CN108881171A - 一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法。主要包括：A.通过磁道划分的扫描算法优化磁盘数据存取，并根据线性逼近防止缓冲溢出。B.分析定长度的帧数据存取方式，得到一般用户接纳条件的线性表达。C.采用异步时分复用按需动态分配带宽，实现过载并发控制，提高资源的利用率。该方法具有控制磁盘负载，合理按需分配带宽，提高资源利用率，确保多路视频的流畅性的优点。

Description

一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法

技术领域

本发明属于计算机技术、网络通信技术、多媒体技术领域，具体涉及一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法。

背景技术

在当下的互联网背景下，多媒体信息快速发展，对于多路视频数据的存取目前多采用静态比特率的方式，其视频流压缩快，能被大多数软件和设备支持，但其占用空间相对大，效果不十分理想，现已逐步被动态比特率方式取代。由于动态比特率视频流的突发性和多变性，给视频服务器系统带宽资源的分配利用、传输速率、视频的连续播放以及用户接纳等带来了挑战，同时动态比特率的自相似性又给系统缓存、排队性能和网络带宽分配带来了各种影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有过载控制能力的多路视频并发流优化方法。

本发明解决其问题所采用的技术方案为：

一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

A.通过磁道划分的扫描算法优化磁盘数据存取，并根据线性逼近防止缓冲溢出；

B.分析定长度的帧数据存取方式，得到一般用户接纳条件的线性表达；

C.采用异步时分复用按需动态分配带宽，实现过载并发控制，提高资源的利用率。

优选的，所述步骤A包括：

(1)在磁盘数据读取的过程中，使用磁道划分方法，并通过磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求获取读取请求的服务次序，使所有请求数据块在一个旋转周期中全部读取；

(2)优化磁盘数据存取的扫描算法：

①构造磁盘请求集合{A_p}，其在磁盘中的位置集合为{l_p}，其中p＝1,2,…,T，T为集合中的请求总数；

②规定最外面的磁道为零点，当磁盘磁头处于最内侧，以位置集合{l_p}的递减顺序排列磁盘请求集合{A_p}，并从头至尾执行所有请求任务直至结束，移动磁头至最外侧；反之，当磁盘磁头处于最外侧，以位置集合{l_p}的递增顺序排列磁盘请求集合{A_p}，执行完所有请求后，移动磁头至最内侧；

③在请求任务集合{A_p}和位置集合{l_p}中移除已完成执行的请求，并将新的磁盘读取请求加至{A_p}和{l_p}中；

④结束该服务周期，转至下一周期；

(3)为保证传输缓冲区不发生溢出，对用户接纳条件进行线性关系描述：

其中T为用户并发总数，D_minsearch为最坏情况时相邻磁道的最小查找时间，D_maxsearch为最大查找时间，D_spin为磁盘旋转时间，D_transfer为传输时间，D_b为数据块大小，R为传输速率，S_c为服务周期。

优选的，所述步骤B包括：

(1)根据给定长度的磁盘数据存取，将视频分切成一样大小的数据块，大小为j，对前s帧视频的累加比特数进行关系代数表达如下：

其中B_n(m)为第n个视频的第m帧比特数；

(2)当第n个视频的前s个数据块小于该视频的总数据块数DB_n时，通过(1)中的得到的第n个视频的累加比特数函数式对该视频前s个数据块所含帧数FN_n(s)求解得到：

其中

M_n为视频n的总帧数，为小于等于Y的最大整数，为大于等于Y的最小整数；

(3)通过(2)中的帧数求解可以得知第s个数据块的帧数为

FN_n(s)-FN_n(s-1)，

由此当定长切分视频数据块时可求解出切分后数据块的滑动速率R′_n(s)，对其进行线性表达如下：

其中，r表示该视频的帧频率；

结合步骤A中的磁盘数据存取优化算法和数据块的滑动速率R′_n(s)，得到定长度数据存取时的一般用户接纳条件：

其中，R′_nmax表示的R′_n(s)最大值。

优选的，所述步骤C包括：

建立用户接纳流程为：

(1)一个服务周期里，磁盘需提交至少帧数据，再将帧数据提交方式转换成以数据块为单位的提交方式则需满足：

其中，i(m)是在第m个服务周期内磁盘提交的数据块数目，也是满足上式

的最小整数，s是满足下式的最小整数；

(2)i(m)是用户在第m个周期增加的磁盘负载，当出现新的用户请求仍在磁盘的负载能力中则接纳该用户请求，因此根据已存在的i(m)和新出现的用户请求，可得到一个动态的用户接纳条件：

对于任意m，m＝1,2，…，

其中，Ψ_J(m)表示系统中已存在J个用户时，从当前时间算起磁盘于第m个服务周期的负载总量；i_n(m)表示在第n个视频的第m个服务周期磁盘需提交的数据块数目；表示当前视频n已播的服务周期数目；J_D表示在S_c时间内磁盘提交数据块数目的最大值：

(3)引入基于i_n(m)的异步时分复用技术，则i_n(m)＝s即磁盘在第n个视频第m个服务周期需提交s个数据块的概率c_n(s)为：

c_n(s)＝C(i_n(m)＝s)

同时，对系统负载概率L_j(s)进行概率密度函数描述：

其表示系统中存在j个用户时磁盘在一服务周期内需提交s个数据块的概率，其中*表示卷积，

而系统过载概率为：

当要求一定系统服务质量时可以得到系统接纳用户的条件：

L(B>J_D)＜ξ

ξ表示用户对服务质量容忍度的上界。

本发明的有益效果是：

在带宽资源有限、视频服务器系统资源有限的环境下，本发明具有实用性强，易于实现，并可根据当前系统资源占用情况，动态控制用户接纳，具有带宽资源利用率高，增加用户并发流的有益效果。

附图说明

图1为基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法的整体流程图；

图2为用户接纳流程图；

图3为异步时分复用原理图。

具体实施方式

参照图1，本发明一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法包括以下步骤：

A.通过磁道划分的扫描算法优化磁盘数据存取，并根据线性逼近防止缓冲溢出。

(1)在磁盘数据读取的过程中，使用磁道划分方法，并通过磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求获取读取请求的服务次序，使所有请求数据块在一个旋转周期中全部读取。

(2)优化磁盘数据存取的扫描算法：

①构造磁盘请求集合{A_p}，其在磁盘中的位置集合为{l_p}，其中p＝1,2,…,T，T为集合中的请求总数。

②规定最外面的磁道为零点，当磁盘磁头处于最内侧，以位置集合{l_p}的递减顺序排列磁盘请求集合{A_p}，并从头至尾执行所有请求任务直至结束，移动磁头至最外侧；反之，当磁盘磁头处于最外侧，以位置集合{l_p}的递增顺序排列磁盘请求集合{A_p}，执行完所有请求后，移动磁头至最内侧。

③在请求任务集合{A_p}和位置集合{l_p}中移除已完成执行的请求，并将新的磁盘读取请求加至{A_p}和{l_p}中。

④结束该服务周期，转至下一周期。

(3)为保证传输缓冲区不发生溢出，对用户接纳条件进行线性关系描述：

其中T为用户并发总数，D_minsearch为最坏情况时相邻磁道的最小查找时间，D_maxsearch为最大查找时间，D_spin为磁盘旋转时间，D_transfer为传输时间，D_b为数据块大小，R为传输速率，S_c为服务周期。

B.分析定长度的帧数据存取方式，得到一般用户接纳条件的线性表达。

(1)根据给定长度的磁盘数据存取，将视频分切成一样大小的数据块，大小为j。对前s帧视频的累加比特数进行关系代数表达如下：

其中B_n(m)为第n个视频的第m帧比特数。

(2)当第n个视频的前s个数据块小于该视频的总数据块数DB_n时，通过(1)中的得到的第n个视频的累加比特数函数式对该视频前s个数据块所含帧数FN_n(s)求解得到：

其中

M_n为视频n的总帧数，为小于等于Y的最大整数，为大于等于Y的最小整数；

(3)通过(2)中的帧数求解可以得知第s个数据块的帧数为

FN_n(s)-FN_n(s-1)，

由此当定长切分视频数据块时可求解出切分后数据块的滑动速率R′_n(s)，对其进行线性表达如下：

其中，r表示该视频的帧频率。

结合步骤A中的磁盘数据存取优化算法和数据块的滑动速率R′_n(s)，得到定长度数据存取时的一般用户接纳条件：

其中，R′_nmax表示的R′_n(s)最大值。

C.采用异步时分复用按需动态分配带宽，实现过载并发控制，提高资源的利用率。

建立用户接纳流程图如图2，并对该过程进行描述：

(1)在步骤B中第n个用户与第n个视频是等同的，但在实际中不同用户可以对同一个视频提出读取请求。通过计算视频播放中资源占用的情况把控用户并发过载。

一个服务周期里，磁盘需提交至少帧数据，再将帧数据提交方式转换成以数据块为单位的提交方式则需满足：

其中，i(m)是在第m个服务周期内磁盘提交的数据块数目，也是满足上式

的最小整数，s是满足下式的最小整数。

(2)事实上i(m)是用户在第m个周期增加的磁盘负载，当出现新的用户请求仍在磁盘的负载能力中则接纳该用户请求，因此根据已存在的i(m)和新出现的用户请求，可得到一个动态的用户接纳条件：

对于任意m，m＝1,2，…

其中，Ψ_J(m)表示系统中已存在J个用户时，从当前时间算起磁盘于第m个服务周期的负载总量；i_n(m)表示在第n个视频的第m个服务周期磁盘需提交的数据块数目；表示当前视频n已播的服务周期数目；J_D表示在S_c时间内磁盘提交数据块数目的最大值：

对比B步骤中的一般用户接纳条件可以看出优化后的用户动态接纳条件的优点：

①当i_J(m)峰值不遇到Ψ_J-1(m+Δ_J)的峰值时，可能接纳新的用户请求；

②利用时延将①中双方错过，可以接纳更多用户请求；

③只需对用户接纳简单运算即可得知下一个用户接纳需要做的加法次数。

(3)针对(1)(2)步骤中的用户动态接纳算法进行深入研讨发现：

①人眼对视频播放存在一定的惰性，通过帧内隐藏、帧间隐藏等隐藏错误技术可以消缓缓冲溢出造成的影响。

②视频数据传输存在一定的误码率和数据包丢失率，当系统过载率与误码率、数据包丢失率一致时视频播放效果并不差。

③(2)中的用户接纳条件并非时刻满足，若不满足时需要等待服务周期直至满足，并且改变播放状态需要重新计算用户接纳条件。

在此基础上针对上述问题引入基于i_n(m)的异步时分复用技术(异步时分复用原理图如图3)，则i_n(m)＝s即磁盘在第n个视频第m个服务周期需提交s个数据块的概率c_n(s)为：

c_n(s)＝C(i_n(m)＝s)

同时，对系统负载概率L_j(s)进行概率密度函数描述：

其表示系统中存在j个用户时磁盘在一服务周期内需提交s个数据块的概率，其中*表示卷积。

而系统过载概率为：

当要求一定系统服务质量时可以得到系统接纳用户的条件：

L(B>J_D)＜ξ

ξ表示用户对服务质量容忍度的上界。

综上所述，本发明提出的基于异步时分复用技术多路视频并发流优化方法，对于动态变化的服务器负载有较强的适应性，提高了用户接纳率和资源的利用率，而且也使得服务质量控制在可接受的范围内。

Claims (4)

1.一种基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

A.通过磁道划分的扫描算法优化磁盘数据存取，并根据线性逼近防止缓冲溢出；

B.分析定长度的帧数据存取方式，得到一般用户接纳条件的线性表达；

C.采用异步时分复用按需动态分配带宽，实现过载并发控制，提高资源的利用率。

2.如权利要求1所述的基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法，其特征在于：所述步骤A包括：

(1)在磁盘数据读取的过程中，使用磁道划分方法，并通过磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求获取读取请求的服务次序，使所有请求数据块在一个旋转周期中全部读取；

(2)优化磁盘数据存取的扫描算法：

①构造磁盘请求集合{A_p}，其在磁盘中的位置集合为{l_p}，其中p＝1,2,…,T，T为集合中的请求总数；

②规定最外面的磁道为零点，当磁盘磁头处于最内侧，以位置集合{l_p}的递减顺序排列磁盘请求集合{A_p}，并从头至尾执行所有请求任务直至结束，移动磁头至最外侧；反之，当磁盘磁头处于最外侧，以位置集合{l_p}的递增顺序排列磁盘请求集合{A_p}，执行完所有请求后，移动磁头至最内侧；

③在请求任务集合{A_p}和位置集合{l_p}中移除已完成执行的请求，并将新的磁盘读取请求加至{A_p}和{l_p}中；

④结束该服务周期，转至下一周期；

(3)为保证传输缓冲区不发生溢出，对用户接纳条件进行线性关系描述：

其中T为用户并发总数，D_minsearch为最坏情况时相邻磁道的最小查找时间，D_maxsearch为最大查找时间，D_spin为磁盘旋转时间，D_transfer为传输时间，D_b为数据块大小，R为传输速率，S_c为服务周期。

3.如权利要求1所述的基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法，其特征在于：所述步骤B包括：

(1)根据给定长度的磁盘数据存取，将视频分切成一样大小的数据块，大小为j，对前s帧视频的累加比特数进行关系代数表达如下：

其中B_n(m)为第n个视频的第m帧比特数；

(2)当第n个视频的前s个数据块小于该视频的总数据块数DB_n时，通过(1)中的得到的第n个视频的累加比特数函数式对该视频前s个数据块所含帧数FN_n(s)求解得到：

其中

M_n为视频n的总帧数，为小于等于Y的最大整数，为大于等于Y的最小整数；

(3)通过(2)中的帧数求解可以得知第s个数据块的帧数为

FN_n(s)-FN_n(s-1)，

由此当定长切分视频数据块时可求解出切分后数据块的滑动速率R′_n(s)，对其进行线性表达如下：

其中，r表示该视频的帧频率；

结合步骤A中的磁盘数据存取优化算法和数据块的滑动速率R′_n(s)，得到定长度数据存取时的一般用户接纳条件：

其中，R′_nmax表示的R′_n(s)最大值。

4.如权利要求3所述的基于异步时分复用技术的多路视频并发流优化方法，其特征在于：所述步骤C包括：

建立用户接纳流程为：

(1)一个服务周期里，磁盘需提交至少帧数据，再将帧数据提交方式转换成以数据块为单位的提交方式则需满足：

其中，i(m)是在第m个服务周期内磁盘提交的数据块数目，也是满足上式的最小整数，s是满足下式的最小整数；

(2)i(m)是用户在第m个周期增加的磁盘负载，当出现新的用户请求仍在磁盘的负载能力中则接纳该用户请求，因此根据已存在的i(m)和新出现的用户请求，可得到一个动态的用户接纳条件：

对于任意m，m＝1,2，…，

其中，Ψ_J(m)表示系统中已存在J个用户时，从当前时间算起磁盘于第m个服务周期的负载总量；i_n(m)表示在第n个视频的第m个服务周期磁盘需提交的数据块数目；表示当前视频n已播的服务周期数目；J_D表示在S_c时间内磁盘提交数据块数目的最大值：

(3)引入基于i_n(m)的异步时分复用技术，则i_n(m)＝s即磁盘在第n个视频第m个服务周期需提交s个数据块的概率c_n(s)为：

c_n(s)＝C(i_n(m)＝s)

同时，对系统负载概率L_j(s)进行概率密度函数描述：

其表示系统中存在j个用户时磁盘在一服务周期内需提交s个数据块的概率，其中*表示卷积，

而系统过载概率为：

当要求一定系统服务质量时可以得到系统接纳用户的条件：

L(B>J_D)＜ξ

ξ表示用户对服务质量容忍度的上界。