会议电视MCU资源池组网及调度优化设计

随着国网公司“三集五大”的体系建设，省公司与地市公司联系日趋紧密，省-地-县不同层级之间的视频会议也逐年递增。为了提高工作效率，响应国网公司节约增效的工作思路，近年会议电视召开场次及规模急剧增大，这对现有会议电视系统提出了极大挑战。

现有会议电视设备存在着设备老化、故障频发、无备品备件、无法维修等问题，且现有的省-地之间采用单点级联方式构建MCU控制会议电视视频，使得会议模式及系统扩展性受限，不能满足多级应用场合，极大浪费了MCU资源并增加了会议电视系统运维难度。多点控制单元（Multi-point Control Unit，MCU）是一种具备多媒体编解码功能的音视频路由转发处理单元^[1]， 且能进行多点呼叫和连接，实现视频选择、视频广播、音视频混合、数据广播等功能，完成各终端信号的汇接与切换，在会议电视系统端口中起着关键作用^[2-5]。因此，亟待提出一种融合多台MCU资源以满足多种会议场合且支持资源灵活调度的会议电视系统方案。

针对现有会议电视系统存在的问题，本文引入了集中式MCU资源池的会议电视系统优化方法。本文在省公司集中部署3台MCU资源池，同时配置会议管理系统，会议管理系统针对省公司、地市公司实现分级分权管理；全省各参会地市共享省公司的MCU资源池端口资源，而MCU端口资源数量与视频会议终端数量不再采用固定一对一模式；考虑到MCU资源池中各MCU的网络负载能力、CPU使用率以及内存使用率，提出了端口资源自适应分配的资源调度方法；在MCU资源池内部采取了MCU资源互为主备的备份策略以满足1 1热备的要求。

1 MCU资源池技术构架

MCU对于会议电视系统起着至关重要的作用，会议电视系统各音视频传输采集设备的数字模拟信号在MCU进行集中式采集，并通过数字信号处理算法对多路音视频信号进行集中处理、采集以及数字信号的混合切换。省公司会场新增3台高清MCU，形成MCU资源池，地市公司会议信号通过新配置的两台高清会议终端上联至省公司MCU资源池，实现省公司、地市公司召开高清行政会议。

1.1 MCU资源池技术

通过部署一套统一的MCU资源池控制设备管理平台服务器，对所有MCU资源进行统一调度和优化分配。MCU资源池对接入的会议电视终端设备提供资源服务以及权限的管理分配。与单点级联式MCU设备相比，MCU资源池中的端口不再与会议电视终端进行一一对应的连接。

MCU资源池支持监控MCU资源池中各MCU的剩余资源，根据各MCU的剩余资源定义MCU的优先级，会议将自动选择优先级高的MCU优先进行资源分配；资源池通过控制服务器对MCU的资源分配进行负载均衡。同时，MCU资源池支持MCU资源备份功能，当一台MCU出现故障时，其上承载的会议可自动切换至资源池里的其他MCU，保证会议的正常召开，提高系统的可靠性。

为保证MCU资源池的安全可靠性，本文MCU主控板及业务板采用支持带点热插拔的功能，在带电状态下支持单板业务倒换，在任意一块单板出现故障时，不会影响会议的正常进行，保证系统安全可靠。

1.2 MCU资源池会议管理系统

视频会议管理系统实现视频会议业务的用户管理、会议管理、资源管理、终端注册认证、权限管理和MCU设备管理，能有效地满足用户对于视频会议业务的管理需求。

会议管理系统通过MCU端口资源管对MCU设备资源进行管理，负责预约会议、动态添端时的资源计算、创建MCU与终端的拓扑关系，简化网络规划和管理。会议管理系统能管理多台MCU的资源池，实现大容量组网，实现MCU负载均衡。

2 MCU资源池组网及资源调配

会议终端设备采用数据网和专线方式的两条链路实现，满足电力系统N-1的可靠性要求。资源调配端口采用资源自适应分配的资源调度方法以提高端口资源灵活调度性。

2.1 MCU资源池组网

如图1所示，省公司及地市公司之间的通信网络方案采用数据网以及专线方式的两条链路实现，在省公司及地市公司配置交换机，传输设备上配置FE板卡，保证网络及通道组织的可靠性，通过两条传输链路构建了两个相互独立的高清会议电视系统，两套系统实时热备，保证了系统的高可靠性，也方便日常的维护检修，满足电力系统N-1的可靠性原则。县公司通道部分利用原有的一体化会议系统网络通道，用市-县传输网进行业务传输，不新增网络设备。从图中可以看出，上述组网拓扑网络结构层次鲜明，不仅符合通信分级管理原则，也有利于未来会议电视系统的扩展。

从图中可以看出，本文通过集中式组网方式部署3台MCU构建MCU资源池。集中式组网方式通过在同一地点部署多台MCU节点实现对参会节点的统一资源分配，参会节点向MCU资源节点传输参会请求以及音视频数据资源，通MCU资源池实现权限统一管理、信号编解码处理、端口资源分配。

2.2 MCU资源负载权重

根据遗传算法自适应因子的思想^[6]，本文设计了流量自适应系数以考虑周期时间内网络流量对于MCU资源池资源分配的影响。本文设计的流量自适应系数计算公式如下：

其中，k₁是第一流量控制常数，k₂是第二流量控制常数，q是通过当前MCU的实时流量，q_ave是周期时间内MCU的平均流量，q_max是周期时间内MCU的最大流量，q_min是周期时间内MCU的最小流量。

根据流量自适应系数调整当前MCU的负载权重，即在MCU资源池内根据各单节点MCU的负载流量系数，为负载流量系数较大的MCU分配更多负载权重，即分配更多的端口资源。

除了流量影响MCU资源池的资源分配以外，MCU自身的性能及处理能力也影响MCU资源池的资源分配。因MCU上DSP用于实现音视频信号的编解码处理，本文引入DSP资源使用率作为性能评价指标之一。内存反映了数据的缓存能力，因此同时引入内存使用率作为另一个性能评价指标。定义负载权重作为评价MCU负载水平的指标，其计算公式如下：

其中，load_i是第i个MCU节点的负载权重，M是已经使用的端口资源数量，N_max是最大使用端口数量，N为MCU资源池汇总MCU节点的数量，本文中N=3。

根据负载权重、网络流量、MCU性能来分析MCU资源池中单节点MCU的承载的会议电视业务负载程度。

2.3 MCU资源调配

根据上述负载权重设计端口资源自适应分配的MCU资源调度方法，具体调配过程如图2所示。

MCU控制服务器通过控制MCU资源池向参会会议电视终端设备发起请求；MCU控制服务器通过各会议电视终端ID号识别控制；MCU控制服务器从各MCU节点根据SNMP协议采集网络流量、DSP使用率以及内存使用率；通过式(1)~(2)计算各MCU单节点负载权重；根据会议的优先级，从高到低查询会议电视终端ID号是否已经连接至MCU资源池中端口，若未连接将会议电视终端连接至负载权重最小的MCU节点，若已经连接继续查询下一个会议电视终端ID号至到所有参会会议电视终端均连接至MCU资源池。

3 MCU资源池备份策略

MCU资源备份是指当预约会议时MCU资源内部不足或MCU故障，将会根据备份资源顺序搜索，直到找到可用的备份资源MCU为止。本文中MCU资源池支持MCU资源备份功能，当一台MCU出现故障时，其上承载的会议可自动切换至资源池里的其他MCU，保证会议的正常召开，提高系统的可靠性。

MCU备份策略具体指当资源池中某台MCU设备出现故障或者资源不足时，在剩余MCU设备中根据负载权重最小原则进行会议电视终端的接入，直至因MCU故障停运接入的会议电视终端全部正常接入MCU资源池参会。

4 结论

本文通过分析现有会议电视系统存在的不足，进行了MCU的优化改造。通过MCU资源池实现了MCU端口资源的集中共享和灵活调配；根据MCU负载权重实现了资源自适应调度分配，极大提高了MCU资源池运行的效率以及稳定性；通过MCU资源池备份策略保障了故障应急状态下视频会议的正常召开。

参考文献

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[6]陈超. 自适应遗传算法的改进研究及其应用[D]. 广州：华南理工大学，2011.

作者信息:

李梦琳1，贺 易2，胡 威1，马国柱1

（1. 湖北省电力勘测设计院有限公司, 湖北 武汉 430040；

2. 国网湖北省电力有限公司信息通信公司，湖北 武汉 430070）