一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，属于通信技术领域，特别是实时数据处理技术领域。该方法针对实时业务中由于无线链路资源有限造成用户时延过大的问题，首先，考虑到用户观看视频等实时业务过程中会有后退，快进等行为，提出采用光域和无线域分层缓存的方式为流行视频内容提供缓存，在光域利用协作缓存完整的视频文件，无线域缓存流行度高的视频片段；进而，根据用户获取视频片段的不同位置构造最小化传输时延问题，结合可伸缩视频流的特性采用粒子群算法为每个视频层分配最佳的传输速率达到最小化传输时延的目的。该方法可有效地减少用户的传输时延，具有广阔的运用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法
本专利技术属于通信
，特别是实时数据处理
，涉及一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法。
技术介绍
随着移动用户数量以及无线多媒体应用的迅速增长，有限的网络资源以及日益增长的业务需求已经成为移动通信网络中面临的主要问题。其中实时业务的激增在移动网络中占用了更多的资源，尤其是在人口密集区域以及用户请求的高峰时期，极易造成传输链路的拥塞。这将对下一代无线接入网络有更高的要求，比如低延迟、高峰值速率和更好的网络覆盖等。FiWi网络契合网络未来发展需求，融合了光纤接入的大容量、高速率、低功耗与无线接入的移动性、灵活性等特点，能够为用户提供更低的使用成本，更高的数据速率，更好的体验质量以及更广的覆盖范围。FiWi网络已经成为了下一代宽带接入网络中最具有发展及应用前景的技术之一。大量研究表明，用户点击视频的次数与视频的流行程度有着密切的关系，且二者服从Zipf分布。在视频业务中存在着大量重复的请求，例如在一些大型视频网站，位于流行度排行前20％的视频占据了近80％的点击率。因此，内容服务器(ContentServer,CS)会反复的将同一视频内容发送至不同的用户，将会导致链路利用率急剧降低。并且由于视频业务是非常典型的时延敏感业务，若链路条件较差会使用户的传输时延明显增大，甚至会造成中断的可能性。因此提前在FiWi网络中进行高效的缓存策略以避免相同的内容重复传输，可以有效地提升网络性能以达到降低时延的目的。但是根据为了适应动态变化的网络环境，传统的视频编码方式无法灵活的为用户选择合适的质量，可伸缩视频编码技术将视频内容编码为一个基础层(BaseLayer,BL)和一个或多个增强层(EnhancementLayers,ELs)，基础层提供最基本的观看质量，高层的数据依赖低层数据，用户要接收高层数据必须正确解码低层数据。在资源有限的情况下，不同视频层的传输速率是相互制约相互冲突的，即一个增大另一个就会减小，且由于高层对低层的依赖性，需要给基础层分配合适的速率以保证视频可以正确接收，所以为不同的视频层分配不同的传输速率至关重要。
技术实现思路
有鉴于此，针对动态变化的网络环境与实时业务的时延敏感性，易造成用户发生中断事件的问题，以及使用传统的视频编码技术，无法动态的为用户选择适应当前网络状态的视频质量等问题，本专利技术提供一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，首先，通过分析与计算实时业务的缓存价值与流行度，动态的在光域和无线域两层上进行流行视频文件以及视频片段的预缓存；进而，为了有效地降低传输时延，根据用户获取视频片段的具体方式构造最小化时延函数，通过粒子群算法为每个视频层分配合适的传输速率。该方法可有效地减少用户的传输时延。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，该方法首先通过分析与计算实时业务的缓存价值与流行度，动态的在光域和无线域两层上进行流行视频文件以及视频片段的预缓存；进而根据用户获取视频片段的具体方式构造最小化时延函数，通过粒子群算法为每个视频层分配合适的传输速率；具体包括以下步骤：S1：光无线域分层缓存：分析完整视频文件、视频片段的流行度，对于流行度较高的视频内容在光域和无线域进行分层缓存；S2：光域ONU协作缓存：将流行度高的视频文件缓存在光域的ONU节点，根据视频文件的缓存价值，利用轻负载ONU协助重负载ONU进行视频预缓存；S3：无线域视频片段缓存：在一个视频文件中每个视频片段都有其独立的流行度，在用户后退或者快进的情况下，会导致多个视频片段重复发送，因此将流行度高的视频片段缓存在无线网络中的路由器处，构建马尔可夫模型分析视频片段的流行度，结合用户与路由器之间的距离分析网络开销，将视频片段缓存在合适的路由器中；S4：服务时延分析：根据步骤S2、步骤S3完成视频文件、视频片段的缓存之后，根据光域ONU、无线域路由器节点的缓存命中率，通过分析用户获取视频内容的具体路径，建立最小化时传输时延模型；S5：视频层速率分配：根据可伸缩视频编码的特性，用户要接收高视频层必须正确解码低视频层，在用户总时延最小化的约束条件下，基于粒子群算法得出视频层最佳的速率分配方案。进一步，所述步骤S2具体包括：S21：用户点击视频的次数与视频的流行程度二者服从Zipf分布，由Zipf分布表示出视频文件的流行度；S22：结合光域ONU的剩余缓存空间Cn，视频文件v的大小Sv，以及视频文件的缓存价值选择直接缓存还是替换缓存，判断是视频文件v是否满足缓存条件；S23：针对重负载ONU，根据ONU节点下用户请求视频文件v的概率和视频文件v的流行度，计算视频文件v的缓存价值，并根据步骤S22进行缓存；针对轻负载ONU，利用轻负载ONU协作缓存重负载ONU中不满足步骤S22的缓存条件，但请求概率高的视频文件；根据轻负载ONU下视频文件v的请求概率和流行度，以及重负载ONU中需要协作缓存视频文件v的概率，计算视频文件v在轻负载ONU中的缓存价值，并根据步骤S22进行缓存。进一步，在步骤S3中，具体包括：S31：建立马尔可夫模型进行视频片段流行度分析，为了减小计算的复杂度以及确保预测的准确度，所分析的视频文件为光域ONU中预缓存的视频内容，并将用户连续观看的视频片段作为一个用户访问序列，由马尔可夫模型分析用户访问序列的流行度，即可得出视频片段的请求概率；S32：为了降低时延，预缓存的视频内容应该尽可能的靠近用户侧；根据用户访问序列的大小与从缓存位置传输到用户所经过的路由器跳数，计算用户获取视频片段的网络开销；S33：根据由步骤S31得出的每个视频片段的请求概率，与步骤S32计算所得网络开销的商，表示无线域路由器节点缓存每个用户访问序列的概率，采用遍历路由器节点的方法，选出总开销最小的路由器缓存流行度最高的用户访问序列。进一步，在步骤S4中，具体包括：S41：当用户发送请求后，在无线域，首先判断用户的相邻路由器是否命中，若缓存命中，则返回内容给用户；若相邻路由器未缓存命中，则继续转发请求，判断非相邻路由器以及与用户相连的ONU是否命中；若都缓存命中，则根据节点和用户之间的跳数进行选择；若其中只有一个节点缓存命中，则返回内容给用户；否则继续转发请求；S42：在光域中，判断用户所连接的ONU是否缓存命中，若缓存命中则返回视频内容给用户，若未命中则检测协作的ONU节点是否命中；如果光域、无线域都未缓存命中则由服务器为用户提供服务；S43：根据ONU节点缓存命中率、无线域路由器节点的缓存命中率，服务节点与用户的距离，以及视频片段的大小，分析由无线域、光域、服务器分别为用户提供服务时的时延；S44：由为用户提供服务的三种不同路径，构造用户获得完整视频文件的最小化时延函数。进一步，在步骤S5中，具体包括：S51：部署策略初始化，提供四个不同调制编码方式所对应的速率，随机产生I个粒子，每个粒子是一个E维向量，限制迭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，其特征在于：该方法首先通过分析与计算实时业务的缓存价值与流行度，动态的在光域和无线域两层上进行流行视频文件以及视频片段的预缓存；进而根据用户获取视频片段的具体方式构造最小化时延函数，通过粒子群算法为每个视频层分配合适的传输速率；具体包括以下步骤：/nS1：光无线域分层缓存：分析完整视频文件、视频片段的流行度，对于流行度较高的视频内容在光域和无线域进行分层缓存；/nS2：光域ONU协作缓存：将流行度高的视频文件缓存在光域的ONU节点，根据视频文件的缓存价值，利用轻负载ONU协助重负载ONU进行视频预缓存；/nS3：无线域视频片段缓存：在一个视频文件中每个视频片段都有其独立的流行度，在用户后退或者快进的情况下，会导致多个视频片段重复发送，因此将流行度高的视频片段缓存在无线网络中的路由器处，构建马尔可夫模型分析视频片段的流行度，结合用户与路由器之间的距离分析网络开销，将视频片段缓存在合适的路由器中；/nS4：服务时延分析：根据步骤S2、步骤S3完成视频文件、视频片段的缓存之后，根据光域ONU、无线域路由器节点的缓存命中率，通过分析用户获取视频内容的具体路径，建立最小化时传输时延模型；/nS5：视频层速率分配：根据可伸缩视频编码的特性，用户要接收高视频层必须正确解码低视频层，在用户总时延最小化的约束条件下，基于粒子群算法得出视频层最佳的速率分配方案。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，其特征在于：该方法首先通过分析与计算实时业务的缓存价值与流行度，动态的在光域和无线域两层上进行流行视频文件以及视频片段的预缓存；进而根据用户获取视频片段的具体方式构造最小化时延函数，通过粒子群算法为每个视频层分配合适的传输速率；具体包括以下步骤：
S1：光无线域分层缓存：分析完整视频文件、视频片段的流行度，对于流行度较高的视频内容在光域和无线域进行分层缓存；
S2：光域ONU协作缓存：将流行度高的视频文件缓存在光域的ONU节点，根据视频文件的缓存价值，利用轻负载ONU协助重负载ONU进行视频预缓存；
S3：无线域视频片段缓存：在一个视频文件中每个视频片段都有其独立的流行度，在用户后退或者快进的情况下，会导致多个视频片段重复发送，因此将流行度高的视频片段缓存在无线网络中的路由器处，构建马尔可夫模型分析视频片段的流行度，结合用户与路由器之间的距离分析网络开销，将视频片段缓存在合适的路由器中；
S4：服务时延分析：根据步骤S2、步骤S3完成视频文件、视频片段的缓存之后，根据光域ONU、无线域路由器节点的缓存命中率，通过分析用户获取视频内容的具体路径，建立最小化时传输时延模型；
S5：视频层速率分配：根据可伸缩视频编码的特性，用户要接收高视频层必须正确解码低视频层，在用户总时延最小化的约束条件下，基于粒子群算法得出视频层最佳的速率分配方案。


2.根据权利要求1所述的一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：
S21：用户点击视频的次数与视频的流行程度二者服从Zipf分布，由Zipf分布表示出视频文件的流行度；
S22：结合光域ONU的剩余缓存空间Cn，视频文件v的大小Sv，以及视频文件的缓存价值选择直接缓存还是替换缓存，判断是视频文件v是否满足缓存条件；
S23：针对重负载ONU，根据ONU节点下用户请求视频文件v的概率和视频文件v的流行度，计算视频文件v的缓存价值，并根据步骤S22进行缓存；针对轻负载ONU，利用轻负载ONU协作缓存重负载ONU中不满足步骤S22的缓存条件，但请求概率高的视频文件；根据轻负载ONU下视频文件v的请求概率和流行度，以及重负载ONU中需要协作缓存视频文件v的概率，计算视频文件v在轻负载ONU中的缓存价值，并根据步骤S22进行缓存。


3.根据权利要求1所述的一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，其特征在于：在步骤S3中，具体包括：
S31：建立马尔可夫模型进行视频片段流行度分析，为了减小计算的复杂度以及确保预测的准确度，所分析的视频文件为光域ONU中预缓存的视频内...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹虹，王青青，张鸿，李职杜，吴大鹏，王汝言，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50