CN105898550B - 一种端到端对等视频协助传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种端到端对等视频协助传输方法，属于无线通信技术领域和视频处理技术领域。该方法包括：每个节点如果要加入或退出群组G′，则会通过UDP广播的方式通知其它节点；同一个群组G′中的每个DE通过蜂窝网络观看视频，均从负载低的节点的蜂窝网络下载视频数据，并通过Wi‑Fi网络，将该下载的视频数据转发给蜂窝网络负载高的节点；每个DE如果要观看一部视频，将观看视频的需求划分成一个个视频下载请求任务。当一个任务建立时，则要对属于该视频的多个视频片段文件进行下载，DE把这些下载请求，分发给同属一个群组的其它节点，让这些节点协助下载及转发。本发明可有效提高整体网络环境带宽的利用率，优化资源配置降低网络价格，并节省能耗。

Description

一种端到端对等视频协助传输的方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域和视频处理技术领域，特别涉及一种基于蜂窝网络和Wi-Fi网络组成的混合网络下，应用端到端对等协助传输方法，来实现视频传输的优化方法。
背景技术
随着无线局域网的普及和蜂窝移动网络带宽的提升，人们可以在智能手机等移动设备上观看越来越高清的视频。由于移动设备的使用十分便利，人们在移动设备上观看视频流量的增长速度超过了传统媒介。尽管蜂窝移动网络的带宽在增加，但人们对视频流量需求的增长更快，而且蜂窝移动网络的价格相对传统宽带网络来说很昂贵。为了满足人们观看视频的需求，如何架构更快和更便宜的无线网络成为研究热点。
目前智能手机等移动设备上，同时会配置着丰富的无线通信接口，包括Wi-Fi网络接口，蜂窝网络(Cellular)接口和蓝牙通信接口。因此物理距离相近的移动设备之间，可以很方便的建立无线网络彼此互联，形成端到端(D2D)局域网络。如果把小范围内可以建立无线连接的智能手机看成一个群组，很容易发现，这些移动设备的网络价格以及资源闲置状况差别很大，同时它们之间也会因为相同的网络请求而产生网络冗余。最新研究表明，移动设备之间如果建立D2D传输网络，则会更合理地分配资源、合并冗余以及节省开销，称为带宽聚合技术，当然缺点则是产生额外的协作开销。
传统的网络传输协议分为TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)，一个网络终端可以监听某个协议下的某个端口，从而获得其它终端所发送的数据包；它也可以从某个协议的某个端口，将自定义的数据包发送给另一个网络终端。但是TCP协议和UDP协议中，只有UDP协议具备广播的性质，即当它往某个端口进行广播时，任何其它监听这个端口的网络终端都可以收到它所广播的数据包。
由于网络通信协议的复杂，一般化的群组带宽聚合技术尚未成熟，但是在视频传输领域，已经可以应用带宽聚合技术。由于视频媒介设备分辨率的多样化，以及网络带宽分布差异，现在的视频传输都采用自适应码率传输协议。在视频服务器上，一个视频源会存放多个码率的版本，同时每个版本会切分成许多时长更小的视频片段文件。这些视频片段文件都有相应的时长，以及下载地址。播放器客户端根据自己的网络情况，去请求合适码率的片段文件。这样的一个请求过程，可以应用协助传输来实现。
协助传输的方法有多种。一种是基于蓝牙传输的方式：多台移动设备之间同时下载视频分片，然后通过蓝牙传输到一台设备；另一种是基于无线局域网内的UDP广播方式：移动设备通过蜂窝网络去请求视频片段，然后通过UDP广播给局域网内的其他设备。这些方法有一个共同的局限是需要一个仲裁的中心节点去调控其它节点，并且这些方法大多只适用于直播系统。且蜂窝网络吞吐率低，同时开销大。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种端到端对等视频协助传输方法，本方法可充分利用无线局域网络UDP广播特性，搭建了一个去中心化的群组系统；并采用可靠的TCP连接来传递信息和收发视频数据；应用了合理的对等协助机制，激励用户参与协作，提高了蜂窝网络吞吐率的同时也降低了开销。
本发明方法提出的一种端到端对等视频协助传输的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)设移动设备终端DE为所在的一个Wi-Fi网络下互联的群组G′中的一个节点，每个节点如果要加入或退出群组G′，则会通过UDP广播的方式通知其它节点；执行步骤(2)或步骤(3)；
(2)同一个群组G′中的每个DE通过蜂窝网络观看视频，均从负载低的节点的蜂窝网络下载视频数据，并通过Wi-Fi网络，将该下载的视频数据转发给蜂窝网络负载高的节点；
(3)每个DE如果要观看一部视频，将观看视频的需求划分成一个个视频下载请求任务。本步骤与步骤(2)并列进行。当一个任务建立时，则要对属于该视频的多个视频片段文件进行下载，DE把这些下载请求，分发给同属一个群组的其它节点，让这些节点协助下载及转发。
本发明的原理是：
在蜂窝网络和Wi-Fi网络组成的混合网络下，通过无线局域网连接的方式，将移动设备建立成D2D全连接的群组，其中任意一台移动设备都可以动态添加和移除，设备之间通过UDP广播的方式互相发现。彼此发现的设备会建立TCP连接，用于交换信息和转发数据。采用了对等协助机制来控制资源调度，将观看视频的需求细分成一个个视频文件分片请求的任务。当一个任务建立时，相应的下载节点会自动下载视频分片，然后建立TCP连接传输给相应的接收节点。
本发明的技术特点为：
本发明方法采用去中心化的D2D视频协助传输方法。通过Wi-Fi网络连接的方式，将移动设备组成D2D全连接的群组，群组可以动态添加和移除移动设备，设备之间通过UDP广播的方式互相发现。彼此发现的设备会建立TCP连接，用于交换信息和转发视频数据。将观看视频的需求划分成一个个视频下载请求任务。当一个任务建立时，相应的下载节点会自动下载视频分片，然后建立TCP连接上传给相应的接收节点。同时采用了对等协助机制来控制资源的调度，让带宽更高或者更便宜的节点承担更多上传任务。本发明与已有技术相比，体现的优势为：
本发明利用了UDP广播的特性实现了一个对等网络，该网络可以动态地添加和删除节点，并且节点可以互相发现；本发明同时还结合TCP实现消息传播和数据转发，提高系统的可靠性，在实际中更具有可操作性和拓展性。
本发明不限定播放的方式，不同的节点可以观看不同的视频。本发明更关心在一般化的场景下，网络带宽资源的合理分配。
本发明利用蜂窝网络和Wi-Fi网络结合的方式，实现了比原来单一蜂窝网络网络吞吐率更高的视频协助传输系统。采用了对等协助机制来控制资源调度，可以有效提高整体网络环境带宽的利用率，优化资源配置降低网络价格，也能给用户带来更好的视频体验。
附图说明
图1是本发明端到端对等视频协助传输的方法流程示意图。
具体实施方式
本发明提出一种端到端对等视频协助传输的方法，在蜂窝网络和Wi-Fi网络的混合网络基础上，采用对等的激励机制来整合各移动设备的带宽资源。下面将结合附图作进一步的详细描述：
本发明提出一种端到端对等视频协助传输的方法流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)设移动设备终端DE为所在的一个Wi-Fi网络下互联的群组G′中的一个节点，每个节点如果要加入或退出群组G′，则会通过UDP广播的方式通知其它节点；执行步骤(2)或步骤(3)；
具体实现步骤为：
(1-1)每个DE，都设有一个初始化为空的列表G，DE实时监听Wi-Fi网络的UDP端口Portdis的数据包，每收到一个数据包，先检测该数据包的IP地址(不同的IP地址表示来自不同的节点)，相应节点为DE′，再检测该数据包头部，如果该数据包头部标记为Mjoin，(表示“加入”的特征值，是一个整数，本实施例取值为1)，则把该节点DE′添加到节点DE的列表G中，同时记录节点DE′加入的时刻Tup(表示时间值，精确到毫秒)的时间值，如果标记为Mleave(表示“离开”的特征值，是一个整数，本实施例取值为2)，则把节点DE′从列表G中删除，无需记录删除时间；
(1-2)每个DE加入G′后，每隔时段Tdis(本实施例取值100～300毫秒)，通过Wi-Fi网络的UDP端口Portdis，给其它节点广播数据包头部标记为Mjoin(表示加入)；的数据包；
(1-3)每个DE每隔时间为Tdto(本实施例取值为600～1200毫秒)的时间间隔，检查G内所有节点加入时刻的时间值Tup，如果该时间值比当前时刻要早于上一阶段扫描时间间隔Tdis的α倍则删除该节点，α∈[4,6]。；
(1-4)当DE要离开G′时，DE通过Wi-Fi网络的UDP端口Portdis，给其它节点广播数据包，数据包头部的标记为Mleave(表示离开)；
(2)同一个群组G′中的每个DE通过蜂窝网络观看视频(不同的节点的蜂窝网络负载也不一样)，均从负载低的节点的蜂窝网络下载视频数据，并通过Wi-Fi网络，将该下载的视频数据转发给蜂窝网络负载高的节点；具体实现为：
(2-1)同一个群组G′中，当节点DE的蜂窝网络负载低于设定值(本实施例取值为的20％～40％)时，则该节点DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portreq，给G中的其它所有节点发送数据包(定义蜂窝网络负载为：当前蜂窝网络的使用带宽vused除以蜂窝网络总带宽vA,即该数据包内容包括：数据包头部标记为Midle(表示“有闲置的网络带宽资源”的特征值，是一个整数，本实施例取值为3)，可用于协助其它节点下载视频的网络带宽可用于协助其它节点下载视频的时长K(本实施例取值为5～10秒),以及下载开销系数pLTE(本实施例取值为0.1～0.5)，eLTE(本实施例取值为0.02～0.04)，eWIFI(本实施例取值为0.01～0.02)，转步骤(2-2)；否则，当过了时间Tidle(本实施例取值为400～600毫秒)后，执行步骤(2-3)；
(2-2)节点DE实时监听Wi-Fi网络的TCP端口Portres，每收到来自节点DEi的一个数据包，检测该数据包头部标记，如果为Mreq(表示“有需求到来”的特征值，是一个整数，本实施例取值为4)，跳转到(2-2-1),如果为Mtask(表示“有任务到来”的特征值，是一个整数，本实施例取值为5)跳转到(2-2-2)；
(2-2-1)按照设定格式读取该数据包，该格式包含一个整数数值K(可用于协助下载视频片段的总的时长)和一个向量 的含义是当DE协助DEi下载视频的时长为k时的收益(表示DEi的收益值，为实数，该数值越高，收益越大，本实施例取值范围为-1.0～1.0)，如果读取Φi成功，则把相应的DEi和Φi存储起来；如果读取Φi错误，则不存储；转步骤(2-3)；
(2-2-2)按照另一种格式去读取该数据包，该格式只包含一个视频片段文件的下载地址，如果读取地址成功，DE将通过蜂窝网络从该地址下载相应的视频片段，然后转发给DEi；如果读取失败，则不处理；
(2-3)节点DE对每个存储的Φi按以下公式进行计算得到相应的向量Si：
设DE协助DEi下载视频的时长为ki,则∑ki＝K,且最大，解出这个最优化问题得到ki；然后DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portreq，给相应的DEi发送数据包，该数据包内容包括：头部标记为Malloc(表示“分配好时间”的特征值，是一个整数，本实施例取值为6),以及分配给DEi的时长ki。；
(3)(本步骤与步骤(2)并列进行)每个DE如果要观看一部视频，将观看视频的需求划分成一个个视频下载请求任务。当一个任务建立时，则要对属于该视频的多个视频片段文件进行下载，DE把这些下载请求，分发给同属一个群组的其它节点，让这些节点协助下载及转发，具体步骤如下：
(3-1)实时监听Wi-Fi网络的TCP端口Portreq,每收到来自节点DEi的一个数据包，检测该数据包头部，如果为Midle则跳转到(3-2)；如果为Malloc则跳转到(3-3)
(3-2)按照特定格式读取该数据包，该格式顺序包含：一个实数、一个整数和3个实数，分别为DEi的参数vcur，K，pLTE,eLTE,eWIFI，如果读取成功，则执行步骤(3-2-1)，否则不执行；
(3-2-1)记当前要下载的视频片段文件的时长为β，可选择的视频码率集合其中每个rj(1≤j≤m)都代表一个自适应码率传输协议中的可选码率。记DE的视频体验评估系数为kQoE(本实施例取值为0.1～0.3)和kDIF(本实施例取值为0.1～0.3),DE最近播放的视频片段的码率为RPRE，DEi协助DE下载视频的时长为k，所选码率为定义DE播放视频的获益函数f(r,k)：
(3-2-2)定义DEi下载视频的开销函数c(r,k)：
(3-2-3)计算向量R，其中要满足：
(3-2-4)计算向量Φi，其中
(3-2-5)DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portres，给DEi发送消息，数据包内容包括：数据包头部标记Mreq，向量Φi；
(3-3)按照设定格式读取该数据包，该格式包含一个整数，表示DEi分配给DE的协助下载视频时长k。如果读取成功，则执行以下步骤：
(3-3-1)计算向量R，其中要满足：
(3-3-2)由读取到的k和获得应该选择的码率从自适应码率传输协议中，得到相应的视频片段文件的下载地址。DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portres，给DEi发送消息，数据包内容包括：数据包头部标记Mtask、相应的视频片段文件的下载地址。

Claims (3)

1.一种端到端对等视频协助传输的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)设移动设备终端DE为所在的一个Wi-Fi网络下互联的群组G′中的一个节点，每个节点如果要加入或退出群组G′，则会通过UDP广播的方式通知其它节点；执行步骤(2)或步骤(3)；
(2)同一个群组G′中的每个DE通过蜂窝网络观看视频，均从负载低的节点的蜂窝网络下载视频数据，并通过Wi-Fi网络，将该下载的视频数据转发给蜂窝网络负载高的节点；
(3)每个DE如果要观看一部视频，将观看视频的需求划分成一个个视频下载请求任务；本步骤与步骤(2)并列进行；当一个任务建立时，则要对属于该视频的多个视频片段文件进行下载，DE把这些下载请求，分发给同属一个群组的其它节点，让这些节点协助下载及转发；
所述步骤(1)具体实现步骤为：
(1-1)每个DE，都设有一个初始化为空的列表G，DE实时监听Wi-Fi网络的UDP端口Portdis的数据包，每收到一个数据包，先检测该数据包的IP地址，相应节点为DE′，再检测该数据包头部，如果该数据包头部标记为Mjoin，则把该节点DE′添加到节点DE的列表G中，同时记录节点DE′加入的时刻Tup的时间值，如果标记为Mleave，则把节点DE′从列表G中删除，无需记录删除时间；
(1-2)每个DE加入G′后，每隔时段Tdis，通过Wi-Fi网络的UDP端口Portdis，给其它节点广播数据包头部标记为Mjoin的数据包；
(1-3)每个DE每隔时间为Tdto的时间间隔，检查G内所有节点加入时刻的时间值Tup，如果该时间值比当前时刻要早于上一阶段扫描时间间隔Tdis的α倍则删除该节点，α∈[4，6]；
(1-4)当DE要离开G′时，DE通过Wi-Fi网络的UDP端口Portdis，给其它节点广播数据包，数据包头部的标记为Mleave。
2.如权利要求1所述端到端对等视频协助传输的方法，其特征在于，步骤(2)具体实现为：
(2-1)同一个群组G′中，当节点DE的蜂窝网络负载低于设定值时，则该节点DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portreq，给G中的其它所有节点发送数据包；该数据包内容包括：数据包头部标记为Midle，用于协助其它节点下载视频的网络带宽用于协助其它节点下载视频的时长K，以及下载开销系数pLTE，eLTE，eWIFI，转步骤(2-2)；否则，当过了时间Tidle后，执行步骤(2-3)，vA是蜂窝网络总带宽；
(2-2)节点DE实时监听Wi-Fi网络的TCP端口Portres，每收到来自节点DEi的一个数据包，检测该数据包头部标记，如果为Mreq，跳转到(2-2-1)，如果为Mtask，跳转到(2-2-2)；
(2-2-1)按照设定格式读取该数据包，该格式包含一个整数数值K和一个向量 的含义是当DE协助DEi下载视频的时长为k时的收益，如果读取Φi成功，则把相应的DEi和Φi存储起来；如果读取Φi错误，则不存储；转步骤(2-3)；
(2-2-2)按照另一种格式去读取该数据包，该格式只包含一个视频片段文件的下载地址，如果读取地址成功，DE将通过蜂窝网络从该地址下载相应的视频片段，然后转发给DEi；如果读取失败，则不处理；
(2-3)节点DE对每个存储的Φi按以下公式进行计算得到相应的向量Si：
设DE协助DEi下载视频的时长为ki，则∑ki＝K，且最大，解出这个最优化问题得到ki；然后DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portreq，给相应的DEi发送数据包，该数据包内容包括：头部标记为Malloc，以及分配给DEi的时长ki。
3.如权利要求1所述端到端对等视频协助传输的方法，其特征在于，步骤(3)具体步骤如下：
(3-1)实时监听Wi-Fi网络的TCP端口Portreq，每收到来自节点DEi的一个数据包，检测该数据包头部，如果为Midle则跳转到(3-2)；如果为Malloc则跳转到(3-3)；
(3-2)按照特定格式读取该数据包，该格式顺序包含：一个实数、一个整数和3个实数，分别为DEi的参数vcur，K，pLTE，eLTE，eWIFI，如果读取成功，则执行步骤(3-2-1)，否则不执行；
(3-2-1)记当前要下载的视频片段文件的时长为β，可选择的视频码率集合其中每个rj，1≤j≤m，都代表一个自适应码率传输协议中的可选码率；记DE的视频体验评估系数为kQoE和kDIF，DE最近播放的视频片段的码率为RPRE，DEi协助DE下载视频的时长为k，所选码率为r，定义DE播放视频的获益函数f(r，k)：
(3-2-2)定义DEi下载视频的开销函数c(r，k)：
(3-2-3)计算向量R，其中要满足：
(3-2-4)计算向量Φi，其中：
(3-2-5)DE通过Wi-Fi网络的TCP端口portres，给DEi发送消息，数据包内容包括：数据包头部标记Mreq，向量Φi；
(3-3)按照设定格式读取该数据包，该格式包含一个整数，表示DEi分配给DE的协助下载视频时长k；如果读取成功，则执行以下步骤：
(3-3-1)计算向量R，其中要满足：
(3-3-2)由读取到的k和获得应该选择的码率从自适应码率传输协议中，得到相应的视频片段文件的下载地址；DE通过Wi-Fi网络的TCP端口Portres，给DEi发送消息，数据包内容包括：数据包头部标记Mtask、相应的视频片段文件的下载地址。
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