无线网络中视频跨层传输关键技术研究

发布时间：2020-08-06 11:17

【摘要】：在无线网络中,终端的移动、接入用户数的变化、周围环境的干扰都会造成无线带宽动态变化,影响端到端的传输性能。在传统的网络标准的分层式结构中,每个子层都有自己的特定的目标,相邻层之间通过相应的接口传递数据,完成端到端的通信过程。这种层次化结构具有很强的扩展性,易于进行标准化。但是,互联网流媒体业务(包括视频、音频、游戏等)的发展日新月异,呈现出明显的区别。传统网络层次化的特征限制了信息的共享,无法灵活地适应无线环境的变化,以达到网络的最优资源利用率和满足不同用户业务的QOS需求。于是研究者提出了跨层传输的概念,突破了层次化设计的束缚,增强了无线网络的传输性能。目前,在众多的无线跨层优化的学术研究中,多媒体视频业务的无线跨层传输优化占据了重要的位置,是学术研究的热点。其研究的目标主要是根据视频编解码以及业务特性,在无线网络中采用跨层机制优化视频的传输质量。动态自适应视频流技术(Dynamic adaptive streaming over HTTP, DASH),自由视频视频(Free Viewpoint Video, FVV)等都是新兴的视频传输技术,众多的研究者都在考虑针对新型的视频业务,如何通过跨层优化的方式提高视频的传输质量。无线网络的带宽变化频繁可能会导致无线节点的缓冲区数据急剧增加,缓冲区的溢出则可能会造成视频关键数据的丢失而严重影响视频的传输质量,因此在缓冲区的主动队列管理机制中考虑无线带宽的变化和视频数据的特征能够有效地提高视频的传输质量；虚拟视角的合成是增强3D视频用户体验的有效方法,在客户端合成虚拟视角视频会增加无线传输带宽的需求,在云服务器端合成虚拟视角视频需要对视频进行实时压缩,消耗云资源。因此设计合理的虚拟视角合成方案能提高传输的整体性能；根据网络的带宽调整视频码率可以提高视频传输效果,但是在多用户场景下,带宽分配不合理会严重影响视频的传输质量和公平性；针对新型视频业务的特征,考虑如何分配无线资源提高系统整体传输性能有着重要的作用。本文围绕无线网络中多媒体视频业务的跨层传输优化进行了深入研究,得出了如下研究成果：1.考虑了在无线宽带接入网中优化基于分层编码的动态自适应视频流传输性能。首先,现有的分层编码视频与动态自适应流之间的层次映射算法并不够灵活,也没有考虑到端到端的吞吐量和通信开销。因此,设计了一个分层映射算法,使得分层编码视频和动态自适应视频之间的分层映射更加灵活,不仅满足分层码率的需求,还能增强端到端的吞吐量和减少通信额外开销。其次,提出了对基于分层编码的动态自适应视频流友好的调度和资源分配算法,它结合了视频的码率失真特征,无线信道状况和终端用户缓冲区等信息,通过跨层的方式得到更加合理的无线资源分配结果,以改善网络的服务质量。本优化问题是二进制整数规划问题,并用次梯度的方法解决。最后,动态自适应流码率的频繁变化会严重影响用户的观看体验,提出了基于代理的码率决策算法,在播放质量和稳定性之间找到最佳的平衡点,优化用户的观看体验。2.在无线环境下,网络的带宽变化频繁、误码率较高,这些对视频的传输都是重大的挑战。为了减少视频带宽的频繁变化对视频传输的影响,提出了基于跨层方式的主动队列管理机制——上下文感知的自适应主动队列管理机制(context-aware adaptive active queue management, CAAQM)。它能够根据视频压缩的特征信息和无线网络带宽的变化,在网络拥塞的情况下主动地丢弃部分不重要的视频分组来保证关键视频分组的传输,提升了视频的传输质量。与现有的主动队列管理机制相比,所提方法不仅考虑了队列的长度,还考虑了无线接入速率的变化,更加灵活地适应无线网络的变化。3.交互式多视角视频流能够提供立体观感,它允许用户周期性地切换观看角度,带来全方位“浸入式”体验。用户体验通过虚拟视角合成技术进一步增强用户体验,但是需要较高的传输带宽。动态自适应流技术(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP, DASH)是一种根据网络的带宽变化动态地调整视频码率的新技术。提出了一种基于DASH的交互式多视角视频流改进模型,它采用分层编码方式存储和传输视频。为了进一步减少视频业务对带宽的需求,提出了自适应虚拟视角合成方法,它根据网络的状况或者云计算的代价决定由基于云的服务器或者由客户端合成虚拟视角。4.在无线环境下,为了向多个同时观看基于DASH的交互式多视角视频用户提供优质的服务,提出了一种跨层调度策略和无线资源分配算法,它结合了视频的码率失真特性、云计算代价和无线信道情况,通过跨层的方式计算出优化的应用层码率请求和无线资源分配决策,以改善网络的服务质量和减少云服务器合成虚拟视角的代价。本优化问题被归纳为多选择背包问题,以证明其NP难性质。为了减少算法计算复杂度,用贪婪算法解决此问题。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN919.8
【图文】：

模式图,管理者,模式,协议层

无线跨层的目标是为了提高网络的服务质量，增强用户体验。针对单个节点从逡逑协议层架构上来说，如图（１－３）邋－邋（１－４）所示，跨居优化可分为管理者模式和非逡逑管理者模式Ｗ。逡逑，，厂｜夺＾朗盾逦１逡逑广逡逑

模式图,模式,管理者,协议层

码率,框架,媒体

何重点保护视频的关键数据，下面详细介绍ＤＡＳＨ视频跨层传输。逡逑随着ＤＡＳＨ业务的兴起，学术领域展开了大量的关于ＨＴＴＰ／ＴＣＰ视频流传输的研逡逑究。如图２．２（ａ）所示，在服务器端，需要将原始视频内容编码成不同质量级别，然后逡逑把编码后的内容分成不同的时间段，同时生成媒体表不描述文件（ＭｅｄｉａＰｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ逡逑Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ，ＭＰＤ）。ＭＰＤ文件描述各媒体分段的请求地址和基本信息。客户端通逡逑过＾＾１７口０６了请求获取］＼１？０文件和媒体段内容。如图２．２炸）所示，客户端可１＾１根据估逡逑计的网络带宽调整请求的码率值，并将媒体段放入缓冲区中等待播放。ＤＡＳＨ的性逡逑１２逡逑

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