隨著信息通信的全球化和日常化,視頻業(yè)務(wù)深入現(xiàn)代社會的各個方面。它日趨普及以至于成為許多企業(yè)單位的經(jīng)濟(jì)活動和人民群眾的日常生活中的必需品。由于無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋了人類活動集中的絕大部分區(qū)域,而視頻服務(wù)的消費者又大多非常忙碌,移動視頻服務(wù)在這樣的社會環(huán)境中獲得了大眾的青睞。這樣廣泛的應(yīng)用與需求使得研究優(yōu)化移動視頻傳輸服務(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,以致許多研究問題仍有待解決。移動設(shè)備和無線通信技術(shù)的發(fā)展使得越來越多的人選擇移動視頻服務(wù),而多個移動視頻的消費者在現(xiàn)實環(huán)境中位置鄰近的情況時有發(fā)生。然而,由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源有限,這些用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭會導(dǎo)致每個人的可用帶寬都供不應(yīng)求,每個人只能享受最基礎(chǔ)的視頻體驗。本論文嘗試將這種無線通信困境轉(zhuǎn)化為協(xié)同視頻分發(fā)思路的起點,并設(shè)計了有針對性的合作傳輸機(jī)制。該機(jī)制在保留每臺移動設(shè)備蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接的同時,用本地WiFi將所有移動設(shè)備聯(lián)合到一起。通過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,并有更強(qiáng)的能力抵抗無線網(wǎng)絡(luò)的波動環(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)資源競爭和無線碰撞現(xiàn)象。這樣的協(xié)同視頻傳輸方案應(yīng)當(dāng)具備以下三個特征:(1)移動視頻服務(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)于各種移動視頻服務(wù);(2)它應(yīng)當(dāng)能夠同時利用多個移動設(shè)備的多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊,做到有序、高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸,即設(shè)計一個對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,或者在短時間內(nèi)無法求出以至于不能應(yīng)用在實際的線上視頻服務(wù)中。因此傳輸方案的使用價值最終取決于是否能夠設(shè)計一個高效且能達(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)用于點播視頻服務(wù)、實時視頻服務(wù)和360度全景視頻服務(wù)這三個典型的移動視頻服務(wù)中。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點歸納如下:1、第三章針對移動點播視頻服務(wù)提出并實現(xiàn)了一個名為GDASH(Green Cooperative Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)的節(jié)能協(xié)同分發(fā)機(jī)制。點播視頻服務(wù)中的基于HTTP的動態(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景中。因此在為DASH設(shè)計的傳輸機(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)計了針對點播視頻的群組用戶協(xié)同優(yōu)化問題。該優(yōu)化問題按照用戶的需求,利用個性化權(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)特性對這一約束最大化問題進(jìn)行了理論求解。在實踐中,這一優(yōu)化問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)計核心,由此設(shè)計出的機(jī)制能夠在不降低視頻觀看體驗水平的前提下,通過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。為了檢驗該設(shè)計的實際應(yīng)用效果,第三章在Android平臺上實現(xiàn)了本章提出的GDASH方案,并證實了在視頻質(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、第四章針對移動實時視頻服務(wù)提出并實現(xiàn)了一個名為DCSHN(Delay-Constrained Streaming in Hybrid Networks)的即時協(xié)同分發(fā)機(jī)制。實時視頻是互動式移動視頻服務(wù)的常用視頻類型,也是緊急情況與自然災(zāi)害發(fā)生時傳遞政府信息的重要手段。在這兩個用途中,實時視頻的平均傳輸時延是優(yōu)化實時視頻服務(wù)質(zhì)量時最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。然而當(dāng)許多個同一實時視頻的用戶集中于同一地點時,由于他們各自的移動設(shè)備都盡力占有網(wǎng)絡(luò)資源來縮短時延,網(wǎng)絡(luò)擁塞時有發(fā)生。針對這樣的場景,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?并提出了一個名為DCSHN(Delay-Constrained Streaming in Hybrid Networks)的即時協(xié)同分發(fā)機(jī)制。該章將排隊論應(yīng)用于群組用戶的協(xié)同視頻傳輸情景,并對混合網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時延、有效吞吐量(Goodput)進(jìn)行建模。通過對這一模型中的約束最大化問題進(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)計了一個力圖減少整體網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、提高群組傳輸效率的協(xié)同分發(fā)機(jī)制。這個機(jī)制為了保證在線視頻傳輸?shù)臅r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間內(nèi)求得優(yōu)化問題的近似最優(yōu)解。為了檢驗該設(shè)計在實時視頻服務(wù)中的實際效果,第四章在Android平臺上組建本地單跳的Ad Hoc模式WiFi網(wǎng)絡(luò)并使用監(jiān)聽(Overhearing)技術(shù)實現(xiàn)了本章提出的DCSHN方案,并用實驗結(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、第五章針對移動360度全景視頻服務(wù)提出了一個名為CoPano(Cooperative Panoramic Video)的個性協(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)計的現(xiàn)有移動傳輸方案無法支撐傳輸一個高質(zhì)量全景視頻的全部文件所需的帶寬與吞吐量。當(dāng)多個用戶集中于同一地點各自在智能手機(jī)上觀看全景視頻時,各個移動設(shè)備對有限帶寬資源的爭奪造成了更加尖銳的傳輸沖突,從而加劇了本就存在波動的無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。第五章提出了一個用于傳輸基于瓦片(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質(zhì)量(Quality of Experience,QoE)。與該方案對應(yīng)的優(yōu)化問題要求機(jī)制基于各個用戶的個性化需求,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)化問題的數(shù)學(xué)表達(dá)為NP-hard,因此第五章提出了一個接近數(shù)學(xué)最優(yōu)解的啟發(fā)式方案。對優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)與約束條件的數(shù)學(xué)分析證明了理論最優(yōu)解與實踐方案之間的高度相似性。在這個啟發(fā)式方案中,各個移動設(shè)備按照單機(jī)的視頻觀看狀態(tài)對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。為了驗證此方案的有效性,第五章在Android平臺上實現(xiàn)了本章提出的CoPano方案,實驗結(jié)果表明,此章提出的方案實際表現(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)議力圖在波動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中優(yōu)化視頻逡逑觀看體驗，所以每個視頻編碼版本都被切分成許多個數(shù)秒一段的獨立視頻段，以保逡逑證視頻質(zhì)量適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的靈活性。與每一個視頻版本對應(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（包括時間范圍、視頻質(zhì)量、數(shù)據(jù)逡逑量大小等）組成了一個播放清單，由客戶端在載入視頻時從服務(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視頻段的碼率，來分段優(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，所以這個協(xié)議對在傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)逡逑包都有重傳措施來保證它們成功抵達(dá)客戶端設(shè)備。客戶端播放器緩沖區(qū)可以存儲預(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)計在充分適應(yīng)移動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)傳輸帶寬有實時激增的趨勢，用戶則在下載下一視頻求下載質(zhì)量更高一級的片段版本。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］等思路綜合運用前兩種算所長。逡逑視頻碼率（輸出）逡逑

本文編號：2813820