本文關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)多媒體 碼率控制 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 大偏差原理 Markov決策過程 混合高斯模型 下溢概率　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：互聯(lián)網(wǎng)時代,網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)正在深刻地改變著人們的生活方式。隨著與不同行業(yè)的融合,網(wǎng)絡(luò)多媒體服務(wù)已經(jīng)深入生活的方方面面,例如網(wǎng)絡(luò)電視(Internet Protocol Television,IPTV),視頻會議,遠程教育,遠程醫(yī)療,新聞出版,娛樂,電子商務(wù)等等。近年來,無論從應(yīng)用的數(shù)量還是從用戶的規(guī)模上都呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,凸顯出了巨大的市場價值和發(fā)展前景。但是,用戶需求的激增隨之而來地帶來各種挑戰(zhàn)。高清、流暢的多媒體服務(wù)需要穩(wěn)定的帶寬,然而用戶行為和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的隨機性、時變性、和復(fù)雜性通常難以保證服務(wù)的質(zhì)量。研究如何克服這些問題具有現(xiàn)實意義,也是當(dāng)前研究的熱點。此外,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變革催生了各種新的思想,如數(shù)據(jù)面與控制面分離、名字和地址分離、可編程路由等,也為網(wǎng)絡(luò)多媒體的發(fā)展注入新的活力。研究如何將多媒體技術(shù)與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合,從而更好地保障用戶的服務(wù)質(zhì)量、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。對于滿足用戶日益增長的需求,具有深遠意義。本文以網(wǎng)絡(luò)多媒體服務(wù)系統(tǒng)為切入點,以控制與優(yōu)化理論為技術(shù)手段,對所涉及的自適應(yīng)資源配置和調(diào)度等問題進行深入研究,具體工作總結(jié)如下:1)無線網(wǎng)絡(luò)中,為克服用戶移動和信道變化的隨機性,研究如何設(shè)計有效的媒體自適應(yīng)策略,從而保證多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。為實現(xiàn)媒體自適應(yīng)性,本文采用可伸縮的編碼方式,并設(shè)計實現(xiàn)了客戶端驅(qū)動的可伸縮視頻傳輸系統(tǒng)。通過對播放過程進行分析和建模,提出和定義下溢概率。其綜合考慮了信道的狀態(tài)和接收端的緩沖區(qū)狀態(tài)。隨后,該問題被建模為一個帶有下溢概率約束的優(yōu)化模型。為了獲得更好的用戶體驗,用戶通常希望下溢的發(fā)生是小概率事件。因此,采用大偏差原理構(gòu)建下溢概率的估計模型,從而得到自適應(yīng)的碼率控制算法。進一步地,本文考慮“閃爍效應(yīng)”對視頻播放的影響,并提出基于攝動理論的改進碼率控制算法。為驗證算法部署的可行性,設(shè)計實現(xiàn)原型系統(tǒng)。全面的仿真系統(tǒng)實驗表明,算法能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景,并且很好地實現(xiàn)播放流暢性、平滑性以及視頻質(zhì)量的折中。2)軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software DefinedNetwork,SDN)中,控制器可以觀測到網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點的狀態(tài)(瞬時吞吐量、時延、丟包率等)。因此,通過合適的控制器算法可以提前感知網(wǎng)絡(luò)擁塞的變化。本文依托流行的基于HTTP的動態(tài)自適應(yīng)流媒體(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP,DASH)技術(shù),研究如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)感知的自適應(yīng)多媒體服務(wù)。問題的核心是要研究建立合適的數(shù)學(xué)模型預(yù)測未來長時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化。為克服網(wǎng)絡(luò)瞬時流量短時隨機變化的影響,引入鏈路擁塞概率。該問題被建模為鏈路擁塞概率約束的優(yōu)化問題。為了盡量避免因鏈路擁塞引起的丟包,用戶通常期望鏈路擁塞的發(fā)生是小概率事件,因此,可以采用大偏差原理進行估計。此外,由于此模型依賴于鏈路流量分布等先驗知識。本文采用基于混合高斯模型的極大似然估計方法對該分布進行在線估計,從而得到在線的碼率自適應(yīng)算法。原型系統(tǒng)實驗結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的DASH服務(wù)平臺,算法能夠在有效避免鏈路擁塞的同時提供流暢、高質(zhì)量的多媒體服務(wù)。3)利用SDN網(wǎng)絡(luò)路由可編程的特點,可以實現(xiàn)動態(tài)路由和多路徑傳輸。本文將傳統(tǒng)的碼率控制與動態(tài)路由結(jié)合,考慮如何設(shè)計聯(lián)合優(yōu)化策略,從而實現(xiàn)更流暢、高質(zhì)量的視頻服務(wù)。具體來說,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,如果某一網(wǎng)絡(luò)中間位置發(fā)生擁塞,控制器可以探知到該擁塞,并能夠動態(tài)尋找和路由到另一條通暢的路徑,如果這樣的路徑不存在則降低碼率。本文采用Markov決策過程對該聯(lián)合優(yōu)化問題進行建模。求解時,為避免對轉(zhuǎn)移概率等先驗知識的要求,提出基于Q學(xué)習(xí)的在線最優(yōu)策略求解算法。Mininet平臺的仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬,進一步提高視頻質(zhì)量。
[Abstract]:The age of the Internet, network multimedia technology is profoundly changing the way of people's life. With the integration of different industries and the network multimedia service has in-depth every aspect of life, such as network television (Internet Protocol, Television, IPTV), video conference, distance education, telemedicine, news publishing, entertainment, electronic commerce and so on. In recent years, in terms of the number of applications or from the user scale are showing explosive growth, highlights the huge market value and development prospects. However, the subsequent surge in user demand has brought many challenges. HD, smooth multimedia services require stable bandwidth, however, randomness, user behavior and network status when degeneration and complexity are often difficult to guarantee the quality of service. Research on how to overcome these problems is of practical significance, but also a research focus. In addition, the Internet. Operation changes spawned a variety of new ideas, such as data plane and control plane separation, separation of name and address, programmable routing, has injected new vitality into the development of multimedia network. Research on how to apply multimedia technology and the integration of network technology in the future, so as to better protect the user's quality of service, improve the utilization rate of network resources. To meet the growing demand of users, has far-reaching significance. This paper takes the network multimedia service system as the starting point, to control and optimization theory of technology, in-depth study of the adaptive resource allocation and scheduling problem, the specific work are summarized as follows: 1) in a wireless network, to overcome randomness mobile users and channel change, study how to design adaptive strategy of media effectively, so as to ensure the quality of multimedia services. In order to realize the media using adaptive, scalable Encoding method, and the design and implementation of client driven scalable video transmission system. Through the analysis and modeling of the playing process, and put forward the definition of underflow probability. Considering the channel state and the receiver buffer status. Then, the problem is modeled as an optimization model with underflow probability constraints. In order to obtain a better user experience, users often want to underflow occurs is a small probability event. Therefore, the construction of the underflow probability estimation model of large deviation principle, so as to obtain the adaptive control algorithm of rate. Further, considering the "flicker effect" on the impact of video playback, and the perturbation theory of the improved rate control algorithm in order to verify the feasibility of the algorithm. Based on the deployment of the prototype system. Experiments show that the simulation system comprehensively, the algorithm can adapt to different application scenarios, and well To achieve playback fluency, smoothness and video quality tradeoff.2 software defined network (Software) DefinedNetwork, SDN), the controller can be observed at intermediate nodes in the network state (instantaneous throughput, delay, packet loss rate). Therefore, by changing the appropriate controller algorithm can advance perception network congestion. This paper relies on the popular dynamic adaptive streaming media based on HTTP (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP DASH) technology, studies how to realize the adaptive multimedia service network. The core of the problem is to establish an appropriate mathematical model to predict the future changes in network bandwidth in a long time. In order to overcome the influence of random network instantaneous flow short-time change, the introduction of link congestion probability the problem is modeled as optimization of link congestion probability constraints. In order to avoid congestion caused by the lost packets, users usually period At the occurrence of link congestion is a small probability event, therefore, can be used to estimate the large deviation principle. In addition, because this model depends on the link flow distribution of prior knowledge. This paper uses maximum likelihood estimation method of mixed Gauss model to estimate the distribution of the resulting bit rate based on adaptive Online algorithms. The experimental results of prototype system show that compared to the traditional DASH service platform, the algorithm can effectively avoid congestion and provide smooth, high quality multimedia service.3) using SDN network routing programming, can realize dynamic routing and multi-path transmission. This paper will combine traditional rate control and dynamic routing, consider how to design the joint optimization strategy and in order to achieve a more smooth, high quality video service. Specifically, in the data transmission process, if a middle position of network congestion, The controller can detect the congestion, and can dynamically search and routing path to another unobstructed, if such a path does not exist on the lower bit rate. This paper uses the combined optimization model of Markov decision process. When solving the problem, in order to avoid the transfer probability of the prior knowledge of the requirements, puts forward the simulation Q online learning the optimal strategy algorithm.Mininet platform based on the results, the system can make full use of network bandwidth, further improve the quality of the video.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP393.0

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