多媒体视频流量建模预测及相关问题研究

摘要

宽带通信网络技术的快速发展，为多媒体业务的更广泛应用奠定了坚实的基础，而其结构设计、性能优化和参数选择等问题的解决，对多媒体业务的理论建模和实时预测等提出更高的要求；同时，充分考虑多媒体业务特点的网络资源管理机制和路由算法又能够保证多媒体业务的服务质量。 本论文从提供业务的角度出发，研究了多媒体视频业务的建模及预测问题；并针对多媒体业务的特点，提出了改进的无线多媒体网络中的呼叫接入与切换控制策略；最后用渗流理论分析了本文提出的对等网络中的路由算法。本论文的主要工作及创新点在于： ◇提出了一种快速VBR视频流量的混沌特性检测算法，该算法在确保检测结果准确的前提下，首先对VBR视频流量的GOP数据进行预处理，然后，选用速度最快的简化方法进行视频混沌特性的快速检测。通过实际数据的仿真验证，该算法在判断准确性、实时性等方面均表现良好。另外，从混沌理论出发对VBR视频流量的GOP序列进行分析，考虑到视频流量的GOP序列可以视为含有噪声的混沌时间序列，从而可将视频GOP序列分解为混沌特征项和噪声项分别进行分析和建模。在此基础上，提出了一种基于混沌理论的VBR视频流量GOP序列建模方法。在建模过程中，先使用混沌序列拟合视频流量序列，而后利用滑动平均MA过程预测残差项。在预测误差、自相关函数和自相似性等方面，该模型取得了较好的拟合效果。与高阶AR模型相比，该模型同时兼顾了流量自相关函数的长时相关性和短时相关性，并保持了与实际流量几乎相同的自相似性。 ◇从实时预测的角度出发，针对传统视频流量模型在预测时对先验统计特性过度依赖的缺点，提出一种新的动态步长LMS算法（DLMS）。在VBR视频流量的GOP所表示的时间尺度上预测视频流量，由于该算法不需要过多的关于被预测流量的先验统计特性，且可以根据预测误差的反馈，动态改变步长的大小，计算量小，适合于在线实时预测，能够有效改善预测性能。在此基础上，提出了一种集成的视频流量预测方法。该方法使用本章前一节提出的动态步长LMS算法和基于混沌时间序列预测理论的加权一阶局域算法共同对VBR视频流量进行预测，对两种算法的近期预测效果进行比较，根据比较的结果选择其中一种算法的下一步预测结果作为该集成方法的预测结果输出。仿真结果表明，该集成方法的预测效果好于其中包含的两种算法，且具有良好的实时性。 ◇针对多业务移动通信系统的特点和现有接入策略中存在的不足，提出双动态门限保护信道的呼叫接入（DDT-GC）策略，该策略通过动态调整门限值，合理地对资源进行分配，采用二维马尔可夫过程对系统进行建模和性能分析，并与固定门限值的保护信道策略及不使用预留信道的策略进行了比较。数值仿真结果表明，DDT-GC策略既保证了系统的服务质量，又极大地降低了系统的切换中断率和呼叫阻塞率，同时提高了系统资源的利用率。 ◇提出了一种基于缓存的动态门限切换控制策略（DDT-Q算法），该算法基于共享信道的方式，考虑到非实时业务对于时延的敏感性较低，对溢出的非实时业务进行缓存，通过呼叫缓存及动态门限的不同设置，降低呼叫被阻塞的概率；同时兼顾了非实时业务的速率可变特性，动态改变其服务带宽，利用三维马氏链对其进行性能分析，与DTR-Q、DTBR算法相比，该算法的平均信道利用率、呼叫强拆率及阻塞率等性能有明显地改善。 ◇通过分析无结构对等网络中现有的路由算法：发现为避免广播风暴，其文件搜索总是被限制在某局部范围内。为此提出一种无结构对等网络中基于临界概率的路由算法，该算法使用基于临界概率的广播方法发布搜索报文，在避免广播风暴的同时，能够完成全局资源的查找。最后，使用渗流理论对该算法的覆盖效果进行了理论证明，结果表明，使用该路由算法进行文件搜索时，其搜索范围能够覆盖无结构对等网络中所有节点的概率为1。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 引言

1.1 课题背景及意义

1.2 研究课题的现状

1.2.1 多媒体视频流量建模预测研究现状

1.2.2 无线多媒体网络接入与切换控制

1.3 本文主要工作及组织结构

2 多媒体视频流量混沌特性分析及其建模

2.1 引言

2.2 时间序列的混沌特性分析

2.2.1 混沌时间序列

2.2.2 最大Lyapunov指数

2.2.3 混沌时间序列检测方法

2.3 多媒体视频流量的混沌特性分析

2.3.1 基于最大Lyapunov指数方法的时间序列混沌特性判别

2.3.2 MPEG4编码视频序列混沌特性的数值结果与分析

2.4 视频序列混沌特性的快速检测方法

2.4.1 带预处理的视频混沌特性快速检测方法

2.4.2 实际视频数据的仿真分析

2.5 多媒体视频的混沌建模

2.5.1 多媒体视频的时域统计分析

2.5.2 基于混沌理论的视频GOP序列流量模型

2.5.3 仿真结果

2.6 本章小结

3 多媒体视频流量的短期实时预测算法

3.1 引言

3.2 改进的自适应视频流量预测算法

3.2.1 固定步长LMS算法的原理和实现方法

3.2.2 动态步长LMS自适应算法的描述

3.2.3 仿真与分析

3.3 视频流量的集成预测算法

3.3.1 算法设计思想

3.3.2 算法描述

3.3.3 仿真与分析

3.4 本章小结

4 无线多媒体网络中的呼叫接入与切换控制策略

4.1 引言

4.1.1 无线多媒体网络中的呼叫接入策略

4.1.2 无线多媒体网络中的切换控制策略

4.2 基于双动态门限保护信道的呼叫接入策略

4.2.1 网络模型与环境

4.2.2 算法描述

4.2.3 算法的性能分析

4.2.4 数值仿真与分析

4.3 基于缓存的动态门限切换控制策略

4.3.1 算法描述

4.3.2 算法的性能分析

4.3.3 数值仿真与分析

4.4 本章小结

5 对等网络中实时视频传输的改进型路由算法

5.1 对等网络

5.1.1 对等网络概述

5.1.2 对等网络与传统C/S模式的比较

5.1.3 对等网络的特点

5.2 无结构P2P网络中现有的路由算法

5.2.1 小世界模型(Small World)对P2P路由算法的影响

5.2.2 无结构P2P网络路由算法

5.3 基于临界概率的路由算法

5.3.1 算法设计思想

5.3.2 算法描述

5.4 算法的理论证明

5.4.1 渗流理论基础

5.4.2 建模与证明

5.5 本章小结

6 结论

6.1 总结

6.2 工作展望

参考文献

附录 缩略语对照表

作者简历