【摘要】：作為向下一代移動通信網(wǎng)絡(4G)過渡中的代表性設計,3GPP LTE技術(shù)近年來得到了迅猛的發(fā)展,在世界范圍內(nèi)擁有了廣泛的部署。伴隨著新型移動網(wǎng)絡的完善帶來的無線帶寬和數(shù)據(jù)速率的大幅度提高,面向移動用戶的在線視頻業(yè)務也得到了爆炸性的增長。據(jù)Cisco2012年白皮書預計,在未來的五年中,移動網(wǎng)絡中視頻相關(guān)的流量將增長16倍,并將占據(jù)整個移動通信網(wǎng)絡流量的66%以上。 3GPP LTE核心網(wǎng)絡不同于前幾代通信網(wǎng)絡,對語音和數(shù)據(jù)傳輸服務都采用全數(shù)據(jù)包交換的方式,通過內(nèi)部的GTP協(xié)議提供用戶終端設備與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的連接。然而,在這種簡單的“中繼”式的傳輸中,所有的數(shù)據(jù)請求需要經(jīng)過整個LTE網(wǎng)絡的層次結(jié)構(gòu)到達Internet,這樣不僅帶來巨大的網(wǎng)絡延遲,而且會產(chǎn)生額外的跨網(wǎng)費用。尤其是對于數(shù)據(jù)量要求很大的視頻服務來說,這樣的延遲和跨網(wǎng)費用都將是難以承受的。顯然,將高訪問量的視頻緩存在離用戶更近的核心網(wǎng)絡中,將會在提高用戶體驗的同時大大降低移動網(wǎng)絡提供商的運營成本。而進一步的分析表明,LTE核心網(wǎng)絡的中層服務網(wǎng)關(guān)通常是由處理能力強大的服務器組成,具備進行視頻緩存的硬件條件。本文基于這樣的觀點,對LTE核心網(wǎng)絡中的協(xié)作式視頻緩存問題進行了研究,主要內(nèi)容和創(chuàng)新點總結(jié)如下： 1.提出了一種LTE核心網(wǎng)絡中的最優(yōu)化的視頻存儲算法。針對移動通信網(wǎng)絡中視頻點播業(yè)務中被請求對象的訪問特點進行建模,該模型從緩存的原始目的出發(fā),以最大化本地文件命中率為優(yōu)化目標,以降低核心網(wǎng)絡中可能需要的協(xié)作式請求數(shù)據(jù)量。證明了該優(yōu)化模型為NP難解問題。通過進一步分析視頻文件的特點,采用一種貪心式的搜索算法,盡可能搜索優(yōu)化的文件存儲解決方案。最后通過松弛模型問題變量得出優(yōu)化問題的理論上界,作為評價貪心算法的標準尺度。仿真實驗表明,本文提出的存儲算法與理論上界之間的差距在1%～3%之間。 2.分析比較了視頻緩存系統(tǒng)中已有的幾種協(xié)作式請求調(diào)度機制,提出了一種分布式的基于數(shù)據(jù)流式、流量感知的協(xié)作式請求調(diào)度算法；并在此基礎上,進一步研究了多源多路徑網(wǎng)絡環(huán)境下的協(xié)作式請求問題,提出了一種集中式、具有理論近似度的協(xié)作式數(shù)據(jù)流路由算法�，F(xiàn)有的文獻和系統(tǒng)中,協(xié)作式傳輸大多采用靜態(tài)的、基于文件傳輸?shù)膬?nèi)部傳輸方式。本文針對這種將網(wǎng)內(nèi)節(jié)點看做FTP服務器/客戶端方式的傳輸模式,進行仿真實驗研究,并提出了一種基于數(shù)據(jù)流的協(xié)作式請求調(diào)度算法。比較對文件式非流量感知、文件式流量感知、數(shù)據(jù)流式非流量感知、數(shù)據(jù)流式流量感知四種可能的傳輸方案的優(yōu)缺點進行系統(tǒng)性研究分析比較,對本文研究中采用的傳輸方式進行評估。LTE協(xié)作式視頻緩存中,每個未命中請求可能有多個可選用網(wǎng)內(nèi)服務源,而每個網(wǎng)內(nèi)服務源有多條到達指定節(jié)點的路徑。路由問題包括了選定服務源以及選定路由路徑兩個基本子問題。本文進而針對這樣的路由問題進行建模,得到統(tǒng)一的優(yōu)化模型,并且提出了一種具有理論近似度的多項式時間路由算法。該算法適用于多源多路徑的應用場景,并且具有較低的算法復雜度。 3.提出了一種聯(lián)合自適應視頻速率的協(xié)作式視頻路由算法。實際視頻傳輸中,為了降低用戶等待和用戶體驗延遲,高負荷的應用場景下,視頻服務器可以通過可伸縮視頻、自適應速率等技術(shù)手段來降低網(wǎng)絡中的流量需求。針對這樣的實際應用背景,本文研究了一種聯(lián)合自適應速率的技術(shù)的協(xié)作式請求傳輸模型,該模型以最大化用戶累計效用為優(yōu)化目標。本文證明了模型化的問題是NP難解問題,進而提出了一種快速的兩階段求解算法,該算法與已有的算法相比,具有很大優(yōu)勢,并且能夠支持更高的網(wǎng)絡負載。 4.提出了一種簡單的、在現(xiàn)有路由器中可以實現(xiàn)的路由協(xié)議。根據(jù)理論上路由算法得出的服務源和選定路徑的數(shù)據(jù)流路由結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)有實際應用中的路由器的工作要求,提出了一種基于逐跳前傳(hop-by-hop forwarding)的路由協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)路由流量的比例結(jié)果(proportional)建立路由表數(shù)據(jù)庫,并且將相應的路由表發(fā)放到對應的路由器中。在提出的路由協(xié)議中,每個路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)流的源地址和目的地址,決定將收到的數(shù)據(jù)流按比例發(fā)送到下一跳的路由器。提出的路由協(xié)議可以很容易的在絕大多數(shù)已有路由器中實現(xiàn),并且兼容未來的新型軟件定義的網(wǎng)絡(software defined networks),如OpenFlow. 5.研究并實現(xiàn)了LTE核心網(wǎng)絡中的一個視頻緩存子系統(tǒng)。以LTE核心網(wǎng)絡原型項目OpenEPC為基礎,詳細討論和分析了現(xiàn)有的3GPP LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和傳輸協(xié)議,提出了一種與現(xiàn)有標準兼容的視頻緩存子系統(tǒng)設計,并且在大型核心網(wǎng)絡實驗平臺OpenEPC上實現(xiàn)該視頻緩存子系統(tǒng)的原型。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP333

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