并且我们假设每6,000秒200,000个请求的到达速率，则所使用的频道的预期总数约为5,533，与11,000形成对比。如果到达速率被减小10倍，例如由于不是所有的用户都将观看一个电影，则数目甚至进一步降低到2,858。

在理想的情形下，相对于所使用频道的平均数，块k的新的传输被安排为尽可能迟。应当指出，虽然这种安排给出所使用的频道的最低的平均数目，但它没有限制所使用的频道的最大数目，这使得不太适合于实际的应用。所以，它只用于得到所使用频道的数目的下限。这意味着，如果新的请求在时间单位t到达，则块k被安排为在时间单位t+o+k发送，在该时间单位需要播出。这样，在时间单位t+1，…，t+o+k-1到达的所有请求可以分流块k的这个传输，即所考虑的块k的发送可再用于尽可能多的其它请求。只有在新的请求在时间单位t+o+k或更迟的时间到达时，才安排块k的新的发送。现在确定块k被发送的时间部分，再次假设λ的泊松到达速率和长度u的时间单位。正如以前推导的，一个请求在一个时间单位内到达的概率于是等于：

                       p＝1-e^-λu.

以上的过程可以借助于马尔可夫链被建模，如图7所示。在这个链中，状态0被规定为系统正在等待新的请求时。当请求到达时，计数从1到o+k，因此引入状态1，…，o+k。如果系统处在状态0，则当请求到达时计数开始，该到达以概率p发生。如果这个事件发生，则转移到状态1，否则系统保持在状态0。

如果系统处在状态s＝1，…，o+k-1，则计数继续进行，因此下一个状态是具有概率1的状态s+1。如果系统处在最后的状态o+k，则进行发送。如果在这个同一时间单位中新的请求到达，它再次以概率p发生，则重新开始计数，即系统再次转到状态1。否则，它转到等待状态0。

系统平衡地处在状态s的概率被表示为p_s。查看该链，可以看到，每当时间状态1到达时，状态2，…，o+k也将到达，因此有以下公式成立：

                   p₁＝p₂＝...＝p_o+k

接着，考虑从状态0和到状态0的转移，这给出：

                   p₀*p＝p_o+k*(1-p)，

因此，

$p_0=\frac{1-p}{p}{p}_{o+k}=(\frac{1}{p}-1)p_{o+k}.$

概率的总和必须是1，所以，

$p_{o+k}(\frac{1}{p}-1+o+k)=1,$

这给出：

$p_{o+k}={(\frac{1}{p}-1+o+k)}^{-1}.$

这是块k被发送的时间的一部分，因此，如果电影包含n个块，则所使用频道的平均数目被给出为：

$\underset{k=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{1}{p}-1+o+k)}^{-1}$

把时间单位的尺寸u选择为非常小，并假设电影的最大等待时间w和长度l，于是我们具有o≈w/u、n≈l/u以及p＝1-e^-λu，这给出由下式给出的所使用频道的平均数目：

$\underset{k=1}{\overset{l/u}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{1}{1-e^{-\mathrm{\λu}}}-1+w/u+k)}^{-1},$

对于足够小的u，这可被近似为：

${\∫}_0^{l/u}{(\frac{1}{1-e^{-\mathrm{\λu}}}-1+w/u+x)}^{-1}\mathrm{dx}.$

因为 ${\∫}_0^b{(a+x)}^{-1}\mathrm{dx}=\ln ((a+b)/a),$ 这可被重写为：

$\ln \left(\frac{\frac{1}{1-e^{-\mathrm{\λu}}}-1+w/u+l/u}{\frac{1}{1-e^{-\mathrm{\λu}}}-1+w/u}\right)=\ln \left(\frac{u+(w+l)(e^{\mathrm{\λu}}-1)}{u+w(e^{\mathrm{\λu}}-1)}\right).$

如果u↓0，则这收敛到：

$\ln \left(\frac{1+\mathrm{\λ}(w+1)}{1+\mathrm{\λw}}\right).$

图8对每小时10^x个客户的到达速率(x被水平地显示)(垂直地)显示对于相同的最大响应时间w＝0.95s和相同的电影长度1＝6000s所使用的频道的平均数目的下限。

在上述的实施例中，在不但关于块是否被发送的判定取决于是否出现请求、而且安排(尽可能迟地)发送的时间单位也取决于是否出现请求的意义上该发送调度表是具有最大自适应性的。在替换实施例中，块的调度表是固定的，并且只作出是否发送块的决定。对于固定的发送调度表，决k每o+k个时间间隔最佳地发送一次。如果然后在时间单位t中出现请求，则正好有一个可被及时接收的块k的发送被安排。要跳过块k的发送并一直等到下一个发送是不可能的，因为这下一个发送是在o+k时间单位以后，因此这将会太迟而不能播放。块k是否应当在它的预先安排的时间单位中被发送，现在只取决于在过去的o+k时间单位期间是否出现请求，这以以下概率发生：

                       1-e^-λu(o+k)，

因此，所使用频道的平均数目被给出为：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1-e^{-\mathrm{\λu}(o+k)}}{o+k},$

再次地，把时间单位的尺寸u选择为非常小，并假设电影的最大等待时间w和长度l，我们具有o≈w/u以及n≈l/u，这给出平均数目：

$\underset{k=1}{\overset{l/u}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1-e^{-\mathrm{\λ}(w+\mathrm{uk})}}{(w+\mathrm{uk})/u},$

对于足够小的u，这可再次被近似为：

${\∫}_0^{l/u}\frac{1-e^{-\mathrm{\λ}(w+\mathrm{ux})}}{(w+\mathrm{ux})/u}\mathrm{dx},$

通过使用y＝w+ux，上式等于：

${\∫}_w^{w+l}\frac{1-e^{-\mathrm{\λy}}}{y}\mathrm{dy}.$

应当指出，在这个公式中对于u的依赖消失了。由替换实施例得到的结果被显示于图9。这个图对每小时10^x个客户的到达速率(x被水平地显示)(垂直地)显示对于相同的最大响应时间w＝0.95s和相同的电影长度l＝6000s所使用频道的平均数目的第二界限。

图10结合图6、8和9的所使用频道的平均数目的曲线图。顶部的线相应于所使用的选择宝塔式方案，底部的线相应于由完全自适应方案给出的下限，以及中间的线相应于具有最佳周期的选择发送。图11示出在顶部的线与下限之间的比值以及在中间的线与下限之间的比值。正如可以看到的，选择的宝塔式方案总是在离下限的32％内。在两条线之间的差值表示通过选择较好的NVoD调度表可以获益的部分。为了得到在第二条线以下，发送的时刻也必须成为自适应的。

在文献中已经提出了几种降低对于非流行电影的带宽需要的方法。一种方法是只对于电影的后面部分使用广播，并对于每个用户单独地或多或少发送根据请求的电影的第一(小的)部分。这个方法的缺点是流行的电影比起使用全部广播的方法来需要更多的带宽。为了克服这一缺点，应当知道电影的流行性，并选择第一点播部分与后面广播部分之间的适当的平衡。另一种方法是动态调度块发送。根据请求，检查哪些块尚待到来，并把丢失的块动态地插入到调度表中。这个方法的缺点是使用试探法来调度块，这比起最佳离线广播方案实行起来更糟糕。按照本发明的调度表的好处是可以使用(渐近)最佳离线广播方案，并且只需要在线确定是否应当广播块。这样，所需要的带宽自动适应于电影的流行性，并对整个流行性范围得到(接近)最佳解决方案。

应当指出，上述的实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求书的范围的条件下设计许多替换实施例。在权利要求书中，被放置在括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。词“包括”和“包含”不排除与权利要求中列出的那些不同的其它单元或步骤的存在。本发明可以借助于包括几个不同单元的硬件和借助于适当编程的计算机来实施。在枚举几个装置的系统权利要求中，这些装置中的若干可以由同一个硬件项来体现。计算机程序产品可被存储/分布在适当的介质上，例如光存储装置，但也可以以其它形式被分发，例如经由广播系统的网络、因特网或无线电信系统被分发。

Claims (13)

1.一种通过使用准视频点播广播协议来广播至少一个主题的广播系统；该系统包括：

多个广播接收机；

数据分发器的分级结构网络，它从中央分发器出发经过至少一层中间分发器到广播接收机以用于将该主题以数据块序列的形式来广播；

至少一个过滤控制器，用来从广播接收机接收对于主题的供应的请求，以及用于控制至少一个中间分发器来滤除没有被在分级结构上低于中间分发器的接收机请求的主题的数据块。

2.如权利要求1中要求的广播系统，其中该主题的数据块使用在按照准视频点播调度表的频道内的顺序时隙经由多个频道被广播，对于主题的每个数据块，该调度表相对于用来广播主题的第一数据块的时隙规定用于广播该数据块的一个时隙和频道；被分配给一个频道的数据块在该频道内被重复地广播；该过滤控制器用来：

存储关于在分级结构上低于已请求该主题的中间分发器的所有接收机(此后称为”感兴趣的接收机”)的信息，以使得过滤控制器能够对于每个频道确定至少一个感兴趣的接收机是否需要接收被分配给该频道的数据块；以及

如果没有感兴趣的接收机需要接收被分配给该频道的数据块，则控制中间分发器滤除该频道。

3.如权利要求2中要求的广播系统，其中准视频点播调度表规定：主题的数据块经由广播系统的c个并行的相等容量的频道被广播，其中每个广播频道与各个顺序频道号相联系；主题被划分成多个连续的数据块序列；每个块序列按照频道号顺序被分配给一个相应的频道；每个频道重复广播所分配的块序列；广播接收机具有用于同时接收多个r(1＜r≤c)频道的容量；广播接收机用来接收该主题是通过开始接收在顺序上最低的r个频道和每次响应于接收到频道i的块序列的所有块而终止频道i的接收并开始频道r+i的接收，直至所有的块序列被接收为止。

4.如权利要求3中要求的系统，其中准视频点播调度表规定：主题的数据块经由广播系统的c个并行的相等容量的频道被广播，其中每个广播频道与各个顺序频道号相联系；多个广播频道包括多个时间上顺序交织的子频道；一个频道中子频道的数目是随频道号而单调非递减的；频道中的子频道与各个顺序子频道号相联系；主题被划分成多个连续的数据块序列；每个数据块序列按照频道号顺序和子频道号顺序被分配给一个相应的子频道；每个子频道重复广播所分配的块序列；广播接收机具有同时接收多个r(1＜r≤c)频道的所有的子频道的容量；广播接收机用来接收该主题是通过开始接收在顺序上最低的r个频道的所有子频道和每次响应于接收到频道i的子频道的块序列的所有块而终止频道i的子频道接收和开始频道r+i的子频道的接收，直至所有的块序列被接收为止；过滤控制器用于在如果没有感兴趣的接收机需要接收被分配给子频道的数据块的情况下控制中间分发器滤除子频道。

5.如权利要求2中要求的系统，过滤控制器通过使用所存储的信息来确定：对于每个频道，至少一个感兴趣的接收机是否需要接收在该频道的下一个时隙中的数据块，以及如果没有感兴趣的接收机需要接收在下一个时隙中的数据块，则控制中间分发器滤除该数据块。

6.如权利要求5中要求的系统，其中频道被时分复用。

7.如权利要求3中要求的系统，其中中间分发器用来提取经由要被至少一个感兴趣的接收机接收的r个频道广播的数据块，并把提取的数据块经由预定的频道发送到感兴趣的接收机。

8.如权利要求1中要求的系统，其中中间分发器包括过滤控制器。

9.如权利要求1中要求的系统，其中至少一个广播接收机用来经由广播系统的上行频道与过滤控制器通信。

10.一种使用准视频点播广播协议通过从中央分发器出发经过至少一层中间分发器到广播接收机的数据分发器的分级结构网络而将至少一个主题以数据块序列的形式广播的方法；该方法包括：

从广播接收机接收对于主题的供应的请求；

在至少一个中间分发器中，滤除没有被在分级结构上低于中间分发器的接收机请求的主题的数据块。

11.在如权利要求1中要求的广播系统中使用的广播接收机，该广播系统包括从中央分发器出发经过至少一层中间分发器到广播接收机的数据分发器的分级结构网络，用于经由系统的下行频道通过使用准视频点播广播协议来将一个主题以数据块序列的形式广播；广播接收机用来经由广播系统的上行频道与过滤控制器通信，以使得过滤控制器能够控制在分级结构上高于广播接收机的至少一个中间分发器来滤除没有被在分级结构上低于该中间分发器的接收机请求的主题的数据块。

12.在如权利要求1中要求的广播系统中使用的过滤控制器，该广播系统包括从中央分发器出发经过至少一层中间分发器到广播接收机的数据分发器的分级结构网络，用于经由系统的下行频道通过使用准视频点播广播协议来将一个主题以数据块序列的形式广播；过滤控制器用来从广播接收机接收对于主题的供应的请求，以及用于控制至少一个中间分发器来滤除没有被在分级结构上低于该中间分发器的接收机请求的主题的数据块。

13.在如权利要求1中要求的广播系统中使用的中间分发器，该广播系统包括从中央分发器出发经过至少一层中间分发器到广播接收机的数据分发器的分级结构网络，用于经由系统的下行频道通过使用准视频点播广播协议来将一个主题以数据块序列的形式广播；中间分发器用来滤除没有被在分级结构上低于该中间分发器的接收机请求的主题的数据块。

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