CN106028057A

CN106028057A - 一种移动ccn中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存方法

Info

Publication number: CN106028057A
Application number: CN201610293496.5A
Authority: CN
Inventors: 许长桥; 关建峰; 卫怡然; 王目
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2016-05-05
Filing date: 2016-05-05
Publication date: 2016-10-12

Abstract

本发明公开了一种移动CCN中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存算法。所述算法包括：一种计算分层缓存势能的方法，评估缓存一个SVC分层内容的数据包的优先级；缓存信息表CPVT记录缓存决策相关信息，节点间协作维护并更新；在接收到上一跳节点广播的数据包后，根据CPVT的信息计算各个数据包的分层缓存势能，如果高于制定阀值就缓存，否则丢弃。本发明可用于移动CCN的自适应流媒体服务的缓存操作，在广播范围内主动缓存高SVC分层缓存势能的数据包，使得移动用户可以就近获取能保证流畅播放的SVC分层内容，提高移动用户观看视频的体验质量。

Description

一种移动CCN中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别涉及一种移动CCN中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存方法。

背景技术

随着移动互联网的迅速发展，在移动设备如智能手机上观看网络视频已经成为人们日常生活的重要组成部分。而传统固定码率的流媒体传输技术很大程度上限制了大规模移动流媒体分发效率。为此，基于HTTP的动态自适应流(DASH，Dynamic AdaptiveStreaming over HTTP)技术成为拥有长足发展潜力的多媒体流传输方案。DASH对同一内容进行多次编码，产生具有不同码率的多个视频流以供用户根据带宽与缓存情况自适应选择。然而，这种多次编码会显著增加视频服务器负担与网络负载，降低数据的利用率。因此，为了提供高效流媒体内容存储与缓存，需要引入可伸缩视频编码(SVC，Scalable VideoCoding)将内容编码为可重复利用的基础层与自适应选择的增强层。

内容中心网络(Content-Centric Network，CCN)作为一种新型的网络体系结构，利用资源的名称路由，与传统IP网络端到端的通信模式相比更适用于流媒体服务。此外CCN网络基于名字的路由方式不需要事先建立连接，与数据缓存特性结合，进一步增强了对移动流媒体服务的支持。

缓存方法是CCN结构的关键部分，影响着用户获取所需资源的效率。移动CCN的缺省缓存策略是在一跳广播范围内的节点都收到数据包，除了PIT有记录该数据包的节点外，其他收到包的节点全部缓存或者全部丢弃所收到的数据包。这种缓存策略效率十分低下。除此以外，现有的基于固定网络的缓存方法都不适应于移动CCN上的自适应流媒体服务，原因如下：首先，现有缓存方法没有考虑同一内容的不同码率这种情况，与DASH技术的特征不符；其次，同一内容的不同SVC分层数据包在移动环境下为了提高分发效率，没有考虑分层的传输优先度，基础层的数据包与低质量的增强层数据包应该比提供高质量的增强层数据包在高度动态的移动网络具有更高的传输优先度。

针对以上问题，本发明提供了一种移动CCN中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存方法，针对自适应流媒体在移动CCN环境的特征，提出了内容缓存势能的衡量方法，对不同SVC分层数据包的内容缓存势能进行加权,邻居节点收到广播数据包后根据这种SVC分层缓存势能判断缓存或者丢弃数据包，达到提升内容分发效率，提高视频用户体验质量的目的。

发明内容

为了达到在移动设备上流畅的观看视频的目的，本发明提供了一种移动CCN中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存方法。

所述技术方案如下：

一种移动CCN环境下的针对可伸缩编码的自适应流媒体服务的缓存方法，包括以下步骤：

步骤1：分层缓存势能衡量；CCN的缓存功能使得自适应流媒体服务的用户可以相对更快地获取所需资源，从而提升用户体验质量。节点收到数据包后，根据数据包所携带内容的码率，所处SVC层级与邻居节点间距离等因素，定义了缓存数据包的优先级。

进一步地，步骤1：计算分层缓存势能的具体过程为：

步骤1-1：计算码率影响的内容缓存势能

节点缓存的内容对另一发出请求的节点具有内容缓存势能，即可以满足兴趣包请求的概率。该势能与缓存内容的码率、缓存内容的节点与发出请求的节点间距离密切相关，具体表示为：

C P (c_{k}) = \{\begin{matrix} - G \frac{α \ln \frac{r_{i}}{r_{j}}}{d_{i j}}, r_{i} < r_{j} \\ - G \frac{α}{d_{i j}}, r_{i} &GreaterEqual; r_{j} \end{matrix} - - - (1)

如果节点i缓存内容c_k的码率r_i高于节点j请求该内容的码率r_j，内容缓存节点i有能力返回所有被请求的SVC分层内容。另一方面，如果内容缓存节点i与内容请求节点j间距d_ij近，内容请求可以较快得到回复。据此定义的内容缓存势能与缓存内容与请求内容的码率比成正比，与内容缓存节点与内容请求节点间距离成反比。

步骤1-2：加权SVC视频分层

根据分层SVC可伸缩编码标准，将视频编码为一个基本层和多个增强层，其中基本层的视频包含了保证播放所需要的信息，增强层包含可以提高播放质量的信息。因此，不同SVC分层的数据包对视频播放有不同的权重，保证流畅播放的基本层权重大，增强播放质量的增强层权重低，据此可以将内容缓存势能细化为SVC分层级别的内容缓存势能。

建立一个SVC分层权重的模型。SVC基本层可以保证最基本视频质量的流畅播放，所以权重最大。越高层次的增强层，提供更高质量的视频播放，只有在网络链路情况最好的时候才会被请求，因此拥有越低的权重，具体表示为：

w_{l a y e r} = e^{- \frac{c_{l a y e r} + β}{c_{m a x}}} - - - (2)

数据包的分层权重与所表示内容的SVC层c_layer与该内容在系统中最高质量的增强层c_max的比负相关。

步骤1-3：计算分层缓存势能

内容缓存势能描述了缓存内容满足来自其他节点的请求的可能性。具体到缓存内容的数据包，其仅仅包含了一个或部分SVC层的数据，分层缓存势能定义为：

CP(c_k,layer)＝CP(c_k)·w_layer (3)

数据包的分层缓存势能等于该内容的内容缓存势能CP与分层权重w_layer的乘积。

步骤2：协作感知缓存内容的信息；内容缓存信息表CPVT记录了5个相关特征，即请求内容，内容缓存势能，请求码率，相隔距离和具有相似请求的邻居节点集。邻居节点间通过beacon message交互CPVT信息，更新本地内容缓存信息表。这样每个节点可以感知邻居节点的相关信息，协作决策缓存数据包。

步骤3：移动CCN节点缓存；移动CCN在节点间通过广播形式传输兴趣包与数据包。因此，在数据包根据PIT沿路返回的过程中，每一跳节点的所有在广播范围内的邻居节点都可以在不需要额外无线信道开销的前提下接收到数据包。利用这种移动CCN的广播模式，不在PIT返回路径的邻居节点主动缓存SVC分层级别的内容缓存势能高的SVC分层内容。

上一跳节点以广播的方式传输SVC分层的内容数据包，PIT记录的节点收到数据包并根据PIT进行下一跳转发。PIT记录的节点与其余在广播范围内的邻居节点查询本地内容缓存信息表，计算收到的内容数据包的分层缓存势能，如果大于一个阀值，就主动缓存该数据包。这样在不增加额外开销的前提下，数据包可以主动在邻居节点间扩散。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的一个实施例实现内容缓存的流程图

图2示出了本发明设计的一个应用场景示意图；

图3示出了CCN对SVC分层内容的兴趣包与数据包对应关系；

图4示出了本发明设计的内容缓存信息表结构；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。图1描述了本发明实现内容缓存的流程图。图2显示了移动CCN网络中的一个应用场景示意图。

具体步骤如下：

步骤1，参见图3，移动节点代表的用户发出兴趣包，请求DASH技术选择的码率的内容，期待获得所对应的SVC基本层与增强层数据包。

步骤2，移动节点通过公式(1)计算所缓存内容对其他有相似播放视频请求的节点的内容缓存势能CP。

步骤3，参见图4，移动节点需要维护内容缓存信息表CPVT(Content PotentialValue Table)。此表的每个条目包括五部分，分别是视频内容c_k、c_k内容的最高码率b_j、c_k内容缓存势能CP、与缓存c_k的节点间距离b_ij和该节点的邻居集FriendSet。邻居节点间通过beacon message交互各自的CPVT信息，实时更新各自的CPVT。

步骤4，上一跳节点根据PIT以广播形式返回一个数据包，所有在上一跳节点广播范围内的移动节点都收到该数据包。由于数据包承载的是包含SVC一个分层的数据内容，需要计算分层缓存势能以供决策。每个收到该包的节点通过查询CPVT，获取接收到数据包代表内容c_k的内容缓存势能CP(c_k)。根据内容c_k的最高码率b_j与数据包代表的SVC分层，利用公式(2)计算SVC分层权重w_layer。根据公式(3)，结合内容缓存势能与SVC分层权重，计算分层缓存势能CP(c_k,layer)。

步骤5，收到数据包的节点根据分层缓存势能的计算值进行缓存决策。如果该数据包的分层缓存势能大于一个规定阀值就缓存该数据包，否则就抛弃。

步骤6，PIT返回路径上的节点根据同样的方法判断是否缓存数据包。此外，该返回路径上节点根据PIT的记录原路返回数据包，即通过记录的下一个interface广播该数据包。

算法1中列出了该流程的伪代码。

通过上述步骤，对移动CCN网络中一跳传播自适应流媒体内容数据包的缓存情况作了本发明设计之应用举例。移动CCN网络每一跳都运行该缓存方法来管理内容缓存。该方法考虑了内容码率与SVC分层内容的权重，结合CCN无线传输的广播特性，使得用户可以就近获取所需资源，提高用户体验质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种移动CCN中可伸缩编码的自适应流媒体内容的缓存方法，其特征在于，所述方法包括：

建立一种衡量SVC分层缓存势能的算法，功能在于评估节点缓存的SVC分层数据包的优先级；

建立一种节点间协作感知缓存内容信息的方法，将缓存决策需要依据的相关信息记录在缓存内容表CPVT中，移动节点通过beacon message交互信息，更新本地CPVT。

建立一种移动CCN的自适应流媒体缓存算法，节点根据本地CPVT所记录的信息计算数据包的内容分层缓存势能并进行缓存决策，如果高于阀值就缓存，否则丢弃。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：

分层缓存势能的计算包括两部分：1)内容的缓存势能；2)SVC分片加权。内容的缓存势能考虑了DASH提供的码率，包括缓存内容与请求内容的码率，同时结合缓存内容节点与发出内容请求节点间的距离，可以表示为：

C P (c_{k}) = \{\begin{matrix} | - G \frac{α \ln \frac{r_{i}}{r_{j}}}{d_{i j}} |, r_{i} < r_{j} \\ | - G \frac{α}{d_{i j}} |, r_{i} &GreaterEqual; r_{j} \end{matrix}

节点i缓存内容c_k的码率r_i高于或等于节点j请求该内容的码率r_j，内容缓存节点有能力返回所有被请求的SVC分层内容。假如节点i缓存内容c_k的码率r_i小于节点j请求该内容的码率r_j，节点i只能提供基本层与部分满足节点j需要的增强层内容。另一方面，如果内容缓存节点i与内容请求节点j间距d_ij近，内容请求可以较快得到回复，内容缓存势能与间距成反比。

计算SVC分层权重可以表示为：

w_{l a y e r} = e^{- \frac{c_{l a y e r} + β}{c_{\max}}};

计算数据包分层缓存势能等于数据包代表内容的内容缓存势能和数据包所代表的SVC分层数据的权重的乘积，可以表示为：

CP(c_k,layer)＝CP(c_k)·w_layer

该分层缓存势能可以评估数据包在SVC分层层面上的缓存意义。

3.如权利要求1-2所述方法，其特征在于：

移动节点内容缓存信息表CPVT至少包括：视频内容c_k、c_k内容的最高码率b_j、c_k内容缓存势能CP(c_k)、与缓存c_k的节点间距离b_ij和该节点的邻居集FriendSet。邻居集内部的移动节点通过beacon message交互CPVT信息，协作更新及维护本地CPVT。

4.如权利要求1-5所述方法，其特征在于：

提取CPVT中内容最高码率与内容的内容缓存势能，计算收到数据包的分层缓存势能CP(c_k,layer)；移动节点收到上一跳节点广播数据包，计算分层缓存势能并与设定阀值比较，高于阀值则缓存该数据包，低于阀值抛弃。