專利名稱：用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種數據通信技術領域的方法，具體是一種用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法。
背景技術：
多速率組播技術因其能適應不同用戶的需求以及時變的網絡環(huán)境，成為了異構網絡中視頻內容分發(fā)的重要技術之一。從源端編碼的角度來看，原始數據的分層或分級編碼， 例如JVT/MPEG組織制定的可伸縮視頻編碼(SVC，Scalable Video Coding)標準，允許視頻以多個速率進行傳輸和編碼，逐步提高視頻質量，通過在編、解碼器以及網絡中繼節(jié)點的速率匹配，以得到更高效的率失真性能。
可伸縮視頻編碼流包含了一個基本層和多個增強層，這些靈活多維的層結構在空間分辨率、時域幀速率以及視頻的重建質量等維度上提供了多個接入點。在以多速率組播的方式傳輸可伸縮視頻編碼流時，由不同的IP組播組傳遞各可伸縮視頻編碼層，每個接收者按其不同的處理能力以及不同的鏈路容量加入一定數量的組播組，從而得到同一內容在不同尺度組合下的視頻圖像。
有線、無線混合網絡是在ad hoc無線網絡中放置一些由高速有線網絡連接的基站，以作為各無線節(jié)點的中繼節(jié)點?；旌暇W絡提供了傳統(tǒng)有線網絡和ad hoc無線網絡之間的一種平衡一方面，混合網絡可以引入有線網絡無法達到的靈活性和可伸縮性，選擇以無線方式或者高帶寬的有線鏈路傳輸數據；另一方面，混合網絡中有線基站的引入，可以降低 ad hoc無線節(jié)點的傳輸負擔和能耗，提高系統(tǒng)的吞吐量，以及擴展ad hoc無線網絡的通信覆蓋范圍。有線、無線混合網絡的異構特性使得混合網絡中的多速率組播可以適應不同質量水平多媒體分發(fā)的要求。
經過對現有技術的檢索發(fā)現，X. Zhu等人在《SPIE Conference on Visual Communications and Image Processing，Jan. 2008，pp. 682205-1-682205-8，(國際光學工程學會視覺通信和圖像處理會議，2008年1月，第682205-1-682205-8頁)》上發(fā)表了題為 "Video multicast over wireless mesh networks with scalable video coding (SVC)(在無線網狀網絡中用于可伸縮視頻編碼的視頻組播)”的文章，該文以最小化所有網絡節(jié)點的視頻總失真為目標，提出了無線網狀網絡中可伸縮視頻流視頻組播的碼率分配方案。但是該文沒有考慮接收節(jié)點在接收可伸縮視頻編碼層時的層間依賴關系和優(yōu)先級，因此得到的性能并不是最優(yōu)的結果。
經檢索還發(fā)現，J. Zhao 等在《IEEE Transactions on Multimedia, Oct. 2006, pp. 1021-1032，(電氣電子工程師協(xié)會多媒體學報，2006年10月，第1021-1032頁)》發(fā)表 7H^j"LI0N layered overlay multicast with network coding (LION石馬白勺分層覆蓋組播)”的文章，該文將網絡編碼技術引入了分層數據流的組播中，提高了網絡的吞吐量和傳輸性能。但是該文提出的啟發(fā)式算法并沒有嚴格的數學依據，無法實現網絡傳輸性能的最優(yōu)化。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，結合多速率多徑路由、中繼節(jié)點的網絡編碼技術和網絡流量控制等方法，同時兼顧了視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題，以滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求，提供一種完全分布式的速率分配算法，最終實現混合異構網絡環(huán)境中所有用戶接收到視頻整體質量的最大化。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括以下步驟 第一步，源節(jié)點根據網絡狀況，利用可伸縮視頻編碼技術將視頻流編碼為多個可伸縮視頻編碼層，將每個視頻編碼層的碼率從單一的碼率點擴展到一個容忍區(qū)間； 第二步，分層的可伸縮視頻流在經由網絡中的中繼節(jié)點進行多路徑路由傳輸時， 中繼節(jié)點進行網絡編碼以提高網絡的吞吐量，對應于有線和無線網絡部分的中繼節(jié)點分別采用對應的帶寬約束； 第三步，每個無線接收節(jié)點結合可伸縮視頻編碼流的分層特性，將用戶接收并解碼某一層視頻編碼流之后視頻失真的減少量視為用戶的效用函數； 第四步，結合所述的網絡中源節(jié)點、中繼節(jié)點、無線接收節(jié)點的要求，以及多徑路由技術，提出了混合網絡中用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的聯(lián)合優(yōu)化問題；最后采用完全分布式的速率分配算法進行速率分配。
所述的可伸縮視頻編碼層在網絡中由不同的IP組播組通過多條路由路徑傳遞到各個無線接收節(jié)點。
所述的容忍區(qū)間利用可伸縮視頻流允許接收端部分接收某一視頻編碼層的特性， 由單一的固定碼率點擴展而得到。
所述的中繼節(jié)點上的網絡編碼規(guī)定每條鏈路上的實際帶寬消耗量為所有目的節(jié)點在該鏈路上消耗帶寬的最大值。
所述的帶寬約束中，針對有線網絡的帶寬約束為有線鏈路分配給所有視頻編碼層的帶寬消耗量之和不超過該有線鏈路的帶寬；無線網絡的帶寬約束為無線鏈路以及在影響該無線鏈路范圍以內的其它鏈路的帶寬消耗量之和不超過共享無線傳輸媒質的帶寬。
所述的用戶效用函數具體為對傳統(tǒng)的視頻率失真函數進行泰勒多項式展開，得到視頻失真減少量與碼率增量之間的二階近似關系式。
所述的兼顧視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題是在選擇路由和進行流量分配時，保證所有接收者按照從低層到高層的遞增順序依次接收視頻編碼層，以滿足接收端的解碼要求。
所述的聯(lián)合優(yōu)化問題為以所有用戶接收到視頻整體質量最大化為目標函數，兼顧可伸縮視頻流解碼的層間依賴關系，以信息流平衡條件、鏈路容量限制、網絡編碼條件等為約束函數，建立多速率組播通信的資源分配凸優(yōu)化數學問題。
所述的完全分布式速率分配算法是運用優(yōu)化分解理論將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題，允許每個網絡節(jié)點和每條鏈路利用本地局部信息進行速率的動態(tài)調整和更新，以分布式方式迭代求解從而實現鏈路傳輸速率的全局最優(yōu)化分配。
本發(fā)明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明為適應有線、無線混合異構網絡的需要，提供了一種完全分布式的速率分配算法，有效地利用了網絡的帶寬資源，并通過多路徑路由以及網絡編碼的引入，提高了網絡整體吞吐量，也為接收端提供更佳的視頻質量。


圖1是有線、無線混合網絡示例圖； 圖中(a)有線網絡部分為經典的蝶形網絡拓撲結構，(b)無線網絡部分為在 50mX50m的區(qū)域內隨機分布20個無線節(jié)點，選取其中的5個作為目的節(jié)點。
圖2是方法總流程圖。
圖3是分布式凸優(yōu)算法流程圖。
圖4是步長對收斂的影響的示例圖。
圖5是高階子優(yōu)化問題性能的示例圖。
圖6是示出了目的節(jié)點Cl1和的d5的速率分配情況的示例圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例包括以下步驟 1、網絡拓撲結構的設定 本發(fā)明對圖1所示的有線無線混合異構網絡結構進行實例分析。圖中S、!!”、和 Cli分別代表了源節(jié)點、有線網絡中繼節(jié)點、有線基站節(jié)點和無線目的節(jié)點，與有線鏈路對應的數字代表了該鏈路的帶寬，并且假設無線共享傳輸媒質的帶寬為10(數據單元/s)。假設視頻流包含三層，基本層速率為3 (數據單元/s)，第一增強層速率為2 (數據單元/s)，第二增強層速率為1(數據單元/s)。圖中，每個目的節(jié)點都有六條可選的路徑。
2、建立基于以上網絡的聯(lián)合凸優(yōu)化問題 圖2給出了本發(fā)明具體實現時的方法總流程框圖。在模塊1中，將混合網絡抽象為有向圖G1 U G2，其中G1 = (V1, E1)表示有線網絡部分，G2 = (V2, E2)表示無線網絡部分。 在有線網絡G1中，E1是有線鏈路的集合，V1 = {s} U N U T是有線節(jié)點的集合，其中{s}、 N、T分別表示源節(jié)點、中繼節(jié)點和接收節(jié)點的集合。無線網絡G2是由無線鏈路集合E2以及無線節(jié)點集合V2 = TUR U D組成，其中R和D分別表示中繼節(jié)點和目的節(jié)點的集合， 而T既表示了 G2中的源節(jié)點集合，同時又是G1中的接收節(jié)點集合。因此，可以得到V = {s} U N U T U R U D，以及E = E1 U E2。對于每條有線鏈路1 e E1都對應有限的傳輸帶寬C1,而無線網絡中的共享無線傳輸媒質帶寬為C。
假定可伸縮視頻流在源節(jié)點編碼為M (M= 3)層ILpL2,...，LM}，其中第m層的傳輸碼率位于容忍區(qū)間[bm，BJ內。假設從源節(jié)點s到每個目的節(jié)點d e D都有多條傳輸路徑J(d)，i 2；表示目的節(jié)點d在接收第m層數據時第j條路徑上分配的信息流量大小，//〃表示第m層數據流在鏈路1上的帶寬消耗量。對于每個目的節(jié)點d，使用矩陣i/rf = 表示其傳輸路徑與各鏈路之間的關系，且= 1表示鏈路1包含于接收節(jié)點d的第j條傳輸路徑中，反之站,=O。
建立聯(lián)合凸優(yōu)化問題如下 目標優(yōu)化問題
權利要求
1.一種用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，源節(jié)點根據網絡狀況，利用可伸縮視頻編碼技術將視頻流編碼為多個可伸縮視頻編碼層，將每個視頻編碼層的碼率從單一的碼率點擴展到一個容忍區(qū)間；第二步，分層的可伸縮視頻流在經由網絡中的中繼節(jié)點進行多路徑路由傳輸時，中繼節(jié)點進行網絡編碼以提高網絡的吞吐量，對應于有線和無線網絡部分的中繼節(jié)點分別采用對應的帶寬約束；第三步，每個無線接收節(jié)點結合可伸縮視頻編碼流的分層特性，將用戶接收并解碼某一層視頻編碼流之后視頻失真的減少量視為用戶的效用函數；第四步，結合所述的網絡中源節(jié)點、中繼節(jié)點、無線接收節(jié)點的要求，以及多徑路由技術，提出了混合網絡中用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的聯(lián)合優(yōu)化問題；最后采用完全分布式的速率分配算法進行速率分配。
2.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的可伸縮視頻編碼層在網絡中由不同的IP組播組通過多條路由路徑傳遞到各個無線接收節(jié)點。
3.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的容忍區(qū)間利用可伸縮視頻流允許接收端部分接收某一視頻編碼層的特性，由單一的固定碼率點擴展而得到。
4.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的中繼節(jié)點上的網絡編碼規(guī)定每條鏈路上的實際帶寬消耗量為所有目的節(jié)點在該鏈路上消耗帶寬的最大值。
5.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的帶寬約束中，針對有線網絡的帶寬約束為有線鏈路分配給所有視頻編碼層的帶寬消耗量之和不超過該有線鏈路的帶寬；無線網絡的帶寬約束為無線鏈路以及在影響該無線鏈路范圍以內的其它鏈路的帶寬消耗量之和不超過共享無線傳輸媒質的帶寬。
6.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的用戶效用函數具體為對傳統(tǒng)的視頻率失真函數進行泰勒多項式展開，得到視頻失真減少量與碼率增量之間的二階近似關系式。
7.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的兼顧視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題是在選擇路由和進行流量分配時，保證所有接收者按照從低層到高層的遞增順序依次接收視頻編碼層，以滿足接收端的解碼要求。
8.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的聯(lián)合優(yōu)化問題為以所有用戶接收到視頻整體質量最大化為目標函數，兼顧可伸縮視頻流解碼的層間依賴關系，以信息流平衡條件、鏈路容量限制、網絡編碼條件等為約束函數，建立多速率組播通信的資源分配凸優(yōu)化數學問題。
9.根據權利要求1所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，其特征是，所述的完全分布式速率分配算法是運用優(yōu)化分解理論將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題，允許每個網絡節(jié)點和每條鏈路利用本地局部信息進行速率的動態(tài)調整和更新，以分布式方式迭代求解從而實現鏈路傳輸速率的全局最優(yōu)化分配。
10.根據權利要求1或9所述的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法， 其特征是，所述的完全分布式速率分配算法具體步驟為a)初始化設置、=0、tH= 0，并且對不同的d、m、1和j值分別設置對應的非負值零 W(O)、/《(0)、擬(0)、JT (0)、αχ(0)和 βχ(0)；b)低階子優(yōu)化問題求解的執(zhí)行，tL=1,2,..., 對于鏈路IeE:Bl接收所有使用鏈路1的目的節(jié)點d的值； B2從本地處理器中取出Af (丸)； B3更新?lián)砣鷥rAfB4將新的AfCk + 1)發(fā)送到所有使用鏈路1的目的節(jié)點； 對于目的節(jié)點deD:Bi接收到總的網絡擁塞代價值乂"(紅)· /4；Bii從本地處理器中取出凡7(紅)和姒Biii更新速率柯丨(紅)；Biv更新對偶變量和祐'(紅)；Bv將新的+ 1)發(fā)送到該節(jié)點使用的所有鏈路；反復執(zhí)行迭代步驟直到低階子優(yōu)化問題收斂到最優(yōu)解或者達到最大低階迭代次數為止，然后執(zhí)行高階子優(yōu)化問題的求解；c)高階子優(yōu)化問題求解的執(zhí)行(tH= 1，2，...，) 對于有線鏈路1 e E1 Cl接收到低階子優(yōu)化問題得到的最優(yōu)擁塞代價幻、 C2從本地處理器中取出和α Jt11)； C3更新帶寬消耗/廣(&)和對偶變量α Jt11)； 對于無線鏈路1 e E2 :Ci接收到低階子優(yōu)化問題得到的最優(yōu)擁塞代價 Cii從集合{k|k e Ψ(1)}處接收到 Ciii 從集合{k|k e Φ(1)}處接收到 i3k(tH)； Civ更新帶寬消耗//"(&)和對偶變量P1Uh)； Cv將新的+1)發(fā)送到集合{k|k e Φ(1)}； Cvi將新的^1(Vl)發(fā)送到集合{k|ke Ψ(1)}；當高階子優(yōu)化問題收斂到最優(yōu)解或者達到最大高階迭代次數，算法停止；否則返回低階子優(yōu)化問題的求解。
全文摘要
一種數據通信技術領域的用于可伸縮視頻流的多速率組播通信的優(yōu)化傳輸方法，結合多速率多徑路由、中繼節(jié)點的網絡編碼技術和網絡流量控制等方法，同時兼顧了視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題，以滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求，提供一種完全分布式的速率分配算法，最終實現混合異構網絡環(huán)境中所有用戶接收到視頻整體質量的最大化。
文檔編號H04N7/26GK102186072SQ20111010014
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權日2011年4月20日
發(fā)明者熊紅凱, 李成林 申請人:上海交通大學