动态自适应视频流媒体的分布式缓存放置方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数据通信
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。
技术介绍
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 Systems for 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系统学报，2015年12月，第1914-1925页)》上发表了题为“Optimal transcoding and 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 caching helpers(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系统整体性能的下降。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊红凯，李成林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31