无线Mesh网VOD流媒体跨层缓存策略研究

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由于视频文件一般较大,VOD系统会消耗较多的网络资源,需要较大的内存空间,但是,在无线Mesh网中这些资源通常是有限。在无线Mesh网中,网络链路具有不稳定和多跳的特性,这使得在无线网中提供高品质的VOD用户体验(QoE)较困难,QoE包括很多主观和客观的复杂的因素,例如高命中率,连续播放特性和平滑播放特性。此外,用户的行为也很复杂,他们会通过快进,快退,停止等来看自己感兴趣的东西。所有这些对VOD的QoE和资源节约等方面,都提出了一系列的技术挑战。为了应对这些挑战,我们提出了一个联合处理技术,这种技术基于三种关键的方法:跨层技术,优化缓存和速率分配。首先,我们可以推断出,用户体验不仅包括用户行为和用户终端的显示分辨率,还包括:1)源编码方案,2)底层传输误差和延迟(如:网络,介质访问控制和物理层),3)网络的可用资源。为了提供高品质的QoE,节约资源,我们分析了协议层参数、每一跳的资源特性以及源编码方案,由此,我们提出了一个基于跨层的可拓展缓存框架(CRS)。这种构架使我们能够用各种不同的方式缓存流媒体,提高流媒体特性。基于CRS框架,我们研究了接收到的视频帧的重建失真(ARD)、每帧编码率失真(RD)、链路丢包特性和流媒体的内部流行度。由此,我们构建了一个视频帧最佳的缓存密度优化算法,尽量减少ARD,以提供视频的高品质播放。不同于其他的策略都是依靠内部流行度来增加用户的数据存取,减少服务器的工作量,我们是根据每一帧的率失真特性来优化QoE,从而为用户提供高品质的QoE,提高了QoE的平滑性,减少了存储资源的消耗。本文提出的CRS中,具有较高内部流行度的视频片段里的帧将具有更高的密度,由于丢失概率较少,因此它们比低内部流行度视频片段里的帧有更高的重建品质。另外,以高码率编码的帧消耗较多资源,而在无线网中,编码率高也不一定能够获得好的播放质量,就这一点而言,如果我们将视频帧的码率和无线链路的传输特性之间的关系考虑进来,我们将能获得更流畅和更高品质的回放。然后,在重建失真波动和资源高效利用的约束下,通过求解一个最小ARD优化问题,我们可以得到为视频片段的每一帧分配的最佳码率值,这样可以保证回放的品质。最后,为了适应无线连接带宽的动态性、用户终端的异构性,以及传输误码和延迟等问题,我们提出了一种附带前向纠错的分层多描述编码(LMDC-FEC)将不同可伸缩视频编码(SVC)片段打包来进行传输。进一步的,我们提出了一个基于遗传算法(genetic algorithm, GA)求解一个联合约束优化问题,从而为每个视频片段的每一层精确分配恰当码率,并为每个片段分配合适的缓存密度,从而优化QoE和存储资源。仿真结果表明,我们提出的策略和算法显著提高了无线Mesh网上视频点播系统的流媒体性能。
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