CN105979274A - 动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，所述方法结合主服务器处的动态自适应流媒体编码技术将各视频编码为多个不同码率的版本，同时兼顾了各不同视频内容之间码率‑失真性能的差异、边缘服务器的缓存容量限制、不同用户的网络连接情况以及视频点播概率分布，采用分布式的缓存优化放置方法确定各边缘服务器所需缓存的视频版本子集，最终实现用户通过边缘服务器下载观看视频整体质量的最大化。本发明提高了边缘服务器缓存视频内容的利用率，减轻了主服务器处的视频流媒体服务负载，为用户提供更佳的视频服务质量。

Description

动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法

技术领域

本发明涉及一种数据通信技术领域的方法，具体地，涉及一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法。

背景技术

随着移动数据流量的迅速增长以及智能终端设备的日益普及，以移动视频服务为代表的无线视频流媒体技术在近几年得到了越来越广泛的应用。与此同时，移动用户在所使用的移动设备终端、点播内容以及网络连接性等方面呈现出更为复杂的异构特性。动态自适应流媒体技术能够为用户提供同一视频内容的不同版本，以提高异构网络中用户的视频观看满意度。其中，每个视频版本以给定的码率和/或分辨率进行编码，从而使得各用户能够根据自己的视频点播需求和网络状况来确定下载最合适的视频版本。

另一方面，网络视频流量呈现出高度的时间变化特性，具体体现在高峰时间段的网络拥塞以及在低谷时间段的网络使用率不足。为了缓解高峰时间段视频流量拥塞的情况，在边缘服务器处的缓存操作能够利用边缘服务器的存储能力在非高峰时间段预先缓存特定的视频内容，从而起到平滑视频流量的时间变化特性以及降低网络拥塞和传输延迟的作用。相比于主服务器，边缘服务器更靠近移动用户，因此边缘服务器处的缓存还可以极大地缓解主服务器处的视频服务负载，并且通过边缘服务器到用户之间的本地高速链路将视频内容以更低的延迟传输至移动用户。

经过对现有技术的检索发现，Y.Jin等人在《IEEE Transactions on Circuits and Systemsfor Video Technology，Dec.2015，pp.1914-1925，(电气电子工程师协会用于视频技术的电路与***学报，2015年12月，第1914-1925页)》上发表了题为“Optimal transcodingand caching for adaptive streaming in media cloud:An analytical approach(用于媒体云自适应流媒体的最优转码与缓存：一种解析方法)”的文章，该文章将缓存机制引入到动态自适应视频流媒体中，研究了媒体云中的最优转码和缓存资源分配问题，以最小化视频传输的总体操作代价。但是，该文章主要基于一个移动用户连接单个边缘服务器的场景假设，为各边缘服务器之间的进一步协作以提升缓存性能留下了提升空间。

经检索还发现，K.Shanmugam等人在《IEEE Transactions on Information Theory，Dec.2013，pp.8402-8413，(电气电子工程师协会信息论学报，2013年12月，第8402-8413页)》上发表了题为“Femtocaching:Wireless content delivery through distributed cachinghelpers(Femto缓存：借助分布式缓存协助者的无线内容传递)”的文章，该文章针对单个移动用户能够同时连接多个边缘服务器的场景，研究了网络中分布式边缘服务器的视频内容缓存问题。通过各边缘服务器之间的协作，视频服务负载从主服务器段转移到各边缘服务器，从而实现了用户平均视频下载延迟的最小化。但是，该文章所涉及的视频内容仅具有单一码率版本，无法适应异构网络中用户的差异化带宽情况以及点播需求。

此外，上述工作仅考虑了边缘服务器缓存在操作代价或码率方面的性能，将所有视频视为同一数据文件看待，而忽略了不同视频所具有的不同内容信息(例如，不同视频内容具有不同的码率-失真性能)，从而在一定程度上导致了在缓存视频流媒体时***整体性能的下降。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：结合主服务器处的动态自适应流媒体编码技术将各视频编码为多个不同码率的版本，同时兼顾了各不同视频内容之间码率-失真性能的差异、边缘服务器的缓存容量限制、不同用户的网络连接情况以及视频点播概率分布，采用分布式的缓存优化放置方法确定各边缘服务器所需缓存的视频版本子集，最终实现用户通过边缘服务器下载观看视频整体质量的最大化。本发明提高了边缘服务器缓存视频内容的利用率，减轻了主服务器处的视频流媒体服务负载，为用户提供更佳的视频服务质量。

本发明提供一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，包括以下步骤：

第一步，在主服务器处，使用动态自适应流媒体编码技术将各视频编码为多个不同码率的视频版本，并且得到各不同视频内容之间码率-失真性能的差异；

第二步，在边缘服务器处，根据边缘服务器缓存容量限制预先缓存具有特定码率的视频版本，以通过本地高速链路服务用户的视频点播请求；

第三步，在用户处，根据不同用户的点播需求和差异化网络条件，从与用户相邻的边缘服务器上选择下载最高码率的视频版本；

第四步，基于前三个步骤，采用参数：主服务器处编码得到的视频不同版本组成的全集、边缘服务器的缓存容量限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，建立适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题，采用快速高效的分布式缓存内容放置方法，得到第二步中各边缘服务器缓存的最优视频版本子集，所述最优视频版本子集约束了第三步中各用户能够下载的最高码率的视频版本的码率大小。

优选地，第一步中，所述的主服务器能够使用动态自适应流媒体编码技术将任意一个视频文件编码为多个具有不同编码码率的视频版本。所述的各视频文件由于内容的不同呈现出不同的码率-失真性能。

优选地，第二步中，所述的边缘服务器能够预先缓存具有特定码率的视频版本，所述边缘服务器缓存的视频版本总大小受到其物理缓存容量的限制。所述的边缘服务器比主服务器更靠近用户，因此可以通过对无线资源的高密度空间复用建立与用户之间的高速本地链路，从而更快速地响应和服务用户的视频点播请求。

优选地，第三步中，所述的用户可以向相邻的边缘服务器提出视频点播请求，并且从邻近的边缘服务器选择下载具有高码率的视频版本。确定下载最高码率的视频版本的准则为：首先查询所请求视频的最高码率版本是否预先缓存在与用户相邻的边缘服务器集合中，如果存在，则从所有缓存该最高码率的视频版本的边缘服务器中选择具有最高下载带宽的边缘服务器处下载该视频版本；如果不存在，则对该视频第二高码率的版本进行查询；以此类推直到在邻近边缘服务器集合中发现用户所请求的视频的某一码率版本为止；如果用户在任何邻近的边缘服务器都无法找到缓存的该视频的任何码率版本，则将选择从主服务器下载该视频。

优选地，第四步中，所述的适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题结合了主服务器处编码得到的视频不同版本组成的全集、边缘服务器的缓存容量限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，并使用网络效用最大化建模方法得到。

优选地，第四步中，所述的分布式缓存内容放置方法在为各边缘服务器确定具体的缓存视频版本子集时，采用具有多项式时间复杂度和高近似优化性能的高成本效益贪心算法，最终快速高效地实现各边缘服务器分布式缓存内容的优化放置。

更优选地，第四步中，所述的分布式缓存内容放置方法，具体执行步骤为：

(a)初始化：设置初始局部最优解集合为空集、初始搜索集合为视频不同版本组成的全集，以及初始步数为1；

(b)迭代搜索步骤：根据已有的局部最优解集合，在剩余搜索集合中寻找使得边际增量与码率代价的比值最大的元素，所述剩余搜索集合为局部最优解对于搜索集合的补集，所述剩余搜索集合中的一个元素对应于在某一个边缘服务器上缓存某一视频的某一码率版本；

(c)更新步骤：如果添加步骤(b)中搜索得到的元素仍能满足各边缘服务器的缓存容量约束，则将该元素添加至局部最优解集合，并且搜索集合保持不变；如果添加该元素不能满足各边缘服务器的缓存容量约束，则局部最优解集合保持不变，并且将该元素从搜索集合中移除；

(d)判定步骤：如果剩余搜索集合不是空集，则令搜索步数加一并返回迭代搜索步骤；否则，停止迭代并且将当前的局部最优解集合输出为最优结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明为适应动态自适应流媒体技术的需要，提供了一种完全分布式的缓存放置方法，提高了边缘服务器缓存视频内容的利用率，减轻了主服务器处的视频流媒体服务负载，为用户提供更佳的视频服务质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的方法流程图；

图2为本发明一实施例分布式缓存网络的示意图；

图3为本发明一实施例用户从邻近边缘服务器确定下载最大码率视频版本的流程图；

图4为本发明一实施例分布式缓存放置方法的流程图；

图5为本发明一实施例网络设置的示意图；

图6为本发明一实施例视频码率失真性能的示意图；

图7为本发明一实施例分布式缓存放置性能的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法的流程，具体实现包括如下步骤：

1、主服务器处的动态自适应流媒体编码

如图2所示，对分布式缓存网络进行实例分析，假设在主服务器处存放了F个视频文件(F为任意大于2的正整数)，记为视频文件集合每个视频文件的播放时间长度均为T。使用动态自适应流媒体编码技术，将任意一个视频文件编码为M个不同码率的视频版本(M为任意大于2的正整数)，记为视频版本集合其中第m个视频版本f_m的编码码率记为R_fm，并且该集合按照编码码率呈降序排列，即从而，包含所有F个视频文件的全部版本的完整集合可以记为另一方面，主服务器掌握所有视频文件的码率-失真性能信息，即D_max-D_f(R)表示视频文件f在编码码率为R时所对应的视频失真，其中D_max和D_f(R)分别表示当视频无法解码时的最大失真常量以及在成功解码视频文件f的码率为R的版本之后的视频失真减少量。

2、边缘服务器处的分布式缓存

图2还示出在网络中分布的S个边缘服务器，记为边缘服务器集合这些边缘服务器能够预先缓存具有特定码率的视频版本，由于它们比主服务器更靠近用户，因此可以通过对无线资源的高密度空间复用建立与用户之间的高速本地链路，从而更快速地响应和服务用户的视频点播请求。对于每个边缘服务器而言，它能够从主服务器处预先获取并缓存的视频版本数量受到其物理存储容量B_s的限制。定义基集合表示所有可能在边缘服务器s处缓存的视频版本的全集，其中元素表示边缘服务器s缓存视频文件f的第m个码率版本。

3、用户处的视频请求与下载

图2还示出网络中随机分布的U个用户，记为用户集合u＝{1，2，...，U}。用户可以向相邻的边缘服务器提出视频点播请求，并且从邻近的边缘服务器选择下载具有最大码率(即最佳质量)的视频版本。对于每个用户而言，将通过无线链路与其相连的边缘服务器集合记为并且将集合中的各边缘服务器按照与用户u之间无线链路的下载带宽降序排列，从而使得表示与用户u之间无线链路的下载带大小宽排在第i位的边缘服务器。

图3示出了用户从邻近边缘服务器确定下载视频版本的流程图。如图3所示，当用户u提出视频文件f的点播请求之后，首先查询该视频的最高码率版本f₁是否预先缓存在与其相邻的边缘服务器集合中，如果存在，则从所有缓存该视频版本的边缘服务器中选择具有最高下载带宽的边缘服务器处下载该视频版本；如果不存在，则对该视频第二高码率的版本f₂进行查询；以此类推直到在中发现该视频的某一码率版本为止。如果用户u在中的任何边缘服务器都无法找到缓存的该视频的任何码率版本，则将选择从主服务器下载该视频。

4、建立适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题，提出快速高效的分布式缓存内容放置方法

建立适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题如下(其中每个参数的含义可在上下文中对应获取)：

目标优化问题：

约束条件：

其中，优化变量为：表示在各个边缘服务器上缓存的视频版本组成的集合。具体地，某一个元素表示视频文件f的第m个码率版本缓存在边缘服务器s上。

优化目标为：最大化所有用户的预期视频失真减少量之和其中，是所述优化问题的基集合，则表示已知用户u请求视频文件f的概率为P_u，f，基于图3所示的下载流程，通过边缘服务器集合响应用户u的所有视频点播请求并且将所需视频版本传输给用户u以实现的预期视频失真减少量，即

上式中的指示函数的值在的时候为1，在的时候为0，其中表示与用户u之间无线链路的下载带大小宽排在第j位的边缘服务器缓存了视频文件f的第m个码率版本。

约束条件为：边缘服务器物理缓存限制条件，即要求任意一个边缘服务器上缓存的所有视频版本的大小之和不超过其物理存储容量B_s。

如图4所示，给出具有多项式时间复杂度和高近似优化性能的高成本效益贪心算法，最终快速高效地实现各边缘服务器分布式缓存内容的优化放置。所述分布式缓存放置方法的执行过程如下(其中每个参数的含义可在上下文中对应获取)：

(a)初始化：设置初始局部最优解集合初始搜索集合v⁰＝v，初始步数t＝1。

(b)迭代搜索步骤(t＝1，2，3，...)：

根据已有的局部最优解集合在剩余搜索集合(即对于V^t-1的补集)中寻找使得边际增量与码率代价的比值最大的元素即

上式中，元素表示在边缘服务器s上缓存视频文件f的第m个码率版本，元素表示在第t个搜索步骤中搜索得到的边际增量与码率代价的比值最大的元素，对应于在边缘服务器s_t上缓存视频文件f_t的第m_t个码率版本，表示视频文件f的第m个码率版本的编码码率，T表示视频文件的时间长度。

(c)更新步骤：

如果添加元素仍能满足各边缘服务器的缓存容量约束，即

则将该元素添加至局部最优解集合，并且搜索集合保持不变，即令以及v^t＝v^t-1；如果添加该元素不能满足各边缘服务器的缓存容量约束，则局部最优解集合保持不变，并且将该元素从搜索集合中移除，即令以及

上式中，表示边缘服务器s_t的物理存储容量，指代在边缘服务器s_t上缓存的某一个视频版本，具体的表示视频文件f的第m个码率版本，表示所有可能在边缘服务器s_t处缓存的视频版本的全集。

(d)判定步骤：

如果剩余搜索集合不是空集，则令t＝t+1并返回迭代搜索步骤；否则，停止迭代并且将当前的局部最优解集合输出为最优结果。

图5示出了一个具体的分布式缓存网络示例，包括三个边缘服务器S₁、S₂和S₃，以及20个移动用户。图中的连线表示边缘服务器和用户之间存在无线链路，并且无线链路的带宽大小与该连线的长度成反比。

图6示出了主服务器处三个具体视频文件(Crowd Run、Tractor和Sunflower)的码率-失真性能曲线，其中三个视频的空间分辨率均为1080p(1920×1080)，编码帧率均为30帧每秒。

图7示出了在不同的边缘服务器数量设置下，本发明所述的分布式缓存内容放置方法的缓存性能要优于在背景技术中所提到的Femto缓存方法，其中最大视频失真为D_max＝500。

本发明为适应动态自适应视频流媒体多码率版本传输以及异构网络用户差异化带宽条件和点播需求的需要，建立基于边缘服务器分布式缓存的优化放置问题，并且相应地提供了一种高效快速的分布式缓存优化放置方法，实现了用户通过边缘服务器下载观看视频整体质量的最大化。本发明提高了边缘服务器缓存视频内容的利用率，减轻了主服务器处的视频流媒体服务负载，为用户提供更佳的视频服务质量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在主服务器处，使用动态自适应流媒体编码技术将各视频编码为多个不同码率的视频版本，并且得到各不同视频内容之间码率-失真性能的差异；

第二步，在边缘服务器处，根据边缘服务器缓存容量限制预先缓存具有特定码率的视频版本，以通过本地高速链路服务用户的视频点播请求；

第三步，在用户处，根据不同用户的点播需求和差异化网络条件，从与用户相邻的边缘服务器上选择下载最高码率的视频版本；

第四步，基于前三个步骤，采用参数：主服务器处编码得到的视频不同版本组成的全集、边缘服务器的缓存容量限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，建立适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题，采用快速高效的分布式缓存内容放置方法，得到第二步中各边缘服务器缓存的最优视频版本子集，所述最优视频版本子集约束了第三步中各用户能够下载的最高码率的视频版本的码率大小。

2.根据权利要求1所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第二步中，所述的边缘服务器比主服务器更靠近用户，因此可以通过对无线资源的高密度空间复用建立与用户之间的高速本地链路，从而更快速地响应和服务用户的视频点播请求。

3.根据权利要求1所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第三步中，所述的用户可以向相邻的边缘服务器提出视频点播请求，并且从邻近的边缘服务器选择下载具有最高码率的视频版本。

4.根据权利要求1所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第三步中，确定下载最高码率的视频版本的准则为：首先查询所请求视频的最高码率版本是否预先缓存在与用户相邻的边缘服务器集合中，如果存在，则从所有缓存该最高码率的视频版本的边缘服务器中选择具有最高下载带宽的边缘服务器处下载该视频版本；如果不存在，则对该视频第二高码率的版本进行查询；以此类推直到在邻近边缘服务器集合中发现用户所请求的视频的某一码率版本为止；如果用户在任何邻近的边缘服务器都无法找到缓存的该视频的任何码率版本，则将选择从主服务器下载该视频。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第四步中，所述的适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题结合了主服务器处编码得到的视频不同版本组成的全集、边缘服务器的缓存容量限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，并使用网络效用最大化建模方法得到。

6.根据权利要求5所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第四步中，建立适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置的优化问题如下：

目标优化问题：

约束条件：

其中，优化变量为：表示在各个边缘服务器上缓存的视频版本组成的集合，某一个元素表示视频文件f的第m个码率版本缓存在边缘服务器s上；边缘服务器集合用户集合每个用户F、M为任意大于2的正整数；R_fm表示视频文件f的第m个码率版本的编码码率，T表示视频文件的时间长度；

定义基集合表示所有可能在边缘服务器s处缓存的视频版本的全集，其中元素表示边缘服务器s缓存视频文件f的第m个码率版本；

优化目标为：最大化所有用户的预期视频失真减少量之和其中，是所述优化问题的基集合，则表示已知用户u请求视频文件f的概率为P_u，f，通过边缘服务器集合响应用户u的所有视频点播请求并且将所需视频版本传输给用户u以实现的预期视频失真减少量，即

上式中的指示函数的值在的时候为1，在的时候为0，其中表示与用户u之间无线链路的下载带大小宽排在第j位的边缘服务器缓存了视频文件f的第m个码率版本；

约束条件为：边缘服务器物理缓存限制条件，即要求任意一个边缘服务器上缓存的所有视频版本的大小之和不超过其物理存储容量B_s。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第四步中，所述的分布式缓存内容放置方法在为各边缘服务器确定具体的缓存视频版本子集时，采用具有多项式时间复杂度和高近似优化性能的高成本效益贪心算法，最终快速高效地实现各边缘服务器分布式缓存内容的优化放置。

8.根据权利要求7所述的一种适用于动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法，其特征在于，第四步中，所述的分布式缓存内容放置方法，具体执行步骤为：

(a)初始化：设置初始局部最优解集合为空集、初始搜索集合为视频不同版本组成的全集，以及初始步数为1；

(b)迭代搜索步骤：根据已有的局部最优解集合，在剩余搜索集合中寻找使得边际增量与码率代价的比值最大的元素，所述剩余搜索集合为局部最优解对于搜索集合的补集，所述剩余搜索集合中的一个元素对应于在某一个边缘服务器上缓存某一视频的某一码率版本；

(c)更新步骤：如果添加步骤(b)中搜索得到的元素仍能满足各边缘服务器的缓存容量约束，则将该元素添加至局部最优解集合，并且搜索集合保持不变；如果添加该元素不能满足各边缘服务器的缓存容量约束，则局部最优解集合保持不变，并且将该元素从搜索集合中移除；

(d)判定步骤：如果剩余搜索集合不是空集，则令搜索步数加一并返回迭代搜索步骤；否则，停止迭代并且将当前的局部最优解集合输出为最优结果。