發(fā)布時(shí)間：2020-09-07 20:50

　　 隨著信息通信的全球化和日�；�,視頻業(yè)務(wù)深入現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面。它日趨普及以至于成為許多企業(yè)單位的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人民群眾的日常生活中的必需品。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋了人類活動(dòng)集中的絕大部分區(qū)域,而視頻服務(wù)的消費(fèi)者又大多非常忙碌,移動(dòng)視頻服務(wù)在這樣的社會(huì)環(huán)境中獲得了大眾的青睞。這樣廣泛的應(yīng)用與需求使得研究?jī)?yōu)化移動(dòng)視頻傳輸服務(wù)的效果、效率、質(zhì)量和吞吐量有重大的意義。然而,繁榮發(fā)展的移動(dòng)視頻服務(wù)走在了此領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究前面,以致許多研究問(wèn)題仍有待解決。移動(dòng)設(shè)備和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展使得越來(lái)越多的人選擇移動(dòng)視頻服務(wù),而多個(gè)移動(dòng)視頻的消費(fèi)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中位置鄰近的情況時(shí)有發(fā)生。然而,由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源有限,這些用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致每個(gè)人的可用帶寬都供不應(yīng)求,每個(gè)人只能享受最基礎(chǔ)的視頻體驗(yàn)。本論文嘗試將這種無(wú)線通信困境轉(zhuǎn)化為協(xié)同視頻分發(fā)思路的起點(diǎn),并設(shè)計(jì)了有針對(duì)性的合作傳輸機(jī)制。該機(jī)制在保留每臺(tái)移動(dòng)設(shè)備蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接的同時(shí),用本地WiFi將所有移動(dòng)設(shè)備聯(lián)合到一起。通過(guò)聚合群組用戶的蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源,該機(jī)制使得所有用戶都能享受到一致的高規(guī)格的視頻體驗(yàn),并有更強(qiáng)的能力抵抗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)環(huán)境,提升了視頻服務(wù)的穩(wěn)定性。在本地廣播分享中,該機(jī)制可以高效地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源并分配下載任務(wù),從而減少了組內(nèi)資源競(jìng)爭(zhēng)和無(wú)線碰撞現(xiàn)象。這樣的協(xié)同視頻傳輸方案應(yīng)當(dāng)具備以下三個(gè)特征:(1)移動(dòng)視頻服務(wù)有許多子類別,要求的優(yōu)化目標(biāo)各不相同,因此這樣的合作機(jī)制應(yīng)當(dāng)靈活自適應(yīng)于各種移動(dòng)視頻服務(wù);(2)它應(yīng)當(dāng)能夠同時(shí)利用多個(gè)移動(dòng)設(shè)備的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信模塊,做到有序、高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸,即設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)資源有全面利用能力的理論框架存在一定的難度;(3)描述協(xié)同群組視頻傳輸?shù)臄?shù)學(xué)問(wèn)題由于輸入變量和限制約束條件極多,通常都難有理論上的解析解,或者在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法求出以至于不能應(yīng)用在實(shí)際的線上視頻服務(wù)中。因此傳輸方案的使用價(jià)值最終取決于是否能夠設(shè)計(jì)一個(gè)高效且能達(dá)到近似最優(yōu)解的解決方案。本論文提出了一條具備上述三方面優(yōu)勢(shì)的自適應(yīng)的協(xié)同視頻傳輸優(yōu)化思路,并將其應(yīng)用于點(diǎn)播視頻服務(wù)、實(shí)時(shí)視頻服務(wù)和360度全景視頻服務(wù)這三個(gè)典型的移動(dòng)視頻服務(wù)中。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:1、第三章針對(duì)移動(dòng)點(diǎn)播視頻服務(wù)提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)名為GDASH(Green Cooperative Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)的節(jié)能協(xié)同分發(fā)機(jī)制。點(diǎn)播視頻服務(wù)中的基于HTTP的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)碼流(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP,DASH)經(jīng)常被用于影視播放與網(wǎng)絡(luò)視頻課程的觀看等需要高清晰度和流暢性的視頻播放場(chǎng)景中。因此在為DASH設(shè)計(jì)的傳輸機(jī)制中,視頻質(zhì)量為第一考慮要素,而智能手機(jī)能源消耗僅排第二。從這樣的傳輸目標(biāo)出發(fā),第三章提出了一個(gè)名為GDASH(Green Cooperative DASH)的協(xié)同分發(fā)數(shù)據(jù)傳輸框架,并設(shè)計(jì)了針對(duì)點(diǎn)播視頻的群組用戶協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題。該優(yōu)化問(wèn)題按照用戶的需求,利用個(gè)性化權(quán)重,定義了綜合考慮視頻質(zhì)量與能源消耗這兩個(gè)要素的目標(biāo)函數(shù)。第三章利用該目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)特性對(duì)這一約束最大化問(wèn)題進(jìn)行了理論求解。在實(shí)踐中,這一優(yōu)化問(wèn)題的解被提煉為群組用戶設(shè)備間通信(Device-to-Device,D2D)機(jī)制中的設(shè)計(jì)核心,由此設(shè)計(jì)出的機(jī)制能夠在不降低視頻觀看體驗(yàn)水平的前提下,通過(guò)用戶間的合作提高視頻數(shù)據(jù)的吞吐量并降低群組能源的消耗。為了檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果,第三章在Android平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了本章提出的GDASH方案,并證實(shí)了在視頻質(zhì)量保持不變的情況下,智能手機(jī)參與合作機(jī)制平均可節(jié)省17%的能量消耗。2、第四章針對(duì)移動(dòng)實(shí)時(shí)視頻服務(wù)提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)名為DCSHN(Delay-Constrained Streaming in Hybrid Networks)的即時(shí)協(xié)同分發(fā)機(jī)制。實(shí)時(shí)視頻是互動(dòng)式移動(dòng)視頻服務(wù)的常用視頻類型,也是緊急情況與自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)傳遞政府信息的重要手段。在這兩個(gè)用途中,實(shí)時(shí)視頻的平均傳輸時(shí)延是優(yōu)化實(shí)時(shí)視頻服務(wù)質(zhì)量時(shí)最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。然而當(dāng)許多個(gè)同一實(shí)時(shí)視頻的用戶集中于同一地點(diǎn)時(shí),由于他們各自的移動(dòng)設(shè)備都盡力占有網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)縮短時(shí)延,網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這樣的場(chǎng)景,第四章探討了在用戶之間建立群組并促進(jìn)協(xié)同傳輸?shù)目赡苄?并提出了一個(gè)名為DCSHN(Delay-Constrained Streaming in Hybrid Networks)的即時(shí)協(xié)同分發(fā)機(jī)制。該章將排隊(duì)論應(yīng)用于群組用戶的協(xié)同視頻傳輸情景,并對(duì)混合網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、有效吞吐量(Goodput)進(jìn)行建模。通過(guò)對(duì)這一模型中的約束最大化問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,該章證明了理論最優(yōu)解的存在性及使用梯度下降法求解的合理性。從這樣的理論基礎(chǔ)出發(fā),第四章設(shè)計(jì)了一個(gè)力圖減少整體網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、提高群組傳輸效率的協(xié)同分發(fā)機(jī)制。這個(gè)機(jī)制為了保證在線視頻傳輸?shù)臅r(shí)效性,采用了視頻數(shù)據(jù)流調(diào)度機(jī)制,使得該方案能夠在最短的時(shí)間內(nèi)求得優(yōu)化問(wèn)題的近似最優(yōu)解。為了檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)視頻服務(wù)中的實(shí)際效果,第四章在Android平臺(tái)上組建本地單跳的Ad Hoc模式WiFi網(wǎng)絡(luò)并使用監(jiān)聽(tīng)(Overhearing)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本章提出的DCSHN方案,并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案在提高視頻質(zhì)量峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR),降低丟包概率,增加有效吞吐量等方面都有明顯優(yōu)于非合作機(jī)制的表現(xiàn)。3、第五章針對(duì)移動(dòng)360度全景視頻服務(wù)提出了一個(gè)名為CoPano(Cooperative Panoramic Video)的個(gè)性協(xié)同分發(fā)機(jī)制。高質(zhì)量360度全景視頻是視頻產(chǎn)業(yè)中的后起之秀,而為智能手機(jī)設(shè)計(jì)的現(xiàn)有移動(dòng)傳輸方案無(wú)法支撐傳輸一個(gè)高質(zhì)量全景視頻的全部文件所需的帶寬與吞吐量。當(dāng)多個(gè)用戶集中于同一地點(diǎn)各自在智能手機(jī)上觀看全景視頻時(shí),各個(gè)移動(dòng)設(shè)備對(duì)有限帶寬資源的爭(zhēng)奪造成了更加尖銳的傳輸沖突,從而加劇了本就存在波動(dòng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。第五章提出了一個(gè)用于傳輸基于瓦片(Tile)分割的、使用可擴(kuò)展視頻編碼(Scalable Video Coding,SVC)的360度全景視頻的協(xié)同分發(fā)方案,名為CoPano(Cooperative Panoramic Video),以最大化群組用戶體驗(yàn)質(zhì)量(Quality of Experience,QoE)。與該方案對(duì)應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題要求機(jī)制基于各個(gè)用戶的個(gè)性化需求,從視頻文件的所有部分中尋找最優(yōu)的下載與分享子集,來(lái)達(dá)到在帶寬允許范圍內(nèi)最大化群組用戶有效視頻質(zhì)量的目的。這一優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)表達(dá)為NP-hard,因此第五章提出了一個(gè)接近數(shù)學(xué)最優(yōu)解的啟發(fā)式方案。對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與約束條件的數(shù)學(xué)分析證明了理論最優(yōu)解與實(shí)踐方案之間的高度相似性。在這個(gè)啟發(fā)式方案中,各個(gè)移動(dòng)設(shè)備按照單機(jī)的視頻觀看狀態(tài)對(duì)視頻文件的各部分進(jìn)行排序,再由方案將各用戶的排序整合為群組級(jí)別的排序方案,命令組內(nèi)用戶據(jù)此進(jìn)行有序的下載和分享。為了驗(yàn)證此方案的有效性,第五章在Android平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了本章提出的CoPano方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此章提出的方案實(shí)際表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有的其他方案。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5;TN919.8
【部分圖文】：

ｆｏｒ邋Ｖｉｄｅｏ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋期刊上。）逡逑１．６論文的組織架構(gòu)逡逑論文各部分的關(guān)系如圖１－２所示，論文內(nèi)容安排如下：逡逑第一章緒論逡逑１０逡逑

多個(gè)碼率各不相同的視頻版本。通常碼率大的視頻質(zhì)量較好，但是顯然這樣的視頻逡逑文件需要更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行傳輸。由于該協(xié)議力圖在波動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中優(yōu)化視頻逡逑觀看體驗(yàn)，所以每個(gè)視頻編碼版本都被切分成許多個(gè)數(shù)秒一段的獨(dú)立視頻段，以保逡逑證視頻質(zhì)量適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的靈活性。與每一個(gè)視頻版本對(duì)應(yīng)的視頻段統(tǒng)一資源定位逡逑符（Ｕｎｉｆｏｒｍ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋Ｌｏｃａｔｏｒ，邋ＵＲＬ）和視頻元信息（包括時(shí)間范圍、視頻質(zhì)量、數(shù)據(jù)逡逑量大小等）組成了一個(gè)播放清單，由客戶端在載入視頻時(shí)從服務(wù)器上獲取。因此在網(wǎng)逡逑絡(luò)資源允許的范圍內(nèi)，視頻播放器可以分別選擇每個(gè)視頻段的碼率，來(lái)分段優(yōu)化視逡逑頻質(zhì)量。優(yōu)化后的結(jié)果提供了下載任務(wù)的清單，在目標(biāo)視頻段已下載的前提下，用戶逡逑可在視頻播放過(guò)程中自由切換于不同的視頻質(zhì)量之間，如圖２－１所示。另外，ＤＡＳＨ逡逑協(xié)議在其下層采用可靠傳輸?shù)模裕茫袇f(xié)議，所以這個(gè)協(xié)議對(duì)在傳輸過(guò)程中丟失的數(shù)據(jù)逡逑包都有重傳措施來(lái)保證它們成功抵達(dá)客戶端設(shè)備�？蛻舳瞬シ牌骶彌_區(qū)可以存儲(chǔ)預(yù)逡逑先下載的視頻內(nèi)容，結(jié)合速率選擇算法為客戶端挑選了合適的視頻版本，保證了下逡逑載進(jìn)度超前于播放進(jìn)度，防止了播放器卡頓。這樣的設(shè)計(jì)在充分適應(yīng)移動(dòng)文件傳輸逡逑不可避免的不確定性的基礎(chǔ)上，給予了消費(fèi)者足夠的選擇空間，和盡量高的視頻文逡逑件質(zhì)量。逡逑

第二章協(xié)同傳輸系統(tǒng)在移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)與段的碼率，或者網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬有實(shí)時(shí)激增的趨勢(shì)，用戶則在下載下一視頻求下載質(zhì)量更高一級(jí)的片段版本。反之，若視頻數(shù)據(jù)下載的速度低于已下一段視頻片段的碼率，意味著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量下降，用戶則在下載下一片下載質(zhì)量更低一級(jí)的片段版本。第二，以視頻播放器緩沖區(qū)余量為主要參ｆｅｒ－ｂａｓｅｄ邋（ＢＢ）方法與第一類選擇算法類似，若播放器緩沖區(qū)數(shù)據(jù)充端則請(qǐng)求更高質(zhì)量的視頻片段，若緩沖區(qū)數(shù)據(jù)余量較少，則請(qǐng)求更低碼率段以避免視頻卡頓。第三，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)帶寬吞吐量與視頻播放器緩沖區(qū)余量方法。通過(guò)使用控制論［３，３４，４７，４８］或強(qiáng)化學(xué)習(xí)［７３＿７６］等思路綜合運(yùn)用前兩種算所長(zhǎng)。逡逑視頻碼率（輸出）逡逑

本文編號(hào)：2813820