一種面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存分配方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無(wú)線分布式緩存技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種面向可伸縮視頻流(SVC)的分布式毫微蜂窩緩存分配方法。為了緩解宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的盲點(diǎn)，降低回程網(wǎng)絡(luò)的壓力，本發(fā)明結(jié)合毫微蜂窩技術(shù)和SVC可伸縮視頻編碼的特性，利用分布式緩存，提高用戶視頻觀看的體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)，同時(shí)降低回程網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。本發(fā)明首先給出了在分布式毫微蜂窩當(dāng)中具體的SVC視頻緩存與發(fā)送模式，然后對(duì)分布式毫微蜂窩緩存分配的方法進(jìn)行了描述，最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。從仿真結(jié)果可以看到，分布式毫微蜂窩緩存技術(shù)的引入可以較大地提高用戶QoE，并且與其他常用緩存算法相比，本發(fā)明所提出的緩存分配方法在用戶QoE方面具有更好的性能。
【專利說(shuō)明】
一種面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線分布式緩存技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向可伸縮視頻流的分布式 毫微蜂窩緩存分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 毫微蜂窩型基站(Femtocell)是利用毫微蜂窩技術(shù)實(shí)現(xiàn)超小型化區(qū)域覆蓋的通信 系統(tǒng)，一般被設(shè)計(jì)為在家庭室內(nèi)或小的商業(yè)機(jī)構(gòu)中使用。毫微蜂窩可以提高室內(nèi)無(wú)線覆蓋 的效果，通過(guò)傳統(tǒng)的Internet和標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到核心網(wǎng)，對(duì)營(yíng)運(yùn)商而言具有安裝 維護(hù)成本低廉，方便自行配置與優(yōu)化等特點(diǎn)。
[0003] 可伸縮視頻編碼(SVC)是H.264/AVC等編碼的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。SVC編碼的視頻是一種分 層的視頻，具有空間分辨率(Spatial)、時(shí)域幀數(shù)(Temporal)和量化精度(Quality)三個(gè)維 度的可伸縮編碼層。SVC編碼的視頻允許傳輸和解碼部分視頻流，通過(guò)解碼出部分的幀數(shù)、 分辨率或者清晰度的視頻編碼層，從而為視頻服務(wù)提供低碼率的重構(gòu)視頻。SVC編碼視頻在 視頻流的內(nèi)部預(yù)先定義了許多碼率切換點(diǎn)（Operation Point)，相比一般的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)視 頻，SVC編碼對(duì)視頻碼率變化有著更精細(xì)的控制，因此，在網(wǎng)絡(luò)帶寬波動(dòng)的環(huán)境中，SVC編碼 視頻有著更優(yōu)異的性能。同時(shí)，SVC編碼視頻在視頻緩存的應(yīng)用中，只需要緩存一份完整編 碼的文件就可以適應(yīng)多種碼率變化的需求，從而節(jié)省了緩存的消耗。綜上所述，SVC編碼的 可伸縮特性在視頻傳輸和內(nèi)容緩存方面有著重大優(yōu)勢(shì)。
[0004] 在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶之間點(diǎn)播的視頻內(nèi)容有著很大的相似性，這些冗余請(qǐng)求 的視頻對(duì)宏蜂窩(Macrocell)的回程線路造成了沒(méi)有必要的巨大壓力。因此，為了降低宏基 站回程網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，并且提高視頻播放的用戶體驗(yàn)(Q〇E)，工業(yè)界和學(xué)界提倡在無(wú)線接入點(diǎn) 中增加緩存設(shè)備，通過(guò)內(nèi)容商對(duì)視頻熱度趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，運(yùn)營(yíng)商進(jìn)而在無(wú)線接入點(diǎn)的緩存設(shè) 備中預(yù)先緩存熱門的視頻內(nèi)容，從而減少內(nèi)容與用戶之間的網(wǎng)絡(luò)距離，降低宏基站回程線 路的壓力，并且為用戶提供更好的Q〇E。
[0005] 無(wú)線接入端的分布式緩存技術(shù)在過(guò)去幾年中吸引了人們很多關(guān)注。作者 Shanmugam和Golrezaei提出FemtoCaching的概念，即為毫微蜂窩添加緩存功能，在網(wǎng)絡(luò)負(fù) 載較小的低峰時(shí)期，在毫微蜂窩緩存設(shè)備中預(yù)先緩存熱門的視頻，這樣既可以把視頻內(nèi)容 帶到用戶的周圍，同時(shí)還可以調(diào)高無(wú)線頻譜的重用率。當(dāng)用戶請(qǐng)求一個(gè)視頻的時(shí)候，如果這 個(gè)視頻已經(jīng)緩存在用戶周圍的毫微蜂窩之中，那么就從這些緩存有所請(qǐng)求視頻的毫微蜂窩 當(dāng)中挑選出信道狀況最好的一個(gè)毫微蜂窩，并由此負(fù)責(zé)向用戶發(fā)送視頻。因?yàn)楹廖⒎涓C與 用戶的距離近，具有更高速率的下行鏈路，從而用戶可以得到更高質(zhì)量的視頻服務(wù)。在另一 種情形下，當(dāng)用戶請(qǐng)求的視頻沒(méi)有緩存在周圍的毫微蜂窩設(shè)備中，那么用戶可以通過(guò)宏蜂 窩獲取所請(qǐng)求的視頻。在宏蜂窩向遠(yuǎn)端的內(nèi)容提供商發(fā)送請(qǐng)求的過(guò)程中，所請(qǐng)求的視頻通 過(guò)回程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶攴涓C中，這個(gè)過(guò)程往往會(huì)因?yàn)榛爻叹W(wǎng)絡(luò)擁堵造成數(shù)據(jù)的丟失，從而造 成視頻業(yè)務(wù)的延時(shí)。此外，由于宏蜂窩的信道相對(duì)毫微蜂窩受到的干擾更大，并且用戶距離 宏蜂窩的距離更遠(yuǎn)，這些就造成了宏蜂窩用戶獲得的下行速率更低，從而降低了用戶視頻 服務(wù)的Q〇E。因此，運(yùn)營(yíng)商與視頻提供商就需要通過(guò)設(shè)計(jì)合理的毫微蜂窩緩存分配策略，從 而為用戶提供更好的視頻播放體驗(yàn)。
[0006] 然而在眾多毫微蜂窩緩存技術(shù)中，由分布式毫微蜂窩緩存所帶來(lái)的信道分集增益 并沒(méi)有得到充分的考慮，不僅如此對(duì)于緩存視頻的編碼結(jié)構(gòu)特性也沒(méi)有結(jié)合到毫微蜂窩緩 存分配的過(guò)程之中，因此這些毫微蜂窩緩存分配方法不能高效地為用戶提供有Q〇E保證的 視頻服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，結(jié)合毫微蜂窩技術(shù)和可伸視頻縮編碼(SVC)的特性，本發(fā)明 提出一種高效的面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存分配方法。
[0008] 本發(fā)明提出的面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存分配方法，通過(guò)在毫微蜂 窩接入點(diǎn)中添加緩存設(shè)備，緩存熱門的視頻文件，結(jié)合SVC編碼視頻的特點(diǎn)，提高分布式緩 存的緩存效率和增強(qiáng)用戶Q〇E。熱門視頻重復(fù)地緩存在多個(gè)毫微蜂窩中，可以提供信道分集 增益;視頻緩存更多的編碼層，可以提供內(nèi)容的分集增益;利用這兩種分集特性，從而確定 最優(yōu)的毫微蜂窩緩存分配策略。
[0009] 本發(fā)明首先結(jié)合SVC視頻編碼的分層可伸縮特性和對(duì)用戶QoE的影響，對(duì)毫微蜂窩 與宏蜂窩的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道建模，并且給出視頻文件的傳送方式;然后提出一種用戶Q〇E 感知的面向SVC編碼視頻的毫微蜂窩緩存分配方法。本發(fā)明給出了針對(duì)SVC編碼視頻的毫微 蜂窩緩存資源的配置方法，并與傳統(tǒng)的視頻緩存策略進(jìn)行了性能對(duì)比。仿真可以得出，在本 發(fā)明描述的面向SVC視頻的毫微蜂窩分布式緩存系統(tǒng)中，本發(fā)明提出的緩存分配方法與傳 統(tǒng)緩存算法相比，可以提供更高的用戶Q〇E，并且能夠更精細(xì)的結(jié)合SVC視頻編碼的可伸縮 分層特性和多個(gè)毫微蜂窩信道分集特性。下面對(duì)本方法的具體步驟進(jìn)行介紹。
[0010] (1)首先，分析SVC編碼視頻分層特性并且對(duì)用戶QoE進(jìn)行建模。
[0011] SVC視頻內(nèi)部可以提供多個(gè)碼率自適應(yīng)操作點(diǎn)(0P)，每一個(gè)0P代表SVC編碼的某一 些視頻層，這些0P的視頻碼率可以定義為： (1) 其中彳代表SVC最低清晰度的碼率，#代表最高清晰度的碼率，總計(jì)i層，按照碼率的 遞增順序排列。對(duì)于SVC編碼視頻的用戶QoE，本發(fā)明使用M0S(Mean Opinion Score)指標(biāo)進(jìn) 行衡量，在不同SVC視頻流碼率r的情形下，M0S可以表示為： (>(r)=i + 40(r) (2) 其中，表示在碼率：r::下，歸一化的SVC視頻QoE，計(jì)算公式為： 、y. 辦祕(mì) /〇\ Q(r ) ^ e 把 ⑶ 其中，歷決定SVC視頻QoE函數(shù)的形狀參數(shù)。
[0012] 假設(shè)毫微蜂窩與宏蜂窩的接收信噪比（SNR)服從瑞利分布，面對(duì)用戶的視頻請(qǐng)求， 在用戶周圍可接入的毫微蜂窩中，搜尋所請(qǐng)求的視頻，找出緩存有所請(qǐng)求視頻的候選毫微 蜂窩，挑選出其中SNR最大的毫微蜂窩，并由這個(gè)選中的毫微蜂窩負(fù)責(zé)所請(qǐng)求視頻的發(fā)送， 若所請(qǐng)求的視頻沒(méi)有緩存在毫微蜂窩中，那么此視頻將由宏蜂窩負(fù)責(zé)向用戶發(fā)送。根據(jù)如 上描述，結(jié)合SVC分層特性，對(duì)于任一部視頻i，在第^i〇P對(duì)應(yīng)碼率為7?/的情形下，SVC視頻 播放中斷概率為：
其中，是毫微蜂窩為每位用戶提供的帶寬，異表示毫微蜂窩為用戶提供的均值信 噪比，仿代表視頻i緩存在瓜個(gè)毫微蜂窩中，，^ = 1，…，h根據(jù)視頻播放中斷概率， 由此可以得到當(dāng)視頻i處于緩存狀態(tài)(~?，r,)的時(shí)候，毫微蜂窩緩存系統(tǒng)為用戶提供的相應(yīng) 的期望Q〇E則可以表示成為：
其中，ri表不視頻i緩存在分布式暈微蜂窩中的碼率。
[0013] (2)然后，建立用戶QoE感知的面向SVC編碼視頻的毫微蜂窩緩存分配方法。
[0014] 結(jié)合內(nèi)容提供商對(duì)視頻熱度趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，使用MCK算法（multiple-choice knapsack)，通過(guò)確定每一部視頻具體的緩存狀態(tài)(仿，r,)，合理地分配毫微蜂窩緩存資源， 從而最優(yōu)化用戶觀看視頻的期望QoE。
[0015] 其中，MCK算法需要根據(jù)式(5)確定SVC編碼視頻在分布式毫微蜂窩中的有效緩存 狀態(tài)，然后把視頻依據(jù)熱度由高到低排列，按照視頻熱度的優(yōu)先級(jí)順序，依次更新每部視頻 在不同緩存空間的情形下最優(yōu)的緩存狀態(tài)，最終可以得到每一部視頻在分布式毫微蜂窩中 具體的緩存分配細(xì)節(jié)。
[0016] 通過(guò)本發(fā)明提供的面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存配置方法，可以最優(yōu) 化SVC編碼視頻在分布式毫微蜂窩中的緩存配置，從而提高分布式毫微蜂窩的緩存效率，進(jìn) 而增強(qiáng)視頻內(nèi)容分發(fā)的用戶QoE。在如下的仿真實(shí)驗(yàn)中，按照本發(fā)明所提供的毫微蜂窩緩存 分配方法，用戶的期望QoE比單純依靠宏蜂窩的情形有了 23%的提高。此外比較其他的對(duì)比 緩存分配算法，特別是在低信噪比的情形下，本方法在多種毫微蜂窩信噪比的情形下均有 更高的期望QoE。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1: 一種典型場(chǎng)景下，毫微蜂窩中SVC編碼視頻的緩存配置結(jié)果。其中，（a)顯示了 依據(jù)視頻熱度由高到底排列，相應(yīng)的SVC碼率的分配結(jié)果。(b)給出了隨著視頻熱度下降，視 頻平均在每3個(gè)毫微蜂窩中緩存次數(shù)的變化趨勢(shì)。
[0018] 圖2:本發(fā)明方法與其他緩存算法的用戶QoE曲線的仿真結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例： 設(shè)實(shí)施例的參數(shù) 仿真環(huán)境:MATLAB 信道模型：Rayleigh Fading信道 視頻數(shù)量:10000部，時(shí)長(zhǎng)1小時(shí)，熱度服從Zipf?分布 SVC編碼切換點(diǎn)碼率：{0.1，0.3，0.6，1.0，1.2，2.0，2.8，4.8，7.2，10.4} Mbps 毫微蜂窩每位用戶提供帶寬:5MHz 宏蜂窩每位用戶提供帶寬:2MHz 用戶可接入毫微蜂窩的平局?jǐn)?shù)量:3 毫微蜂窩緩存的容量:2 TB。
[0020] 針對(duì)SVC編碼視頻，毫微蜂窩緩存分配方法的具體操作步驟為： 步驟1:根據(jù)式(5)計(jì)算所有緩存狀態(tài)(m，對(duì)應(yīng)的用戶QoE，把緩存狀態(tài)按照QoE的 大小進(jìn)行降序排列，同時(shí)根據(jù)緩存消耗的大小進(jìn)行降序排列，分析這兩個(gè)序列，刪除亂序的 緩存狀態(tài)，得到有效的緩存狀態(tài)； 步驟2:用最低視頻碼率/與視頻時(shí)長(zhǎng)作為基準(zhǔn)對(duì)毫微蜂窩總緩存空間進(jìn)行歸一化； 步驟3:按照視頻熱度從高到低的順序開始，在緩存空間由低到高的各種情形下，計(jì)算 這個(gè)視頻不通過(guò)毫微蜂窩緩存，而通過(guò)宏蜂窩所提供的用戶Q〇E; 步驟4:根據(jù)步驟1確定的各種有效緩存分配狀態(tài)，確定這個(gè)視頻在各種緩存空間的情 形下面，毫微蜂窩所能提供的最大用戶Q〇E; 步驟5:比較步驟3和步驟4兩種方案提供的QoE的大小，更新在各種緩存大小情形下已 經(jīng)緩存視頻的緩存分配狀態(tài)； 步驟6:如果在毫微蜂窩緩存最大空間的情形下，由步驟3得到的用戶QoE大于步驟4得 到的用戶Q〇E，那么循環(huán)終止，輸出每個(gè)SVC編碼視頻的緩存分配結(jié)果，否則進(jìn)入步驟3; 步驟7:當(dāng)循環(huán)完成確定最后一個(gè)視頻的緩存分配決策時(shí)，輸出所有視頻的緩存狀態(tài)。
[0021] 仿真結(jié)果： 圖1顯示了一種典型場(chǎng)景下，毫微蜂窩中SVC編碼視頻的緩存配置結(jié)果，其中，用戶周圍 平均有3個(gè)毫微蜂窩接入點(diǎn)，每個(gè)毫微蜂窩提供2 TB緩存空間，毫微蜂窩與用戶之間的SNR 是10 dB，提供5MHz的帶寬，用戶與宏蜂窩之間的信噪比是3dB，提供2MHz的帶寬。圖1(a)顯 示了依據(jù)視頻熱度由高到底排列，相應(yīng)的SVC碼率的分配結(jié)果。圖1(b)給出了隨著視頻熱度 下降，視頻平均在每3個(gè)毫微蜂窩中緩存次數(shù)的變化趨勢(shì)。
[0022]圖2是本發(fā)明提供的算法與其他兩種常規(guī)算法基于用戶QoE的性能比較。其中0PT 代表本發(fā)明的配置方法;DMP表示在每個(gè)毫微蜂窩中都緩存內(nèi)容一樣的熱門視頻文件，從而 最大化緩存視頻的信道分集增益;MHR表示在用戶周圍的毫微蜂窩中都緩存不同的視頻文 件，從而最大化毫微蜂窩的緩存命中率;其中數(shù)字4.8，7.2，10.4代表的DMP與MHR兩種算法 緩存的視頻碼率。通過(guò)仿真，可以看到，本發(fā)明的基于SVC編碼視頻的毫微蜂窩緩存分配方 法較傳統(tǒng)緩存算法，在多種毫微蜂窩SNR的情形下，具有更優(yōu)的性能。
[0023] 參考文獻(xiàn)
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【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存分配方法，其特征在于:通過(guò)在毫微 蜂窩接入點(diǎn)中添加緩存設(shè)備，緩存熱門的視頻文件，結(jié)合SVC編碼視頻的特點(diǎn)，提高分布式 緩存的緩存效率和增強(qiáng)用戶Q〇E;具體步驟如下： (1) 首先，分析SVC編碼視頻分層特性并且對(duì)用戶QoE進(jìn)行建模 SVC視頻內(nèi)部提供多個(gè)碼率自適應(yīng)操作點(diǎn)（0P)，每一個(gè)0P代表SVC編碼的某一些視頻 層，這些0P的視頻碼率定義為：(1) 其中，爐代表SVC最低清晰度的碼率，#代表最高清晰度的碼率，總計(jì)層，按照碼率的 遞增順序排列;對(duì)于SVC編碼視頻的用戶QoE，使用M0S指標(biāo)進(jìn)行衡量，在不同SVC視頻流碼率 力的情形下，M0S表示為：其中，)§§表示在碼率f下，歸一化的SVC視頻QoE，計(jì)算公式為：其中，歷決定SVC視頻QoE函數(shù)的形狀參數(shù)； 假設(shè)毫微蜂窩與宏蜂窩的接收信噪比SNR服從瑞利分布，面對(duì)用戶的視頻請(qǐng)求，在用戶 周圍可接入的毫微蜂窩中，搜尋所請(qǐng)求的視頻，找出緩存有所請(qǐng)求視頻的候選毫微蜂窩，挑 選出其中SNR最大的毫微蜂窩，并由這個(gè)選中的毫微蜂窩負(fù)責(zé)所請(qǐng)求視頻的發(fā)送，若所請(qǐng)求 的視頻沒(méi)有緩存在毫微蜂窩中，那么此視頻將由宏蜂窩負(fù)責(zé)向用戶發(fā)送;結(jié)合SVC分層特 性，對(duì)于任一部視頻i，在第^1〇Ρ對(duì)應(yīng)碼率為7?/的情形下，SVC視頻播放中斷概率為：其中，/fe?是毫微蜂窩為每位用戶提供的帶寬，泛表示毫微蜂窩為用戶提供的均值信噪 比，m代表視頻i緩存在m個(gè)毫微蜂窩中，穴/ / =1，···，Z;根據(jù)視頻播放中斷概率，由 此得到當(dāng)視頻i處于緩存狀態(tài)(~·，r,)的時(shí)候，毫微蜂窩緩存系統(tǒng)為用戶提供的相應(yīng)的期望 QoE則表示為：其中，ri表不視頻i緩存在分布式暈微蜂窩中的碼率； (2) 然后，確定用戶QoE感知的面向SVC編碼視頻的毫微蜂窩緩存分配細(xì)節(jié) 結(jié)合內(nèi)容提供商對(duì)視頻熱度趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，使用MCK算法，通過(guò)確定每一部視頻具體的緩 存狀態(tài)(仿，Λ·)，合理地分配毫微蜂窩緩存資源，從而最優(yōu)化用戶觀看視頻的期望QoE; 其中，MCK算法根據(jù)式(5)確定SVC編碼視頻在分布式毫微蜂窩中的有效緩存狀態(tài)，然后 把視頻依據(jù)熱度由高到低排列，按照視頻熱度的優(yōu)先級(jí)順序，依次更新每部視頻在不同緩 存空間的情形下最優(yōu)的緩存狀態(tài)，最終得到每一部視頻在分布式毫微蜂窩中具體的緩存分 配細(xì)節(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向可伸縮視頻流的分布式毫微蜂窩緩存分配方法，其特征 在于:所述建立用戶Q〇E感知的面向SVC編碼視頻的毫微蜂窩緩存分配細(xì)節(jié)的具體操作步驟 為： 步驟1:根據(jù)式(5)計(jì)算所有緩存狀態(tài)(仿，乃)對(duì)應(yīng)的用戶QoE，把緩存狀態(tài)按照QoE的大 小進(jìn)行降序排列，同時(shí)根據(jù)緩存消耗的大小進(jìn)行降序排列，分析這兩個(gè)序列，刪除亂序的緩 存狀態(tài)，得到有效的緩存狀態(tài)； 步驟2:用最低視頻碼率/與視頻時(shí)長(zhǎng)作為基準(zhǔn)對(duì)毫微蜂窩總緩存空間進(jìn)行歸一化； 步驟3:按照視頻熱度從高到低的順序開始，在緩存空間由低到高的各種情形下，計(jì)算 這個(gè)視頻不通過(guò)毫微蜂窩緩存，而通過(guò)宏蜂窩所提供的用戶Q〇E; 步驟4:根據(jù)步驟1確定的各種有效緩存分配狀態(tài)，確定這個(gè)視頻在各種緩存空間的情 形下面，毫微蜂窩所能提供的最大用戶Q〇E; 步驟5:比較步驟3和步驟4兩種方案提供的QoE的大小，更新在各種緩存大小情形下已 經(jīng)緩存視頻的緩存分配狀態(tài)； 步驟6:如果在毫微蜂窩緩存空間最大的情形下面，由步驟3得到的用戶QoE大于步驟4 得到的用戶Q〇E，那么循環(huán)終止，輸出每個(gè)SVC編碼視頻的緩存分配結(jié)果;否則，轉(zhuǎn)入步驟3; 步驟7:當(dāng)循環(huán)完成最后一個(gè)視頻的緩存分配決策時(shí)，輸出所有視頻的緩存狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H04N19/36GK105959694SQ201610279509
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】童真, 徐躍東, 楊濤, 胡波
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)