移动视频中协同分发和性能优化方法的研究

发布时间：2020-09-07 20:50

　　 随着信息通信的全球化和日常化,视频业务深入现代社会的各个方面。它日趋普及以至于成为许多企业单位的经济活动和人民群众的日常生活中的必需品。由于无线网络覆盖了人类活动集中的绝大部分区域,而视频服务的消费者又大多非常忙碌,移动视频服务在这样的社会环境中获得了大众的青睐。这样广泛的应用与需求使得研究优化移动视频传输服务的效果、效率、质量和吞吐量有重大的意义。然而,繁荣发展的移动视频服务走在了此领域的学术研究前面,以致许多研究问题仍有待解决。移动设备和无线通信技术的发展使得越来越多的人选择移动视频服务,而多个移动视频的消费者在现实环境中位置邻近的情况时有发生。然而,由于蜂窝网络资源有限,这些用户对网络资源的竞争会导致每个人的可用带宽都供不应求,每个人只能享受最基础的视频体验。本论文尝试将这种无线通信困境转化为协同视频分发思路的起点,并设计了有针对性的合作传输机制。该机制在保留每台移动设备蜂窝网络连接的同时,用本地WiFi将所有移动设备联合到一起。通过聚合群组用户的蜂窝网络资源,该机制使得所有用户都能享受到一致的高规格的视频体验,并有更强的能力抵抗无线网络的波动环境,提升了视频服务的稳定性。在本地广播分享中,该机制可以高效地调度网络资源并分配下载任务,从而减少了组内资源竞争和无线碰撞现象。这样的协同视频传输方案应当具备以下三个特征:(1)移动视频服务有许多子类别,要求的优化目标各不相同,因此这样的合作机制应当灵活自适应于各种移动视频服务;(2)它应当能够同时利用多个移动设备的多个网络通信模块,做到有序、高效的网络传输,即设计一个对资源有全面利用能力的理论框架存在一定的难度;(3)描述协同群组视频传输的数学问题由于输入变量和限制约束条件极多,通常都难有理论上的解析解,或者在短时间内无法求出以至于不能应用在实际的线上视频服务中。因此传输方案的使用价值最终取决于是否能够设计一个高效且能达到近似最优解的解决方案。本论文提出了一条具备上述三方面优势的自适应的协同视频传输优化思路,并将其应用于点播视频服务、实时视频服务和360度全景视频服务这三个典型的移动视频服务中。本论文的主要研究内容和创新点归纳如下:1、第三章针对移动点播视频服务提出并实现了一个名为GDASH(Green Cooperative Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)的节能协同分发机制。点播视频服务中的基于HTTP的动态自适应码流(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP,DASH)经常被用于影视播放与网络视频课程的观看等需要高清晰度和流畅性的视频播放场景中。因此在为DASH设计的传输机制中,视频质量为第一考虑要素,而智能手机能源消耗仅排第二。从这样的传输目标出发,第三章提出了一个名为GDASH(Green Cooperative DASH)的协同分发数据传输框架,并设计了针对点播视频的群组用户协同优化问题。该优化问题按照用户的需求,利用个性化权重,定义了综合考虑视频质量与能源消耗这两个要素的目标函数。第三章利用该目标函数的数学特性对这一约束最大化问题进行了理论求解。在实践中,这一优化问题的解被提炼为群组用户设备间通信(Device-to-Device,D2D)机制中的设计核心,由此设计出的机制能够在不降低视频观看体验水平的前提下,通过用户间的合作提高视频数据的吞吐量并降低群组能源的消耗。为了检验该设计的实际应用效果,第三章在Android平台上实现了本章提出的GDASH方案,并证实了在视频质量保持不变的情况下,智能手机参与合作机制平均可节省17%的能量消耗。2、第四章针对移动实时视频服务提出并实现了一个名为DCSHN(Delay-Constrained Streaming in Hybrid Networks)的即时协同分发机制。实时视频是互动式移动视频服务的常用视频类型,也是紧急情况与自然灾害发生时传递政府信息的重要手段。在这两个用途中,实时视频的平均传输时延是优化实时视频服务质量时最重要的衡量标准。然而当许多个同一实时视频的用户集中于同一地点时,由于他们各自的移动设备都尽力占有网络资源来缩短时延,网络拥塞时有发生。针对这样的场景,第四章探讨了在用户之间建立群组并促进协同传输的可能性,并提出了一个名为DCSHN(Delay-Constrained Streaming in Hybrid Networks)的即时协同分发机制。该章将排队论应用于群组用户的协同视频传输情景,并对混合网络中的数据传输时延、有效吞吐量(Goodput)进行建模。通过对这一模型中的约束最大化问题进行数学分析,该章证明了理论最优解的存在性及使用梯度下降法求解的合理性。从这样的理论基础出发,第四章设计了一个力图减少整体网络传输时延、提高群组传输效率的协同分发机制。这个机制为了保证在线视频传输的时效性,采用了视频数据流调度机制,使得该方案能够在最短的时间内求得优化问题的近似最优解。为了检验该设计在实时视频服务中的实际效果,第四章在Android平台上组建本地单跳的Ad Hoc模式WiFi网络并使用监听(Overhearing)技术实现了本章提出的DCSHN方案,并用实验结果证明了该方案在提高视频质量峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR),降低丢包概率,增加有效吞吐量等方面都有明显优于非合作机制的表现。3、第五章针对移动360度全景视频服务提出了一个名为CoPano(Cooperative Panoramic Video)的个性协同分发机制。高质量360度全景视频是视频产业中的后起之秀,而为智能手机设计的现有移动传输方案无法支撑传输一个高质量全景视频的全部文件所需的带宽与吞吐量。当多个用户集中于同一地点各自在智能手机上观看全景视频时,各个移动设备对有限带宽资源的争夺造成了更加尖锐的传输冲突,从而加剧了本就存在波动的无线网络的不稳定性。第五章提出了一个用于传输基于瓦片(Tile)分割的、使用可扩展视频编码(Scalable Video Coding,SVC)的360度全景视频的协同分发方案,名为CoPano(Cooperative Panoramic Video),以最大化群组用户体验质量(Quality of Experience,QoE)。与该方案对应的优化问题要求机制基于各个用户的个性化需求,从视频文件的所有部分中寻找最优的下载与分享子集,来达到在带宽允许范围内最大化群组用户有效视频质量的目的。这一优化问题的数学表达为NP-hard,因此第五章提出了一个接近数学最优解的启发式方案。对优化问题的目标函数与约束条件的数学分析证明了理论最优解与实践方案之间的高度相似性。在这个启发式方案中,各个移动设备按照单机的视频观看状态对视频文件的各部分进行排序,再由方案将各用户的排序整合为群组级别的排序方案,命令组内用户据此进行有序的下载和分享。为了验证此方案的有效性,第五章在Android平台上实现了本章提出的CoPano方案,实验结果表明,此章提出的方案实际表现优于现有的其他方案。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5;TN919.8
【部分图文】：

ｆｏｒ邋Ｖｉｄｅｏ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋期刊上。）逡逑１．６论文的组织架构逡逑论文各部分的关系如图１－２所示，论文内容安排如下：逡逑第一章绪论逡逑１０逡逑

多个码率各不相同的视频版本。通常码率大的视频质量较好，但是显然这样的视频逡逑文件需要更大的网络带宽进行传输。由于该协议力图在波动的网络环境中优化视频逡逑观看体验，所以每个视频编码版本都被切分成许多个数秒一段的独立视频段，以保逡逑证视频质量适应网络状态的灵活性。与每一个视频版本对应的视频段统一资源定位逡逑符（Ｕｎｉｆｏｒｍ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋Ｌｏｃａｔｏｒ，邋ＵＲＬ）和视频元信息（包括时间范围、视频质量、数据逡逑量大小等）组成了一个播放清单，由客户端在载入视频时从服务器上获取。因此在网逡逑络资源允许的范围内，视频播放器可以分别选择每个视频段的码率，来分段优化视逡逑频质量。优化后的结果提供了下载任务的清单，在目标视频段已下载的前提下，用户逡逑可在视频播放过程中自由切换于不同的视频质量之间，如图２－１所示。另外，ＤＡＳＨ逡逑协议在其下层采用可靠传输的ＴＣＰ协议，所以这个协议对在传输过程中丢失的数据逡逑包都有重传措施来保证它们成功抵达客户端设备。客户端播放器缓冲区可以存储预逡逑先下载的视频内容，结合速率选择算法为客户端挑选了合适的视频版本，保证了下逡逑载进度超前于播放进度，防止了播放器卡顿。这样的设计在充分适应移动文件传输逡逑不可避免的不确定性的基础上，给予了消费者足够的选择空间，和尽量高的视频文逡逑件质量。逡逑

第二章协同传输系统在移动视频业务中的关键技术与段的码率，或者网络传输带宽有实时激增的趋势，用户则在下载下一视频求下载质量更高一级的片段版本。反之，若视频数据下载的速度低于已下一段视频片段的码率，意味着网络数据吞吐量下降，用户则在下载下一片下载质量更低一级的片段版本。第二，以视频播放器缓冲区余量为主要参ｆｅｒ－ｂａｓｅｄ邋（ＢＢ）方法与第一类选择算法类似，若播放器缓冲区数据充端则请求更高质量的视频片段，若缓冲区数据余量较少，则请求更低码率段以避免视频卡顿。第三，结合网络带宽吞吐量与视频播放器缓冲区余量方法。通过使用控制论［３，３４，４７，４８］或强化学习［７３＿７６］等思路综合运用前两种算所长。逡逑视频码率（输出）逡逑

本文编号：2813820