CN104539985A - 一种机会网络视频分块及其传输调度方法 - Google Patents

一种机会网络视频分块及其传输调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机会网络视频分块及其传输调度方法，所述方法将要传输的视频大文件分割成体积相同的分块，并对每一个分块附加一个与之对应的标记字段保存分块编号、播放时长、文件ID等信息，所述分块与标记字段共同构成节点间传输的消息，给出了确定消息大小的方法，以便于高效利用网络中的机会通信能力。在网络通信环境恶劣的情况下，有限时间内，无法保证所有消息都能被目标节点完整接收，本发明提出一种基于分块紧缺度和缺块均匀度的消息调度算法，实现在分块接收不完全时，视频分块在时间轴上趋于均匀分布，帮助用户最大限度的了解视频概略内容，或者为是否继续耗时等待传输完成提供决策。

Description

一种机会网络视频分块及其传输调度方法
技术领域
本发明涉及无线网络领域，特别是机会网络中的视频数据分块及其传输调度方法。
背景技术
用户的多媒体移动终端产生的视频文件大小不一，在机会网络中，节点间通信环境恶劣，传输视频数据有着很大的不确定性。视频的大小往往由多个因素决定，如视频的清晰度或者分辨率、视频的录制时长、视频的编码、压缩方式等。当视频文件较大时，有限的通信时长和通信带宽很难保证视频在节点间的一次机会通信过程中完成，节点间的连接随时可能断开，如果在断开连接之前视频数据未能完全传送完毕，很可能导致已传的数据无法使用，使得节点间通信失败，已传数据被节点丢弃。为了解决这个问题，可将视频数据划分成体积相同、大小适当的多个数据分块，以分块为单位在机会网络节点间传输，经过一定的时延，当目的节点收到所有分块之后可按相应方法合并成完整视频，达成有效传输。
但在视频传播的实际应用中，由于网络的不可靠性，容易发生视频分块接收不完整的情况。当缺块数量较少时，少量、短暂的停顿和模糊往往也不会影响视频的正常播放及对视频内容的理解。但如果缺块较多，而限于网络环境又无法及时接收到比较齐备、完整的分块，就会对视频的播放、理解造成很大影响。如果用户对整个视频内容有较持续的关注度，或者用户对占据视频时长比例较大的内容有较高兴趣，则在缺块严重时，更希望能获得均匀分散在时间轴上的视频帧，通过一系列短时视频片段或者不连贯的帧图像来了解视频的概略内容或者摘要信息。面对这种应用需求，有必要在苛刻的网络环境下，采用基于分块紧缺度和缺块均匀度的分块调度方法来引导、调整数据分块的传输行为，有目的地干预数据分块，使其能在目的节点趋近均匀分布，帮助用户最大限度理解全程视频内容。
发明内容
针对上述部分问题，本发明提供了一种机会网络视频分块及其传输调度方法。
一种机会网络视频分块方法，所述方法对要传输的视频分成体积相同的分块，并对每一个分块附加一个与之对应的标记字段，所述标记字段中记录的信息能够使其对应的分块成为一个独立的可播放视频；所述分块与标记字段构成节点间传输的消息，所述消息的大小根据网络中节点的通信时长期望值和节点间的传输带宽来确定，所述消息的大小范围表达式为m＝α·ta·B，其中0＜α≤1，ta为机会网络中节点与节点间的通信时长期望，B为节点间通信带宽。
一种机会网络视频分块的调度方法，所述方法通过量化分块的紧缺程度，引导和调整源节点以及中间节点处分块的传输顺序，使目的节点接收的分块呈接近均匀分布。
本发明中的视频分块方法不仅能充分、有效利用节点间的通信机会进行数据传输，而且能够保证在目标节点接收分块不齐备时，也能将其合并成可播放的大视频文件。更重要的是，本发明中的视频分块调度方法以帮助用户理解视频内容为目标，在无法获得齐备分块集合时，能通过先期引导节点间的数据传输行为，在不太影响分块传输效率的基础上，使最终接收的分块在目的节点上总体分布尽可能均匀，让用户在无法获得完整视频数据的时候，能最大限度的了解视频内容。
附图说明
图1分块为8M、32M、128M在Epidemic路由算法下的递交时延仿真图；
图2分块为8M、32M、128M在Spray and Wait路由算法下的递交时延仿真图；
图3分块为8M、32M、128M在PRoPHET路由算法下的递交时延仿真图；
图4分块为8M、32M、128M在MaxProp路由算法下的递交时延仿真图；
图5视频数据为8M，仿真1500秒，在不同分块和不同路由算法下的递交率；
图6视频数据为32M，仿真5000秒，在不同分块和不同路由算法下的递交率；
图7视频数据为128M，仿真5000秒，在不同分块和不同路由算法下的递交率；
图8分块紧缺度示意图；
图9基于分块紧缺度的视频分块调度方法流程图；
图10不同节点中递交率对PSNR的影响；
图11不同调度方法对仿真时长和递交率的影响；
图12视频文件5MB，分块50KB，100个分块在不同递交率下的三种方法缺块均匀度示意图；
图13视频文件5MB，分块100KB，100个分块在不同递交率下的三种方法缺块均匀度示意图；
图14视频文件10MB，分块50KB，100个分块在不同递交率下的三种方法缺块均匀度示意图；
图15视频文件10MB，分块100KB，100个分块在不同递交率下的三种方法缺块均与度示意图；
图16节点稀疏对不同调度方法的影响-区域1000×1000；
图17节点稀疏对不同调度方法的影响-区域300×300；
图18顺序分块传输方法下的视频分块帧序列示意图；
图19随机分块传输方法下的视频分块帧序列示意图；
图20基于分块紧缺度分块传输方法下的视频分块帧序列示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，对要传输的视频采用了一种机会网络视频分块方法，所述方法对要传输的视频分成体积相同的分块，并对每一个分块附加一个与之对应的标记字段，所述标记字段中记录的信息能够使其对应的分块成为一个独立的可播放视频；所述分块与标记字段构成节点间传输的消息，所述消息的大小根据网络中节点的通信时长期望和节点间的传输带宽来确定，所述消息的大小范围表达式为：
m＝α·ta·B(1)
在式(1)中，0＜α≤1，ta为机会网络中节点与节点间的通信时长期望值，B为节点间通信带宽。α为介于0-1之间的调整系数，可通过仿真结果获得表现良好的经验值。
具体地，为了让数据分块在机会网络中传输，在标记信息字段中记录了大量相关信息，包括分块所在的视频文件的编号、数据分块的编号、源节点的编号、目标节点的编号、视频分块起止时间、失效时间、分块中数据的大小、总的分块个数、编解码或者压缩信息等，用于支持每个分块可独立播放。当分块数量较少时，分块体积相对较大，节点间通信断开时，总有最后一个未传完的分块中的数据通信被浪费，为了减少这部分浪费，尽可能有效利用通信机会，可以减小分块体积，而分块太小，又使分块数量增加，进而在全网中增加了大量标记信息，标记信息量过多又占据了数据的通信机会，降低了网络吞吐率，而且数据分块过小，在节点间数据分块的调度中，面临大量的运算，耗费节点能量和通信时间，又会降低分块传输效率。
假定标记字段大小为h，消息大小为m，则分块大小为m-h，平均一个数据块传输的吞吐率为：
ξ = B · m - h m = B · 1 1 + h m - h - - - ( 2 )
由(2)式可以看出，当分块大小m-h减小时，标记信息h在网络传播的消息中的数据量比例增加，使得网络吞吐率下降。
已知节点平均通信时长以及分布，可将该值作为上限设定消息大小，若消息大小等于平均通信时长与通信带宽乘积，则一半通信机会被浪费，当消息体积逐渐减小时，可以保证大部分通信机会都会被利用，但每个通信时长总存在时长介于[0，m/B)的通信时间被浪费，为了尽可能有效利用通信时长，减小消息体积，数据分块应尽可能小，而分块太小，又使分块数量增加，带来吞吐率的下降和计算量的增加。
优选的，通过实验仿真的方式确定α的值或范围。
在一个实施例中，设置通信半径R＝10m，速率v0＝1m/s，带宽128KB/s在上面仿真环境中开展实验，假定数据块100M，分块大小为10KB～10MB，通过图1～4可以看出不同分块分别在Epidemic路由算法、Spray and Wait路由算法、PRoPHET路由算法以及MaxProp路由算法下对递交延迟的影响，图5～7分别为文件大小为8M、32M和128M在Epidemic路由算法、Spray and Wait路由算法、PRoPHET路由算法以及MaxProp路由算法下的递交率。由图可以看出，在上述网络通信环境下，当式(1)中当0.16＜α＜0.33时，可将分块大小确定为256KB～512KB之间，能取得较好的传输效果。
确定了适当的消息大小取值范围之后，还需解决另一个有关视频压缩的问题，本发明面向的是视频数据，常见的视频生成过程都增加了压缩阶段，以MPEG压缩编码为例，对视频压缩时，把连续的若干帧划分为一个小组称为图片组(Group of pictures，GOP)，整个视频被划分成大小相等的多个GOP，表现为时间轴上的GOP多帧序列，为了简化模型、减少节点通信运算量，应以消息大小取值范围为依据，规定视频数据分块中应包含一个或者多个完整GOP。
优选的，所述分块包含一个或若干个图片组，所述图片组是指在MPEG-4压缩标准下从视频文件中析出的基本视频单元。
在一个具体实施例中，整个视频被分成大小相等的多个图片组。
为了能更好的确定分块中GOP的相关参数，在一个实施例中提供了确定分块中包含图片组的数量的计算步骤：
S101：首先通过分析要传输的视频的文件头和数据存储结构来计算所述图片组的个数和大小；
S102：根据所述分块的大小划定每个分块的图片组数量。
由于网络的不可靠性，当缺块数量较少时，少量、短暂的停顿和模糊往往也不会影响视频的正常播放及视频内容的理解。但如果缺块较多，而限于网络环境又无法及时接收到比较齐备、完整的分块，就会对视频的播放、理解造成影响。如果用户对整个视频内容有较持续的关注度，或者用户对占据视频时长比例较大的内容有较高兴趣，则在缺块严重时，更希望能获得均匀分散在时间轴上的视频帧，通过一系列视频片段或者不连贯的帧图像来了解视频的概略内容或者摘要信息面对这样的应用需求，有必要在苛刻的网络环境下，结合具体情形，通过算法来引导、调整数据分块的传输行为，有目的地干预数据分块调度，使其在目的节点呈接近均匀分布。
在一个实施例中提供了一种基于上述方法进行分块的视频分块调度方法，所述方法通过引导和调整源节点处分块的传输顺序，使目的节点接收的分块趋近均匀分布。使用这种调度方式，能够在有限的时间代价内，使目的节点尽可能多的接收到分块，同时，在接收不完整的情况下，也可以按照应用需求使接收到的分块在时间轴上合理分布。
在一个具体实施例中，对所述视频分块调度方法进行了进一步的细化，所述调度方法包含以下步骤：
S201：假定在机会网络中有A、B两节点移动，判断所述A、B两节点是否相互进入通信范围，如果是，则进入步骤S202；
S202：通过路由算法确定所述A、B两节点是否实现数据传输，如果产生数据传输，则所述A、B两节点交换各自的分块的存在向量表；
S203：经过对双方存在向量表的分析判断，如果在A、B两节点间存在可传输分块，则在A节点处计算B节点可接收分块的分块紧缺度；否则，暂时无有效通信，并进行周期检测；
S204：在A节点中，选择具有最大分块紧缺度的分块向B节点发送，发送成功后，更新A节点中所管理的所有分块存在向量表；
S205：在B节点中，接收A节点发送的分块；统计已有的分块集合，计算A节点中分块紧缺度序列，并选择具有最大分块紧缺度值的分块向A节点发送；更新B节点中所管理的分块存在向量表；
S206：返回S203；
所述分块紧缺度为每个缺失的分块在分块序列中周边缺块情况的描述，所述分块紧缺度的计算公式为：
U j = Σ x = j - L 2 j + L 2 ( f weight ( x - j + L 2 ) · ( 1 - Exist ( j ) ) ) - - - ( 3 )
其中，j∈(0，k-1)，1-Exist(j)函数表示为当前分块的存在状态取反，缺失分块值为1，已收到分块值为0；k为分块数量，L为当前缺块位置附近的长度，fweight为权值函数，其表达式为：
f weight ( x ) = x , 0 &le; x < L 2 L 2 , x = L 2 2 L - x , L x < x &le; L .
在步骤S204和步骤S205中选择紧缺度最大的分块时，如果有多个分块具有相同的最大紧缺度，则随机择一即可。
在一个具体的实施例中有视频分块如图8～9所示，在权值被设置为1，宽度设置为7的情况下，分块A、B、C的紧缺度分别为2、4、5，这表明分块C对视频内容的理解更有帮助，如果目前两节点间可以传送A、B、C三个分块，在连接随时可能中断的情况下，优先传送C分块。
在一个具体的实施例中，为使目的节点接收的分块趋近均匀分布，则步骤S204和步骤S205中选择分块紧缺度最大编号的分块进行传输。当视频分块的接收率较低时，往往希望能通过已经获得的、能在时间轴上趋于均匀分布的有限视频数据来表征尽可能多的视频内容，极端情况下，能帮助用户看到在时间轴上分布均匀的小视频片断或帧序列，而不是给用户呈现集中在某个短时区域内的连贯视频。
本说明书中每个实施例采用递进的方式描述，重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
为了评估本发明中所述方法的性能，使用机会网络仿真器(OpportunisticNetwork Environment Simulator，ONEs)建立模拟机会网络模型，配置不同的节点移动模型和路由算法，结合不同的分块调度方法开展实验，下面为仿真环境的参数配置：
场景面积：拟采用300m*300m与1000m*1000m两个场景，第一个场景可模拟一座教学楼、图书馆或者汽车站，第二个场景可模拟一所高校或者一个社区。
节点个数：为了在不同面积的场景中体现出节点的稀疏和密集，设置节点数量在100～3000个之间，默认为300个节点。
通信带宽：节点间的通信协议可为蓝牙、wifi等，其传输带宽范围可设定为125KBPS～32MBPS，默认值为512KBPS。
视频文件大小：机会网络传输的视频更多的情况下是一个视频片段，大多数情况下时间分布在2～20分钟之间，考虑到视频清晰度的影响，视频大小可设置为8-256MB之间，默认值64MB。
分块大小与个数：分块大小影响递交率和递交延时，设置范围在20KB～32MB可有效展示分块过大和过小时的传输特征，默认值1MB。
标记信息大小：视频在分块时，对每个分块都要增加一个标记信息字段，其中保存了视频文件名、分块个数、分块编号等各类必要信息，默认设置为16KB。
对比算法：顺序分块传输方法和随机分块传输方法。前者的主要思想是在顺序分块传输方法中，节点间数据的传输以分块编号的自然数列为次序进行，当编号较小的分块到达节点之后才开始传输编号较大的分块，当某个分块到达节点时，说明所有比它编号小的分块都已被当前节点接收。两个节点通信时，双方发送自身节点所有分块的最大编号，当两个最大编号不相同时，表明拥有较大编号的节点可以传送若干分块给另一节点。如果二者编号相同说明，两个节点所持有的数据分块完全相同，发生了无效通信，浪费了通信机会。后者的主要思想是当前节点与其他节点相遇时，二者首先交换保存有各自分块存在与否的存在向量，当前节点通过二者存在向量的逻辑计算，找到自身存在而对方不存在的分块集合，然后以均匀概率任意选择一个分块发送给对方，如果通信时间能保证完成至少一次分块传输，则在分块传输完成之后，两个节点立即更新各自的存在向量，当前节点由发送数据转为接收数据，两个节点相互交替传输自身存在而对方不存在的分块，直至，双方可传数据均传输完毕，或者通信中断发生。
仿真中的节点移动模型为随机漫步模型，即节点随机游走，模拟分子布朗运动的模型，是布朗运动的一种理想数学状态。
在仿真中配置的路由算法为洪泛路由(Epidemic)。
对接收视频后的播放效果使用视频质量评价指标PSNR来评估，如图10不同节点中递交率对PSNR的影响所示，图中，针对三个节点的消息接收情况，分别计算不同递交率对PSNR的影响，实验表明，尽管每个节点接收到的消息编号不尽相同，但只要递交率相同，则视频的质量几乎没有差异，印证了递交率是影响视频质量的唯一因素的论断。
仿真结果如图11～15所示，图中PESA为本发明提供的基于分块紧缺度的视频分块调度方法，而SEQ为顺序分块传输方法，RAN为随机分块传输方法。
图11为不同调度方法对递交率和递交延时的影响。由图可以看出，基于分块紧缺度的分块调度方法所用耗时虽然比SEQ方法少，但由于运算量增加，耗时还是比RAN方法多一些，但也只在小范围内浮动，并未对递交率产生过大的影响，而在这里增加的较小时间代价，却可以换来视频分块按照应用需求传递和实现均匀分布。而按照顺序方式实现分块调度总是效率最低、延迟最大的方法。由于不同的调度方法在节点间转发信息时耗费的节点资源不同，占用的运算时间不等，为了减小基于分块紧缺度的分块调度方法的运算量，有意减小了分块紧缺度计算中的宽度L等指标，在分块数量较大时也可采用重采样等方法缩减计算量。
图12～15为不同视频文件大小在不同分块大小时，三种算法效果示意图。通过考察节点的分块分布情况来评价视频分块接收后的播放质量。在仿真中用缺块均匀度来衡量节点的分块分布情况，所述缺块均匀度为分块序列中所有缺失分块的紧缺度的最大值。
从上述实验可以看出，当递交率较高或者较小时，不同的调度方法对分块分布的影响较小，即目标节点接收到的分块太少时，无法满足应用需求，既无法得知整部视频内容最简略的摘要信息，也无法获得短时连续视频；当目标节点接收的视频分块趋于完整时，既可以浏览到任意时刻的视频帧，也可以浏览任意视频片段的完整流畅视频，这两种情况下，缺块均匀度意义不大。只有当视频分块因网络环境恶劣而无法在有限时间内接收完整，如接受率20％-80％时，才有必要引导分块按照需求提供均匀分布的视频帧摘要信息。
图中详细给出了不同的视频大小及分块大小时的实验结果，可以看出，图12、14、15中不同的分块大小和分块个数对算法性能影响不大，PESA算法始终能保持良好的性能，使得已接收到的分块能呈较均匀方式分布。但图13中，三中算法差异不大，说明分块数量较少、分块体积较小时，节点间建立通信后，能在大多数情况下完成预期的分块传送，分块紧缺度的引导特征不明显，三个算法的缺块均匀度差异不大，也说明网络通信环境相对较好。
图16～17为节点稀疏紧密程度对不同的调度方法的影响，分别在1000m*1000m和300m*300m两种不同大小的移动区域中，均设置100个节点，使用随机游走移动模型，开展100个分块的传输仿真，由图示结果可以看出，节点的稀疏并未对调度带来本质影响，但稀疏的节点会减少通信机会，增加递交延时。
图18～20为使用不同的视频分块调度方法在目标节点达到50％递交率时所接收到的所有分块的第一个GOP中的第一帧序列，一共划分了100个视频分块，给出了100个视频帧内容。由图18可以看出，使用顺序调度方法能使已收到的分块连续分布在时间前段，后段分块全部缺失，用户无法获知视频全局信息。图19使用的是随机分块调度方法，消息传输中，随机选择分块传输，但受节点实际通信具体情况影响，使得目标节点接收到的分块不能很好地以比较均匀的方式分布在整个视频序列中。在视频序列的前三行和后两行还是出现了较为集中的缺块情形。图20是采用了PESA调度方法之后的分块帧序列，虽然受通信实际影响，也出现若干连续缺块情形，但总体上分块的传输受到算法中分块紧缺度指标的引导，使接收到的分块能以相对均匀的形式在帧序列中分布，也就是说，用户几乎在每个短暂的时间片都能接收到一定时长的视频内容，对视频全局内容有了更全面的了解。
以上对本发明所提供的一种机会网络视频分块及其传输调度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 (9)

1.一种机会网络视频分块及其传输调度方法，其特征在于，所述方法对要传输的视频分成体积相同的分块，并对每一个分块附加一个与之对应的标记字段，所述标记字段中记录的信息能够使其对应的分块成为一个独立的可播放视频；所述分块与标记字段构成节点间传输的消息，所述消息的大小根据网络中节点的通信时长期望值和节点间的传输带宽来确定，所述消息的大小范围表达式为m＝α·ta·B，其中0＜α≤1，ta为节点与节点间的通信时长的期望值，B为节点间通信带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述标记字段包括所述分块编号、播放时长、文件ID、分块大小、分块个数、编解码信息、所述分块在视频文件中的起止时间、失效时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分块包含一个或若干个图片组(Group of Pictures，GOP)，所述图片组是指在MPEG-4压缩标准下从视频文件中析出的基本视频单元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过实验仿真的方式确定α的取值范围。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分块中包含的图片组的数量的确定步骤：
S101：首先通过分析要传输的视频的文件头和数据存储结构来计算所述图片组的个数和大小；
S102：根据所述分块的大小划定每个分块的图片组数量。
6.一种采用权利要求1～5任一所述方法进行分块的视频传输调度方法，其特征在于，所述方法通过引导和调整源节点及中间节点处分块的传输顺序，使目的节点接收的分块趋于均匀分布。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调度方法包含以下步骤：
S201：假定在机会网络中任选A、B两个节点，判断所述A、B两节点在移动中是否相互进入通信范围，如果是，则进入步骤S202；
S202：通过路由算法确定所述A、B两节点是否实现数据传输，如果产生数据传输，则所述A、B两节点交换各自的分块的存在向量表；
S203：经过对双方存在向量表的分析判断，如果在A、B两节点间存在可传输分块，则在A节点处计算B节点可接收分块的分块紧缺度；否则，暂时无有效通信，并进行周期检测；
S204：在A节点中，选择具有最大分块紧缺度的分块向B节点发送，发送成功后，更新A节点中所管理的所有分块存在向量表；
S205：在B节点中，接收A节点发送的分块；统计已有的分块集合，计算A节点中分块紧缺度序列，并选择具有最大分块紧缺度的分块向A节点发送；更新B节点中所管理的分块存在向量表；
S206：返回S203；
所述分块紧缺度为每个缺失的分块在分块序列中周边缺块情况的描述。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分块紧缺度的计算公式为： U j = &Sigma; x = j - L 2 j + L 2 ( f weight ( x - j + L 2 ) &CenterDot; ( 1 - Exist ( i ) ) ) , 其中，j∈(0，k-1)，(1-Exist(j))函数表示当前分块的存在向量值取反，取反之后，缺失值为1，已收到值为0；k为分块数量，L为计算某个特定分块的紧缺度考察范围，即，对当前缺块位置附近考察范围长度的定义，fweight为权值函数，其表达式为：
f weight ( x ) = x , 0 &le; x < L 2 L 2 , x = L 2 2 L - x , L 2 < x &le; L .
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S204和步骤S205中选择具有最大分块紧缺度的分块时，如果有多个分块紧缺度相同的分块，则随机选择一个分块进行传输。
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