虚拟化技术在电视播控系统中的应用实践

黄晓峰

摘 要：电视播控系统的目的是实现电视播控环境紧密交互，本文根据电视播控系统与电视播控环境交互的特点，研究其资源优化和配置的方法，并运用虚拟化技术理论建立系统实时性、能耗等性能的自适应优化和资源配置的有效策略，为电视播控系统的发展提供理论和应用基础支持。

关键词：虚拟化技术；电视播控系统；应用

1.电视播控系统的研究背景及意义

近年来，无线通信、传感器、虚拟化技术等的进步使信息系统得到了前所未有的发展，然而，在经济建设的各主要领域，播控基础设施和信息基础设施的建设往往是分开进行的。一方面，人们不断地建设和完善电视播控系统，另一方面，人们也不遗余力地发展数据中心、个人电脑和宽带网络等信息世界，信息世界和现实生活世界割裂开来。而国民经济的发展对信息系统早已提出了更高的要求，现代科技的发展要求将计算技术拓展到整个人类活动的空间，将人类的电视播控世界计算化、网络化、信息化，使信息系统和可视化系统整合统一成为电视播控系统。

电视播控系统的重要特性是与电视播控环境紧密交互，其应用任务的临界性（Criticality）通常对电视播控系统的精度、能耗、实时性、组网可靠性、安全性、服务质量等性能指标有着严格的要求。然而，也正是由于同电视播控环境的紧密结合，环境因素不可避免的影响传感/执行子系统的采样数据并且不断产生变化，电视播控环境的不确定性（例如噪声、传输介质特性、地形、温度等的变化）和系统自身的误差给整个系统的性能造成极大的影响。另一方面，由于市场和推广的原因，电视播控系统通常采用大量低成本的非定制器件（Off-the-Shelf）来搭建和设计，系统资源非常有限。难以使用复杂的信号处理技术及优化控制协议来克服电视播控环境变化和系统误差带来的影响。因此系统的性能保障问题正在成为电视播控系统设计和应用的瓶颈，阻碍其大规模发展的步伐。电视播控系统企图超越已有传感网，在感知功能的基础上实现感控功能，其研究涉及传感、通信、计算、控制等多个科技领域。

2.虚拟化技术在电视播控系统中的应用研究

2.1 电视播控系统研究现状

电视播控系统在国内外都是一个较新的研究方向，在国内，何积丰教授和李建中教授已经开展了电视播控系统的研究工作，对电视播控系统的研究现状和挑战做了较为全面的研究综述，蒋国平教授则将复杂动态网络及其同步机制等用于研究电视播控系统中的控制问题，国家自然科学基金已经就电视播控系统的研究资助了多个项目。

在国外，不同侧面的研究已经展开，特別是在电视播控系统的应用尝试方面取得了较大的进展。例如，将大规模数据服务中心视为一个复杂的电视播控系统，研究其中的能源管理策略；设计用于医疗领域的电视播控系统；用电视播控系统实现建筑结构的健康监测；设计面向交通安全的电视播控系统，用于预测车辆的位置，从而避免发生碰撞等。这些研究工作有力地推动了电视播控系统的发展，然而，电视播控系统中的研究还刚刚开始，关于其合理的资源分配和调度来实现性能优化的研究结果仍然不多。

2.2 电视播控系统中的能耗优化的研究现状

近年来，微电子技术、虚拟化技术和无线通信等技术的进步，推动了无线传感器网络的快速发展。无线传感器网络是由大量能量受限且配置有计算和无线通信能力的微型传感器节点组成的无结构网络。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机播撒或发射炮弹到指定区域，通过无线通信向基站发送探测到的数据。在无线传感器网络中，节点一般依靠电池供电，其能量十分有限，而且无线传感器网络经常部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，为传感器节点替换电池是不可行的。因此，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的首要挑战。基于以上的主要原因，以能耗和实时性为主要目标的调度机制被广泛的研究。

传统的高性能计算领域通常将任务划分为映射和调度两个问题进行研究，这样的思想也被借鉴到无线传感器网络中。Heemin Park 等提出适用于 Ad hoc 传感器网络的能量有效型任务分配框架。该框架将优化任务的分配和迁移用最小化代价函数来描述，函数反映了全网的节点能耗、时延和给定约束。整个算法包括两个阶段：在设计阶段进行集中式任务分解转化和分配；在执行任务阶段，各节点执行分布式任务迁移策略。Younis 等提出的一种任务分配优化算法，主要关注全局任务在簇头上的分配问题，通过提高簇头的能量有效性，使全网的生存期得到延长。任务分配问题被建模成0-1非线性优化问题，目标函数是最大化所有簇头的剩余生存期的权重之和。同时考虑通信时间、带宽和能量的约束，设计了一种在线任务调度机制，用于在簇内周期性应用任务中分配网络资源，根据预先设定的任务执行频率上限，优化每个节点的任务频率。然而，该机制并没有把任务映射到传感器节点上。更有研究提出一种分布式计算构架，将任务分为两级：传感器节点的低级感知任务和簇头的高级处理任务。但是高级处理任务可能超出簇头的计算能力，而且算法的通用性不强。

2.3 虚拟化技术在电视播控系统性能优化和资源分配中的应用

在电视播控系统的研究中，采用虚拟化技术能有效的提高计算系统和网络系统多性能保障的自适应性。在嵌入式实时系统中，虚拟化技术可以利用系统中的动态反馈信息来调节工作负载，从而自适应的保证实时系统的实时性能。例如欧洲国家使用了基于虚拟化技术的 CPU 利用率调节机制，该机制能有效的满足分布式系统中端到端的时间约束。研究表明，利用虚拟化技术能在不可预知的环境中提供实时性能保障，在开放和未知的环境中的分布式嵌入式系统实时图像传输机制，提出了满足能耗约束条件下的多任务调度策略来控制多个执行器的任务调度问题。图1为虚拟化电视播控系统中视频图像处理框架图。

除此之外，有学者设计了采集肌电生物信号来控制假肢的电视播控系统，并且引入了信任管理机制来克服电视播控环境和器件误差造成的不确定性因素，并利用数据融合和虚拟化技术来改善系统的判断准确率。还有研究称通过控制系统的利用率来提高系统的保真度。此外虚拟化技术在传统的分布式的许多协议中发挥了重要的作用，例如 MAC通信协议，能量管理协议，和拓扑控制协议，这些工作对于本文的研究有借鉴意义。尽管大量的文章已经使用虚拟化技术来改善传统分布式系统和嵌入式系统的性能，但是在电视播控系统中利用虚拟化技术来合理的分配系统的资源这方面的研究结果仍然不多。

3.结语

由于电视播控系统与电视播控环境的紧密结合，增加和扩展了电视播控系统的新功能，因此在安全、市政设施、能源、医疗、工业制造以及物流等诸多领域具有广泛的应用前景，得到了国内外学术界和工业界的高度重视。但是电视播控系统要进入实际的应用还需要满足许多性能的约束条件，例如：实时性、能耗、连接的可靠性、电视播控系统的保真度（Fidelity）等。为了满足各种性能的约束条件，电视播控系统的各种性能优化协议会互相抢占有限的系统资源，给多性能平衡和资源分配带来挑战。

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