一种时延感知的云雾协作视频分发方法技术

本发明专利技术涉及一种时延感知的云雾协作视频分发方法，属于通信技术领域，特别是在无线网络下的视频传输技术领域。该方法针对视频在雾无线接入网络传输中严格的时延要求和有限网络资源的矛盾关系，首先，通过建立时延感知的视频请求调度模型，采用云雾协作的方式为视频内容提供缓存、转码和传输；进而，在考虑用户播放缓冲区长度的前提下，利用Actor‑Critic深度强化学习算法解决视频请求调度和资源分配决策引起的级联效应，从而最大化用户的长期奖励，减少视频播放延迟。该方法有效减少了用户观看视频时的时延，提高了缓存命中率，具有广阔的运用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种时延感知的云雾协作视频分发方法
本专利技术属于通信
，涉及一种时延感知的云雾协作视频分发方法。
技术介绍
随着多媒体智能终端的发展，视频将会是未来的主要业务。据思科预测，到2022年移动视频流量将占全网流量的82％。由于不同的移动设备、网络状况和用户偏好，视频需要转码为不同的格式，这是一项计算密集型的任务。云无线接入网中(CloudRadioAccessNetwork,C-RAN)中强大的集中式云缓存和计算能力能够为用户提供可靠稳定的转码服务。然而，由于集中式云计算服务中心距离用户较远，在云中进行转码无法及时响应网络的动态变化。雾无线接入网(FogRadioAccessNetwork,F-RAN)作为集中云计算重要且有效的补充，已经被广泛应用于本地实时数据的处理。F-RAN通过缓存设备可以在线/离线缓存流行度高的视频，能够减少前传和回传的数据流量。同时，为了自适应动态的网络环境，利用F-RAN的计算能力能够将高比特率的视频转码为低比特的视频向用户提供服务。然而，相比于日益增加的视频流量，F-RAN中雾节点有限的存储和计算能力给用户提供平滑的视频体验质量产生了巨大的挑战。因此，鉴于F-RAN中集中式云计算和雾计算的潜在优势和互补特点，设计合理高效的视频分发策略至关重要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种时延感知的云雾协作视频分发方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种时延感知的云雾协作视频分发方法，包括以下步骤：采集用户、云节点和雾节点的状态信息：用户向雾节点发送视频请求，所述视频请求包括用户请求的视频、视频比特率版本以及用户播放缓冲区的大小，雾节点将所述视频请求以及自身的缓存和计算资源发送到集中控制器；构建视频请求调度模型：集中控制器根据用户请求视频的信息，判断云节点和雾节点是否缓存了该视频或者更高的视频比特率，进而根据资源分配策略，建立视频请求调度模型；分析用户观看视频时的时延：集中控制器通过分配的无线资源和计算资源计算不同视频请求调度下的时延，分析用户获取视频的具体路径，以最小化用户观看视频的时延为优化目标，构建目标函数；确定视频请求调度策略、视频缓存决策，计算和无线资源分配：在保证用户时延的约束条件下，集中控制器利用Actor-Critic深度强化学习算法对目标函数进行优化，得到用户的视频请求调度策略、视频缓存决策、计算和无线资源分配方案。进一步，所述用户状态信息包括：用户的视频请求表示用户请求第v个视频，比特率版本为的视频片段，其中，v∈V表示系统中共有V个视频，表示视频比特率版本的集合，l代表用户i当前时刻的播放缓冲队列长度表示为：li(t)＝max[li(t-1)-ui(t-1),0]+L其中，li(t-1)，ui(t-1)表示时刻(t-1)用户i的播放缓冲区长度和视频播放速度，L表示每个视频片段的固定长度。进一步，所述雾节点的状态信息包括：分配给雾节点n子的子信道数目分配的子信道数目不超过系统子信道的总数即雾计算服务器n的缓存容量为Mn，每个雾节点n缓存的视频总量不能超过其存储空间大小Mn，即缓存决策变量用来表示雾节点n是否缓存了视频当视频由雾节点n缓存时，否则雾节点n的可用计算资源F(n,t)在时隙t时服从独立分布的随机过程，F(n,t)在服从均值为的分布，单位是CPU周期/秒。进一步，所述云节点的状态信息包括：云节点的缓存容量M0，云节点中缓存的视频总量不超过其存储空间大小M0；云节点中的计算资源与雾节点的计算资源模型一样，但云节点中的计算资源远大于雾节点中的计算资源即F(0,t)＞＞F(n,t)。进一步，所述视频请求调度模型具体为：当视频请求到达雾节点n时，云雾协作缓存与转码的动态自适应视频流共有7种传输模式，用二进制变量表示；用户请求的视频比特率版本为当时，表示视频缓存在雾节点n处，直接从缓存处向用户提供服务，否则，当时，表示雾节点n将转码为后向用户提供服务，否则，当时，表示用户请求的视频片段没有直接缓存在雾节点n处，而是由相邻的雾节点n'通过光纤传输到雾节点n处向用户提供服务，否则，当时，表示用户请求的视频片段没有直接缓存在雾节点n处，相邻雾节点n'缓存了更高的视频版利用转码器转码后，通过光纤传输到雾节点n向用户提供服务，否则，当时，表示用户请求的视频片段没有直接缓存在雾节点n处，相邻雾节点n'缓存了更高的视频版先通过光纤传输到雾节点n处，然后雾节点n的转码器转码向用户提供服务，否则，当时，表示视频缓存在云节点中，通过前传链路将视频发送到雾节点n处向用户提供服务，否则，当时，表示在云节点中将转码为后，通过前传链路将视频发送到雾节点n处向用户提供服务，否则，视频请求到达雾节点时，会出现以上情况中的一种，为了确保每一个请求都能被服务，要满足请求调度约束，即进一步，所述用户观看视频时的时延具体为：首先，采用频分正交多址技术将频谱分配给雾节点的每个用户，用户i和雾节点n之间的信噪比计算为其中，σ2(t)为加性高斯白噪声功率，表示雾节点n和用户i之间的信道增益，为雾节点n到用户i的发射功率，pn'(t)和gn'(t)分别为雾节点n'(n'≠n)到用户i的发射功率和信道增益；系统的总频带带宽为BHz，分为若干个子信道，每个子信道的大小为bHZ，共有B/b个子信道，用表示时隙t雾节点n为用户i分配子信道的数量，用户的下载速率表示为然后计算用户请求视频的传输时间：当时，表示雾节点n缓存了用户请求的视频由雾节点n传输给用户的时间为：其中，表示视频文件的大小；当时，表示选择在雾节点n处进行转码传输，视频传输的时间包括雾节点n中的转码时间和视频片段的传输时延，由雾节点n转码传输的时延计算为其中，由公式求出，表示将转码为所需要的CPU周期数，cn(cycles/bit)表示节点n处理1bit数据所需要的CPU周期数；当时，表示选择从相邻雾节点n'处向目标雾节点n传输，再由雾节点n向用户传输，所消耗的时间为其中，a表示从相邻节点传输到目标雾节点的跳数，所需要的传输时间为aτ，τ表示雾节点之间传输的时间，与距离成正比；当时，表示从相邻雾节点n'处转码后发送到目标雾节点n，所消耗的时间为当时，表示从相邻雾节点n'处送到目标雾节点n处进行转码处理和传输，所消耗的时间为当时，表示从云节点的缓存中向目标雾节点提供服务，由云节点直接命中并传输的时间为其中c1代表前传链路的传播时延，跟基站到BBU池的距离有关；当表示用户请求的视频片段被云节点转码命中，利用云中强大的计算能力进行转码传输，云节点转码命中总的时间表示为最后，视频请求传输到用户i的时间为：为保证视频观看的流畅程度，Tni的时间消耗必须满足Tni≤li，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：包括以下步骤：/n采集用户、云节点和雾节点的状态信息：用户向雾节点发送视频请求，所述视频请求包括用户请求的视频、视频比特率版本以及用户播放缓冲区的大小，雾节点将所述视频请求以及自身的缓存和计算资源发送到集中控制器；/n构建视频请求调度模型：集中控制器根据用户请求视频的信息，判断云节点和雾节点是否缓存了该视频或者更高的视频比特率，进而根据资源分配策略，建立视频请求调度模型；/n分析用户观看视频时的时延：集中控制器通过分配的无线资源和计算资源计算不同视频请求调度下的时延，分析用户获取视频的具体路径，以最小化用户观看视频的时延为优化目标，构建目标函数；/n确定视频请求调度策略、视频缓存决策，计算和无线资源分配：在保证用户时延的约束条件下，集中控制器利用Actor-Critic深度强化学习算法对目标函数进行优化，得到用户的视频请求调度策略、视频缓存决策、计算和无线资源分配方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：包括以下步骤：
采集用户、云节点和雾节点的状态信息：用户向雾节点发送视频请求，所述视频请求包括用户请求的视频、视频比特率版本以及用户播放缓冲区的大小，雾节点将所述视频请求以及自身的缓存和计算资源发送到集中控制器；
构建视频请求调度模型：集中控制器根据用户请求视频的信息，判断云节点和雾节点是否缓存了该视频或者更高的视频比特率，进而根据资源分配策略，建立视频请求调度模型；
分析用户观看视频时的时延：集中控制器通过分配的无线资源和计算资源计算不同视频请求调度下的时延，分析用户获取视频的具体路径，以最小化用户观看视频的时延为优化目标，构建目标函数；
确定视频请求调度策略、视频缓存决策，计算和无线资源分配：在保证用户时延的约束条件下，集中控制器利用Actor-Critic深度强化学习算法对目标函数进行优化，得到用户的视频请求调度策略、视频缓存决策、计算和无线资源分配方案。


2.根据权利要求1所述的时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：所述用户状态信息包括：用户的视频请求表示用户请求第v个视频，比特率版本为的视频片段，其中，v∈V表示系统中共有V个视频，表示视频比特率版本的集合，l代表用户i当前时刻的播放缓冲队列长度表示为：
li(t)＝max[li(t-1)-ui(t-1),0]+L
其中，li(t-1)，ui(t-1)表示时刻(t-1)用户i的播放缓冲区长度和视频播放速度，L表示每个视频片段的固定长度。


3.根据权利要求1所述的时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：所述雾节点的状态信息包括：分配给雾节点n子的子信道数目分配的子信道数目不超过系统子信道的总数即雾计算服务器n的缓存容量为Mn，每个雾节点n缓存的视频总量不能超过其存储空间大小Mn，即n≠0,v∈V；缓存决策变量用来表示雾节点n是否缓存了视频当视频由雾节点n缓存时，否则雾节点n的可用计算资源F(n,t)在时隙t时服从独立分布的随机过程，F(n,t)在服从均值为的分布，单位是CPU周期/秒。


4.根据权利要求1所述的时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：所述云节点的状态信息包括：云节点的缓存容量M0，云节点中缓存的视频总量不超过其存储空间大小M0；云节点中的计算资源与雾节点的计算资源模型一样，但云节点中的计算资源远大于雾节点中的计算资源即F(0,t)＞＞F(n,t)。


5.根据权利要求1所述的时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：所述视频请求调度模型具体为：
当视频请求到达雾节点n时，云雾协作缓存与转码的动态自适应视频流共有7种传输模式，用二进制变量表示；用户请求的视频比特率版本为
当时，表示视频缓存在雾节点n处，直接从缓存处向用户提供服务，否则，
当时，表示雾节点n将转码为后向用户提供服务，否则，
当时，表示用户请求的视频片段没有直接缓存在雾节点n处，而是由相邻的雾节点n'通过光纤传输到雾节点n处向用户提供服务，否则，
当时，表示用户请求的视频片段没有直接缓存在雾节点n处，相邻雾节点n'缓存了更高的视频版利用转码器转码后，通过光纤传输到雾节点n向用户提供服务，否则，
当时，表示用户请求的视频片段没有直接缓存在雾节点n处，相邻雾节点n'缓存了更高的视频版先通过光纤传输到雾节点n处，然后雾节点n的转码器转码向用户提供服务，否则，
当时，表示视频缓存在云节点中，通过前传链路将视频发送到雾节点n处向用户提供服务，否则，
当时，表示在云节点中将转码为后，通过前传链路将视频发送到雾节点n处向用户提供服务，否则，
视频请求到达雾节点时，会出现以上情况中的一种，为了确保每一个请求都能被服务，要满足请求调度约束，即





6.根据权利要求1所述的时延感知的云雾协作视频分发方法，其特征在于：所述用户观看视频时的时延具体为：
首先，采用频分正交多址技术将频谱分配给雾节点的每个用户，用户i和雾节点n之间的信噪比计算为



其中，σ2(t)为加性高斯白噪声功率，表示雾节点n和用户i之间的信道增益，为雾节点n到用户i的发射功率，pn'(t)和gn'(t)分别为雾节点n'(n'≠n)到用户i的发射功率和...

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