家庭網(wǎng)絡(luò)中EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架研究

郭 楓，朱 川，2＋，王 瑤，劉 立，韓光潔，2

（1.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州213022；2.河海大學(xué) 常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點實驗室，江蘇 常州213022）

0 引 言

目前，手機等手持設(shè)備是無法滿足需要較大計算資源與較多用戶觀看歷史數(shù)據(jù)的EPG 推薦系統(tǒng)所需的軟硬件資源的。因此在家庭網(wǎng)絡(luò)與移動網(wǎng)絡(luò)融合的環(huán)境中，EPG 推薦系統(tǒng)面臨著如何收集用戶在不同環(huán)境中的使用EPG 瀏覽、選擇信息的挑戰(zhàn)，以及不論在家中，還是在外出環(huán)境中均可根據(jù)用戶的個人喜好及歷史觀看記錄中，向用戶推薦最佳的當(dāng)前電視節(jié)目的挑戰(zhàn)。

目前，已有相關(guān)文獻(xiàn)通過不同的技術(shù)，如本體論［1］、過濾［2，3］、用 戶 歸 檔［4，5］及 相 關(guān) 性 反 饋 等［6，7］研 究、討 論EPG 推薦系統(tǒng)的算法與方案。此外，還有一些相關(guān)工作圍繞Internet［8］，WAP／SOAP［9，10］及OSGi／SIP［11］等網(wǎng)絡(luò)平臺展開。相對于以往工作與方法，本文工作主要關(guān)注于構(gòu)建一個靈性、獨立于其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與廣播源和推薦算法的通用性框架。雖然與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無關(guān)，鑒于DVB－H 協(xié)議在移動電視領(lǐng)域中的主流性與重要地位［12］，本文所提出的通用性框架嘗試模擬一個DVB－H 環(huán)境。

在工作［11，13］基礎(chǔ)之上，本文進(jìn)一步提出了一個具有自適應(yīng)性的EPG 推薦系統(tǒng)框架。該EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架在DVB－H 中進(jìn)行模擬仿真。通過其所提供的自適應(yīng)性切換功能，不論是在論是在家中還是戶外，均可以向用戶提供具有統(tǒng)一用戶體驗的EPG 推薦服務(wù)。仿真結(jié)果表示，本文所提出的EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架是可行的。

1 EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架

1.1 自適應(yīng)框架

為了使得EPG 推薦系統(tǒng)能夠適用于家居環(huán)境及個人移動環(huán)境，本文提出了家庭網(wǎng)絡(luò)中EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架，如圖1所示。在自適應(yīng)框架中，EPG 推薦系統(tǒng)即可以運行于移動模式，也可以運行于服務(wù)器模式。EPG 推薦模塊可以應(yīng)用于以上兩種環(huán)境。該自適應(yīng)框架支持如下兩種配置模式：

（1）獨立的移動EPG 應(yīng)用模式。在該模式下采用內(nèi)置EPG 推薦模塊。由于手持設(shè)備硬件資源與計算能力所限，因此，內(nèi)置EPG 推薦模塊只具有最基本的推薦功能。

（2）全功能的客戶端／服務(wù)器EPG 應(yīng)用模式。該模式主要應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)與移動網(wǎng)絡(luò)的混合環(huán)境中，家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器端提供全功能的電子節(jié)目表單推薦服務(wù)，而手持設(shè)備則以從屬狀態(tài)來瀏覽電子節(jié)目表單。在手機與家庭網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器之間，可以采用多種形式的通信方式，如WIFI、藍(lán)牙等。

EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架假定手持設(shè)備與家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分別擁有各個獨立的EPG 源，并且在他們之間沒有EPG數(shù)據(jù)庫傳輸同步。該假設(shè)基于如下兩方面考慮：

（1）通過移動網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)廣播可以很方便的更新、上傳至手持設(shè)備。而在近幾年提出的DVB－H 技術(shù)中，手持設(shè)備在地面上可以直接接收廣播電視及其數(shù)據(jù)流。

（2）如圖2所示，DVB－H 及類似服務(wù)的出現(xiàn)將充分利用因特網(wǎng)，我們相信在不久的將來，同一EPG 提供商通過寬帶通道將推出同時支持手持設(shè)備如手機、平板電腦等，及普通家電電視設(shè)備的電子節(jié)目表單。這兩個因素均將消除在手持設(shè)備與家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間進(jìn)行相互傳輸EPG 數(shù)據(jù)庫信息的必要。

本文提出的EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架最大優(yōu)點在于其對各種不同場景的自適應(yīng)。為了同時支持簡單內(nèi)置EPG 推薦系統(tǒng)與全功能EPG 推薦系統(tǒng)，兩個EPG 推薦系統(tǒng)均采用了相同的編程接口［13］。此外，本框架的另一個好處在于其EPG 推薦系統(tǒng)的自適應(yīng)性。當(dāng)用戶所攜帶的手持設(shè)備從戶外進(jìn)入室內(nèi)的家庭網(wǎng)絡(luò)的通信范圍之內(nèi)時，EPG 推薦系統(tǒng)中間件則相應(yīng)的從移動的獨立EPG 應(yīng)用模式轉(zhuǎn)換至客戶服務(wù)器模式。在這種切換過程中，僅將用戶的歸檔資料從手持設(shè)備中拷貝至家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。從而，原本運行于手持設(shè)備上的電子節(jié)目表單的推薦任務(wù)遷移到具有全功能推薦能力的家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。這種推薦任務(wù)的遷移無需用戶人為干涉，本文提出的框架具有自適應(yīng)能力。

1.2 EPG 推薦系統(tǒng)核心模塊

圖1 EPG 推薦系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 EPG 與DVB－H 及寬帶融合

如前所述，EPG 推薦系統(tǒng)核心模塊既可以工作在適用于手持設(shè)備及低計算能力與資源的簡單推薦模式中，也可以工作在具有較強能力的家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或媒體服務(wù)器中。在工作［6，13］中提出了一個具有示范性的核心EPG 推薦系統(tǒng)模型，如圖3所示。該模型通過一系列的濾器來增強推薦結(jié)果的準(zhǔn)確度及縮小電視節(jié)目的搜索范圍。整個模型由時間、頻道／站、類別、域及內(nèi)容5個濾器構(gòu)成。用戶可以預(yù)先指定濾器的設(shè)置，如最近兩周內(nèi)。在這5 個濾器中，內(nèi)容濾器最為復(fù)雜，其是基于電子節(jié)目表單內(nèi)容的。因為電子節(jié)目表單內(nèi)容由頻道／站、節(jié)目題目、節(jié)目描述、時間段、及演員等信息構(gòu)成?；谶@些信息的內(nèi)容過濾相對于其它4個濾器而言可以降低用戶預(yù)置過濾條件的可能性，并給出能反應(yīng)出用戶偏好的推薦結(jié)果。內(nèi)容濾器甚至可以通過用戶的瀏覽反饋等信息進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而隨著用戶使用時間的增加而不斷提升推薦準(zhǔn)確性。圖3則為可以運行于移動環(huán)境或服務(wù)器平臺的EPG 推薦引擎示例。本文所提出的EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架獨立于EPG 推薦引擎，因此推薦引擎的設(shè)計不在本文討論范圍之內(nèi)。

圖3 多引擎EPG 推薦核心模塊

2 實現(xiàn)及原型系統(tǒng)

2.1 EPG 數(shù)據(jù)庫

為了兼容于各種EPG 源并使EPG 推薦系統(tǒng)的核心引擎獨立于其它協(xié)議，針對本文提出的自適應(yīng)構(gòu)架我們構(gòu)建了一個簡化的核心EPG 數(shù)據(jù)庫。任何協(xié)議相關(guān)的EPG 接口模塊（如DVB－H、IPTV）均需要實現(xiàn)其自己的EPG 解析器與EPG 代理，以此來達(dá)到將電子節(jié)目源中相應(yīng)的域映射為核心EPG 數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)的域。在我們的原型系統(tǒng)中，從IPG（IPTV）和ESG（DVB－H）到EPG 的映射見表1。

表1 EPG 代理域映射

EPG 數(shù)據(jù)庫接口主要是用于同步從手持設(shè)備與服務(wù)器上下載的EPG 信息。這一問題是與特定EPG 服務(wù)提供商相關(guān)的問題，因此不在本論文討論范圍之內(nèi)。

2.2 用戶歸檔資料模塊

用戶歸檔資料模塊用于記錄用戶對于推薦引擎的使用偏好。其存儲并不斷的向服務(wù)器進(jìn)行更新，以豐富家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端推薦系統(tǒng)的用戶歸檔資料及提升推薦效果。當(dāng)手持設(shè)備通過有線或無線方式連接到家庭網(wǎng)絡(luò)時，此時即使在手持設(shè)備（如平板筆記本、手機）端進(jìn)行推薦，也將根據(jù)用戶歸檔資料數(shù)據(jù)庫中的信息采用全功能EPG 推薦模式。與此同時，存儲于手持設(shè)備之上，用于內(nèi)置的簡單推薦系統(tǒng)模塊的用戶歸檔部分信息將被更新。當(dāng)無法連接至家庭網(wǎng)絡(luò)時，手持設(shè)備通過其內(nèi)部的簡單用戶歸檔信息使用內(nèi)置的簡單推薦系統(tǒng)核心模塊，并記錄、更新用戶瀏覽電子節(jié)目表單、觀看節(jié)目的活動。這些活動反應(yīng)出用戶的偏好，如節(jié)目的選擇及觀看的時間長短反應(yīng)出用戶對該節(jié)目或某類節(jié)目的喜好程度。一旦手持設(shè)備再次連接至家庭網(wǎng)絡(luò)中，簡單用戶歸檔資料將被上傳至家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中并更新服務(wù)器端的用戶歸檔資料。

2.3 自適應(yīng)切換操作

EPG 推薦系統(tǒng)的自適應(yīng)切換操作通過監(jiān)測手持設(shè)備的如下3 種網(wǎng)絡(luò)模式而實現(xiàn)：HOME、REMOTE、OFFLINE。這3種網(wǎng)絡(luò)模式分別代表著手持設(shè)備處于室內(nèi)、戶外及沒有EPG 服務(wù)器可用的3種狀態(tài)。見圖1，當(dāng)用戶通過其手持設(shè)備的人機界面請求電子節(jié)目表單時，EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架的運行步驟如下：

（1）EPG 查詢接口模塊獲取手持設(shè)備當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，進(jìn)而決定采用何種推薦模式。如果在HOME 狀態(tài)中，手持設(shè)備向服務(wù)器端的消息模塊發(fā)送EPG 查詢字符串及手持設(shè)備端的用戶歸檔資料，并等待返回的EPG 查詢結(jié)果。

（2）EPG 服務(wù)器收到查詢消息，并且服務(wù)器端的用戶歸檔資料同手持設(shè)備端的同步更新后，全功能EPG 推薦模塊向消息模塊返回推薦結(jié)果。

（3）手持設(shè)備端的消息模塊從EPG 服務(wù)器端收到推薦結(jié)果并將其直接遞交至用戶界面模塊，后者將結(jié)果展示給用戶。

（4）如果在指定的時間內(nèi)消息模塊沒有收到服務(wù)器端的推薦結(jié)果，則網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)入至LINK＿UNSTABLE 狀態(tài)（這種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)主可能是由網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、干擾等因素造成的）。在這種狀態(tài)時，EPG服務(wù)器只是處于臨時不可用狀態(tài)。所以，手持設(shè)備將通過用簡單的戶歸檔資料來使用內(nèi)置的EPG 推薦系統(tǒng)，以此來完成所用戶指派的推薦任務(wù)。在這種方式下，實現(xiàn)了HOME到REMOTE狀態(tài)的自適應(yīng)切換。

（5）如果手持設(shè)備處于REMOTE 狀態(tài)，則用戶指派的查詢消息將直接交付給內(nèi)置的EPG 推薦模塊，同時手持設(shè)備中的用戶歸檔資料記錄用戶觀看電視的活動與行為。一旦EPG服務(wù)器處于可用狀態(tài)（如用戶進(jìn)入室內(nèi)，手持設(shè)備處于HOME狀態(tài)），用戶歸檔資料將與EPG 服務(wù)器端進(jìn)行同步。從REMOTE到HOME 狀態(tài)的自適應(yīng)切換僅發(fā)生在下一次EPG查詢時。這些自適應(yīng)切換對于用戶而言是透明的。

2.4 原型系統(tǒng)

由于實驗條件所限，所實現(xiàn)原型系統(tǒng)采用JDK1.6，eclipse開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用UDP 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以此來簡化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

由于手持設(shè)備的應(yīng)用程序可以運行于任何具有IP地址的設(shè)備（包括PDA、3G 手機、平板電腦）之上，因此我們使用Android來模擬移動設(shè)備，而使用PC 機來模擬EPG 服務(wù)器。同時，實現(xiàn)了EPG 推薦系統(tǒng)在HOME與REMOTE狀態(tài)的自適應(yīng)切換。該切換對于用戶而言是透明存在的。用戶無需干預(yù)。對于普通家庭而言，手持設(shè)備的數(shù)量往往為若干個。對此，我們主要監(jiān)測兩方面情況：手持設(shè)備的狀態(tài)（HOME、REMOTE、OFFLINE）及手持設(shè)備與EPG 服務(wù)器之間的鏈接狀態(tài)（NORMAL、LINK＿UNSTABLE、SRV＿UNAVAILABLE）。后者描述如下：

（1）NORMAL：當(dāng)EPG 查詢請求被發(fā)送至服務(wù)器時，手持設(shè)備收到了一個完整的XML格式的響應(yīng)消息。

（2）LINK＿UNSTABLE：當(dāng)EPG 查詢請求被發(fā)送至服務(wù)時，手持設(shè)備收到了一個不完整的XML格式的響應(yīng)消費。引起這一原因的可能是網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或存緩設(shè)置過小。

（3）SRV ＿UNAVAILABLE：對于手持設(shè)備而言，EPG 服務(wù)器不可達(dá)，這主要是通過等待響應(yīng)消息超時來判斷的。

網(wǎng)絡(luò)鏈接狀態(tài)LINK ＿UNSTABLE 或SRV ＿UNAVAILABLE造成手持設(shè)備從全功能EPG 推薦模式遷移到移動EPG 推薦模式。

推薦引擎采用了最大熵分類器算法，該部分工作描述于之前的工作［6］中。手持設(shè)備端EPG 查詢接口模塊及消息模塊均在的Android系統(tǒng)之上實現(xiàn)，如圖4所示。根據(jù)手持設(shè)備的狀態(tài)，EPG 查詢接口將用戶的查詢請求發(fā)送至內(nèi)置的EPG 推薦模塊或家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。消息模塊負(fù)責(zé)處理消息的發(fā)送與接收，并在網(wǎng)絡(luò)不可用時處理處理超時情況。為了模擬網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定狀態(tài)，在家庭網(wǎng)絡(luò)EPG 服務(wù)器端，對產(chǎn)生的響應(yīng)采用隨機部分丟棄及全部丟棄處理。最后，在我們的原型系統(tǒng)中還實現(xiàn)了ESG 解析器與DVB－H的EPG 代理，IPG 解析器與IPTV 代理這兩者，以此來支持兩種不同的環(huán)境。

圖4 Android平臺移動EPG 應(yīng)用程序界面

在家庭網(wǎng)絡(luò)的EPG 服務(wù)器端，消息模塊作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程。當(dāng)其接收到遠(yuǎn)程手持設(shè)備的EPG 查詢消息時，消息模塊轉(zhuǎn)發(fā)查詢請求到全功能EPG 推薦模塊。手持設(shè)備與EPG 服務(wù)器的兩個消息模塊在自適應(yīng)切換過程中起著重要的作用。不管是針對手持設(shè)備還是服務(wù)器，通過這種方式來實現(xiàn)推薦系統(tǒng)均是完全獨立于框架模型。

在家庭網(wǎng)絡(luò)的EPG 服務(wù)器端，消息模塊作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程。當(dāng)其接收到遠(yuǎn)程手持設(shè)備的EPG 查詢消息時，消息模塊轉(zhuǎn)發(fā)查詢請求到全功能EPG 推薦模塊。手持設(shè)備與EPG 服務(wù)器的兩個消息模塊在自適應(yīng)切換過程中起著重要的作用。不管是針對手持設(shè)備還是服務(wù)器，通過這種方式來實現(xiàn)推薦系統(tǒng)均是完全獨立于框架模型。

EPG 服務(wù)的自適應(yīng)切換操作通過兩種機制來保證：超時時間及UDP消息緩存大小的選擇。超時時間主要用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)返回消息，并觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)遷移至SRV ＿UNAVAILABLE 狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到EPG 服務(wù)從服務(wù)器端轉(zhuǎn)至手持設(shè)備端，手持設(shè)備端實現(xiàn)了對實驗參數(shù)的配置，如圖5所示。經(jīng)過多次測試，當(dāng)選擇超時時間為0.5s，用戶體驗較好，基本感覺不到延遲。UDP 消息緩存定義了一個完整消息的最大長度。緩存大小根據(jù)實驗中的EPG 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了調(diào)整，使其可以處理絕大部分推薦任務(wù)而無需進(jìn)行EPG服務(wù)的切換。

圖5 Android平臺移動EPG 配置界面

最后，為了支持手持設(shè)備環(huán)境與服務(wù)器環(huán)境，在我們的原型系統(tǒng)中ESG 解析器與DVB－H 的EPG 代理和IPG 解析器與IPTV 代理均被實現(xiàn)。

EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架的原型系統(tǒng)在局域網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行了測試并進(jìn)行了驗證。為了模擬真實的無線網(wǎng)絡(luò)并測試EPG 推薦系統(tǒng)的自適應(yīng)切換，EPG 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)端口被設(shè)計成隨機的打開及關(guān)閉。通過這種方式來模擬無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性及從戶外到室內(nèi)的狀態(tài)切換。同時手持設(shè)備端每隔一段時間就發(fā)送EPG 查詢請求到EPG 服務(wù)器端。通過我們的測試，我們發(fā)現(xiàn)0.5s是較優(yōu)的超時時間閾值。當(dāng)超時時間大于0.5s時用戶將會顯示感受到延時或切換；當(dāng)超時時間小于0.5s時，由于網(wǎng)絡(luò)延遲將造成始終使用內(nèi)置的推薦引擎。

3 結(jié)束語

本文所提出的EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架使得EPG 推薦系統(tǒng)可根據(jù)不同的軟硬件條件與資源進(jìn)行配置。該框架也適用于運行在手持設(shè)備上的獨立EPG 推薦系統(tǒng)及全功能的EPG 系統(tǒng)中。當(dāng)用戶從戶外進(jìn)入家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中時或外出時，EPG 推薦任務(wù)可以透明的自適應(yīng)于這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化。

本文所實現(xiàn)的原型系統(tǒng)證明了EPG 推薦系統(tǒng)自適應(yīng)框架的網(wǎng)絡(luò)可行性。為了保證推薦任務(wù)通過無縫自適應(yīng)遷移，EPG 推薦服務(wù)采用如下兩種機制：選擇超時時間和UDP消息緩存大小。超時時間用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)返回消息并觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)入SRV＿UNAVAILABLE，進(jìn)而使得EPG 推薦服務(wù)從家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端遷移至手持設(shè)備端?？紤]到用戶使用體驗，選擇超時時間為0.5s。UDP消息緩存大小定義了完整消息的最大長度。在具體的傳輸過程中，采用分頁傳輸機制，可以處理絕大部分推薦任務(wù)而無需轉(zhuǎn)換EPG 推薦模式。

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