CN102026276A - 一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，包括策略动作和策略变量，所述策略动作用于描述移动P2P流媒体QoE策略管理过程中的执行动作，所述策略变量用于描述MP2P流媒体QoE策略管理过程中的参考变量；所述策略动作包括缓存管理策略动作、节点选择策略动作和数据调度策略动作；所述策略变量包括全局策略变量、缓存管理策略变量、节点选择策略变量以及数据调度策略变量。本发明应用于移动网络环境下的P2P流媒体业务，能够根据移动网络环境的动态变化实时地选择和更新QoE管理策略，可有效应对无线信道质量动态变化、节点移动性等因素对流媒体传输质量的影响，从而通过自适应的QoE策略管理提供良好的QoE保证。

Description

一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法

技术领域

本发明涉及一种对等网络（P2P）流媒体技术领域，具体地说，是在移动网络环境下保障移动P2P（MP2P）流媒体业务体验质量（QoE）的方法。

背景技术

流媒体又叫流式媒体，该技术可以使音频、视频和其他多媒体文件在互联网上以实时的、无需下载的方式进行播放，只需将开始部分存入缓存区，然后用户可以边下载边播放，使等待时延大大减少。宽带网的飞速发展推动了流媒体直播系统技术的广泛应用。P2P流媒体将P2P技术引入到流媒体传输中，能够充分利用终端资源，降低运营成本，目前已经在互联网中得到了广泛的应用。但由于P2P 流媒体业务对数据传输速率和终端能力要求较高，目前还很难简单地从固定网络移植到移动网络中来。

随着无线技术的发展，特别是HSPA、LTE等技术的不断成熟，无线接入网络的上下行传输速率极大提高、移动核心网的全IP化以及终端处理和存储能力的日益增强，这些都为P2P流媒体业务在未来移动网络中的广泛应用创造了条件。研究人员已经开始对在移动网络中部署P2P流媒体业务进行探讨，并取得了一定的研究成果。Zhou Su等人发表的“An integrated Retrieval and Pre-fetching algorithms for Segmented Streaming in Mobile Peer-to-Peer Networks”（参见IEEE International Cluster Computing, 2005）提出了一种查询、预获取算法来解决移动P2P网络的资源发现和数据复制问题。Moraes, I.M.等人发表的题为“On the impact of user mobility on peer-to-peer video streaming”（参见IEEE Wireless Communications, 2008）指出无线Mesh网络中用户的移动性会给P2P流媒体传输带来寻址、数据转发的困难。Mushtaq, M.和Ahmed, T 发表的题为“P2P-Based Mobile IPTV: Challenges and Opportunities”（参见AICCSA 2008）分析了基于P2P的移动IPTV业务面临的挑战和机遇，指出需要监测移动网络环境的变化并动态管理P2P终端的协作过程。但这些研究还只是处于探索阶段，未能很好解决移动网络中P2P流媒体存在的问题，为以后的研究提供了一定的借鉴和参考。

移动网络中P2P流媒体业务的QoE的高低是决定该业务能否被用户接受的关键因素。QoE是用户感知的服务质量，定义为一个应用或业务的总体可接受性，是终端用户的主观感知，是从用户角度感受到的系统整体性能，体现用户对业务的满意程度。对于多媒体业务而言，研究QoE参数指标的高低具有更切实的需求，同时QoE又和QoS参数有密切的关系，可以说QoE主要受到QoS的决定，还与用户个体因素和业务类型相关。ITU-T、3GPP、ETSI等标准化组织对QoE开展了标准制定工作，主要涉及IPTV、移动流媒体业务的QoE度量指标、测量方法、QoE评估等（参见“ITU-T Recommendation J.149: Method for specifying accuracy and cross-calibration of Video Quality Metrics (VQM)”，March, 2004；以及“3GPP TS 26.234 V8.1.0 .Transparent end-to-end Packet-switched Streaming Service (PSS);Protocols and codecs (Release 8)”，December,2008），但至今还没有一个统一、可行的QoE评价及管理体系。对于P2P流媒体业务，QoE问题主要表现为播放延迟过长、播放质量不稳定、对视频点播VCR操作（播放、暂停、随机跳跃等操作）支持不足等，且P2P覆盖网络在路由、组网方面的特殊性，现有研究提出的QoE管理方法难以直接应用于P2P流媒体系统中。

在移动P2P流媒体系统中，为了改善用户QoE，需要提供一个优良的网络QoS环境。移动网络P2P流媒体业务的传输是一个移动节点相互协作的过程，目前主要的QoS保证机制主要有缓存管理、节点选择和数据调度。

缓存管理涉及到缓存分配和缓存替换两个方面。缓存分配是根据节点缓存空间大小以及相关业务信息，在系统启动时，按照一定的规则选择一些媒体内容缓存在节点上，以达到在有限的缓存空间获得较高的系统性能（如系统的吞吐量、服务质量、网络资源的节省程度等）。缓存替换是在系统运行期间，根据视频对象的流行度、用户的点播行为以及网络资源的变化情况，按照一定的策略动态调整节点缓存空间中存放的节目内容，以提高系统性能。采用缓存管理技术可以有效节省存储空间，降低节点获取数据视频的访问启动时延，降低系统运行对服务器的负载以增大系统的可扩展性。常见的缓存管理替换算法有先进先出算法FIFO、最近很少使用算法LRU、最低频率使用算法LFU、LRUMIN以及随机算法等。

节点选择机制是指当一个节点加入P2P系统中时，根据某种决定策略选择系统中存储有该节点请求内容的部分节点作为邻居节点，该节点进一步与这些邻居节点建立连接，获取数据。根据节点选择机制优化目标的不同，将节点选择机制划分为面向系统健壮性与网络负载均衡性、面向流服务质量和面向网络拓扑聚集性三类子问题。比较典型的有斯坦福Peers研究组提出的SpreadIt与Peercast系统、Berkeley大学的Scattercast和Purdue大学的Promise系统以及华中科技大学的Anysee视频直播系统和中科院计算所的BigMedia直播系统等。但是现有算法仅改进了系统的一方面性能，无法做到既保证流服务质量，又提高网络利用率，节点选择机制仍然需要进一步研究与发展，以适应对P2P系统流媒体大规模分发的要求。

数据调度的主要思想是：请求节点决定每个发送节点发送的速率以及数据段，即对发送节点的数据传送的调度，使得在媒体数据被播放之前收到各个发送者发送的数据段并将之还原成连续的媒体数据，从而保证媒体流的正常播放。从数据分发的拓扑结构来看，现有研究可划分为基于单组播树的数据分发调度、基于多组播树的数据分发调度和基于随机拓扑的数据调度三种类型。目前，有几种典型的数据调度算法：在基于DONet的系统中使用的随机调度算法，它对于每个空缺的数据块，每个节点随机地从持有此数据块的伙伴节点中选择一个节点，然后请求选中的伙伴节点；用于分层流媒体系统中的循环鲁棒策略，该算法按照比例分配所有请求的数据块到一个伙伴，如果仅有一个伙伴有该数据块，则从该伙伴获取，否则从拥有最大可用带宽的伙伴节点获取；在Coolstreaming/DONet系统中被提出的最少优先算法，主要思想是节点请求潜在提供者较少的数据块，如果一个数据块有多个潜在提供者，那么具有最多剩余带宽和足够可用时间的节点被选中。相关领域的研究者也在这些算法的基础上进行研究，提出了一些性能更加优化的算法。

基于策略的管理方法是通过策略来实现对被管理系统的分布式、自动化以及动态自适应的管理，在涉及到动态调节的学术研究和应用中已越来越受到重视。目前，IETF、电信管理论坛(TeleManagement Forum、TMF)等标准化组织，英国伦敦皇家学院、欧洲的分布式管理任务组（Distributed Management Task Force，DMTF）等研究组织及许多大学都积极开展了基于策略的管理方法的研究，并已经取得了卓有成效的成果。特别是IETF定义的策略核心信息模型（Policy Core Information Model，PCIM）及其扩展（PCIMe）（参见IETF RFC3460）、基于策略的网络管理（Policy Based Network Management, PBNM）框架（参见IETF RFC3318）为策略管理系统提供了标准化基础。但目前还没有将策略管理用于P2P流媒体系统的相关研究。所以有必要研究一种可以根据终端、网络的情况自适应调整P2P流媒体QoE管理策略的策略信息模型，从而能方便高效地改善用户QoE，提高网络资源利用率。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，通过对移动网络环境相关信息的实时获取和流媒体业务QoE的实时评估，自适应地实现策略信息模型构建及QoE管理策略选择，从而实现对移动网络P2P流媒体业务QoE的动态、实时管理，为移动网络用户提供良好的业务体验质量。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种提供一种用于描述和构建MP2P流媒体QoE管理策略的方法，包括策略动作和策略变量。

所述的策略信息模型，其中，所述的策略动作包括：缓存管理策略动作，为用户提供自适应的总缓存区的划分和主、从缓存区的划分比例选择；节点选择策略动作，为用户提供合理的邻居节点选择及服务提供节点选择；数据调度策略动作，为用户在流媒体数据调度阶段提供合理的数据调度选择。

所述的策略信息模型，其中，所述的策略变量包括：全局策略变量，用于描述用户的系统信息；缓存管理策略变量，用于描述缓存管理策略动作的动作依据；节点选择策略变量，用于描述节点选择策略动作的动作依据；数据调度策略变量，用于描述数据调度策略动作的动作依据。

有益效果：本发明应用于移动网络环境下的P2P流媒体业务，能够根据移动网络环境的动态变化实时地选择和更新QoE管理策略，可有效应对无线信道质量动态变化、节点移动性等因素对流媒体传输质量的影响，从而通过自适应的QoE策略管理为用户提供良好的QoE保证。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明中QoE管理策略信息模型示意图。

图2是本发明中缓存管理策略动作示意图。

图3是本发明中节点选择策略动作示意图。

图4是本发明中数据调度策略动作示意图。

图5是本发明中全局策略变量示意图。

图6是本发明中缓存管理策略变量示意图。

图7是本发明中节点选择策略变量示意图。

图8是本发明中数据调度策略变量示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：对于承载于移动网络环境中的P2P流媒体业务，由于环境质量的时变性以及节点的移动性，导致了所执行策略信息的不确定性。本发明通过对网络质量和用户服务质量信息的动态测量及实时评估，自适应地调整执行策略，为用户提供更好的QoE保证。

本发明所适用的网络环境为任何能承载对P2P流媒体业务的无线移动网络，如WLAN、传统蜂窝网络（3G/LTE）等。

下面参照附图对本发明的实施进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

本发明提供了一种用于描述和构建MP2P流媒体QoE管理策略的策略信息模型，包括策略动作和策略变量。

图1所示为QoE策略信息总体模型。该模型包括策略动作和策略变量，策略动作完成自适应策略选择过程，策略变量为该策略选择过程中所需依据的量化。其中的策略动作进一步包括缓存管理策略动作、节点选择策略动作和数据调度策略动作。策略变量进一步包括全局策略变量模型、缓存管理策略变量、节点选择策略变量和数据调度策略变量。

图2所示为缓存管理策略动作模型。该策略动作完成与用户设备缓存区的相关策略选择。缓存管理策略动作包括缓存区划分、缓存前摄、缓存替换。

缓存区划分包括总缓存空间分配和主、从缓存区划分。总缓存空间分配即在节点终端设备中为其所请求服务划分一定的流媒体缓存区；主、从缓存区划分则是将总缓存空间按一定比例划分为主、从缓存区，其中主缓存区用于为节点本身请求的业务缓存数据，从缓存区用于存储流媒体资源为网络中其他节点提供流媒体数据。

缓存前摄即在服务提供过程中，对未播放流媒体数据的调度；

缓存替换即在服务提供过程中，对已播放流媒体数据的更新；

图3所示为节点选择策略动作模型。该策略动作完成为用户提供服务的相关服务提供节点的策略选择。节点选择策略动作包括邻居节点选择、服务节点选择以及节点切换处理。

邻居节点选择即系统根据一定的动作属性为业务请求节点找到一组候选服务提供节点集合。

服务节点选择即为业务请求节点从候选服务提供节点集合中选择最终的服务提供节点。

节点切换处理即当服务节点中断对用户的流媒体服务或者服务节点所提供的流媒体服务质量不能满足用户要求时，用户即时从其他邻居节点中选择新的服务提供节点，并建立与所述新服务节点的流媒体服务连接。

图4所示为数据调度策略动作模型。该策略动作为用户提供数据调度阶段的数据调度算法策略选择。数据调度策略动作包括网络质量信息获取、信道带宽分配以及数据调度算法选择。

网络质量信息获取在服务提供过程中，对当前网络可提供带宽、网络负载、信道干扰和信道衰落等网络质量信息的获取。

信道带宽分配即在服务建立过程中，根据用户所拥有的业务等级为其分配相应的服务带宽。

数据调度算法选择即在服务建立及提供过程中，根据所获取的网络质量信息及系统为用户所分配的信道带宽实时进行的数据调度算法选择。

图5所示为全局策略变量模型。该策略变量作为用户的系统信息，为其策略动作的各个阶段提供属性依据。其具体包括：  

用户等级变量：用于描述业务请求节点所处用户等级，例如可分为高优先级及普通用户。

业务类型变量：用于描述业务请求节点所请求的业务类型，例如可分为流媒体直播业务和流媒体点播业务。

图6所示为缓存管理策略变量模型。该策略变量为缓存管理各项策略动作提供属性依据。包括缓存区划分变量、缓存前摄变量和缓存替换变量，具体有：

终端类型变量：用于描述不同类型终端的存储能力大小。

流媒体质量变量：用于描述所请求流媒体的质量等级，包括高清质量、普通质量和最低播放保证质量。

划分比例变量：用于描述总缓存中对主、从缓存区空间划分比例。

紧急度：用于描述主缓存区中进行数据前摄时所选数据块的紧急状态。

贡献度：用于描述从缓存区中所存数据的重要性，以此来决定对该区域中那些数据进行缓存替换处理。

图7所示为节点选择策略变量模型。该策略变量为节点选择各项策略动作提供属性依据。其包括节点位置变量、节点选择变量和节点切换变量三类，具体有：

缓存资源指示：用于描述某一节点所拥有的资源情况。

节点的播放位置：用于描述当前业务请求节点所播放流媒体的位置。

播放位置差：用于描述候选节点与当前服务请求节点间所播放流媒体的位置差。

切换播放距离差：用于描述是否需要进行基于距离差切换的播放距离差门限。

切换良好度：用于描述是否需要进行基于良好度切换的良好度门限。

图8所示为数据调度策略变量模型。该策略变量为数据调度各项策略动作提供属性依据。其具体包括信道质量探测变量、信道带宽分配变量和数据调度算法变量三类，具体有：

带宽分配变量：用于描述当前网络实际可提供的带宽大小。

数据调度算法变量：用于描述为用户所选取的数据调度算法，例如可包括最早优先算法和最少优先算法等。

下面以节点选择的策略管理为具体实施例进行说明，实施场景为用户A需要在移动网络中进行P2P流媒体业务服务，所处网络环境为WCDMA网络。

该用户的业务信息如下：

用户等级：高优先级用户组；

网络提供的业务类型：直播流媒体业务、点播流媒体业务；

终端类型：小存储容量设备。  

所请求的业务内容类型：点播流媒体业务：

用户A向其所在服务区的MP2P流媒体服务器发起业务请求，通过系统的鉴权和允许接入操作后，该用户开始请求其所要求的流媒体服务内容。具体过程为：

首先，进行策略节点选择和策略缓存管理。策略节点选择的具体实施过程如下：

a. 进行邻居节点选择。在这里，用户以最小时延作为节点遴选条件，具体实施过程中，以所经过的节点跳数最少为标准，故优先选择与其处于同一小区或相邻小区的邻居节点作为候选的服务节点，所得到的邻居节点集合大小为20（若某时刻网络中存有该内容的节点数不足20，则以存在的最大值作为集合大小）。

b. 进行服务节点选择。因该用户所处的用户组为高优先级用户组。故此选择过程中，可优先在邻居节点中选择所请求流媒体资源丰富，时延较小的节点作为其服务节点，所得到的服务节点集合大小为10（若某时刻网络中邻居节点集合中的候选节点数不足10，则以存在的最大值作为集合大小）。

这样，就完成了业务建立阶段的节点选择过程。同时进行的策略缓存管理的具体过程为：

a. 根据其系统用户信息中的终端类型为小存储容量设备，将该用户设备存储容量的10%划分为流媒体业务缓存空间；根据其系统用户信息中的该用户属于高优先级用户组，故将其流媒体业务缓存空间的80%作为其主缓存区，用于为该节点请求的流媒体业务提供数据存储，剩余的20%作为从缓存区，用于为网络中的其他节点提供流媒体数据存储。

  b.在该节点的流媒体播放过程中，对于未播放数据的前摄过程为：节点根据网络中所存在的未播放数据的资源数目以及资源紧急度，加权得到其前摄指数，并选择该指数最大的资源作为其前摄目标。

   c.同样，在节点的流媒体播放过程中，对于已播放数据所占存储资源的更新过程为：节点判断该数据在网络中的紧急度和贡献度，加权得到其更新指数，并选择该指数最小的资源作为替换资源。

此后，在进行完上述两项策略动作后，即需要该业务请求节点与服务节点进行策略数据调度，以获取相关的流媒体数据资源。其具体过程为：

a.网络质量信息获取。在服务提供过程中，系统对当前网络可提供带宽、网络负载、信道干扰和信道衰落等信息进行周期性获取并更新，以判断网络能提供的最大服务提供能力；

b.信道带宽分配。在服务建立过程中，根据用户所拥有的用户等级为高优先级用户组为其分配相应的服务带宽（可提供最大服务带宽的70%作为下行数据传输带宽）；

c.数据调度算法选择。在服务建立及提供过程中，根据所获取的网络质量信息及系统为用户所分配的信道带宽实时进行的数据调度算法选择，这里假设网络质量良好，故为其选择最少有点算法。

在服务过程中，由于用户设备的随机开关和移动性，会出现已建立业务连接的服务节点随机断开或其所提供流媒体服务质量不能满足用户要求（如系统为其提供的数据传输带宽低于1 Mbps，或一分钟内出现的播放中断次数大于2次）的情况。此时，需要快速重新选择合适的服务节点。

在这种情况下，需要缩短由于切换过程所带来的业务中断时间。首先，直接建立该业务请求节点与内容服务器的连接，以保证其播放的不间断，同时进行新服务节点的选择。在此次的遴选过程中，以业务请求节点的当前播放时间为基准，选择播放距离较近且资源良好的的节点作为服务节点。在完成选择后，将该服务请求节点的业务连接切换至新选出的服务节点上。至此，完成了切换阶段的节点选择策略管理过程。

本发明提供了一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，包括策略动作和策略变量，所述策略动作用于描述移动P2P流媒体QoE策略管理过程中的执行动作，所述策略变量用于描述MP2P流媒体QoE策略管理过程中的参考变量；

所述策略动作包括缓存管理策略动作、节点选择策略动作和数据调度策略动作；

所述策略变量包括全局策略变量、缓存管理策略变量、节点选择策略变量以及数据调度策略变量。

2.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述缓存管理策略动作包括：

缓存区划分：在节点终端设备中为其所请求服务分配流媒体缓存空间，并按比例策略将其划分为主、从缓存区，其中主缓存区用于为节点本身请求的业务缓存数据，从缓存区用于存储流媒体资源为网络中其他节点提供流媒体服务；

缓存前摄，在服务提供过程中，对未播放流媒体数据的调度；

缓存替换，在服务提供过程中，对已播放流媒体数据的更新。

3.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述节点选择策略动作包括：

邻居节点选择，在服务建立时，从众多节点中按照遴选条件选择一定数量的节点作为服务节点的候选节点；

服务节点选择，从邻居节点中按照不同的业务质量等级选择一定数量的节点作为服务提供节点；

节点切换处理，当服务节点中断对用户的流媒体服务或者服务节点所提供的流媒体服务质量不能满足用户要求时，用户即时从其他邻居节点中选择新的服务提供节点，并建立与所述新服务节点的流媒体服务连接。

4.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述数据调度策略动作包括：

网络质量信息获取，在服务提供过程中，对当前网络可提供带宽、网络负载、信道干扰和信道衰落的获取；

信道带宽分配，在服务建立过程中，根据用户所拥有的用户等级为其分配相应的服务带宽；

数据调度算法选择，在服务建立及提供过程中，根据所获取的网络质量信息及系统为用户所分配的信道带宽实时进行的数据调度算法选择。

5.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述全局策略变量包含：

用户等级变量，用于描述业务请求节点所处用户等级，具体包括高优先级用户组和普通用户组；

业务类型变量，用于描述业务请求节点所请求的业务类型，具体包括流媒体直播业务和流媒体点播业务。

6.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述缓存管理策略变量包括：

终端类型，用于描述不同类型终端的存储能力大小，包括大容量存储设备和小容量存储设备，所述大容量存储设备为存储容量达到以上20G的设备，所述小容量存储设备为存储容量小于20G的设备；

流媒体质量等级，用于描述所请求流媒体的质量等级，包括高清质量、普通质量和最低播放保证质量；

划分比例，用于描述总缓存中对主、从缓存区空间划分比例，对于高优先级用户组和普通用户组的主、从缓存区空间划分比例分别为其业务缓存空间的80%和50%；

紧急度，用于描述主缓存区中进行数据前摄时所选数据块的紧急状态；

贡献度，用于描述从缓存区中所存数据的重要性，以此来决定对该区域中那些数据进行缓存替换处理。

7.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述节点选择策略变量包括：

缓存资源指示，用于描述某一节点当前对某一流媒体资源的拥有情况；

节点播放位置，用于描述当前业务请求节点所播放流媒体的位置；

播放位置差，用于描述候选节点与当前服务请求节点间所播放流媒体的位置差；

切换播放距离差，用于描述是否需要进行基于距离差切换的播放距离差门限；

切换良好度，用于描述进行基于良好度切换时，候选服务节点的可用性大小。

8.根据权利要求1所述的一种保障移动对等网络流媒体业务体验质量的方法，其特征在于，所述数据调度策略变量包括：

带宽分配变量，用于描述当前网络实际可提供的带宽大小；

调度算法变量，用于描述系统可为用户选取的数据调度算法，包括最早优先算法或最少优先算法。

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