CN108737861A - 一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法。传统的直播方式中服务器等价地看待各视频直播发送终端，导致服务端导播台接收到的所有发送终端的画面数据都有不同程度的超时，甚至丢包，影响整体直播质量。本发明在汇聚服务器获取直播终端的预设码率信息、丢包信息、解码优先级信息，并根据上述信息进行计算，判断当前网络状态，预测拥塞趋势。在上行网络带宽不足造成的拥塞，且多个4G视频多路径移动直播终端处于同一区域时，根据各台设备的解码优先级标识以及视频画面的播出质量，实时对各台直播终端的发送码率进行联合调整，降低普通优先级直播设备的画面质量，保障高优先级直播设备的画面质量。

Description

一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法。

背景技术

随着移动通信第四代(4G)技术的不断成熟和第五代(5G)技术的迅猛发展，越来越多的媒体使用商用4G网络作为其载体，承载其视频直播业务。由于4G网络分布广、覆盖全、灵活性高的特点，基于4G网络的视频直播技术可以不受距离和地形的限制，为媒体提供更全面、更高机动性的直播视角。此外，随着多模终端的增多，处理能力的增强，多路径并行传输技术(CMT)开始被广泛的投入使用。CMT技术支持多种网络并行接入，利用多个网络接口和多条路径并行地传输数据，从而获得较大的聚合吞吐量，提高传输效率。而多路径并发传输技术与4G网络视频直播技术的结合，也极大的缓解了数据高并发带来的带宽瓶颈问题以及基站切换的问题，提高了视频移动直播中的画面的流畅性和可靠性。

由于实时性、高画质的特点，视频直播业务对网络传输的时延、带宽、稳定性等都有较高的要求。在对大型活动进行视频直播过程中，由于活动现场往往人员密集，多个视频直播终端在相同基站覆盖范围下同时工作，网络负载较高，易导致拥塞情况的发生。

在带宽资源有限的多设备传输环境下，传统的直播方式中服务器等价地看待各视频直播发送终端，从而导致服务端导播台接收到的所有发送终端的画面数据都有不同程度的超时甚至丢包，影响整体直播质量。而实际上，导播台多个备选画面中，正在使用或即将使用的只有某一个或某几个画面，即某一路或某几路直播发送终端传送的信号。因此，均等的直播资源分配方式，将有限的传输资源大量分配给了此时并不被主用的备用画面。当前正在主用的设备画面并没有通过较优质的网络链路以及更充足的带宽资源进行传输，从而得到较高传输质量保障。

因此，如何更好在带宽资源受限环境下针对视频直播业务进行资源的优化配置具有重要意义。本发明在网络拥塞无法避免的情况下，通过感知优先级的方式，保障主用设备的视频画面以高码率直播，其他设备以低码率直播，根据需求对有限的网络带宽资源进行优化配置。

发明内容

本发明的目的就是提供一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法。

在上行网络带宽不足造成的拥塞情况下，多个4G视频多路径移动直播终端处于同一区域时，服务器获取解码器反馈回的信号，本发明方法首先获取导播台主用画面信号的情况，设置各台设备的解码优先级标识s＝(s₁,s₂,...,s_N)；服务器根据当前传输的视频画面的解码优先级，对各个直播终端的发送码率进行耦合的调整，并调整多路径传输过程中各个子流上发送数据包数目的比例，保障高优先级直播设备的画面质量，牺牲普通优先级直播设备的画面质量，实现对有限的网络带宽资源进行优化配置。具体步骤是：

步骤1.汇聚服务器获取配置信息，读取N套4G视频直播终端对应码率，设置码率向量r_default＝(r₁,r₂,...,r_N)，其中r_i表示设备i的码率，r_i ^j为设备i子流j上的发送码率；

步骤2.汇聚服务器获取发送终端丢包信息，生成设备丢包率向量l＝(l₁,l₂,...,l_N)，l_i表示根据设备i各条子流的计算的总丢包率；

为设备i的子流j上的丢包率；

步骤3.汇聚服务器接收解码器反馈的信号，获取导播台主用画面信号的情况，设置各台设备的解码优先级标识s＝(s₁,s₂,...,s_N)，其中s_i表示设备i的画面使用情况，且

步骤4.计算N套直播终端丢包率的总和并与设置的丢包判决门限lossRateThreshold比较：

若π_L≥lossRateThreshold，表示处于拥塞状态，进入步骤5，检测高优先级画面质量是否能够保证；

若π_L＜lossRateThreshold，表示处于正常状态，进入步骤6，检测是否具有拥塞的趋势；

步骤5.计算高优先级画面质量：

若l·s＞0，表示高优先级的直播设备画面质量无法保证，进入步骤7；

若l·s＝0，表示高优先级的直播设备画面无损失，进入步骤6；

步骤6.检测网络拥塞趋势：

在服务端允许的最大时延delayMax范围内，设置时延门限delayThreshold，并与数据包从发送到被服务端正确接收的时延delay比较：

a.若delay≤delayThreshold，表示数据包无需经过重传，能迅速到达服务端，网络状况良好；

b.若delayThreshold≤delay≤delayMax，表示数据包能在最大时延范围内到达服务器，满足直播要求，但是可能需要经过大量重传，网络有拥塞趋势；

c.若delay≥delayMax，表示数据包到达服务器超时，无法达到直播要求；

计算一个周期内，满足delayThreshold≤delay≤delayMax的数据包占所有数据包的比例γ，设置一个容忍门限γ_threshold：

d.若γ＞γ_threshold，表示大量重传数据包的比例超过容忍门限，网络有拥塞的趋势，进入步骤7；

e.若γ≤γ_threshold，表示重传数据包的比例在容忍门限内，网络拥塞有缓解的趋势，尝试使用预设的设备码率r_default，r'＝r_default，进入步骤9；

步骤7.通过设备i子流j上的发送码率r_i ^j和丢包率计算网络子流j上的总可用带宽和子流j所占单宽比例ratio^j；

其中bandwidth_available为所有网络子流上的总可用带宽，

netlink指传输网络；

步骤8.根据解码优先级标识，保障高优先级设备带宽，调整各发送终端的码率r_i'，重新计算分配资源，得到调整后的码率向量r'＝(r₁′,r₂′,...,r_N′)；

计算保障主用画面直播终端后的剩余带宽bandwidth_remained，统计主用画面直播终端数目sum_priority：

步骤9.将调整后的码率r_i'以及各传输网络可用带宽比ratio^j发送给4G视频直播终端，调整终端总发送码率以及各子流j的发送速率r_i ^j'：

r_i ^j'＝r_i'×ratio^j；

步骤10.进入步骤2，重复执行，直至传输完成。

本发明方法与传统的视频直播方法相比，其优点体现在：

传统的直播方法中，服务器等价的看待各视频直播发送终端。在人员密集的小区域直播环境中，网络拥塞无法避免。在这种拥塞的环境下，所有设备均以保障自身传输为目标，在有限的带宽资源下竞争式的传输。因此，服务端接收到的所有4G视频直播终端传回的画面数据都有不同程度的超时甚至丢包，影响整体的直播质量。而事实上，导播台多个备选画面中，实际正在使用或即将使用的只有某一个或某几个画面。4G视频直播设备竞争式的带宽抢占方式，和服务器均等的码率设置方式，将有限的资源大量分配给了此时并不被使用的备用画面；

而本方法在拥塞无法避免的情况下，通过对画面使用情况的判断设置优先级，保障当前正在使用的或优先保障的设备画面数据以高码率传输，其他设备暂时降低码率，让出网络资源以缓解设备间竞争带来的拥塞。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法，如图1所示。

以4台4G视频直播设备向目的服务器发送视频数据进行直播为例。

1、目的服务器获取4套4G视频直播设备对应码率，更新码率向量：

r_default＝(5000,5000,5000,5000)；

2、从目的服务器获取发送终端丢包信息，生成设备丢包率向量：

l＝(0.05,0.04,0.06,0.05)；

3、从目的服务器获取解码优先级信息，更新解码优先级标识向量：

s＝(1,1,0,0)；

4、计算N套直播终端丢包率的总和，并与设置的丢包判决门限lossRateThreshold比较：

lossRateThreshold为5％，表示总丢包率超过5％时，即判定为拥塞丢包状态；

大于丢包判决门限lossRateThreshold，网络环境处于拥塞状态下，进入步骤5；

5、计算高优先级画面质量：

l·s＝(0.05×1+0.04×1+0.06×0+0.05×0)＝0.09，表示高优先级的直播设备出现了丢包，画面质量下降，进入步骤7，重新计算分配资源；

6、通过各网络子流上的发送码率和丢包率估计各网络的可用总上行带宽：

本说明书中各网络子流以运营商为例，即：

netlink₁＝cmcc,netlink₂＝unicom,netlink₃＝telecom；

考虑各网络子流的网络链路状况相同时，不加以区分。

bandwidth_available＝5000×[(1-0.05)+(1-0.04)+(1-0.06)+(1-0.05)]＝19000；

7、根据解码优先级标识，保障高优先级设备带宽，调整各发送终端的码率r_i'；

bandwidth_remained＝19000-[1×5000+1×5000+0×5000+0×5000]＝9000；

r'＝(5000,5000,4500,4500)；

8、将调整后的码率r_i'发送给4G视频发送终端，调整终端总发送码率；

9、进入步骤2，重复执行；

10、不断调整后，丢包率不断下降直至小于判决门限，或高优先级的直播设备画面无丢包：

此时进入步骤6；

11、服务端允许的最大时延delayMax为3秒，delayThreshold为1.5秒，超时容忍门限γ_threshold为50％；

12、计算一个周期内，满足delayThreshold≤delay≤delayMax的数据包的比例，此时分两种情况举例：

若γ＝0.6，由于0.6＞50％，表示大量重传数据包的比例超过容忍门限，网络有拥塞的趋势，进入步骤7，仍然按照调整后的码率进行发送；

若γ＝0.4，由于0.4＜50％,表示重传数据包的比例在容忍门限内，网络拥塞有缓解的趋势，尝试使用预设的设备码率，r'＝r_default，进入步骤9。

Claims (1)

1.一种拥塞环境下基于解码优先级的带宽资源优化配置方法，其特征在于：在上行网络带宽不足造成的拥塞情况下，多个4G视频多路径移动直播终端处于同一区域时，服务器获取解码器反馈回的信号，获取导播台主用画面信号的情况，设置各台设备的解码优先级标识s＝(s₁,s₂,...,s_N)；服务器根据当前传输的视频画面的解码优先级，对各个直播终端的发送码率进行耦合的调整，并调整多路径传输过程中各个子流上发送数据包数目的比例，保障高优先级直播设备的画面质量，牺牲普通优先级直播设备的画面质量，实现对有限的网络带宽资源进行优化配置；具体步骤是：

步骤1.汇聚服务器获取配置信息，读取N套4G视频直播终端对应码率，设置码率向量r_default＝(r₁,r₂,...,r_N)，其中r_i表示设备i的码率，r_i ^j为设备i子流j上的发送码率；

步骤2.汇聚服务器获取发送终端丢包信息，生成设备丢包率向量l＝(l₁,l₂,...,l_N)，l_i表示根据设备i各条子流的计算的总丢包率；

为设备i的子流j上的丢包率；

步骤3.汇聚服务器接收解码器反馈的信号，获取导播台主用画面信号的情况，设置各台设备的解码优先级标识s＝(s₁,s₂,...,s_N)，其中s_i表示设备i的画面使用情况，且

步骤4.计算N套直播终端丢包率的总和并与设置的丢包判决门限lossRateThreshold比较：

若π_L≥lossRateThreshold，表示处于拥塞状态，进入步骤5，检测高优先级画面质量是否能够保证；

若π_L＜lossRateThreshold，表示处于正常状态，进入步骤6，检测是否具有拥塞的趋势；

步骤5.计算高优先级画面质量：

若l·s＞0，表示高优先级的直播设备画面质量无法保证，进入步骤7；

若l·s＝0，表示高优先级的直播设备画面无损失，进入步骤6；

步骤6.检测网络拥塞趋势：

在服务端允许的最大时延delayMax范围内，设置时延门限delayThreshold，并与数据包从发送到被服务端正确接收的时延delay比较：

a.若delay≤delayThreshold，表示数据包无需经过重传，能迅速到达服务端，网络状况良好；

b.若delayThreshold≤delay≤delayMax，表示数据包能在最大时延范围内到达服务器，满足直播要求，但是可能需要经过大量重传，网络有拥塞趋势；

c.若delay≥delayMax，表示数据包到达服务器超时，无法达到直播要求；

计算一个周期内，满足delayThreshold≤delay≤delayMax的数据包占所有数据包的比例γ，设置一个容忍门限γ_threshold：

d.若γ＞γ_threshold，表示大量重传数据包的比例超过容忍门限，网络有拥塞的趋势，进入步骤7；

e.若γ≤γ_threshold，表示重传数据包的比例在容忍门限内，网络拥塞有缓解的趋势，尝试使用预设的设备码率r_default，r'＝r_default，进入步骤9；

步骤7.通过设备i子流j上的发送码率r_i ^j和丢包率计算网络子流j上的总可用带宽和子流j所占单宽比例ratio^j；

其中bandwidth_available为所有网络子流上的总可用带宽，

j∈{netlink₁,netlink₂,netlink₃...}，netlink指传输网络；

步骤8.根据解码优先级标识，保障高优先级设备带宽，调整各发送终端的码率r_i'，重新计算分配资源，得到调整后的码率向量r'＝(r₁′,r₂′,...,r_N′)；

计算保障主用画面直播终端后的剩余带宽bandwidth_remained，统计主用画面直播终端数目sum_priority：

步骤9.将调整后的码率r_i'以及各传输网络可用带宽比ratio^j发送给4G视频直播终端，调整终端总发送码率以及各子流j的发送速率r_i ^j'：

r_i ^j'＝r_i'×ratio^j；

步骤10.进入步骤2，重复执行，直至传输完成。