CN108429919B - 多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法。本发明采用下述步骤实现多速率视频在无线网络中的缓存和传输：步骤1，定义用户的接入时延函数；步骤2，利用拉格朗日松弛将目标函数分解为两个子问题；步骤3，分别解决两个子问题得到最优缓存和传输方式。本发明方法不仅同时优化了用户的接入时延性能和用户服务数量，而且实现过程简单，便于分布式求解，有效提高了用户体验质量和网络资源利用率。

Description

多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法

技术领域

本发明涉及一种多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法，属于无线通信网络中资源分配和调度领域。

背景技术

近些年随着多媒体智能终端的普及，无线网络中用户对数据流量的需求逐年增长且毫无放慢的迹象，其中视频内容需求一直占主导地位，巨大的流量需求导致现有通信网络架构难以承受，尤其是回程链路部分，与此同时，由于大量用户请求服务导致的网络拥塞，至使用户的体验质量也难以保障。

缓存技术通过在用户流量需求的非峰值时段，将流行视频内容(研究表明用户请求的视频内容近似服从zipf分布，即用户请求概率与视频排名成反比，请求概率越大的视频排名越靠前，称为流行视频)提前存储到临近用户的缓存节点，在用户流量需求的峰值时段，由缓存节点提前缓存的流行内容对用户进行服务，从而显著减小回程链路的压力，同时由于缓存节点更邻近用户，因此可以更快速的对用户需求进行响应，从而显著减小用户接入时延，提高用户的体验质量。

缓存技术的应用前景非常广泛，对于任何具有存储能力的网络节点都可适用，常见的有传统蜂窝网络和信息中心网。传统的蜂窝网络中，通过在临近用户的基站中引入存储能力，将大量流行视频存储到缓存中可以显著减小基站到核心网的回程压力，同时由于基站更临近用户终端，使得响应用户请求更加迅速，为用户提供极好的用户体验质量。随着5G时代的临近，各种小基站，辅助节点填充到基站的覆盖范围下，加强了对终端用户的覆盖，同时使得基站到用户的距离更为缩短，通过引入缓存技术，使网络响应用户请求更为迅速。随着D2D及Ad-hoc技术的发展，用户终端的存储也会做得越来越大，在用户终端引入缓存技术，可以进一步减轻无线网络的压力，通过在这些缓存节点引入缓存技术可以大大提升***容量，减少回程和无线压力，提升用户体验质量。对于信息中心网，通过在中间路由器和边沿路由器同时引入缓存，再施以合理的缓存方式，可以显著提升用户的体验质量。未来由于多媒体智能终端的不断发展，人们对网络服务的需求将越来越迫切，要求也越来越高，通过缓存技术和动态自适应流技术的结合，可以在缓存节点存储多速率的视频内容，并添加计算单元，当用户请求某个速率的内容不在缓存中时可以对元速率的内容进行速率转化，多种速率的视频缓存可以很好的适应网络环境和用户终端制式，为用户提供相对最好的体验质量。

缓存技术可以很好的减轻回程压力，提升用户的体验质量，但是缓存什么？如何缓存？还是缓存技术中最为突出的问题。

发明内容

本发明的目的是针对无线网络中用户需求过多导致现有网络架构难以负担，同时用户得不到想要的服务等问题，提供一种无线网络中视频的缓存和传输方法。该方法主要考虑多速率视频场景下无线网络中用户接入时延的最小化问题，通过合理调整缓存和传输达到用户体验质量的优化。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法，具体步骤如下：

步骤1：定义用户的接入时延函数；

步骤2：利用拉格朗日松弛将目标函数分解为两个子问题；

步骤3：分别解决两个子问题得到最优缓存和传输方式。

所述步骤1的具体步骤如下：

在一个无线网络中，一般包括互联网Internet，拥有全部的视频资源，运营商，拥有很多基站，每个基站具有一定的缓存能力且覆盖许多用户，用户向基站请求视频内容，基站若提前缓存了该内容则直接对用户进行服务，这时由于基站距离用户较近且无线容量富裕，用户会感受到较小的接入时延，具有较好的体验质量，否则将通过回程链路向Internet请求传输该内容，这时将占用回程资源，由于回程资源有限，当用户请求增多时，容易产生链路拥塞，同时由于Internet距离用户较远，用户将感受到较大的接入时延，导致用户体验质量下降。

当用户向基站或Internet请求视频内容时，根据当时网络链路的拥塞程度用户会感知到一个接入时延，根据排队论中M/M/1的排队假设，接入时延可以描述为每比特位通过容量为C负载为f的链路，所花费的时延为1/(C-f)，接入时延越小，表示用户体验质量(QoE)越好，因此可以将用户的时延成本最小化描述用户的体验质量最优，具体定义为：

s.t.y_ijq≤x_ijq+z_ijq (1)

其中不等式(1)表示一个被服务的用户请求要么由基站缓存中内容服务，要么由Internet进行服务，不等式(2)表示缓存内容的大小小于基站i缓存容量的限制，其中S_i为基站i的缓存容量，不等式(3)，(4)分别表示无线容量限制和回程容量限制，条件(5)，(6)表示x_ijq,y_ijq,z_ijq取值范围，其中x_ijq∈{0,1}，x_ijq＝1表示速率版本为q的视频j缓存在基站i，否则没缓存。

针对不同的用户接入带宽，本发明考虑多速率的视频，接入带宽越大的用户可以享用越高速率的视频，其中d_ijq表示用户向基站i∈{1,2,...,|I|}请求速率版本为q∈{1,2,...，|Q|}的视频j∈{1,2,...|J|}的平均每比特位传输时延，y_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j被服务的比例，z_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j未被服务转而被Internet直接服务的比例，F_i,G_i分别为基站i的无线容量和基站i到Internet之间的回程链路容量，

为基站i到用户的传播和处理时延，

为基站i到Internet之间回程链路的传播和处理时延。

分别为无线链路和回程链路负载，其中λ_i表示向基站i发起请求的用户数量，R_jq表示速率版本为q的视频j的速率。

所述步骤2的具体步骤如下：

引入拉格朗日乘子

将条件(1)带入目标函数，得到拉格朗日函数：

因此相应的目标函数变为：

通过观察，该问题可以进一步分解为P1(传输子问题)和P2(缓存子问题)两个子问题，其中：

P1：

P2：

所述步骤3的具体步骤如下：采用分布式算法进行求解，其具体步骤如下：

(3-1)解决传输子问题

利用次梯度迭代的方法进行求解，首先，从基站i获取服务比例信息

和相应的缓存信息

其次，提取

的值，然后利用公式：

更新

的值，最后利用公式：

更新

值，直至收敛至最优值。

(3-2)解决缓存子问题

利用贪婪算法解决，首先，提取

值和相应视频大小o_jq，分别得到集合

然后利用缓存容量受限条件∑Ο≤S_i判断基站缓存是否存满，若条件满足，则缓存该视频W_i＝W_i-o_ijq,C_i＝C_i∪o_ijq,x_ijq＝1，否则集合U降序排列，对于k＝1～|U|，满足u_k＝u_ijq←o_jq，判断如果u_k≤W_i，则W_i＝W_i-u_k,C_i＝C_i∪u_k,x_ijq＝1，否则x_ijq＝0。

其中Ο,U分别表示视频大小o_jq和拉格朗日乘子

的集合，W_i表示基站i的缓存大小S_i，C_i表示基站i已缓存视频大小，k表示排名，u_k表示排名第k的视频的大小。

本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明方法不仅实现了同时优化用户的体验质量和用户服务数量，而且实现过程简单，便于分布式求解，有效提高了网络资源利用率。

附图说明

图1为本发明针对的一种无线网络***模型。

图2为本发明中适用于无线网络中视频的缓存和传输方法的流程图。

图3为本发明中时延性能随缓存容量的变化。

图4为本发明中被服务用户占请求用户百分比随缓存容量的变化。

图5为本发明中时延性能随无线容量的变化。

图6为本发明中被服务用户占请求用户百分比随无线容量的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细的描述。

如图1所示为无线网络中视频的缓存和传输的***模型。图中无线网络包括互联网提供所有速率的视频资源，具有缓存能力的基站，每个基站下覆盖需要服务的用户。用户向基站进行视频请求，若基站提前缓存该视频内容，则直接对该用户进行服务，否则基站向Internet检索请求该视频资源，这时将占用回程链路，造成链路拥塞，同时由于Internet作为远端服务器距离用户较远，多节点的视频传输将导致用户接入时延增加，用户体验质量下降。

如图2所示，本实施例无线网络中视频的缓存和传输优化方法的具体步骤如下：

步骤1：定义用户的接入时延函数；

在一个无线网络中，一般包括互联网Internet，拥有全部的视频资源，运营商，拥有很多基站，每个基站具有一定的缓存能力且覆盖许多用户，用户向基站请求视频内容，基站若提前缓存了该内容则直接对用户进行服务，这时由于基站距离用户较近且无线容量富裕，用户会感受到较小的接入时延，具有较好的体验质量，否则将通过回程链路向Internet请求传输该内容，这时将占用回程资源，由于回程资源有限，当用户请求增多时，容易产生链路拥塞，同时由于Internet距离用户较远，用户将感受到较大的接入时延，导致用户体验质量下降。

当用户向基站或Internet请求视频内容时，根据当时网络链路的拥塞程度用户会感知到一个接入时延，根据排队论中M/M/1的排队假设，接入时延可以描述为每比特位通过容量为C负载为f的链路，所花费的时延为1/(C-f)，接入时延越小，表示用户体验质量(QoE)越好，因此可以将用户的时延成本最小化描述用户的体验质量最优，具体定义为：

s.t.y_ijq≤x_ijq+zi_jq (1)

其中不等式(1)表示一个被服务的用户请求要么由基站缓存中内容服务，要么由Internet进行服务，不等式(2)表示缓存内容的大小小于基站i缓存容量的限制，其中S_i为基站i的缓存容量，不等式(3)，(4)分别表示无线容量限制和回程容量限制，条件(5)，(6)表示x_ijq,y_ijq,z_ijq取值范围，其中x_ijq∈{0,1}，x_ijq＝1表示速率版本为q的视频j缓存在基站i，否则没缓存。

针对不同的用户接入带宽，本发明考虑多速率的视频，接入带宽越大的用户可以享用越高速率的视频，其中d_ijq表示用户向基站i∈{1,2,...,|I|}请求速率版本为q∈{1,2,...，|Q|}的视频j∈{1,2,...|J|}的平均每比特位传输时延，y_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j被服务的比例，z_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j未被服务转而被Internet直接服务的比例，F_i,G_i分别为基站i的无线容量和基站i到Internet之间的回程链路容量，

为基站i到用户的传播和处理时延，

为基站i到Internet之间回程链路的传播和处理时延。

分别为无线链路和回程链路负载，其中λ_i表示向基站i发起请求的用户数量，R_jq表示速率版本为q的视频j的速率。

步骤2：利用拉格朗日松弛将目标函数分解为两个子问题。

引入拉格朗日乘子

将条件(1)带入目标函数，得到拉格朗日函数：

因此相应的目标函数变为：

通过观察，该问题可以进一步分解为P1(传输子问题)和P2(缓存子问题)两个子问题：

P1：

P2：

步骤3：分别解决两个子问题得到最优缓存和传输方式。

采用分布式算法进行求解，其具体步骤如下：

(3-1)解决传输子问题

利用次梯度迭代的方法进行求解，首先，从基站i获取服务比例信息

和相应的缓存信息

其次，提取

的值，然后利用公式：

更新

的值，最后利用公式：

更新

值，直至收敛至最优值。

(3-2)解决缓存子问题

利用贪婪算法解决，首先，提取

值和相应视频大小o_jq，分别得到集合

然后利用缓存容量受限条件∑Ο≤S_i判断基站缓存是否存满，若条件满足，则缓存该视频W_i＝W_i-o_ijq,C_i＝C_i∪o_ijq,x_ijq＝1，否则集合U降序排列，对于k＝1～|U|，满足u_k＝u_ijq←o_jq，判断如果u_k≤W_i，则W_i＝W_i-u_k,C_i＝C_i∪u_k,x_ijq＝1，否则x_ijq＝0。

其中Ο,U分别表示视频大小o_jq和拉格朗日乘子

的集合，W_i表示基站i的缓存大小S_i，C_i表示基站i已缓存视频大小，k表示排名，u_k表示排名第k的视频的大小。

图3示出了在无线网络中，根据本发明的视频缓存和传输方法，在无线和回程容量受限的条件下，用户时延性能随缓存容量的变化。从实验结果可以看出，与无缓存***相比，在带缓存***中，用户时延得到明显的减小。由于无缓存***中，基站本身无缓存只起请求及服务的中转作用，导致传输结点较多，增加了用户时延，在带缓存***中，随着缓存容量增加，基站可缓存流行视频的数量增加，因此由本地基站进行服务的用户比例增大，同时由于本地基站更接近用户，接入时延随之减小，用户体验质量增加。

图4示出了在无线网络中，根据本发明的视频缓存和传输方法，在无线和回程容量受限的条件下，被服务用户占请求用户百分比随缓存容量的变化。从实验结果可以看出，在无缓存***中，由于基站本身不能服务用户，导致可服务用户数量较少，在带缓存***中，随着缓存容量增加，基站可缓存流行视频的数量增加，大部分原来需要通过弱的回程容量进行服务的请求，可以由缓存中的视频通过比较富裕的无线链路进行服务，节省的回程容量可以用来服务本地不能服务的用户，因此一定程度上增加了可服务用户数量。

图5示出了在无线网络中，根据本发明的视频缓存和传输方法，在缓存容量一定，回程容量受限的条件下，用户时延性能随无线容量的变化。从实验结果可以看出，随着无线容量的增加，用户的接入时延逐渐减小随后保持基本稳定。分析时延性能曲线，可以看到原来影响时延大小的主要为无线容量，随着无线容量的增加，用户时延急剧减小，但当无线容量增加到一定程度时，无线容量受限的影响基本不存在，主要影响变为回程容量，因此这时的用户时延基本保持稳定。

图6示出了在无线网络中，根据本发明的视频缓存和传输方法，在缓存容量一定，回程容量受限的条件下，被服务用户占请求用户百分比随无线容量的变化。从实验结果可以看出，随着无线容量的增加，被服务用户占请求用户百分比逐渐增加随后保持基本稳定。随着无线容量的增加，本地基站可服务的用户增多，本地基站服务的用户比例随之增加；同时由于本地基站无线容量的增加，使得原来回程链路可服务但由于无线容量受限未能服务的那部分用户也得到了服务，进一步增加了服务的用户比例，但当无线容量增加到一定程度时，无线容量受限的影响基本不存在，主要受限影响变为回程容量，因此这时可服务的用户比例基本保持稳定。可见本发明的视频缓存与传输方法能同时优化用户的接入时延性能和用户服务数量。

Claims (1)

1.一种多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：定义用户的接入时延函数；

步骤2：利用拉格朗日松弛将用户的接入时延函数分解为两个子问题；

步骤3：分别解决两个子问题得到最优缓存和传输方式；

所述步骤1的具体步骤如下：

在一个无线网络中，包括互联网Internet，拥有全部的视频资源，运营商，拥有基站，每个基站具有一定的缓存能力且覆盖许多用户，用户向基站请求视频内容，基站若提前缓存了该视频内容，则直接对用户进行服务，这时由于基站距离用户较近且无线容量富裕，用户会感受到较小的接入时延，具有较好的体验质量，否则将通过回程链路向Internet请求传输该视频内容，这时将占用回程资源，由于回程资源有限，当用户请求增多时，容易产生链路拥塞，同时由于Internet距离用户较远，用户将感受到较大的接入时延，导致用户体验质量下降；

当用户向基站或Internet请求视频内容时，根据当时网络链路的拥塞程度用户会感知到一个接入时延，根据排队论中M/M/1的排队假设，接入时延描述为每比特位通过容量为C负载为f的链路，所花费的时延为1/(C-f)，接入时延越小，表示用户体验质量越好，因此将用户的时延成本最小化描述用户的体验质量最优，具体定义为：

Min:

s.t. y_ijq≤x_ijq+z_ijq (1)

其中公式(1)中的不等式表示一个被服务的用户请求由基站缓存中内容服务，或由Internet进行服务，o_jq表示相应视频大小o_jq，不等式(2)表示缓存内容的大小小于基站i缓存容量的限制，其中S_i为基站i的缓存容量，不等式(3)，(4)分别表示无线容量限制和回程容量限制，条件(5)，(6)表示x_ijq,y_ijq,z_ijq取值范围，其中x_ijq∈{0,1}，x_ijq＝1表示速率版本为q的视频j缓存在基站i，否则没缓存；

针对不同的用户接入带宽，考虑多速率的视频，接入带宽越大的用户享用越高速率的视频，其中d_ijq表示用户向基站i∈{1,2,...,|I|}请求速率版本为q∈{1,2,...，|Q|}的视频j∈{1,2,...|J|}的平均每比特位传输时延，y_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j被服务的比例，z_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j未被服务转而被Internet直接服务的比例，F_i,G_i分别为基站i的无线容量和基站i到Internet之间的回程链路容量，

为基站i到用户的传播和处理时延，

为基站i到Internet之间回程链路的传播和处理时延；

分别为无线链路和回程链路负载，其中λ_i表示向基站i发起请求的用户数量，R_jq表示速率版本为q的视频j的速率；

所述步骤2的具体步骤如下：利用拉格朗日松弛将用户的接入时延函数分解为两个子问题，引入拉格朗日乘子

将公式(1)的不等式带入用户的接入时延函数，得到拉格朗日函数：

因此相应的用户的接入时延函数变为：

L(x,y,z,λ)

s.t.

通过观察，用户的接入时延函数进一步分解为传输子问题P1和缓存子问题P2两个子问题，其中：

传输子问题P1：Min:

s.t.

缓存子问题P2：Max:

s.t.

所述步骤3的具体步骤如下：采用分布式算法进行求解，其具体步骤如下：

(3-1)解决传输子问题

利用次梯度迭代的方法进行求解，首先，从基站i获取服务比例信息

和相应的缓存信息

其次，提取

的值，然后利用公式：

更新

的值，最后利用公式：

更新

值，直至收敛至最优值；

(3-2)解决缓存子问题

利用贪婪算法解决，首先，提取

值和相应视频大小o_jq，分别得到集合Ο＝Ο∪o_ijq,

然后利用缓存容量受限条件∑Ο≤S_i判断基站缓存是否存满，若条件满足，则缓存该视频W_i＝W_i-o_ijq,C_i＝C_i∪o_ijq,x_ijq＝1，否则集合U降序排列，对于k＝1～|U|，满足u_k＝u_ijq←o_jq，判断如果u_k≤W_i，则W_i＝W_i-u_k,C_i＝C_i∪u_k,x_ijq＝1，否则x_ijq＝0；

其中Ο,U分别表示视频大小o_jq和拉格朗日乘子

的集合，W_i表示基站i的缓存大小S_i，C_i表示基站i已缓存视频大小，k表示排名，u_k表示排名第k的视频的大小。

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