基于用户设备转码的自适应码率视频共享技术研究

摘要

随着无线通信技术的快速发展以及移动智能终端设备的广泛普及，以高清网络视频、城市安防监控视频等内容为主体的多媒体流量迅速增长，并将成为未来无线流量中的绝对主体。为了应对这类快速增长的高带宽业务给移动网络运营商带来的巨大压力，缓存技术是学术界和工业界普遍认同的一种行之有效的技术方案。通过在关键网络节点部署缓存，拉近内容到用户的距离，有效地降低用户获取内容的时延；同时减少了相同内容在网络中的重复传输，一定程度上减轻了网络的负担。 然而，新近出现的自适应码率视频技术(Adaptive Bit-Rate,ABR)，通过提供同一视频内容的多种不同码率版本，为设备性能和链路速率存在异质性的用户提供差异化的服务，在提升用户体验的同时，也使得缓存同样视频内容所需要的存储空间成倍地增加，在缓存系统的存储空间无法相应成倍扩张的情况下，该技术的应用会使得缓存命中率显著下降，严重影响缓存系统的性能。为了解决上述问题，本文对ABR业务场景下的缓存系统进行了研究，本文主要研究内容包括： 设计并实现了一种基于MPEG-DASH协议的ABR视频实验平台，在该实验平台上进行了4G和WiFi两种无线网络环境下的实测实验，对比分析了ABR视频与传统视频在平均码率、播放卡顿次数等关键用户体验指标上的性能表现，验证了ABR技术的应用对于带宽波动较大的无线网络环境下用户体验提升的正面作用。同时通过计算机仿真实验，分析了传统缓存系统在ABR视频业务场景下存在缓存命中率显著下降的问题。 提出了一种基于用户设备转码的ABR视频共享技术，在这种技术中，用户不仅可以通过设备间通信(Device-to-Device,D2D)直接获取临近的其他用户设备上预先缓存的视频内容，而且临近用户也可以将被请求视频内容由更高码率版本转码为请求发起者所需要的码率版本后再进行传输。针对上述服务场景，本文对用户分布、视频请求行为等进行建模，结合移动终端设备的特点，考虑了用户设备功耗预算、缓存空间大小以及蜂窝小区通信资源等限制条件，在所建模型上规划了一个以最小化基站的回程流量为目标的优化问题。综合考虑实际场景中的业务流程以及问题求解的复杂度，我们将原优化问题划分为视频内容预置和用户请求调度两个子问题。针对第一个子问题，本文提出了一种在线式、低复杂度的方法来进行设备上的视频内容预置；同时将第二个子问题转换为整数线性规划问题并进行求解，给出了确定缓存条件下的最优用户请求调度策略。 大量的仿真实验表明，相较于传统的分布式缓存方案，本文所提的基于用户设备转码的ABR视频共享技术，可以有效提高缓存命中率，同时显著降低基站的回程流量开销。

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摘 要

Abstract

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表格索引

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外相关研究现状

1.2.1 边缘缓存技术研究现状

1.2.2 ABR视频缓存研究现状

1.3 主要研究内容及工作安排

2 关键技术概述

2.1 ABR视频技术

2.2 移动边缘网络

2.3 D2D通信技术

2.4 本章小结

3 ABR技术性能分析与研究

3.1 基于DASH的ABR实验平台设计与搭建

3.2 用户体验分析

3.2.1 实验设定

3.2.2 实验结果分析

3.3 缓存系统性能分析

3.4 本章小结

4 面向ABR业务的设备间视频共享技术

4.1 应用场景及系统建模

4.1.1 基本应用场景

4.1.2 系统设定与建模

4.2 问题规划

4.3 内容预置策略与请求调度策略

4.3.1 内容预置策略

4.3.2 请求调度策略

4.4 仿真结果及性能评估分析

4.4.1 仿真设定

4.4.2 仿真结果与分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士期间取得的成果及参加的科研项目