CN102164307A - 一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法，包括：接收用户基于数字电视网络系统发送的点播请求；根据系统负载与用户的点播请求分配带宽。通过实施本发明实施例，根据实时的系统状态动态分配分配单播或组播带宽，使得有限网络带宽能够在用户服务质量和系统吞吐量之间达到一种均衡。

Description

一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法

技术领域

本发明涉及数字家庭技术领域，具体涉及一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法。

背景技术

有线电视网络是我国广播电视传输的重要基础设施，最初是用于广大家庭用户的模拟电视信号接收。经过20多年的建设与发展，我国的HFC(Hybrid Fiber coax)网络己成为世界上用户规模最大的有线电视网络。HFC网络的视频传输经历了模拟电视、数字电视到目前的交互电视。数字电视系统是指电视节目产生、发射、传输、电视机接收全部采用数字信号的信息服务平台。与模拟电视相比，数字电视具有更好清晰度和抗干扰能力，更充分利用网络带宽资源、传输更多的电视节目，便于网络互联和多功能业务的开展等优势。全球范围内，自法国于1996年4月推出第一个数字电视商业广播后，全世界的数字电视广播飞速发展。我国拟定于2015年完全实现数字转换工作，目前正处于从模拟技术向数字技术全面转换的关键时期。

国内己经全面开始双向HFC网络的改造，其广播电视行业增值业务正在从单向广播业务向单向兼顾双向转变、从纯音视频业务向视频-数据融合业务转变，为用户提供多种类的个性化双向交互业务，部分网络公司在有线电视网络中率先实现了宽带数据接入，视频点播等双向功能业务。HFC网络的交互业务支撑能力变得越来越重要。此时，进行HFC网络交互业务支撑及业务系统关键技术的研究具有实际应用和长远意义。

当前有线电视交互点播业务中，TVOD(True Video-on-Demand)业务是用户体验最佳的一种。TVOD系统为每一个用户的点播请求分配一路独占带宽进行单播分发(Unicasting)，由于每个交互终端都需要一路独占的流，这样每个终端需要一路独占带宽用户。可以在任何时刻点播自己喜爱的媒体内容，几乎无延迟的开始节目收看，观看过程中进行暂停、前进、后退等VCR操作。

为了提高带宽利用率，增大系统并发服务能力、降低用户拒绝率，引入组播技术(Multicasting)。组播是多用户同时共享一路带宽进行节目点播的技术，通过1∶N的带宽共享降低系统带宽压力。目前有线电视交互点播业务领域中，NVOD是最常见的组播技术。NVOD系统在多路带宽通道上采用阶梯延迟的方式循环播放同一路节目内容用少量的带宽为大量用户提供广播服务。

SDV技术是近年来有线数字广播电视领域广泛研究的另一种带宽有效使用技术。SDV基本思想是根据用户的请求，实时的发送广播节目到存在用户请求的HFC网络光节点，对那些当前没有被请求的节目不占用带宽进行广播。在此基础上SDV使用组播技术，如果一个用户请求的节目己经在当前节目组或业务组被传送，那么新的请求用户只需要加入该组播会话组，系统无需另外分配新的带宽进行节目传送。

TVOD的缺点是代价太高，其带宽利用率为最低的1∶1，即一路带宽只能服务一个点播请求。即使压缩后的高质量的节目也需要很高的传输带宽，这样随着用户数目的不断增加，网络传输带宽越来越成为系统的瓶颈。因此，TVOD虽然经过多年的研究和部署，始终没有得到广泛的应用，提供大数目用户的带宽费用是TVOD业务难以大范围推广的最大障碍。

但NVOD方法的缺点是很少的节目选择、固定的节目时间点回放和极少的VCR控制。NVOD是一种广播技术，并不是真正意义上的交互电视。NVOD不管当前的用户数和行为特征，恒定不变的按预定的策略进行节目广播，即使当前没有任何用户观看该节目，系统仍然消耗用于该节目的传输带宽。

SDV的组播技术考虑到了节目和用户的关系，节约了当前服务组内没有任何用户观看的节目的传输带宽，但没能进一步研究用户的流量强度和节目的流行度等对组播开展的影响，并且和NVOD一样没能提供用户真正意义上的节目控制和VCR操作。

发明内容

本文在综合考虑以上技术优缺点基础上，提出了一种HFC网络组播和单播相结合的带宽分配模型。该模型采用基于请求的节目传输带宽分配，根据用户请求的节目特征、当前系统用户特征和带宽状态，动态决定带宽的单播和组播分配方式。在系统负载小的情况下，用户请求多分配单播带宽，以支持用户对节目的VCR操作；随着系统负载的增大，对流行度的节目多分配组播的带宽，以保证更多的用户能够进行节目点播。统一单播和组播的带宽分配模型使有限的HFC网络带宽在用户体验效果和资源利用率之间到达均衡。

本发明实施例提供了一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法，包括：

接收用户基于数字电视网络系统发送的点播请求；

根据系统负载与用户的点播请求分配带宽。

所述根据系统负载与用户的点播请求分配带宽包括：

在系统负载小的情况下，用户请求多分配单播带宽，以支持用户对节目的VCR操作；随着系统负载的增大，对流行度的节目多分配组播的带宽，以保证更多的用户能够进行节目点播。

所述根据系统负载与用户的点播请求分配带宽包括：

A、带宽管理模块接收到机顶盒的点播请求，请求包中包含了要请求的节目标识、节目的起始时间点T_start；

B、带宽管理模块查询点播历史数据库获取请求节目的流行度P_v并计算当前系统的点播强度A，若二者的积小于或等于设定的阂值δ，则分配一路单播带宽给用户，如系统没有可用带宽则拒绝用户的请求；

C、若P_v×A＞δ，则带宽管理模块查询请求的节目是否已有组播组，若有转步骤D，否则分配一路带宽作为组播带宽给当前的请求，如系统没有可用带宽则拒绝用户的请求；

D、在该节目存在的所有组播组中查询当前播放时间点和T_start，时间差的最小值；

E、若时间差的最小值大于或等于预设值Δt，则分配一路带宽作为组播带宽给当前的请求；反之，转步骤F；

F、分配一路临时带宽给当前请求，同时请求的终端缓存当前和T_start时间差最小的组播组节目。

所述参数指标Δt、δ根据系统的运行状态在线动态调整。

所述方法还包括：

在播放时间点赶上缓存点时，终端加入该组播组，系统回收临时带宽；如分配临时带宽时，系统已没有可用带宽则拒绝用户的请求。

通过实施本发明，在HFC网络的单播与组播相结合的统一带宽分配模型方法的优点，本文研究了组播技术在交互业务系统中的应用，使得带宽使用进一步得到优化。给出了一个单播和组播技术相结合的统一带宽分配模型，带宽管理模块根据实时的系统状态动态分配分配单播或组播带宽，使得有限网络带宽能够在用户服务质量和系统吞吐量之间达到一种均衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的单播与组播相结合的系统模型结构图；

图2为本发明实施例中的启动时同步缓冲以及缓冲池作为数据源的播放示意图；

图3为本发明实施例中的基于数字电视互动网络的宽带分配方法流程图；

图4为本发明实施例中的组播系统性能示意图；

图5(a)为本发明实施例中的流行度b对系统性能的影响示意图；

图5(b)为本发明实施例中的流行度b对组播用户数的影响示意图；

图6为本发明实施例中的到达强度λ和流行度b的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法，包括：接收用户基于数字电视网络系统发送的点播请求；根据系统负载与用户的点播请求分配带宽。

具体的，在系统负载小的情况下，用户请求多分配单播带宽，以支持用户对节目的VCR操作；随着系统负载的增大，对流行度的节目多分配组播的带宽，以保证更多的用户能够进行节目点播。

本文在综合考虑以上技术优缺点基础上，提出了一种HFC网络组播和单播相结合的带宽分配模型。该模型采用基于请求的节目传输带宽分配，根据用户请求的节目特征、当前系统用户特征和带宽状态，动态决定带宽的单播和组播分配方式。在系统负载小的情况下，用户请求多分配单播带宽，以支持用户对节目的VCR操作；随着系统负载的增大，对流行度的节目多分配组播的带宽，以保证更多的用户能够进行节目点播。统一单播和组播的带宽分配模型使有限的HFC网络带宽在用户体验效果和资源利用率之间到达均衡。

本文在已实现的会话资源管理SRM的基础上，根据当前的系统负载和用户请求的节目特征，采用单播和组播相结合的动态带宽分配方式，给出了一个统一系统模型，在图1中给出了系统架构。如图1所示，一个点播请求到来时，由带宽管理模块根据既定的算法，决定为其分配单播通道或组播通道或分配临时单播通道，在赶上组播点的时候加入已存在的组播组。系统中全部带宽资源数用N表示，N_U表述已分配的单播带宽数，N_M表示已分配组播带宽数，N_A表示除已分配的N_U、N_M之外的系统带宽数，包括已分配的临时单播带宽数目。

N_U+N_M+N_A＝N                         (1)

分配单播通道的过程相对简单，凡个单播频道为用户提供带宽独占的点播服务，可实现完全的VCR控制和用户个性化操作。策略上采取先到先服务(FCFS)的原则，无资源即时拒绝用户的请求。在用户结束点播后，该单播通道被SRM回收，进入系统可用带宽库中。

分配组播通道的用户，由于该通道会被后面陆续加入的用户共同使用，所以不支持用户的VCR控制。该组播组的所有用户都离开后，该组播通道被SRM回收，进入系统可用带宽库中。

分配临时单播通道的用户，临时通道用于提供用户点播无延迟启动，只在一段时间内被用户占用。如图2(a)所示，机顶盒在当前分配临时的单播通道上播放点播节目流的同时，从另一时间点最接近且比当前播放时间滞后的组播流缓冲数据。当前播放时间到达缓冲流的开始时间点时，释放临时通道，使用来源于组播的缓冲数据继续播放，如图2(b)所示。此时，用户成为该组播组的成员，与该组全部用户一起共享带宽点播同一节目。同时，该用户可在机顶盒缓存池的范围内进行VCR控制。为此，要求加入组播通道的机顶盒能够缓存媒体数据，且可以同时接收两路媒体数据流。

作为一个一般性的系统模型，图1结合了单播和组播技术，形成了一个统一系统带宽分配机制。如果带宽管理模块始终分配用户单播通道，那么该模型就是一个TVOD架构；如果带宽管理模块始终分配组播带宽给用户，该模型就是NVOD系统。因此，该模型的系统性能不低于单纯的TVOD或NVOD。其次，NVOD和UVOD都有点播启动的延时，图1的模型在启动时都立即分配系统带宽，在系统有可用带宽的前提下，对任何用户的请求都没有启动延时。再次，由于存在单播通道，可以实现用户的VCR体验。

图1的系统模型根据当前的系统状态给出了一个接近最优的带宽使用架构，在此基础上，通过设计和调整带宽管理模块的算法和实现，能够实现不同性能要求的系统。在有限带宽数目N的条件下，按系统和用户群体的特殊要求，给出不同的系统服务能力。

2.带宽分配算法

在图1的系统模型中，带宽管理模块的算法设计，直接决定了带宽的配方式，从而动态调节优化系统的服务性能。本节从当前系统负载、节目流度两个重要参数出发，设计了一个带宽分配算法。设计的带宽分配算法如图3所示。

算法的流程如下：

S101、带宽管理模块接收到机顶盒的点播请求，请求包中包含了要请求的节目标识、节目的起始时间点T_start。；

S102、带宽管理模块查询点播历史数据库获取请求节目的流行度P_v并计算当前系统的点播强度A，计算若二者的积小于或等于设定的阂值δ。

S103、若二者的积小于或等于设定的阂值δ，则分配一路单播带宽给用户，如系统没有可用带宽则拒绝用户的请求；

S104、若P_v×A＞δ，则带宽管理模块查询请求的节目是否已有组播组，若有转步骤S105，若没有则进入S106；

S106、分配一路带宽作为组播带宽给当前的请求，如系统没有可用带宽则拒绝用户的请求；

S105、在该节目存在的所有组播组中查询当前播放时间点和T_start，计算时间差的最小值，若大雨或者等于阈值时间Δt，则进入S106，否则进入S107；

S107、分配一路临时带宽给当前请求，同时请求的终端缓存当前和T_start时间差最小的组播组节目。在播放时间点赶上缓存点时，终端加入该组播组，系统回收临时带宽。如分配临时带宽时，系统已没有可用带宽则拒绝用户的请求。带宽管理模块是图1模型的核心部分，不同的分配算法设计反映了不同的系统需求，形成不同的用户服务性能和系统吞吐量。

图3给出的宽带分配算法，重点突出了当前系统的流程强度和组播组状态的影响。其中，具体的参数指标Δt、δ可以根据系统的运行状态在线动态调整，而不影响已分配的带宽和系统运行。如在步骤中增大阈值值δ，则后续的请求更多的会得到单播通道，更多的用户能够得到VCR体验，但同时组播通道的减少会降低系统吞吐量。

除了当前系统流量强度，系统当前可用带宽也是影响带宽分配的一个重要参数。

采用计算机仿真对图1系统模型和图3带宽分配算法进行了性能验证。假设系统的总带宽数N＝500，总电影数M＝10、服从参数为b的Zipf分布，电影时长L设定为2小时。用户的请求以Poisson分布到达，参数为λ。用户的离开服从参数为μ的指数分布，用户的平均会话时间1/μ设定为1小时。算法图3中分流阈值δ设定为36000*0.1，间隔Δt设定为300秒。

如图4给出了b＝1.5、λ＝20时的带宽利用率(系统服务的总用户数与总带宽数之比)。从图中可以看出，随着用户请求的到达，每个带宽的用户数呈直线上升，最后在5和6之间波动。在总带宽数N中，N_M/N的比例为1％，但1％的组播带宽却分担80％的用户业务。

如图5给出了频道流行度b对系统带宽利用率的影响。b的增大意味着更多的用户点播热门电影，引起组播用户的增多。同时意味着更少的电影可以采用组播，而引起组播用户的减少。理论上λ＝15时采用上述的阈值，在b＝0.8时，流行度为0.281、0.161、0.116、0.092、0.077、0.067的五部电影可以进入组播，概率和为0.794；b＝1.5时，流行度为0.501、0.177、0.096的三部电影可以进入组播，概率和为0.774；b＝2.0时，流行度为0.645、0.161、0.072的三部电影可以进入组播，概率和为0.876。图5(b)的仿真结果给出了组播用户占总用户数的比例，实验结果与理论计算保持一致。从图5(a)也看出，随着组播电影概率和的增大，带宽的利用率也随之增大。

图6给出了用户到达强度和电影流行度对带宽利用率的影响。从图中看出，随着到达强度的增大，大量的用户进入组播通道，带宽利用率急剧上升。在到达流量强度与最少点播的电影流行度之间大于系统闽值的情况下，所有的电影都是组播，这样全部到达的用户都会被系统接纳，带宽利用率随着时间的推移，线性增长而不会出现一个稳定值。如图6所示，在b＝0.8、λ＞25或b＝1.5、λ＞60之后，所有的电影都开始组播。

HFC网络的单播与组播相结合的统一带宽分配模型方法的优点：

1)本文研究了组播技术在交互业务系统中的应用，使得带宽使用进一步得到优化。

2)给出了一个单播和组播技术相结合的统一带宽分配模型，带宽管理模块根据实时的系统状态动态分配分配单播或组播带宽，使得有限网络带宽能够在用户服务质量和系统吞吐量之间达到一种均衡。

为了解决TVOD业务大规模部署的带宽费用问题，近年来各种组播机制被用来提高带宽的利用率。其中批处理(Batching)技术得到了广泛的研究，并提出让请求同一节目的用户进行排队，使用一个组播通道代替一个单播通道为该队列的所有用户服务。该方法研究了FCFS(FirstComeFirstServe)和MQL(MaximumQueueLength)两种排队策略，分别表示用户服务的公平性和服务的有效性。该研究结果表示，针对5000个并发的用户，如果用户的平均等待时间为60秒，则消耗的带宽数目可以降低70％。

以上对本发明实施例所提供的一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于数字电视互动网络的带宽分配方法，其特征在于，包括：

接收用户基于数字电视网络系统发送的点播请求；

根据系统负载与用户的点播请求分配带宽。

2.如权利要求1所述的基于数字电视互动网络的带宽分配方法，其特征在于，所述根据系统负载与用户的点播请求分配带宽包括：

在系统负载小的情况下，用户请求多分配单播带宽，以支持用户对节目的VCR操作；随着系统负载的增大，对流行度的节目多分配组播的带宽，以保证更多的用户能够进行节目点播。

3.如权利要求2所述的基于数字电视互动网络的带宽分配方法，其特征在于，所述根据系统负载与用户的点播请求分配带宽包括：

A、带宽管理模块接收到机顶盒的点播请求，请求包中包含了要请求的节目标识、节目的起始时间点T_start；

B、带宽管理模块查询点播历史数据库获取请求节目的流行度P_v并计算当前系统的点播强度A，若二者的积小于或等于设定的阂值δ，则分配一路单播带宽给用户，如系统没有可用带宽则拒绝用户的请求；

C、若P_v×A＞δ，则带宽管理模块查询请求的节目是否已有组播组，若有转步骤D，否则分配一路带宽作为组播带宽给当前的请求，如系统没有可用带宽则拒绝用户的请求；

D、在该节目存在的所有组播组中查询当前播放时间点和T_start，时间差的最小值；

E、若时间差的最小值大于或等于预设值Δt，则分配一路带宽作为组播带宽给当前的请求；反之，转步骤F；

F、分配一路临时带宽给当前请求，同时请求的终端缓存当前和T_start时间差最小的组播组节目。

4.如权利要求3所述的基于数字电视互动网络的带宽分配方法，其特征在于，所述参数指标Δt、δ根据系统的运行状态在线动态调整。

5.如权利要求4所述的基于数字电视互动网络的带宽分配方法，其特征在于，所述方法还包括：

在播放时间点赶上缓存点时，终端加入该组播组，系统回收临时带宽；如分配临时带宽时，系统已没有可用带宽则拒绝用户的请求。

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