移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，包括：建立系統(tǒng)模型，即云網(wǎng)絡(luò)抽象模型；建立視頻失真模型并提出優(yōu)化目標；建立隨機Restless?Bandit系統(tǒng)；進行云服務(wù)選擇和帶寬分布。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的分別且獨立地進行云和移動資源管理會嚴重影響系統(tǒng)性能的問題，通過將動態(tài)云網(wǎng)絡(luò)和無線資源管理聯(lián)合起來提高移動云網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)中適應(yīng)視頻傳輸?shù)亩藢Χ说男阅?，完善重要的視頻應(yīng)用層參數(shù)即幀內(nèi)刷新率，并用變形失真大小評價程序質(zhì)量，提高了視頻抗失真性能。
【專利說明】移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信中云和移動資源管理相關(guān)領(lǐng)域，涉及一種移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法。
技術(shù)背景
[0002]目前，很多工作都是專注于網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)結(jié)構(gòu)、資源時序、能源效率和安全性，忽視了對用戶服務(wù)、移動網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)器的綜合考慮。在移動云網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，為了滿足多種用戶所要求的服務(wù)質(zhì)量，管理異構(gòu)云中的計算/通信資源和移動接入網(wǎng)絡(luò)中的無線資源是非常必要的。在移動云計算系統(tǒng)中，移動接入網(wǎng)絡(luò)和云計算網(wǎng)絡(luò)均是異構(gòu)的，這意味著它們有不同種類的硬件，軟件和結(jié)構(gòu)，以及資源等。
[0003]為了提供給用戶滿意的服務(wù)質(zhì)量以及使云服務(wù)提供商收益的最大化，云資源應(yīng)該受到合理的管理，中央處理單元，存儲，記憶和與虛擬機器相連接的網(wǎng)絡(luò)均是在云計算系統(tǒng)中大用戶使用的云資源。同時，隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多用戶通過移動設(shè)備來接觸到云計算系統(tǒng)，無線頻譜是無線移動網(wǎng)絡(luò)中重要的頻譜之一，有效的無線資源管理在移動網(wǎng)絡(luò)中是至關(guān)重要的。
[0004]從端對端的應(yīng)用角度出發(fā)，云和移動網(wǎng)絡(luò)都是整個移動云計算系統(tǒng)的一部分。從以往的端對端應(yīng)用的經(jīng)驗可知優(yōu)化整個系統(tǒng)的一部分性能是無法保證整個端對端應(yīng)用的性能的。而且，在用戶通過移動網(wǎng)絡(luò)從云傳輸服務(wù)時，無線和云資源都會成為系統(tǒng)的瓶頸，將會嚴重影響服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗，同時分別且獨立的管理資源也會嚴重地影響系統(tǒng)的性倉泛。
[0005]眾所周知，視頻和TCP (Transmission Control Protocol,傳輸控制協(xié)議)的有線傳輸性能很好；在無線線路中，因為帶寬的稀缺，大量的誤比特率和用戶使用的移動性會使它們的性能降低。因此，在移動云計算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無線移動網(wǎng)絡(luò)的特征應(yīng)該被考慮在其中。
[0006]最近的跨層設(shè)計表明優(yōu)化底層的性能對應(yīng)用層服務(wù)質(zhì)量不是十分必要的，但是從一個用戶的角度來看，應(yīng)用層的服務(wù)質(zhì)量比其它層的更為重要。而視頻自適應(yīng)技術(shù)可以滿足用戶偏愛和設(shè)備限制的問題，動態(tài)地管理云和無線資源來滿足視頻傳輸中應(yīng)用層服務(wù)質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的分別且獨立地進行云和移動資源管理會嚴重影響系統(tǒng)性能的問題，本發(fā)明提出一種移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法(即聯(lián)合資源管理方法)，將動態(tài)云網(wǎng)絡(luò)和無線資源管理聯(lián)合起來提高移動云網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)中適應(yīng)視頻傳輸?shù)亩藢Χ说男阅堋Ｍ晟浦匾囊曨l應(yīng)用層參數(shù)即幀內(nèi)刷新率，提高視頻抗失真性能，并用變形失真大小評價程序質(zhì)量。
[0008]移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，包括以下步驟:[0009]步驟1，建立系統(tǒng)模型，即云網(wǎng)絡(luò)抽象模型。
[0010]用戶的應(yīng)用運行在有與開關(guān)相連接的計算節(jié)點的專用群集上，因此將虛擬的網(wǎng)絡(luò)抽象成一個虛擬的群集。如果虛擬集群的帶寬和計算能力可以滿足所有相連接服務(wù)器的同一時刻的最大信號流量，稱它為非認購超額的網(wǎng)絡(luò)。
[0011]步驟2:建立視頻失真模型并提出優(yōu)化目標。
[0012]步驟2.1:建立視頻失真模型。
[0013]視頻失真模型米用速率失真模型。視頻失真是信源失真和信道失真的結(jié)合，來源失真是由發(fā)送者視頻編碼引起的量化失真；信道失真是在傳輸過程中由丟包率引起的失真。
[0014]步驟2.2:提出優(yōu)化目標。
[0015]將總的視頻失真作為目標函數(shù)，當移動用戶要求一個適應(yīng)的視頻傳輸時，把平均視頻失真減少到最小。
[0016]步驟3:建立隨機Restless Bandits系統(tǒng)。
[0017]無休止賭博機(Restless Bandits)是研究一系列隨機序貫決策問題的理論。指在一系列離散的或連續(xù)的時刻點上做出決策，系統(tǒng)將獲得與所處狀態(tài)和所采取決策有關(guān)的回報，并影響系統(tǒng)在下一個決策時刻點所處的狀態(tài)，并以此影響未來的最終受益。
[0018]步驟3.1:構(gòu)建系統(tǒng)狀態(tài)。
[0019]服務(wù)器的系統(tǒng)狀態(tài)是一個四維離散矢量，四個分量包括:服務(wù)器負載，云中服務(wù)器和開關(guān)之間的連接的可用的帶寬，用戶請求的最小的視頻編碼速率，在無線移動網(wǎng)絡(luò)中用戶可以利用的無線帶寬。
[0020]步驟3.2:建立行為和策略。
[0021]當一個視頻服務(wù)請求來到的時候，系統(tǒng)需要為聯(lián)合資源管理做出決策。在決定時
刻tk服務(wù)器η的行為為 <，這些決定被共同認為是一個行為，其中，k=l，2,......,K，K為時
間槽的總數(shù)，n=l, 2，……，N, N為服務(wù)器總數(shù)。用U表示可允許政策的集合，一個可允許的政策u e U是一個KXN的矩陣，它的第k行和第η列是元素α,代表節(jié)點η在時刻tk采取的行為。
[0022]步驟3.3:計算一步轉(zhuǎn)移概率。
[0023](I)計算云中服務(wù)器和開關(guān)之間連接的可用帶寬S。的轉(zhuǎn)移概率。
[0024](2)計算服務(wù)器負載Ss的轉(zhuǎn)移概率。
[0025](3)計算云中服務(wù)器和開關(guān)之間連接可用帶寬S。、服務(wù)器負載Ss、無線移動網(wǎng)絡(luò)中用戶可以利用的無線帶寬St的聯(lián)合轉(zhuǎn)移概率。
[0026]( 4 )計算一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。
[0027]步驟3.4:進行目標優(yōu)化。
[0028]優(yōu)化目標是在整個時間鏈上最大化的系統(tǒng)收益。在每一個周期中收益被分為兩個部分:一個是在這個期間中由請求用戶獲得的增值部分；另一個是由其它已經(jīng)存在的用戶獲得的原始部分。原始部分是固定的，直到一個或者更多的現(xiàn)在存在的用戶停止視頻傳輸。用戶停止視頻傳輸與服務(wù)器的調(diào)度方案是相互獨立的，本發(fā)明中只考慮增值的部分，優(yōu)化目標是使增值系統(tǒng)收益最大化。
[0029]步驟3.5:基于馬爾科夫決策鏈線性規(guī)劃構(gòu)想，放松線性規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)，解決隨機Restless Bandit 問題。
[0030]在提出的動態(tài)資源管理計劃中，因為云帶寬資源狀態(tài)s。(n)和無線接入網(wǎng)絡(luò)帶寬資源狀態(tài)sjn)都是自適應(yīng)視頻傳輸?shù)膸捪拗?，用Sb(n) =min{sc(n),sr(n)}代表這個帶寬的界限，系統(tǒng)狀態(tài)空間尺寸從NciNsNt隊變成NsNtmax{N。，Nj，從而解決隨機RestlessBandits 問題。
[0031]步驟4:進行云服務(wù)器選擇和帶寬分配。
[0032]步驟4.1:進行離線計算。
[0033]步驟4.2:進行在線聯(lián)合資源管理。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0035]本發(fā)明解決了云和移動資源綜合管理的問題，通過運用綜合動態(tài)管理方法和系統(tǒng)獎勵，任務(wù)時延和服務(wù)器利用性能均比以往忽略優(yōu)化無線云資源綜合管理和未優(yōu)化視頻編碼的幀內(nèi)刷新率的管理方法優(yōu)越。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為移動-云聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明所涉及的方法流程圖；
[0038]圖3為不同數(shù)量服務(wù)器下的整體系統(tǒng)收益曲線；
[0039]圖4為不同數(shù)量服務(wù)器下的視頻失真曲線。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0041]移動網(wǎng)絡(luò)感知云網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。本發(fā)明所述方法的流程圖如圖1所示，包括以下步驟:
[0042]步驟1:建立系統(tǒng)模型，即云網(wǎng)絡(luò)抽象模型。
[0043]用戶的應(yīng)用運行在有與開關(guān)相連接的計算節(jié)點的專用群集上，因此將虛擬的網(wǎng)絡(luò)抽象成一個虛擬的群集。虛擬網(wǎng)絡(luò)可以由拓撲結(jié)構(gòu)來描述:云中有N個服務(wù)器，服務(wù)器η用一個雙邊訊鏈以數(shù)據(jù)傳輸速率Bn與一個虛擬的交換機相連接，虛擬交換機有一個頻帶寬度
N
Hb..。
η=\
[0044]云網(wǎng)絡(luò)的計算資源可由下式表示:
[0045]?cr；c = [0ct；c, Ocs c, Onis c, Oss c, O os，J
[0046]式中，c為服務(wù)器的個數(shù)，c e Π，Π是整個云網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器的集合，表示硬件和軟件參數(shù)，也就是計算資源，?吣表示CPU的類型，用0。3，。表示CPU時隙的個數(shù)，?ms，。表示記憶的大小，?ss，。表示存儲的大小，?。3，。表示操作系統(tǒng)。
[0047]步驟2:建立視頻失真模型并提出優(yōu)化目標。
[0048]步驟2.1建立視頻失真模型。
[0049]米用速率失真模型，視頻失真信源失真和信道失真的結(jié)合，信源失真是由發(fā)送者視頻編碼引起的量化失真，信道失真是在傳輸過程中由丟包引起的失真。
[0050]假設(shè)用戶請求視頻服務(wù)服從泊松分布，視頻應(yīng)用的服務(wù)持續(xù)服從指數(shù)分布?？紤]視頻流，比特率，幀內(nèi)刷新率和編碼方案的不同和一直變化的特點，采取速率失真模型，信源失真為:
[0051]Ds (Hs，ξ ) = Ds (Hs，0) + ξ (1-ε + ε ξ ) [Ds (Hs, I) -Ds (Hs, 0)]
[0052]式中，ξ是楨內(nèi)刷新速率，Hs是信源編碼速率，ε是基于多媒體序列的恒定常量。Ds(HsjO) Ds (Hs, I)是在所有模型間和模型內(nèi)對所有幀的時間平均信源失真，表達式為:
【權(quán)利要求】
1.移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，其特征在于通過將動態(tài)云網(wǎng)絡(luò)和無線資源管理聯(lián)合起來提高移動云網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)中適應(yīng)視頻傳輸?shù)亩藢Χ说男阅埽ㄒ韵虏襟E: 步驟1:建立系統(tǒng)模型，即云網(wǎng)絡(luò)抽象模型； 將虛擬的網(wǎng)絡(luò)抽象成一個虛擬的群集；虛擬網(wǎng)絡(luò)由拓撲結(jié)構(gòu)來描述:云中有N個服務(wù)器，服務(wù)器η用一個雙邊訊鏈以數(shù)據(jù)傳輸速率Bn與一個虛擬的交換機相連接，虛擬交換機有一個頻帶寬度
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟3.3計算一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的方法還包括以下步驟: (1)計算S。的轉(zhuǎn)移概率； 云帶寬狀態(tài)S。的轉(zhuǎn)移概率為:

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟3.5在解決隨機Restless Bandit問題中，云帶寬資源狀態(tài)S。(η)和無線接入網(wǎng)絡(luò)帶寬資源狀態(tài)S?都是自適應(yīng)視頻傳輸?shù)膸捪拗疲肧b(H) =min{sc(n), sr(η)}代表這個帶寬的界限，系統(tǒng)狀態(tài)空間尺寸從NeNsNtNr轉(zhuǎn)變成了 NsNtHiax {N。，Nj，從而減少了計算的復(fù)雜度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟4進行離線計算的方法如下: 網(wǎng)絡(luò)初始化過程中輸入每個視頻自適應(yīng)服務(wù)器η的狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率Pa(i，j)、收益Rt貼現(xiàn)因子β和初始化狀態(tài)概率矢量α，利用索引值函數(shù)離線計算索引值的有限集合為{Ss(n)}，并將它們以及相應(yīng)的Pa(i，j)，<' β, α存放在表中，這里s(n)是服務(wù)器η的狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動云視頻傳輸中的計算和無線資源協(xié)同調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟4進行在線聯(lián)合資源管理的方法如下: (1)用戶根據(jù)自己的偏好選擇服務(wù)器負載st和移動接入網(wǎng)絡(luò)帶寬S，向云發(fā)送適應(yīng)視頻傳輸服務(wù)請求； (2)每個云中的專用服務(wù)器接收請求后更新它的狀態(tài): s (n) = [ss(n), sc (n), st (η), sr (η)] (3)對于所有ηe {1，2，…，N}，服務(wù)器η找到與狀態(tài)s (η)相對應(yīng)的指標δ3(η)，并與其余的N-1個服務(wù)器來共享指標； (4)接收到所有專用服務(wù)器的指標信息之后，服務(wù)器η與它自己的指標δs(n)相比較； 如果服務(wù)器η有最低的指標: (a)它的服務(wù)器選擇行為<4=1，意味著服務(wù)器η接收現(xiàn)在用戶的請求，根據(jù)用戶的偏好和帶寬限制用一個空閑時隙去執(zhí)行視頻自適應(yīng)操作；適應(yīng)視頻流的目標速率為min{sc(n), sr (η)}； (b)它的云帶寬行為ae，k= min{sc(n), sr (η)},意味著云帶寬min {s。(η)，sr (η)}被分配在當前的請求用戶當前狀態(tài)； (c)它的無線移動帶寬行為a。=min{sc(n)，Sr (η)},意味著一個無線網(wǎng)絡(luò)帶寬min{sc(n), sr(η)}分配在請求用戶的當前狀態(tài)中； (d)通過最小化失真決定最佳的幀內(nèi)刷新速率ξ*; (e)用已經(jīng)分配的云和移動網(wǎng) 絡(luò)帶寬傳送適應(yīng)視頻給用戶； (f)保持服務(wù)其它現(xiàn)存的用戶； 如果服務(wù)器η沒有最低的指標，拒絕排斥現(xiàn)在用戶請求和保持服務(wù)現(xiàn)存的用戶。
【文檔編號】H04N21/647GK103888849SQ201410146321
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】司鵬搏, 張倩, 劉佳, 閆玉瑋, 張延華, 孫恩昌, 孫艷華, 楊睿哲 申請人:北京工業(yè)大學(xué)