CN1720739A - 广播系统中的多点业务注入 - Google Patents

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Abstract

一种用于广播数据流的广播系统，包括从一个中央分发器(110)出发经过至少一层中间分发器(120，130，140)到多个广播接收机(150)的数据分发器的分级结构网络。数据流通过网络的下行频道(160)被广播到多个广播接收机。在分级结构上低于中央分发器的至少一个分发器用来把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道(170)。中央分发器被安排来通过网络的至少一个下行频道重新分发经由至少一个上行频道接收的广播数据。

Description

广播系统中的多点业务注入
发明领域
本发明涉及一种广播系统，该广播系统用于通过从一个中央分发器开始经过至少一层中间分发器到多个广播接收机的数据分发器的分级结构网络的下行频道来向多个广播接收机广播数据。本发明也涉及广播数据流的方法。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。图1显示旨在使用七层设备的分级结构把音频/视频广播到总共200,000个家庭的系统的例子。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，每个节点又被连接到四个同轴头端。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-delaybroadcasting protocol for video-on-demand(用于视频点播的固定延时广播协议)”，Proceedings of the 10th International Conference onComputer Communications and Networks，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，其中协议规定数据块在哪个频道被发送和在频道上数据块的发送顺序。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)。在存储大量主题时所涉及的初始花费阻碍上述系统的引入。
发明概要
本发明的目的是提供一种更好的可缩放广播系统。
为了达到本发明的目的，用于广播数据的广播系统包括从一个中央分发器出发经过至少一层中间分发器到多个广播接收机的数据分发器的分级结构网络，用于通过网络的下行频道来将数据流广播到多个广播接收机；中间分发器用来分割和/或过滤发送到广播接收机的广播数据；在分级结构上低于中央分发器的至少一个分发器用来把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道中；中央分发器被安排来通过网络的至少一个下行频道来重新分发经由至少一个上行频道接收的广播数据。传统上，所有的数据被插入到网络的中央分发器(主头端)。对于用来支持大量主题(title)的分发的系统，中央分发器需要配备有能够支持这样的分发或能够被扩展的基础结构。这即使在不是所有的存储装置和带宽被立即使用的情形下也花费高的代价。在按照本发明的系统中，数据可被插入到上行频道中。典型地，随着系统扩展，添加越来越多的分发器。在按照本发明的体系结构中，这可自动地以有限的花费创建更多的分发带宽，因为分发器可以带有(可能相对较小的)存储装置，用于存储(部分)主题。这些主题然后可用来通过系统进行广播。
应当指出，WO 97/48049描述具有文件服务器的视频点播系统，它被有效地分散到系统的各个用户的节点。在节点之间存在数据传送链路。如果节点接收文件，则该节点把文件保存在它的存储装置，供其它节点检索。中央管理系统登记哪个节点中存储有文件的拷贝。当用户请求文件时，他的节点与中央管理系统联系，检验哪个(些)节点具有所请求的文件。接着，建立从最接近的可路由的节点到用户节点的路由，以及数据传送开始。由多个用户同时请求的文件将从多个节点同时提供到请求所提到的文件的新的节点。系统被设计用于在各个节点之间的高速数据链路或路由，使得能够从一个节点到另一个节点实时供应音频/视频。这个方法不能用于广播系统，因为这样的系统没有能力发送文件到全部(或即使大部分)各个终端接收机。特别是，终端接收机典型地只具有非常有限的用于发送数据的带宽。通常，这样的带宽不足以用于实时A/V传输。
正如由从属权利要求2的范围描述的，一个主题的数据块在多个分发器的存储装置上被分解成条状(stripe)。这减小在分发器处的上行带宽要求，并限制在各个分发器处的存储要求。
正如由从属权利要求3的范围描述的，在其存储装置上把主题分解成条状的多个分发器用来在一个公共分发协议的控制下把存储的块插入到网络的至少一个数据频道中，使得广播接收机能够基本上不中断地接收来自多个分发器的块流。通过使用规定序列在哪个数据块通过一组频道被发送的相同的协议，分发器可以容易地把块插入到正确的时间(即正确的时隙)和正确的频道中。
正如由从属权利要求4的范围描述的，多个分发器的至少两个分发器用来把存储的数据块插入到一个数据频道的各个子频道中。子频道可看作为在频道内定期重现的时隙。使用相同的协议使得容易使用正确的时隙，以便分发器可被分配给子频道。
类似地，正如由从属权利要求5的范围描述的，多个分发器的至少两个分发器用来把存储的块插入到网络的不同数据频道中。
正如由从属权利要求6的范围描述的，公共分发协议是准视频点播协议，用于通过至少两个网络频道以被分配给该频道的块的不同的重复率分发主题；被分配给最高重复率频道的块被第一组分发器插入；被分配给最低重复率频道的块被第二组分发器插入；第一组分发器在分级结构上高于第二组分发器。这样，有利的是，在分级结构上处于较低位置的、较便宜的和能力较低的分发器被分配到低的频道。这样，它们需要较少的上行带宽，并且存储要求可以是较低的。
正如由从属权利要求7的范围描述的，该系统包括分发控制器，用于控制网络的上行频道和/或子频道中的广播数据的插入。分发控制器例如可触发由分发器的插入以及通知每个分发器，它需要插入哪些块、要使用的频道组和插入的开始点。控制器可以根据来自广播接收机的要求而确定需要插入一个主题。
正如由从属权利要求8的范围描述的，分发控制器用来把数据块提供给多个分发器，以便随后插入到至少一个上行频道和/或子频道中。这样，控制器可以把主题分配给分发器，优选地取决于分发器在网络中的分级结构位置和/或分发器上的负载(在带宽和/或存储方面)。
正如由从属权利要求9的范围描述的，至少一个居民广播接收机用来把广播数据插入到网络的至少一个上行数据频道和/或子频道中。优选地，广播接收机的上行能力用来广播数据到其它广播接收机。由于越来越多的广播接收机配备有永久存储装置(例如以硬盘记录器的形式)，所以在接收机中组合的存储装置以没有附加花费创建大容量存储，用于系统的其余部分。
正如由从属权利要求10的范围描述的，多个居民广播接收机用来把广播数据插入到网络的至少一个上行数据频道和/或子频道中；多个居民广播接收机中的每一个包括各自的存储装置；以及主题在多个接收机的存储装置处被分解成条状。通过在几个接收机处分解主题成条状，用于接收机的上行带宽要求保持为低的；用于广播数据的存储也是有限的。
正如由从属权利要求11的范围描述的，存储装置包括固态存储器。通过在足够数目的接收机处分解主题成条状，对于每个接收机的存储要求变得非常低，使得能够以非常有限的代价使用可靠的固态存储器。
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的并将被阐明。
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示出按照本发明的多点注入和分解成条状；以及
图6、7和8说明优选实施例。
优选实施例的详细说明
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分发器/接收机的广播信号。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，每个再被划分成子频道。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，频道通常被频分多路复用。在这样的频道内的子频道可以被时分多路复用。在较高的级别上，典型地使用光纤。在这样的介质上，频道也可以被时分多路复用。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。广播系统被描述用于把数字数据流经过网络广播到多个广播接收机。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。为此，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。按照本发明，在分级结构上低于中央分发器的至少一个分发器用来把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道中。图2示出利用数字170的上行频道。原则上，上行频道可以在中间级处开始向上发送。优选地，上行频道已经存在于最低的级别上，也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)。中间/中央分发器可以经由上行频道接收来自在它下面的一个以上设备的数据流。分发器的任务是组合这些流。例如，它可以通过补偿在各种数据流之间的时间差(去抖动)而做到这一点，例如通过临时存储一部分流并使用一个公共的时基将它向上发送。这样的时基可以由中央分发器经由下行频道来提供。去抖动是熟知的，因此不作进一步描述。具体地，中央分发器被安排成通过网络的至少一个下行频道重新分发经由至少一个上行频道接收的广播数据。为了能够经由上行频道提供主题，注入设备需要接入到主题的源。图2示出中间分发器120、130和140，每个具有各自的存储装置125、135和145，用于存储至少主题的一部分。这样的存储装置例如可以由使用RAID系统实施的硬盘或像固态存储器那样的其它适当的存储装置来形成。正如下面更详细地描述的，广播接收机150也可以向上注入主题。如果这样的话，接收机也需要接入到存储的主题。所示出的是存储装置155。这个存储装置也可以由硬盘或像固态存储器那样的其它适当的存储装置来形成。这样的硬盘可能无论如何已经存在，用于(临时或永久)存储经由下行频道接收的主题。
优选地，主题的数据块在多个分发器的存储装置上被分解成条状。这减小了对于分发器的上行容量和存储的要求。典型地，在一个级别上的分发器将具有类似的上行能力，其中容量在分级结构中降低较低。为了简化分解成条状，最好只使用在一个级别上的分发器来分解主题成条状。优选地，如果分发器在分级结构上的较低的级别，则主题在较多的分发器上被分解成条状。分解成条状本身对于在一个本地存储系统中的硬盘是已知的。在按照本发明的系统中，分解成条状在经由广播系统连接的存储装置上进行。一旦主题的块的正确选择被存储在所涉及的分发器的各个存储装置中，就可开始重放条状主题。重放可以在诸如图2的设备180之类的中央设备(分发控制器)的控制下进行。优选地，中央设备180被连接到或形成中央分发器110的一部分。如果希望这样的话，也可以有更多的分发控制器，例如每层一个或每个中间分发器一个，其中每个分发器负责网络的一部分。中央设备180可能知道主题的哪些数据块被存储在哪些存储装置中。中央设备然后可以在正确的时间发出明确的“读”指令到正确的分发器，以保证块以正确的序列被广播。这样，分发控制器控制在网络的上行频道和/或子频道中广播数据的插入。
在优选实施例中，在其存储装置上分解主题成条状的多个分发器用来在一个公共分发协议的控制下把存储的块插入到网络的至少一个数据频道中。在这个实施例中，重放的控制被分散。使用相同的协议使得广播接收机能够基本上不中断地接收来自多个分发器的块流。频道可被划分成多个子频道。通过使用规定需要使用频道内的哪个子频道的公共协议，分发器用来把条状块插入到一个数据频道的各个子频道中。该协议也可以基于使用多个频道广播主题。通过对主题的每个数据块规定它需要被插入到哪个频道，分发器用来把存储的块插入到网络的不同数据频道中，而接收机仍可以接收主题，好像该主题是由中央分发器广播的。
主题的块可以由一个以上的分级结构层上的分发器来插入。优选地，用于控制插入的公共分发协议是准视频点播(NVoD)协议，用于通过被分配给频道的块的不同重复率的至少两个网络频道进行主题的分发。使用这样的协议，有利的是，被分配给最高重复率频道的块被在分级结构上处在第二组分发器上面的一组分发器插入。第二组分发器插入被分配给最低重复率频道的块。这样，由插入引起的负载(特别是在上行容量和存储要求方面)相应于所涉及的分发器的容量。
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为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(tap)，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Si表示，以及由ei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li，...，hi。在频道i中发送的不同决的数目因此由ni＝hi-li+1给出，以及
Figure A20038010501000122
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在时间单位si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-(si-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di个子频道：
d i = [ o + l i - ( s i - 1 ) ] - - - ( 1 )
即块li的最佳周期的平方根舍入到最接近的整数。这些子频道的每一个以循环方式得到发送块的时间单位的1/di。换句话说，在时间单位t中，子频道t模di可以发送一个块，其中我们把子频道编号为0，1，...，di-1。
现在如果块k在频道i的一个子频道内被给予周期pk，则它以pkdi的周期在频道i上被广播。因此，为了得到pkdi≤o+k-(si-1)，这意味着，
p k ≤ [ o + k - ( s i - 1 ) d i ]
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lij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，
Figure A20038010501000132
因此，我们可以在这个子频道发送nij＝pij个块(块lij，...，lij+nij-1)。块号由下式给出：
Figure A20038010501000133
在频道i中发送的块的总数ni然后由下式给出：
n i = Σ j = 0 d i - 1 n ij
通过它我们可计算hi＝li+ni-1。
最后，频道内分段的开始和结束的时刻被检查。频道i的所有的子频道在时间si开始发送。频道i的子频道j在nij个块后准备好，它花费频道i内dinij个时间单位。因此，子频道j中分段的末端由eij＝si-1+dinij给出，以及当频道i的最后的子频道在ei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l5，0＝12，因此我们可以在这个子频道中发送
Figure A20038010501000141
个块，即块12和13。对于子频道j＝1，这给出l5，1＝14，因此我们可以在这个子频道中发送
Figure A20038010501000142
个块，即块14、15和16。对于于频道j＝2，这给出l5，2＝17，因此我们可以在这个子频道中发送
Figure A20038010501000143
个块，即块17、18、19和20。子频道中分段的末端由e5，0＝5+3*2＝11、e5，1＝5+3*3＝14和e5，2＝5+3*4＝17给出，因此e5＝17。
hi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。通过使用上述的hc值，当使用c个频道时，最大等待时间由电影长度的1/hc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)/hc。
在以前的分段中，频道i的子频道的数目di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，即没有进行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ei，由此加大频道i+r的开始时间si+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。hi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si开始被发送，则它必须以至多o+t(k)-(si-1)的周期被广播。因此，如在公式(1)中给出的于频道数目的目标值现在成为
Figure A20038010501000161
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：
其余部分的计算保持相同。
网络假设
在其余部分，将给出按照本发明的多点注入的三个例子。支持这些例子的计算是对于如图1所示的分级结构网络而给出的。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，这些分别取为400kb/s和20Mb/s。假设5Mb/s的视频传输速率，则这意味着每个家庭可以上行0.08个视频信道和可以下行4个视频信道。如果具有200,000个家庭，则这给出总共16,000个视频信道的上行容量。使用准视频点播方案，也应当考虑有限的下行容量。在本例中，假设在光纤节点以上没有实际上的带宽限制。本领域技术人员将能够根据所述原理设计不同的系统。而且，假设所有的家庭都是永久连接的，并且在传输期间节点上没有出现故障或没有数据损失。最后，假设希望具有1000个电影的集合，每个电影持续6000秒(100分钟)。电影的容量大小因此是30Gb或3.75GB。
优选的NVoD解决方案
针对约一秒的最大响应时间和要分流的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。在家庭处生成全部1000个电影的11个传输频道将使用可得到的16,000个频道中的11,000个频道。在图6所示的第一例中，从光纤节点发送多个频道。剩余的频道可从诸如中央分发器之类的另外的分发器发送。在第一例中，剩余的频道被充当上行分发器的广播接收机发送。通过在较高的级别上注入某些频道，来自家庭的上行频道的带宽要求被减小。优选地，每个电影的第一传输频道被存储在光纤节点，限制对于光纤节点的存储要求，因为每个电影的第一传输频道涉及相对较低数目的块。例如，通过从光纤节点发送头六个NVoD频道，每个电影的一部分86/6308≈0.014必须被存储在光纤节点级别处，这相应于每个电影3750*86/6038≈51MB。由于我们具有1000个电影和500个光纤节点，所以这可被存储在每个光纤节点的102MB的固态存储器，例如RAM模块或闪存模块。这样，每个光纤节点存储用于两个电影的6个频道的块。作为每个电影的一部分(6308-86)/6308≈0.986的约为3.7GB的剩余的存储量必须被分布在家庭。当然，这可被存储在一个或几个广播接收机中。然而，最好是使用较均匀的分布。把这个存储量分布在所有的接收机，这需要每个家庭3700*1000/200,000≈18.5MB的存储量，这也可以以固态模块完成。这个均匀分布可以通过把每个电影分解成200个条并让每个家庭发送NVoD频道7-11中每个的数据条而实现。当然，也可以涉及较少的分发器，以及可以经由其它分发器引入冗余。图5给出电影如何被分割成块和条的图形表示。在这个例子中，用于电影的头六个频道的块被存储在一个光纤节点中；其余块在居民广播接收机上被分解成条状(使用水平灰色条表示分解成条状)。该图不是按比例的。用于11个NVoD频道的分段的边界由表1中的hi值给出。光纤节点然后可以通过合并每个NVoD频道的200个“条状频道”而生成完整的NVoD方案。每个光纤节点连接到400个家庭，所以它可生成两个电影的完整的NVoD方案。应当指出，每个“条状频道”具有5000/200＝25kb/s的比特速率，这给出每个家庭125kb/s的总的上行比特速率。
在光纤节点和家庭中所需要的存储量相对独立于所使用的频道数目，即所需要的响应时间。例如，如果把频道数增加到12，则响应时间减小到6000/15192≈0.39s。结果，一个电影被分割成多达约2.4倍的块，因此块约小2.4倍。所以，在另一个替代性例子中，有可能让光纤节点再生成一个频道，即频道1-7，并让家庭生成频道8-12。在光纤节点处的存储量然后等于每个电影3750*198/15192≈49MB，它大约等同于11个频道所需要的51MB。在家庭处的存储量要求稍微小于一个电影的1/200。表3显示如果不同的频道号被分配给光纤节点和家庭则图5上的数值所取的数字。
 光纤节点频道  家庭频道  光纤节点存储量[MB]  光纤节点带宽[Mb/s]  家庭带宽[kb/s]
 --  1-11  0  0  275
 1  2-11  1.2  10  250
 1-2  3-11  3.6  20  225
 1-3  4-11  9.5  30  200
 1-4  5-11  20.2  40  175
 1-5  6-11  46.4  50  150
 1-6  7-11  102.3  60  125
 1-7  8-11  235.4  70  100
 1-8  9-11  555.3  80  75
 1-9  10-11  1310.3  90  50
 1-10  11  3129.4  100  25
 1-11  --  7500.0  110  0
                          表3
替换地，每个电影的NVoD频道7-11可被更高地插入到网络中。图7示出它们被插入在光纤节点处的情形的解决方案。为此，光纤节点需要配备有诸如硬盘之类的更多的存储装置，用于存储主题。图8示出频道被插入在集线器的情形另外的替换例。这可能涉及每个集线器150GB的存储量。
图2的分发控制器180可能有任务提供主题的数据块给适当的分发器，用于随后插入到至少一个上行频道和/或子频道中。这可以通过直接对块寻址到各个打算的分发器而完成。替换例是指示每个分发器提取哪些数据块，然后广播主题，以使得每个分发器可以提取和存储被分配给它的块。
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发。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。通过例如在光纤节点中选择性地过滤数据，并且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。利用该过滤并不保证由主头端发送的数据实际上可由所有广播接收机接收：它可以在本地网络段上不存在。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其子树中任何用户使用的电影的块；而不必转发其它部分。
冗余性
如果分发器(包括广播接收机)之一不能传送块，则所描述的广播调度可能失效。例如，如果在参加广播电影的200个家庭中任一个家庭的机顶盒(广播接收机)没有及时传递条状频道的它的份额，则主题不能实时地被完全接收或呈现。在以上给出的在接收机处条状块的例子中，一个份额包含五个条状频道。机顶盒不能传递它的份额可以有许多原因，最可能的是机顶盒被关断，因为它的拥有者在外度假或因为停电。另一个原因可以是用户临时需要它的全部上行带宽用于某些更紧急的事情。在前者的情形下，机顶盒在大约几天或几周的长时间内是不可用的，这样它的上行带宽可被在相同的同轴电缆上的其它机顶盒使用。这意味着，它的广播任务也可以由在相同的同轴电缆上的另一个机顶盒接管。广播任务的重新分发不应当花费比几分钟长得多的时间。在后者的情形下，中断很可能是很短的，约为几秒或几分钟。这甚至可以由机顶盒或控制器180中的带宽调度器实施。
可以采取许多措施来减小接收机不能提供分配的块的可能性。例如，接收机可被设计成阻止用户关断接收机。接收机可以以合理的容错方式被实施，例如使用用于存储它的份额的闪存，使用电池克服短期电源故障等等。
在优选实施例中，冗余的引入是通过在至少一个另外的设备上条状块和编码存储的块以使得可以通过从仍可接入的编码块重新生成块来克服一个(或多个)设备的故障。用于条状频道的优选的编码方案是(N，k)Reed-Solomon编码。Reed-Solomon编码本身是熟知的。它的说明可以在S.B.Wicker and V.K.Bhargava，editors.Reed-SolomonCodes and Their Applications.(Reed-Solomon码及其应用)IEEEPress，1994中找到。例如，Reed-Solomon编码优选地利用以下参数而被使用：N＝200和k＝200-r。电影被划分成条状频道的200-r个份额，并计算条状频道的r个像奇偶性(parity like)的份额。最终得到的200个份额被分布在200个机顶盒中间。这些编码的条状频道是前节中描述的仅有的条状频道的200/(200-r)倍“胖”。可以证明，对于r＝10，这意味着，传输失败的时间的比率降低到小于百万分之一，以及电影中半分钟打嗝(hiccup)概率是1∶20000，代价是机顶盒的需要的上行带宽和存储量的约5％的增加。
假设主题在网络的某个级别的设备上被分解成条状，则分级结构上较高的级别可以容易恢复所述块。例如，如果主题在分级结构上都低于一个光纤节点的一组机顶盒上被分解成条状，则这个光纤节点可以容易地检索原先的块。为此，光纤节点需要附加的硬件和/或软件来执行从低于它的400个机顶盒广播的电影的译码(例如Red Solomon译码)。这样的硬件/软件是已知的，并不作进一步描述。由于最好存储电影全部低于单个光纤节点，所以光纤节点可以进行译码，这样，冗余性的实施方案不需要任何附加的硬件/软件以及高于光纤节点级别的带宽。
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的单元的硬件和借助于适当地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 (17)

1.一种用于广播数据的广播系统，包括：从一个中央分发器出发经过至少一层中间分发器到多个广播接收机的数据分发器的一个分级结构网络，用于通过网络的下行频道向多个广播接收机广播数据；在分级结构上低于中央分发器的至少一个分发器，用来把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道；该中央分发器被安排来通过网络的至少一个下行频道重新分发经由至少一个上行频道接收的广播数据。
2.如权利要求1中要求的广播系统，其中一个主题的数据块在多个分发器的存储装置上被分解成条状，用于随后作为广播数据插入到至少一个上行频道中。
3.如权利要求2中要求的广播系统，其中多个在它们的存储装置上将主题分解成条状的分发器用来在一个公共分发协议的控制下把存储的块插入到网络的至少一个数据频道中，使得广播接收机能够基本上不中断地接收来自多个分发器的块的流。
4.如权利要求3中要求的广播系统，其中该多个分发器中的至少两个分发器用来把存储的块插入到一个数据频道的各个子频道中。
5.如权利要求3中要求的广播系统，其中该多个分发器中的至少两个分发器用来把存储的块插入到网络的不同的数据频道中。
6.如权利要求3中要求的广播系统，其中公共分发协议是准视频点播协议，用于通过至少两个网络频道以被分配到该频道的块的不同的重复率来分发一个主题；被分配到最高重复率频道的块被第一组分发器插入；被分配到最低重复率频道的块被第二组分发器插入；第一组分发器在分级结构上高于第二组分发器。
7.如权利要求1中要求的广播系统，其中广播系统包括一个分发控制器，用于控制网络的上行频道和/或子频道中广播数据的插入。
8.如权利要求7中要求的广播系统，其中分发控制器用来把数据块提供给多个分发器，以便随后插入到至少一个上行频道和/或子频道中。
9.如权利要求1中要求的广播系统，其中至少一个广播接收机用来把广播数据插入到网络的至少一个上行数据频道和/或子频道中。
10.如权利要求2和9中要求的广播系统，其中多个广播接收机用来把广播数据插入到网络的至少一个上行数据频道和/或子频道中；多个广播接收机中的每一个包括各自的存储装置；以及一个主题在多个接收机的存储装置处被分解成条状。
11.如权利要求10中要求的广播系统，其中存储装置包括固态存储器。
12.如权利要求1中要求的广播系统，其中中间分发器用来将该指向广播接收机的广播数据分解成条状和/或过滤指向广播接收机的该广播数据。
13.一种通过从一个中央分发器出发经过至少一层中间分发器到多个广播接收机的数据分发器的分级结构网络来广播数据流的方法，用于通过网络的下行频道向多个广播接收机广播数据流；该方法包括：
在分级结构上低于中央分发器的至少一个分发器处把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道中；
经由网络的上行频道接收广播数据；以及
通过网络的至少一个下行频道重新分发接收的广播数据。
14.一种在如权利要求1中要求的广播系统中使用的广播接收机，其中广播接收机用来接收经过网络的至少一个下行频道广播的数据块，以供以后呈现；并把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道中，以便由中央分发器通过网络的至少一个下行频道进行重新分发。
15.一种在如权利要求1中要求的广播系统中使用的广播分发控制器，该分发控制器用来控制同步地插入广播数据到广播网络的至少一个上行频道和/或子频道中。
16.一种在如权利要求1中要求的广播系统中使用的中央广播数据分发器，该中央广播数据分发器用来通过网络的至少一个下行频道向多个广播接收机重新广播经由至少一个上行频道接收的广播数据。
17.一种在如权利要求1中要求的广播系统中使用的中间广播数据分发器控制器，该广播系统包括从一个中央分发器出发经过至少一层中间广播数据分发器到多个广播接收机的数据分发器的分级结构网络，以便通过网络的下行频道广播数据流到多个广播接收机；该中间广播数据分发器用来把广播数据插入到指向中央分发器的网络的至少一个上行频道中，以便由中央分发器通过网络的至少一个下行频道进行重新分发。
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