边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法技术

本发明专利技术公开了一种边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法，在资源约束的情况下优化用户的QoE，该方法考虑了视频业务过程中各种细粒度的影响因素，保证方案的可信度，并将视频缓存和视频处理问题表述为一个非线性整数规划问题。原始问题被分解为两个子问题：缓存阶段的缓存放置问题和交付阶段的资源调度问题。在缓存阶段，通过对非线性整数规划问题进行了简化，使用优化求解器，然后使用舍入策略得到最终结果，选择具有合适比特率级别的段进行缓存，保证方案的可行性；在交付阶段，根据最小延迟进行用户请求调度，通过求解原问题对用户进行带宽分配和功率分配并进行数据传输，保证了方案的可操作性。保证了方案的可操作性。保证了方案的可操作性。

【技术实现步骤摘要】
边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法


[0001]本专利技术涉及边缘计算和视频服务的
，尤其是指一种边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法。

技术介绍

[0002]当今时代，随着新型移动应用程序的发展，智能手机等移动设备的各项技术同样迅速发展。然而，在存储性能和能量消耗都受到极大限制的移动设备上运行计算量较大的程序时，其资源消耗和计算延迟都会严重影响用户的使用体验。其中一个常见的解决方案就是将这类需要大量计算资源的应用程序卸载到云端。但由此也会引发新的问题，那就是会导致更大的延迟，包括计算、通信等延迟，而且会在核心网络上产生较大的回程流量，造成网络拥塞。如何更好地解决这些问题成为了实现5G万物互联的关键。作为解决上述问题的方案之一，多接入边缘计算(Multi
‑
access Edge Computing,MEC)因此被提出。多接入边缘计算，就是在网络边缘进行资源部署和用户服务，比如执行部分计算工作，以减小用户服务的延迟，进而提高用户体验质量。
[0003]现如今，移动应用的发展和各种视频软件的兴起，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取信息：在离线阶段，根据视频播放量、用户播放记录信息获取并分析视频的当前流行度和用户对视频段的偏好；2)视频服务建模：根据视频的当前流行度和用户对视频段的偏好，对边缘网络下的视频服务建模，建立以用户体验质量为优化目标，带宽、功率、缓存空间大小、计算资源和能量消耗为约束的数学模型，并表述为非线性整数规划问题；3)视频缓存：通过松弛变量对非线性整数规划问题进行简化，并使用优化求解器求解，然后使用舍入策略得到最终结果，根据该结果，边缘服务器对多种比特率的视频段进行缓存；4)服务交付：在每个时刻，用户请求以最低延迟的规则被调度到可服务的基站进行服务，边缘服务器通过求解非线性整数规划问题对发起请求的用户进行带宽和功率的分配，最后根据缓存结果和资源分配结果，边缘服务器对用户请求进行服务，即传输视频数据。2.根据权利要求1所述的边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法，其特征在于，在步骤1)中，获取并分析视频的当前流行度和用户对视频段的偏好，其详细内容如下：流行度：边缘服务器获取当前视频的累计播放量与总播放量的比值作为流行度依据Pr
v
，代表第v个视频的流行度，其中v∈{1,2,...,V}，V代表视频数量，即认为多数情况下，人气高的视频增速高于人气低的视频增速；在某些情况下，包括某个视频的播放量突然跳跃，或者某个视频刚刚发布，当前的播放量与增长不匹配；但这只是一个短期现象，经过一段时间后，视频的增长将趋于稳定，并与播放量相匹配；用户偏好：对于用户偏好，从用户的历史记录中能够获取，通过计算一段时间内单个视频的播放次数占据总播放次数的比例，作为用户n对第v个视频的偏好程度和视频段v
k
的偏好其中v
k
代表第v个视频的第k段，n∈{1,2,...,N}，k∈{1,2,...,K}，N代表用户数量，K代表视频的段数。3.根据权利要求2所述的边缘网络自适应比特率视频的缓存和资源调度方法，其特征在于，所述步骤2)包括：确认模型变量：使用来表示第v个视频的第k段是否以第l种比特率被缓存在第m个边缘服务器上，其中若为0，表示否，若为1，表示是，l∈{1,2,...,L}，m∈{1,2,...,M}，L代表比特率种数，M代表边缘服务器数量；将流行度与偏好的结合值作为请求概率表示用户n请求第v个视频的第k段以及第l种比特率水平的概率；使用标识符表示是否进行转码，其含义为当且仅当第m个边缘服务器没有缓存第l种比特率的视频段v
k
但是有缓存比第l种比特率更高的比特率时，进行转码操作，表示第v个视频的第k段是否以第i种比特率被缓存在第m个边缘服务器上，i＝l+1；用户体验质量建模：每个用户n的用户体验质量由平均视频质量AVQ
n
、视频比特率切换VS
n
和重缓冲时间RT
n
计算；通过计算用户已经观看过的视频段的总质量
除以已观看的视频段的数量K
n
得到平均视频质量AVQ
n
，其中BR
l
表示第l种比特率；视频比特率切换VS
n
通过叠加历史请求视频段的比特率差值的绝对值进行计算，即也就是叠加两个相邻的视频段之间的比特率之差的绝对值，BR
l'
表示第l'种比特率，l'∈{1,2,...,L}；而重缓冲时间RT
n
则由用户设备的缓冲区当前所缓存的数据量BF
n
(t)决定，其中BF
n
(t)以秒计算，当用户缓冲区数据耗尽时，即BF
n
(t)＝0，用户暂停播放到下一次继续播放视频中间的时间被视为重缓冲，累计该时间作为用户观看过程中的重缓冲时间；将三者进行线性组合得到用户体验质量Q，即Q＝AVQ
n
‑
αVS
n
‑
βRT
n
，其中α＞0，β＞0，代表权重参数；约束建模：带宽约束在于分配给每个用户n的带宽B
n
之和不能超出总带宽B，∑
n∈N
B
n
≤B；功率同理，单个用户n的功率P
n
之和不能超出功率阈值P，∑
n∈N
P
n
≤P；边缘服务器已经缓存的数据量不能超出空间大小CH
m
，在服务过程中，用于转码的计算资源不能超出限制PC
m
，其中S
l
表示第l种比特率的视频的数据量，即视频数据大小；能量消耗建模：能量消耗E
m
的计算包括整个服务过程中的能耗，分别是缓存能耗转码能耗和传输能耗缓存过程中的能量消耗即缓存能耗和当前进行缓存的数据量大小成正比；而转码过程的能量消耗即转码能耗同样与视频数据量S
l
有关，所谓转码，随着计算机计算能力的提升，能够通过转码操作将高比特率视频转码为低比特率视频，然后提供给用户，本质是先解码然后重新编码，根据设备的硬件配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：张幸林，田嘉琪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
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