智能終端能耗優(yōu)化的自適應(yīng)流媒體分發(fā)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)流媒體傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種智能終端能耗優(yōu)化的自適應(yīng) 流媒體分發(fā)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視頻流流量預(yù)計(jì)在未來幾年占據(jù)全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的72 %。而基于HTTP的動(dòng)態(tài) 自適應(yīng)流媒體協(xié)議DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)因其適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變 化的能力成為移動(dòng)環(huán)境中目前流行的流媒體傳輸技術(shù)。DASH的原則是將一個(gè)視頻編碼為多 個(gè)不同的碼率，每個(gè)視頻流被切分為多個(gè)播放時(shí)長2-10秒的塊，存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)視頻服 務(wù)器上。每個(gè)視頻塊有獨(dú)立的URL，可以看作獨(dú)立的資源。視頻播放器基于網(wǎng)絡(luò)帶寬估計(jì)， 基于HTTP請求最佳的碼率。由于其緊隨網(wǎng)絡(luò)狀況變化的能力，DASH協(xié)議適合于快速變化 的無線環(huán)境。有效的自適應(yīng)流媒體傳輸機(jī)制對用戶體驗(yàn)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的性能都很重要。
[0003] 最近很多關(guān)于改善DASH性能的研究，主要關(guān)注用戶體驗(yàn)的三個(gè)方面：平均比特 率，卡頓，比特率切換。平均比特率反應(yīng)時(shí)間平均的視頻質(zhì)量，用戶可以通過選擇最佳的碼 率最大化視頻播放質(zhì)量；由于帶寬競爭和比特率選擇不合理，視頻播放過程中緩存耗盡，發(fā) 生卡頓。比特率切換嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)，比特率切換的頻次和幅度需要同時(shí)最小化。除上 述因素外，用戶間的公平性和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的帶寬利用率也是重點(diǎn)需要考慮的因素。Chen等人針 對蜂窩網(wǎng)提出了一個(gè)網(wǎng)關(guān)級的解決方案，將資源分配問題建模為最優(yōu)化用戶的效用問題， 并將碼率抖動(dòng)作為懲罰函數(shù)同時(shí)保證高資源利用率和用戶碼率的穩(wěn)定性，但未考慮設(shè)備的 能耗。
[0004] 為了優(yōu)化移動(dòng)環(huán)境下流媒體服務(wù)的能量消耗，Hoque等人對突發(fā)流的數(shù)據(jù)量和用 戶設(shè)備能量消耗的關(guān)系進(jìn)行了深入的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)分層的多媒體傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)基于 客戶端的TCP反饋信息決定突發(fā)流數(shù)據(jù)量。雖然保證了節(jié)約能耗，但碼率抖動(dòng)和多用戶的 服務(wù)質(zhì)量差別較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種智能終端能耗優(yōu)化的 自適應(yīng)流媒體分發(fā)方法，使用無線資源分塊技術(shù)將DASH數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)流中分割出來，調(diào)度 的對象只考慮DASH的流量；本發(fā)明針對移動(dòng)環(huán)境流媒體分發(fā)問題，基于鏈路狀況和用戶緩 存狀況，決定分配給用戶的資源塊數(shù)目，進(jìn)而影響碼率選擇，達(dá)到聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量、用 戶體驗(yàn)和設(shè)備能耗的效果。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種智能終端能耗優(yōu)化的自適應(yīng)流媒體分發(fā)方法，在網(wǎng)關(guān)處部署流媒體資源分發(fā) 器，定期收集用戶的緩存R 1 (t)、視頻播放比特率Γι (t)、用戶每個(gè)資源塊的傳輸能力C1 (t) 以及基站總的資源塊數(shù)S，在某一時(shí)隙，如果用戶的緩存R1 (t)小于預(yù)設(shè)下界，則將該用戶加 入用戶集，如果用戶的緩存R1U)大于預(yù)設(shè)上界，則將該用戶從用戶集刪除，在該時(shí)隙內(nèi)，視 頻服務(wù)器為用戶集中的用戶提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
[0008] 所述預(yù)設(shè)下界為，預(yù)設(shè)上界為Φ-1，其中，ξ是一個(gè)大于1的數(shù)，保證 視頻的流暢播放，f表示每個(gè)視頻塊的時(shí)間長度，Φ表示懲罰參數(shù)，Φ-1是懲罰函數(shù)的閾 值，S表示前20個(gè)時(shí)隙的平均吞吐量。
[0009] 所述流媒體資源分發(fā)器包括：
[0010] 請求包檢測器，用于獲取用戶的緩存R1 (t)、視頻播放比特率Γι (t)以及用戶每個(gè) 資源塊的傳輸能力C1 (t);
[0011] 響應(yīng)包檢測器，用于獲取基站總的資源塊數(shù)S ;
[0012] 調(diào)度器，用于運(yùn)行資源分配算法，確定給各個(gè)用戶的資源分配；
[0013] 流量控制器，根據(jù)調(diào)度器的資源分配控制用戶的帶寬，并將視頻塊聚合成突發(fā)流 進(jìn)行傳輸，下發(fā)給用戶。
[0014] 所述資源分配算法執(zhí)行步驟如下：
[0015] 步驟一，在時(shí)隙t時(shí)，收集各個(gè)用戶的緩存R1 (t)、視頻播放比特率& (t)、以及每個(gè) 資源塊的傳輸能力C1 (t);
[0016] 步驟二，初始化，X1 (t)記錄流媒體資源分發(fā)器在時(shí)隙t時(shí)分配給用戶i的資源塊 數(shù)，Xl(t) =0，i = 1，2，···，Ν，N為用戶總量；K(t)為記錄本時(shí)隙服務(wù)的用戶集，流媒體資 源分發(fā)器給用戶集內(nèi)的用戶分配資源；
[0017] 步驟三，從第1個(gè)用戶循環(huán)到第N個(gè)用戶，根據(jù)R1 (t)將用戶加入或者刪除用戶集：
[0018] (a)如果將用戶i加入用戶集，更新K(t);
[0019] (b)如果R1U)彡（Φ-1)，將用戶i從用戶集刪除，，更新K(t);
[0020] 步驟四，循環(huán)用戶集K(t)中的用戶j，給每個(gè)用戶j分配資源塊X](t):
[0022] 步驟五，根據(jù)分配的資源塊X] (t)進(jìn)行資源分配；
[0023] 步驟六，根據(jù)分配的資源塊X]⑴和碼率r]⑴計(jì)算t+Ι時(shí)隙的緩存R, (t+Ι);
[0024] 步驟七，進(jìn)入下一時(shí)隙，開始執(zhí)行新一輪的算法。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明考慮能耗優(yōu)化的流媒體分發(fā)方法，利用分發(fā)器根據(jù)用戶 緩存狀況和比特率分發(fā)資源，聯(lián)合優(yōu)化了用戶體驗(yàn)和能量消耗。本發(fā)明設(shè)計(jì)了效用函數(shù)計(jì) 算單位能耗的用戶效用，包括視頻清晰度和用戶體驗(yàn)的懲罰，實(shí)現(xiàn)多用戶間的比例公平和 流暢播放；把最優(yōu)化用戶效用問題建模為非線性整數(shù)規(guī)劃問題，給出了高效的在線分配算 法?；谛诺蕾|(zhì)量和用戶設(shè)備的緩存狀況，執(zhí)行在線算法分配資源給用戶。通過資源分配 影響用戶的比特率選擇，最終實(shí)現(xiàn)多用戶情況下有效的視頻傳輸。
【附圖說明】
[0026] 圖1是4G環(huán)境下自適應(yīng)流媒體資源分發(fā)器的部署示意圖。
[0027] 圖2是用戶設(shè)備的緩存狀況與用戶體驗(yàn)的懲罰函數(shù)關(guān)系圖。
[0028] 圖3是LTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無線接口狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0030] 本發(fā)明自適應(yīng)流媒體分發(fā)方法可應(yīng)用于4G環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)用戶觀看體驗(yàn)和設(shè)備能 耗的聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明使用無線資源分塊技術(shù)將DASH數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)流中分割出來，調(diào)度的 對象只考慮DASH的流量。
[0031] 首先，在網(wǎng)關(guān)處，即服務(wù)器和基站間部署流媒體資源分發(fā)器，具體部署情況見圖1。 本發(fā)明的流媒體資源分發(fā)器主要由4個(gè)核心部件組成，分別為請求包檢測器，響應(yīng)包檢測 器，調(diào)度器和流量控制器。
[0032] 請求包檢測器和響應(yīng)包檢測器用來監(jiān)聽信號強(qiáng)度變化、緩存狀況和客戶端的其他 相關(guān)信息。由于DASH是基于HTTP的協(xié)議，上述信息都可以通過深度包檢測來獲取。在調(diào) 度器處部署資源分配算法，根據(jù)獲取到的信號強(qiáng)度和緩存狀況執(zhí)行算法，優(yōu)化DASH用戶的 體驗(yàn)。資源分配決定用戶的吞吐量，進(jìn)而影響比特率選擇。另外，流量控制器根據(jù)調(diào)度器的 資源分配控制用戶的帶寬，并將視頻塊聚合成突發(fā)流進(jìn)行傳輸，不斷下發(fā)給用戶。
[0033] 本發(fā)明基于的原理可通過如下模型進(jìn)行說明。
[0034] 模型1 (傳輸模型）：流媒體資源分發(fā)器以時(shí)隙為周期執(zhí)行資源分配算法，每個(gè)時(shí) 隙持續(xù)時(shí)間為τ秒。由于服務(wù)能力有限，一個(gè)LTE基站不能同時(shí)服務(wù)過多的用戶。S表示 每個(gè)時(shí)隙一個(gè)基站最多可以分配的資源塊數(shù)，假設(shè)在一個(gè)相對長的時(shí)間內(nèi)有N個(gè)活躍的用 戶，分發(fā)器需要將S個(gè)資源塊分配給N個(gè)用戶。一個(gè)DASH視頻被編碼為不同的碼率集，比 如，{0. 1，0. 25,0. 5，l，2,3}Mbps。用戶請求一個(gè)新的視頻塊時(shí)基于各自的吞吐量選擇一個(gè) 合適的碼率。下面介紹流媒體傳輸過程的基本模型。
[0035] 在LTE網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)資源塊代表帶寬分配的基本單元，傳輸能力由調(diào)制方式和信 道編碼方式?jīng)Q定。用戶的移動(dòng)規(guī)律以及距基站的距離不同，鏈路質(zhì)量不同，基站采用不同的 調(diào)制編碼方式保證用戶需要的信噪比。C 1 (t)表示用戶i在時(shí)隙t的每個(gè)資源塊傳輸能力， 代表每資源塊可以傳送給用戶的數(shù)據(jù)量。假設(shè)分發(fā)器在時(shí)隙t分配給用戶i共X 1 (t)個(gè)資 源塊，用戶i的吞吐量為bjt) = Xl(t) · Cl(t)/T。基站分配給每個(gè)用戶的資源塊數(shù)需要 滿足傳輸能力的限制：
[0036] 模型2(用戶體驗(yàn)?zāi)Ｐ停簽榱撕饬緿ASH用戶的用戶體驗(yàn)，引入視頻質(zhì)量仏(〇來 量化。視頻質(zhì)量是用戶觀看視頻碼率的對數(shù)函數(shù)=Q1U) = log(ri(t))，ri(t)表示用戶i 在時(shí)隙t的碼率。使用對數(shù)函數(shù)作為效用函數(shù)保證多用戶間的比例公平。另外，緩存中的 數(shù)據(jù)量對于用戶體驗(yàn)有重要影響，緩存為空時(shí)視頻卡頓。但是，過度預(yù)取視頻會(huì)因?yàn)橛脩敉?出和跳轉(zhuǎn)造成流量和能量的浪費(fèi)。
[0037] 為了量化DASH緩存狀況的影響，引入了懲罰函數(shù)I1⑴。DASH的緩存管理機(jī)制決 定了需要用緩存視頻的時(shí)間長度來描述緩存狀況。每個(gè)視頻塊有固定的時(shí)間長度，只有全 部加載完成后才能開始播放，未下載完成的塊保存在臨時(shí)緩存中。假設(shè)用戶每個(gè)時(shí)隙最多 接收一個(gè)視頻塊，數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，首先存儲(chǔ)在臨時(shí)緩存中。若臨時(shí)緩存中加載完一個(gè)完整的視 頻塊，該視頻塊將被移入緩存中，緩存內(nèi)視頻的時(shí)間長度增加一個(gè)視頻塊的時(shí)長，同時(shí)需要 重置臨時(shí)緩存的剩余時(shí)間。引入C 1U)表示臨時(shí)緩存中未完成塊的時(shí)間