CN102118310B - 基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，包括如下步骤：信宿向信源发送分层数据请求；信源收到请求，同时收到网络拓扑数据，根据所有信宿请求的层数，将多播分为多个多播，按照开销最小的原则，采用启发式删减的方法，寻找整个网络的最佳多播拓扑。该系统针对分层流媒体在异构网络中的应用，利用用户网络带宽资源的差异性，根据用户可用的带宽，设计分级流媒体的多个多播拓扑，为用户提供可分层的视频传输服务，提高用户接收数据的层数。

Description

基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法

技术领域

本发明设计可伸缩多媒体的通信网络领域，特别是不均匀网络中的通信中的一种基于网络编码和可扩展流媒体的多播方法。

背景技术

在网络编码应用中，由于网络异构，带宽资源不均匀，而通常的多播是按照多信宿中最低带宽多播，会造成网络资源利用率不高的问题。网络编码多用于多播应用中，在通常的多播应用中，网络编码的使用方式为，信源收集信宿到信源的路径集合信息并计算信源到每个信宿的最大带宽，然后按照其中最小的带宽来设定多播最大流量带宽，随后根据设定的多播最大流量带宽来优化每个信宿的路径集合。具体有选择重用度高的路径，删除重用度低的路径，将每个信宿到源的总带宽裁剪到多播最大流量带宽，以减少路径开销。在这种情况下，每个信宿获得相同的多播带宽，但是都受到多播最大流带宽的影响，因此并没有充分利用到多于带宽。带宽较大的信宿可以利用更大的传输带宽，此时为了低带宽信宿只能裁剪传输能力。

可分级编码技术是与本发明相关的技术。H.264 SVC(H.264可分级编码)作为H.264标准的一个扩展最初由JVT在2004年开始制定，并于2007年7月获得ITU批准。H.264 SVC以H.264 AVC视频编解码器标准为基础，利用了AVC编解码器的各种高效算法工具，在编码产生的编码视频时间上(帧率)、空间上(分辨率)可扩展，并且是在视频质量方面可扩展的，可产生不同帧速率、分辨率或质量等级的解码视频。H.264 SVC通过在GOP(编码图像组)中设置可丢弃的参考帧实现时间上的可分级。0-16视频帧构成全帧率视频，除T3标志外的所有视频帧构成了半帧率视频，所有T0标志和T2标志的视频帧构成了1/3帧率视频，所有只是T0标志的视频帧构成了1/4帧率视频。

在针对SVC视频的传输中，已有的技术是将分层的数据按优先顺序进行不同程度的纠错和交错，然后采用常规的多播技术进行传输，使得信宿能够以更大几率解码基本层数据，但是仍然没有最大化利用带宽。

发明内容

本文所要解决的技术问题是提供一种集中式资源分配策略，使得信源可以根据网络拓扑现状和网络信宿的请求，设计多播拓扑并分配带宽，从而保证用户收到尽可能高的视频质量，同时还可以最大限度地利用网络空闲带宽。

为解决上述技术问题，本发明给出一种基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其基本技术构思是：通过分布式方式收集信宿到信源的请求信息和路径信息；信源根据网络拓扑资源，为最小的请求层数设计多播拓扑，随后为下一请求层数设计多播拓扑，直至网络资源无法使用或者请求完全满足为止。

基于上述构思，本发明的特征在于包括以下步骤：

步骤1、信宿通过广播的形式发送请求数据包，所述请求数据包中包含的信息包含网络id，链路容量值，中间节点将自身的网络id和链路容量添加到请求数据包后转发，就这样，请求数据包以分布式的方式汇聚到信源；

步骤2、信源根据信宿的请求信息，将信宿按照请求层数分组，按照所述组的层数从低到高顺序，依次设计每个分组的多播拓扑，预留链路容量；

步骤3、信源按照开销最小的原则，采用启发式删减的方法，寻找整个网络的最佳多播拓扑；

步骤4、信源将每组要发送的各层数据采用所述最佳多播拓扑跨层编码发送，组间数据独立发送。数据的优先性体现在拓扑资源的优先预留上，因此数据中的冗余不需要特别设计。

在步骤2中，所述信源根据信宿的最大接收带宽来分配信宿的请求层数。因此分组后可以让不同信宿的接受能充分使用重合链路，每组多播的拓扑设计时，只要保证信源到每个单个信宿都是k连接即可。

进一步的，在步骤2中，所述信源依次设计每个分组的多播拓扑包括，对每个多播，使用基于网络编码的最小开销多播算法分配路径和容量。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1、选择计数参数t＝0，并且选E为当前网络拓扑中所有候选的可删除链路；

步骤3-2、检查是否t大于t_max＝[N·k/2]，是则返回当前网络拓扑为多播拓扑，N为信宿检测到的节点数，k为当前多播需要的容量；

步骤3-3、从E中选择有效率权值最大的边l，临时删除l得到一个临时的配置拓扑，检测是否为k-点连接的，若不是则放弃此配置，t自增1，并从E中除去l，返回步骤3-2。

步骤3-4、如果多播路由经过l，则重新根据最小开销多播算法分配路由；

步骤3-5、计算所有链路的总开销，如果拓扑开销更低，则接受此拓扑，返回步骤3-2。否则放弃临时配置，t自增1，从E中删除l并且返回步骤3-2。

在所述最佳多播拓扑中，选择任意两条相邻链路进行链路互换，例如{A，B}{C，D}，互相交换，得到{A，C}{B，D}或者{A，D}{B，C}，如果得到的新链路可以减小拓扑开销，则更新当前最佳多播拓扑，依此遍历网络中所有链路，即可得到最佳拓扑。

更加优化的的，对于所述最佳多播拓扑的处理具体包括以下步骤：

步骤6-1、设置计数器t，用来计数连续失败次数，初值0，按照每段链路的特征排序链路；首先将链路编号为1到l，编号规则为，若链路i、j，满足i＜j则，i的有效率权值大于j链路，然后将链路对按照链路编号之和的大小排序，链路编号之和相同时，按链路对中较小链路编号的优先排序。

步骤6-2、检查t值是否大于

l是链路总数，t_max是链路对的最大值，是则跳到步骤6-5；

步骤6-3、按照链路对顺序，选择没有测试的链路对(i，j)；

步骤6-4、如果i，j不相邻，t自增1，返回步骤6-2；如果相邻，有存在两种可能的交换策略，选择任意一种交换策略，得到一个临时拓扑，

对于所述临时拓扑，判断信源到每个信宿间是否k连接的，如果是，则为所述临时拓扑选择路由、分配链路容量并计算总开销；如果所述总开销更少，则更新为新拓扑，并返回步骤6-1；如果不是，则使用另一个交换策略，得到另一个临时拓扑；重复上述对临时拓扑的判断处理过程；

如果两种交换策略都不能得到更好的拓扑，则t自增1，返回步骤6-2；

步骤6-5、结束并返回拓扑。

本发明的每个信宿请求具有与各自带宽相适应层数的数据层数，大带宽的信宿可以利用自身传输带宽来获得更多层数的数据。信源收集所有信宿的请求和可用的网络链路容量信息，通过实际带宽来分配信宿接收的数据层数，并将信宿按照请求层数分组，按照本发明提出的算法，为每个分组的信宿设计相应层数的多播拓扑，生成多个多播拓扑，实现分级网络编码传输。整个网络多播按照信宿的请求分成多个多播会话，充分利用网络带宽资源，为用户传输更多的数据层数，优化所有信宿接收到的总层数，同时相对于一般的SVC编码传输而言可以简化纠错环节。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为本发明具体实施例中的中间节点汇聚网络拓扑信息流程图。

图3为信源上对信宿带宽的分组过程图。

图4a为本发明的多播拓扑生成流程图。

图4b为本发明的多播拓扑局部优化流程图。

图5a为本发明应用场景示意图。

图5b为本发明应用拓扑分配后场景示意图。

具体实施方式

图5a为本发明系统的应用场景示意图。它包括：单位容量网络中的信源S，中间节点Ti，信宿Ri。可以看出，信宿Ri的最小割不同，能够从信源接受数据的速率也不同，据此可以结合SVC的基本思想，充分利用可用的链路，以提高各个带宽用户的接收质量。

图1为本发明系统的结构示意图。包括：

步骤1、信宿通过广播的形式发送请求数据包，所述请求数据包中包含的信息包含网络id，链路容量值，中间节点将自身的网络id和链路容量添加到请求数据包后转发，就这样，请求数据包以分布式的方式汇聚到信源；

步骤2、信源根据信宿的请求信息，将信宿按照请求层数分组，按照所述组的层数从低到高顺序，依次设计每个分组的多播拓扑，预留链路容量；

步骤3、信源按照开销最小的原则，采用启发式删减的方法，寻找整个网络的最佳多播拓扑；

步骤4、信源将每组要发送的各层数据采用所述最佳多播拓扑跨层编码发送，组间数据独立发送。数据的优先性体现在拓扑资源的优先预留上，因此数据中的冗余不需要特别设计。

图2给出了本发明实施中中间节点汇聚网络拓扑信息流程图。该步骤包括：

步骤11判断是否为信源，如果不是则跳转到步骤13，否则到步骤12。

步骤13为中间节点操作，此时只需将自身的网络id和链路容量添加到数据包中，继续向上行链路广播。

步骤12为信源，收到的是一条路径的数据包，此时记录下该路径的拓扑信息，包括节点ID和链路容量信息。

步骤14判断链路是否与已有的链路相交，是则跳转15，否则到步骤16。步骤15增加信宿的最小割。步骤16最小割保持不变。

当信源收到所有信宿的所有路径请求后，根据计算得到的请求表，可以对信宿分组并分配发送质量。该步骤包括：图3

步骤20：将所有信宿最小割对应的播放编码级数对应起来。

步骤21将信宿数据请求层数列表当作临时列表，组编号初始为1，

步骤22判断临时列表中是否有非零项，

步骤23如果有非零项则组编号自增1，选出列表中非零值最小的一个，更新当前组的最大数据层，同时将不小于此最小值的所有节点加入当前组中，

步骤24如果没有非零项，则分组结束。

当分组结束后，信源根据各个组来分配网络资源，设计相适应的资源开销最小的网络多播拓扑。包括步骤30和31局部优化技术，可以得到链路开销最小的多播拓扑，为余下的拓扑设计留下更多资源。

图4a中给出了产生开始拓扑的算法。包括：

步骤300创建全连接拓扑，当作当前最佳拓扑，这里全连接是指按照信源当前收集到的网络拓扑信息，包括链路和链路容量，设定的全连接。

步骤301设置失败计数器为0。

步骤302判断失败次数是否超过最大值，是则到步骤303。

步骤303输出开始拓扑。

步骤304创建新的临时拓扑，从当前可删除链路中，删除效率权值最大的链路。

步骤305判断是否为k-节点连接的，即信源到每个信宿是否有k条不相交路径相通，或者所选拓扑中信源到信宿的最小割是否为k，是则到步骤306，否则到步骤309。

步骤306为临时拓扑选择路由，分配容量。

步骤307计算所有链路的总开销，以此判断临时拓扑是否改善了开销，是则到步骤308，否则到步骤309。

步骤308，将当前拓扑当成新的当前最佳拓扑来替代原来的值。同时跳转到步骤301。

步骤309将失败计数器增加1，跳转到步骤302。

图4b中给出了局部优化的过程。将图4a输出的开始拓扑作为输入开始图4b的算法。

步骤310设置失败计数器为0，同时计算链路对的顺序，将链路编号后，按照两两链路编号和的从小到大顺序排列，如果大小相同则比较每对链路中较小值的大小。

步骤311判断失败次数是否大于允许值如果大于则直接输出拓扑结果为最终多播解。否则到步骤312。

步骤312选择一对链路，按照链路对的顺序，选择没有测试过的链路对。

步骤314判断这对链路是否相邻，是则跳转步骤315，否则到步骤313。

步骤315交换链路，得到新的拓扑设置。同时选择路由，分配链路容量。

步骤316判断新拓扑是否改善了拓扑开销。是则跳转步骤319.，否则到步骤317。

步骤317以第二种方式交换链路，同时为新拓扑选择路由、分配链路容量。

步骤318，判断新拓扑是否改善了开销，是则跳转步骤319，否则到步骤313。

步骤313，将失败次数增加1，跳转到311。

步骤319将此临时拓扑当作新的当前最佳拓扑来替换先前的值。

一个实例，在图5a中给出了简单的网络结构。

图5a中为单位容量网络，信宿的可用带宽是不同的，信源在发送数据时，所传输的视频质量也是不同的。

当四个信宿发送的请求包到达信源后，信源判断出每个节点R1，R2，R3，R4的最小割分别为2，3，2，1，将节点分组为：组1{R1，R2，R3，R4}多播容量为1；组2{R1，R2，R3}多播容量为1；组3{R3}多播容量为3；接下来分配网络拓扑。

图5b是为第一组和第二组信宿设计的多播拓扑。在为第一组设计好满足所需要的多播容量的拓扑后，剩余的网络容量中，再使用拓扑设计方法，为第2组设计多播，剩余容量不够设计第三组因此设计完毕。发送的时候第一组发送1层数据包，第二组发送1、2层数据编码包。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信宿通过广播的形式发送请求数据包，所述请求数据包中包含的信息包含网络id，链路容量值，中间节点将自身的网络id和链路容量添加到请求数据包后转发，就这样，请求数据包以分布式的方式汇聚到信源；

步骤2、信源根据信宿的请求信息，将信宿按照请求层数分组，按照所述组的层数从低到高顺序，依次设计每个分组的多播拓扑，预留链路容量；

步骤3、信源按照开销最小的原则，采用启发式删减的方法，寻找整个网络的最佳多播拓扑；

步骤4、信源将每组要发送的各层数据采用所述最佳多播拓扑跨层编码发送，组间数据独立发送。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其特征在于，在步骤2中，所述信源根据信宿的最大接收带宽来分配信宿的请求层数。

3.根据权利要求2所述的基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其特征在于，在步骤2中，所述信源依次设计每个分组的多播拓扑包括，对每个多播，使用基于网络编码的最小开销多播算法分配路径和容量。

4.根据权利要求3所述的基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1、选择计数参数t=0，并且选E为当前网络拓扑中所有候选的可删除链路；

步骤3-2、检查是否t大于t_max＝[N·k/2]，是则返回当前网络拓扑为多播拓扑，N为信宿检测到的节点数，k为当前多播需要的容量；否则，进入步骤3-3；

步骤3-3、从E中选择有效率权值最大的边I_tmp，临时删除l_tmp得到一个临时的配置拓扑，检测是否为k-连接图的，若不是则放弃此配置，t自增1，并从E中除去I_tmp，返回步骤3-2；

步骤3-4、如果I_tmp被删除前的多播路由经过I_tmp，则重新根据最小开销多播算法分配路由；

步骤3-5、计算所有链路的总开销，如果拓扑开销更低，则接受此拓扑，返回步骤3-2；否则放弃临时配置，t自增1，从E中删除I_tmp并且返回步骤3-2。

5.根据权利要求4所述的基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其特征在于，在所述最佳多播拓扑中，选择任意两条相邻链路进行链路互换，如果得到的新链路可以减小拓扑开销，则更新当前最佳多播拓扑，依此遍历网络中所有链路，即可得到最佳拓扑。

6.根据权利要求5所述的基于网络编码分级流媒体多播的资源调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤6-1、设置计数器t，用来计数连续失败次数，初值0，按照每段链路的特征排序链路；首先将链路编号为1到I，编号规则为，若链路i、j，满足i<j则，i的有效率权值大于j链路，然后将链路对按照链路编号之和的大小排序，链路编号之和相同时，按链路对中较小链路编号的优先排序；

步骤6-2、检查t值是否大于 $t_{\max }=\left(\begin{array}{c}l\\ 2\end{array}\right),$ l是链路总数，t_max是链路对的最大值，是则跳到步骤6-5，否则，进入步骤6-3；

步骤6-3、按照链路对顺序，选择没有测试的链路对（i，j）；

步骤6-4、如果i，j不相邻，t自增1，返回步骤6-2；如果相邻，则存在两种可能的交换策略，选择任意一种交换策略，得到一个临时拓扑，

对于所述临时拓扑，判断信源到每个信宿间是否k连接的，如果是，则为所述临时拓扑选择路由、分配链路容量并计算总开销；如果所述总开销更少，则更新为新拓扑，并返回步骤6-1；如果不是，则使用另一个交换策略，得到另一个临时拓扑；重复上述对临时拓扑的判断处理过程；

如果两种交换策略都不能得到更好的拓扑，则t自增1，返回步骤6-2；

步骤6-5、结束并返回拓扑。

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