CN110139126A - 基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法 - Google Patents

基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法 Download PDF

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Abstract

基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，包括：S1、将节点之间传输视频资源的行为视为一次交互行为，视频服务器感知所有节点之间的交互行为；S2、视频服务器构建有向图，并且将有向图拆分为若干个子图；S3、视频服务器对子图的边界进行优化得到优化子图；S4、视频服务器将每个优化子图的所有节点组建到一个节点社区中，优化子图的中心节点仍然作为节点社区的中心节点；S5、新节点以及加入视频系统的所有节点均基于节点社区请求视频资源，在成功后进行交互；S6、中心节点根据所在节点社区内其它节点的查询失败情况优化节点社区内的视频资源分布。本发明能够实现社区资源的高效管理、资源分布的优化，并获得较高的视频搜索性能。

Description

基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法
技术领域
本发明涉及视频资源共享技术领域，具体的说是一种基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法。
背景技术
无线通信技术的进步(如5G和WIMAX)使得无线网络带宽不断增加，以满足互联网应用不断增加的带宽需求。视频服务是目前最为流行的互联网应用之一，视频服务的发展极为依赖于网络通信性能水平。例如，从标清、高清到超清，从2D、3D到VR和AR，视频播放质量的不断提升极大地增强了用户体验质量，但所需网络带宽也从30kbps增长到30mbps以上。在另一方面，视频服务质量不断提升促进了视频用户数量快速增长，尤其是视频用户能够通过手持智能设备泛在接入互联网获取视频内容，极大的推动了视频服务的普及，截止2018年6月，中国拥有5.77亿手机视频用户，使用率为72.3％。巨大的视频用户基数导致网络带宽变得更加有限，严重影响了视频服务质量(如等待分配带宽产生了高播放延时和网络拥塞带来的低视频播放连续性)。不像传统的基于C/S结构视频系统的服务能力和可扩展性严重依赖于服务器带宽、存储、计算资源，P2P技术利用客户端剩余的带宽、存储、计算资源实现客户端间视频资源的共享，极大地提升了视频系统的服务能力和可扩展性。在无线网络环境下部署基于P2P的视频系统，能够有效提升视频用户的体验效果(如旅行中的旅客可以在空余时间观看视频内容)，如图1所示。然而，随着视频用户数量急剧增加，网络可用带宽越发有限，对视频系统的服务质量和可扩展性带来了极大的挑战。例如，服务器端带宽、骨干网络带宽和移动终端带宽分别为10Gbps、100Gbps、100Mbps。若视频播放速率为1mbps，则基于C/S结构视频系统最大服务能力为10000个用户，当超越视频系统服务能力最大值后，新增加的视频用户需要等待服务器端分配新的带宽才能启动视频播放，因此，针对不断增长的视频用户数量，基于C/S结构视频系统存在着启动延时高和支持用户数量少的缺陷。对于基于P2P结构视频系统，随着视频用户数量的增加，客户端自身的剩余带宽不断弥补有限的可用带宽，因此，极大地提升了视频系统的可扩展性。但随着用户数量不断增加，骨干网络的带宽成为视频系统服务能力的瓶颈(基于P2P结构视频系统最大服务能力为100000个用户)，一旦骨干网络拥塞，则会导致大量的视频数据丢失，不断引起视频播放中端，低视频播放连续性和启动延时高就成为基于P2P结构的视频系统必须解决的问题。
增强客户端间共享视频资源效率、降低骨干网络压力成为提升基于P2P结构的视频系统服务质量和可扩展性的关键，因此，优化视频资源分布、提升视频资源交付性能就成为增强增强客户端间共享视频资源效率的重要手段。例如，如果视频资源请求者总是能够将视频请求消息发送至与其对视频内容兴趣相似的视频资源提供者，不仅能够降低资源请求失败的风险，而且也能够快速获得视频数据，从而提升视频资源共享效率、降低视频资源请求者的启动延时。众多学者做出了大量的研究，并纷纷提出了相应的解决方案。例如，方案QHWC利用基于车辆连通性和移动性设计了视频内容的缓存策略，以优化视频资源的分布。COME-P2P是一个基于Chord结构的P2P视频系统。通过将网络节点组织到一个Chord结构中，利用Chord结构资源搜索性能高的优势减少视频资源请求时间。其次，COME-P2P为每个Chord结构中的节点添加视频请求路由表，包括与当前节点连接的所有节点的资源搜索成功率等信息，而且每个节点利用路由表和组播路径不断清除路由表中不可用的节点信息，从而有效提升资源请求成功率。然而，Chord结构中的节点需要在较短周期时间内与其相连接的节点交互消息，以维护彼此的状态信息、保持请求消息在Chord结构中路由成功。随着Chord结构中节点数量不断增加，视频系统需要消耗大量的网络带宽来维护Chord结构中所有节点的状态，巨大的Chord结构的维护开销成为系统可扩展性的瓶颈。学者Bethanabhotla提出了一个无线网络下视频资源的调度策略，不仅支持动态的视频提供者的选择，而且能够根据视频请求者的视频质量需求主动调节数据传输率。然而，选择合适的资源提供者会带来较高的启动延时，动态调整数据传输速率也会引起资源请求者观看质量的抖动。方案BOSA根据最近资源请求时间槽信息为视频请求者分配移动云中服务器，利用先来先服务的原则调度视频流，从而实现服务器间闲置资源的有效利用，均衡服务器间的负载。然而，云端资源的使用会带来巨大的经济成本。BOSA忽略了动态的用户资源需求变化，从而导致较低的BOSA实施方案的可行性。
虚拟社区技术能够将具有相似特性的用户(如存储、观看和请求相似的视频内容)加入到同一节点社区中。通过对节点社区内存储的视频资源进行自治的管理以平衡节点社区内资源的供应与需求，利用节点社区内用户相似或相近的状态减少用户间状态交互频率，降低节点社区结构维护成本，提升节点社区结构的可扩展性。基于虚拟节点社区的视频系统成为众多学者研究的热点。例如，SocialTube根据用户已观看的视频数量评价视频资源提供者和请求者间的共同兴趣，并将具有较高共同兴趣的用户组织到基于树结构的节点社区中，利用树结构在资源搜索方面的性能优势分发视频资源，从而提升节点社区内资源共享效率。然而，SocialTube仅考察用户间已观看视频的数量来评估用户间的共同兴趣程度，会带来较低的共同兴趣评估精度。较低的共同兴趣评估精度会降低节点社区内用户间联系的紧密程度，从而导致用户间的逻辑连接频繁断开(例如，节点社区内用户共享的内容互不感兴趣)，使得节点社区结构维护成本提升，降低视频系统的可扩展性。SAVE考察用户在视频内容间的跳转行为，从而将请求同一内容的用户组织到同一节点社区中。为了确保覆盖网络的连通性，SAVE为每个节点社区间建立了逻辑连接，网络中任一节点可以实施跨节点社区的资源搜索。然而，节点社区内用户间的逻辑连接建立依赖于观看同一视频，节点社区内用户动态的视频资源请求行为会导致用户在各个节点社区间频繁的跳转，脆弱的节点社区结构不仅增加节点社区结构的维护成本，也降低了视频系统的可扩展性。SANE将用户的兴趣特征映射到兴趣空间中，其中用户的兴趣特征由用户已观看的视频内容表示。利用向量夹角余弦函数评估用户间兴趣相似程度，将相似程度较高的用户组织到同一节点社区中。SANE为节点社区内用户分配不同的角色，从而实现节点社区内资源的管理，节点社区内用户能够利用彼此的逻辑连接共享本地的视频资源。然而，每两个用户评估兴趣相似程度以构建节点社区结构，这种局部最优评估方法会带来节点社区内用户间的逻辑连接的易碎性，脆弱的用户间逻辑连接会降低节点社区结构的稳定性，从而引起节点社区结构维护成本的高企，降低视频系统的可扩展性。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，能够实现社区资源的高效管理、资源分布的优化，并获得较高的视频搜索性能。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，所述视频系统包括通信连接的视频服务器和若干个节点，视频服务器和节点中均存储有视频资源，所述方法包括如下步骤：
S1、将节点之间传输视频资源的行为视为一次交互行为，视频服务器感知所有节点之间的交互行为；
S2、视频服务器构建有向图，有向图中将所有节点作为顶点、将节点之间的交互行为转化为边，并且将有向图拆分为若干个子图，子图中包括一个中心节点和若干个普通节点，普通节点中位于子图边缘的为边界节点；
S3、视频服务器对子图的边界进行优化得到优化子图；
S4、视频服务器将每个优化子图的所有节点组建到一个节点社区中，优化子图的中心节点仍然作为节点社区的中心节点；
S5、新节点以及加入视频系统的所有节点均基于节点社区请求视频资源，并且在请求成功后进行交互；
S6、中心节点根据所在节点社区内其它节点的查询失败情况优化节点社区内的视频资源分布。
作为一种优选方案，S1的具体方法包括：
S1.1、两个节点分别作为请求者和提供者，请求者接收到来自于提供者的视频资源后记录交互行为信息；
S1.2、任一节点退出视频系统时不仅将存储的所有交互行为信息发送给视频服务器，而且删除本地存储的视频资源；
S1.3、视频服务器将收到的每个交互行为信息均记录为一个六元组，六元组包括平均传输延时、平均丢包率、请求者ID、提供者ID和视频ID，并且将所有的六元组组成交互行为列表。
作为一种优选方案，S2的具体方法包括：
S2.1、有向图中两个顶点之间的边分别表示视频资源的请求方向，有向边的起点表示视频资源的请求者，有向边的终点表示视频资源的提供者；
S2.2、视频服务器根据节点之间的交互频度和单次交互时长为每条边赋予权重；
S2.3、视频服务器根据节点提供视频资源的次数和每次提供视频资源时的稳定性计算节点的视频资源交付能力；
S2.4、视频服务器将具有最高权重入度边的节点和与该节点具有入度边的所有节点从有向图中移除，并且组成一个子图，子图中具有最高权重入度边的节点为中心节点，通过迭代视频服务器将有向图拆分为若干个子图。
作为一种优选方案，S3的具体方法包括：
S3.11、视频服务器取两个子图进行边界优化；
S3.12、当一个子图中的一个边界节点对其它子图中的节点具有入度边时，记该入度边的权重为第一评估值，并且记该边界节点为主待调节点、其它子图中的节点为副待调节点；
S3.13、计算副待调节点与其所在子图的中心节点之间所有最短路径入度边的权重的均值，记为第一基准值；
S3.14、对第一评估值和第一基准值进行比较，若第一评估值大于第一基准值则执行S3.15，若第一评估值小于或者等于第一基准值，则副待调节点保持不动；
S3.15、计算当前主待调节点所在子图中所有节点的平均出度边权重和平均服务能力，分别记为第二基准值和第三基准值；
S3.16、计算若副待调节点加入到主待调节点所在的子图后该子图中所有节点的平均出度边权重和平均服务能力，分别记为第二评估值和第三评估值；
S3.17、将第二评估值与第二基准值以及第三评估值与第三基准值进行比较，若第二评估值大于第二基准值或者第三评估值大于第三基准值则副待调节点加入到主待调节点所在的子图中，并且在该子图中重新将具有最大入度边权重值的节点指定为中心节点。
作为一种优选方案，S5的具体方法包括新节点查询部分和加入视频系统的节点请求部分；
新节点查询部分包括：
S5.11、新节点向视频服务器发送请求消息，请求消息对应一个视频资源；
S5.12、视频服务器将请求消息转发至所有节点社区的中心节点；
S5.13、中心节点将请求消息转发至所有邻居节点；
S5.14、若邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则向中心节点返回确认消息并终止转发请求消息，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则继续向自身的邻居节点转发请求消息；
S5.15、中心节点将接收到首个确认消息转发至视频服务器，若中心节点未接收到确认消息则向视频服务器返回查询失败消息；
S5.16、视频服务器将接收到的首个确认消息转发给新节点，新节点与确认消息对应的提供者建立连接开始交互并获取视频资源，并且视频服务器将新节点加入到提供者所在的节点社区，若视频服务器未接收到确认消息则向新节点返回请求失败消息；
加入视频系统的节点请求部分包括：
S5.21、任意节点社区内的任一节点作为请求者向自身的邻居节点广播请求消息，请求消息对应一个视频资源；
S5.22、若邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则直接向请求者返回确认消息，请求者从接收到的所有确认消息中选取服务能力最强的一个邻居节点作为提供者进行交互并获取视频资源，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则请求者向所在节点社区的中心节点发送请求消息；
S5.24、若中心节点的邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则向中心节点返回确认消息并终止转发请求消息，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则继续向自身的邻居节点转发请求消息；
S5.25、中心节点将接收到的首个确认消息发送给请求者，请求者与确认消息对应的提供者建立连接开始交互并获取视频资源，若中心节点未接收到确认消息则将请求消息转发至邻居节点社区的中心节点；
S5.26、邻居节点社区的中心节点将请求消息在邻居节点社区内转发，若邻居节点社区内有节点存储有请求消息对应的视频资源则该节点作为提供者直接向请求者发送确认消息并且建立连接开始交互并获取视频资源，若邻居节点社区内没有节点存储有请求消息对应的视频资源则邻居节点社区的中心节点向请求者所在节点社区的中心节点发送请求失败消息；
S5.27、若所有邻居节点均发送了查询失败消息，则请求者所在社区的中心节点向视频服务器转发查询失败消息；
S5.28、视频服务器向请求者发送确认消息，并且向请求者发送请求消息对应的视频资源。
作为一种优选方案，S6的具体方法包括：
S6.1、中心节点每次向邻居节点社区的中心节点转发请求消息时记录该请求消息对应的视频资源为当前所在节点社区内请求失败资源；
S6.2、中心节点计算所有社区内查询失败资源的内容相似度；
S6.3、中心节点基于内容相似度对所有社区内查询失败资源进行聚类处理，得到若干个视频类别；
S6.4、中心节点基于时间槽计算每个视频类别的查询失败率和查询失败率增速；
S6.5、当查询失败率增速逐渐增大且超过设定的增速阈值时，中心节点提升对应类别视频资源在社区内的存储规模。
有益效果：本发明提出了一种基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法。通过考察移动用户间彼此的交互行为，本发明建立了一个用户交互行为模型，以发现用户间交互行为的共同特性，并评估用户间联系的紧密程度。根据用户的服务能力以及用户间联系的紧密程度，本发明采用了一个基于划分的节点社区构建方法，将具有相似交互行为的用户组织到同一节点社区中。在构建的节点社区基础上，本发明制定了节点社区成员管理策略和视频资源共享策略，为节点社区成员分配相应的角色，实现节点社区资源的高效管理、资源分布的优化，并获得较高的视频搜索性能。
附图说明
图1是无线移动网络的结构示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，所述无线移动网络包括通信连接的视频服务器和若干个节点，视频服务器和节点中均存储有视频资源，所述方法包括S1至S6。
S1、将节点之间传输视频资源的行为视为一次交互行为，视频服务器感知所有节点之间的交互行为。S1的具体方法包括S1.1至S1.3。
S1.1、两个节点分别作为请求者和提供者，请求者接收到来自于提供者的视频资源后记录交互行为信息。
S1.2、任一节点退出视频系统时不仅将存储的所有交互行为信息发送给视频服务器，而且删除本地存储的视频资源。
S1.3、视频服务器将收到的每个交互行为信息均记录为一个六元组，六元组包括平均传输延时、平均丢包率、请求者ID、提供者ID和视频ID，并且将所有的六元组组成交互行为列表。
例如，六元组可以表示为R＝(ni,nj,dij,pij,lij,vk)，其中ni和nj分别表示视频资源请求者与提供者的ID，dij为平均传输延时，pij为平均丢包率，lij表示ni和nj数据传输的时间长度，vk为视频ID。相应的，交互行为列表可以表示为SR＝(R1,R2,…,Rn)。
S2、视频服务器构建有向图，有向图中将所有节点作为顶点、将节点之间的交互行为转化为边，并且将有向图拆分为若干个子图，子图中包括一个中心节点和若干个普通节点，普通节点中位于子图边缘的为边界节点。
有向图可以表示为G＝(V,E)，其中V＝(v1,v2,…,vk)表示顶点的集合，每个顶点表示加入视频系统中的一个节点，E表示边的集合，E中的一个元素eij为表示任意两个节点ni与nj之间的交互行为。在图G中，拥有边的两个顶点互为邻居节点，即存在交互行为的两个节点建立邻居关系。
S2的具体方法包括S2.1至S2.4。
S2.1、有向图中两个顶点之间的边分别表示视频资源的请求方向，有向边的起点表示视频资源的请求者，有向边的终点表示视频资源的提供者。
例如，eij表示ni为请求者，nj为提供者，则eij被定义为nj的入度边、ni的出度边；eji表示nj为请求者，ni为提供者，则eji被定义为ni的入度边、nj的出度边。通过对边设置方向，可以利用边表示视频资源的请求方向。
S2.2、视频服务器根据节点之间的交互频度和单次交互时长为每条边赋予权重。
ni与nj间边eij的权重值可以被定义为：
其中，fij表示ni与nj交互的频度，L为视频长度，l为ni与nj的一次数据传输时间长度，数据传输时间长度通常默认应当小于等于视频长度，这里不考虑VoD(视频点播)的后退操作引起的重复观看。
如果任一节点ni频繁的从其邻居节点nj获取视频资源，则表明两个节点间存在着较为紧密的联系。除了节点间交互的频度可以表示节点间联系的紧密程度外，节点间数据传输的时间长度也可以表示节点间联系的紧密程度。例如，当ni从nj获取视频数据，如果ni对失去了对当前视频内容的兴趣，则ni断开与nj的连接，重新搜索其他的视频。由于数据传输的速率与视频播放速率相同，所以，数据传输速率越短表明节点对视频内容的兴趣程度越低；反之，数据传输速率越长表明节点对视频内容的兴趣程度越高。因此综合两方面因素计算出来的权重可以直接表现节点之间联系的紧密程度，边的权重越高则两个节点之间的联系越紧密。
S2.3、视频服务器根据节点提供视频资源的次数和每次提供视频资源时的稳定性计算节点的视频资源交付能力。
在另一方面，请求者总是希望能够选择具有较强服务能力的节点作为提供者，以获取较高的数据传输质量，例如低延时和低丢包率，从而确保视频播放的连续性。节点的视频资源交付能力可以根据节点对于视频资源的交付质量进行评价，视频数据的传输延时和丢包率可以作为评估参数。对于任一节点nj的视频数据交付能力可以被定义为：
其中，Nj为节点nj为请求节点传输视频数据的次数，和分别表示任一一次向请求节点传输视频数据的平均丢包率和平均延时。
数据传输延时越高，则表明传输路径所含中继节点数量越多或路径通信质量越差，引起播放连续性抖动的概率越高；丢包率越高，则导致视频播放画面的扭曲程度越高，用户观看质量越差。当视频数据交付质量较差时，视频资源请求者就会断开当前连接，搜索新的视频资源提供者。因此，DCj的值越低，表明nj的视频数据交付能力越强；反之，nj的视频数据交付能力越弱。
进一步的，任一节点nj的服务能力可以被定义为：
其中，VNj表示nj本地存储视频资源的数量；VNs表示服务器端存储的视频资源的数量。为nj的视频数据交付能力的归一化处理结果。SCj值越高，则表明nj的服务能力越强。当nj拥有较强的服务能力时，nj能够吸引更多请求节点从nj处获取视频资源，使得nj的入度越大且与请求节点间的边的权值越大。
S2.4、视频服务器将具有最高权重入度边的节点和与该节点具有入度边的所有节点从有向图中移除，并且组成一个子图，子图中具有最高权重入度边的节点为中心节点，通过迭代视频服务器将有向图拆分为若干个子图。
具体的方法为：首先，从顶点集合V中选择拥有入度边权重值最高顶点vi；之后，将vi作为一个新子图SG(vi)的中心节点；然后将vi的拥有与vi入度边的邻居节点从V中抽取，并加入子图SG(vi)，成为子图SG(vi)的成员；接着，将子图SG(vi)中顶点从集合V中移除，获得一个新的顶点集合V(1)＝V-SG(vi)。利用上述方法，继续从V(1)中抽取新的拥有入度边权重值最高顶点vj，将vj作为一个新子图SG(vj)的中心节点。vj的拥有与vj入度边的邻居节点从V(1)中抽取，并加入子图SG(vj)，成为子图SG(vj)的成员。
上述迭代过程的收敛条件被定义为顶点集合V中所有与其他顶点拥有边的顶点均被划分至子图中，若存在只与其他节点拥有出度边的顶点，则该顶点可作为子图中心，且该子图只包含子图中心一个顶点。经过上述迭代过程，图G被划分为多个子图，即G＝(SG(va),SG(vb),…,SG(vq))。如前所述，图中顶点的入度边权重值越高，则表明该节点服务能力越强。因此，由拥有入度边权重值较高的顶点作为子图中心节点，能够吸引众多节点从中心节点处获取视频资源，从而促进视频资源的共享。
S3、视频服务器对子图的边界进行优化得到优化子图。
划分出来的子图中，仅仅考虑了中心节点的入度边权重，即其它节点和中心节点的交互情况，而未考虑中心节点的服务能力。如果初始图中心节点的服务能力较弱，则降低了子图内节点的视频资源共享效果。因此，需要继续调整已划分出的子图的中心节点，从而进行优化。
S3的具体方法包括S3.1至S3.2。
S3.11、视频服务器取两个子图进行边界优化。例如SG(vi)和SG(vj)。
S3.12、当一个子图中的一个边界节点对其它子图中的节点具有入度边时，记该入度边的权重为第一评估值，并且记该边界节点为主待调节点、其它子图中的节点为副待调节点。
子图SG(vi)中任一成员vc为SG(vi)的边界节点，vc与子图SG(vj)中节点vh拥有入度边ehc，即存在vh向vc请求视频资源的行为，此时将ehc的权重值whc记为第一评估值，vc为主待调节点，vh为副待调节点。
S3.13、计算副待调节点与其所在子图的中心节点之间所有最短路径入度边的权重的均值，记为第一基准值。
若从vh到子图SG(vj)的中心节点vj的最短路径的入度边数量为EN(vh,vj)，且这些入度边的权重值之和为whj，则 表示从vh到vj的平均入度边权重值，并且将记为第一基准值。
S3.14、对第一评估值和第一基准值进行比较，若第一评估值大于第一基准值则执行S3.15，若第一评估值小于或者等于第一基准值，则副待调节点保持不动。
S3.15、计算当前主待调节点所在子图中所有节点的平均出度边权重和平均服务能力，分别记为第二基准值和第三基准值。
设子图SG(vi)中所有节点的平均出度边权重值和平均服务能力分别为和将记为第二基准值，将记为第三基准值。如果且或则vh退出子图SG(vj)并加入子图SG(vi)。
S3.16、计算若副待调节点加入到主待调节点所在的子图后该子图中所有节点的平均出度边权重和平均服务能力，分别记为第二评估值和第三评估值。
设vh加入子图SG(vi)中后，子图SG(vi)中所有节点的平均出度边权重值和平均服务能力分别为和将记为第二评估值，将记为第三评估值。
S3.17、将第二评估值与第二基准值以及第三评估值与第三基准值进行比较，若第二评估值大于第二基准值或者第三评估值大于第三基准值则副待调节点加入到主待调节点所在的子图中，并且在该子图中重新将具有最大入度边权重值的节点指定为中心节点。
如果且或则vh退出子图SG(vj)并加入子图SG(vi)。表明当vh加入子图SG(vi)后，子图SG(vi)内视频资源的共享程度增强；但若vh没有对于vc的出度边，则当时，vh加入子图SG(vi)能够增强SG(vi)的节点服务能力，vh也可以成为子图SG(vi)新成员。
当存在任一节点离开当前子图并加入新子图时，接受新节点加入的子图需要重新选择子图中心节点。例如，若节点vh离开子图SG(vj)并加入子图SG(vi)时，SG(vi)将重新选择新的子图中心节点，将SG(vi)中拥有最大入度边权重值的节点作为新的子图中心节点。在每次合并新的节点时调整子图中心是为了使结构发生变化的子图内拥有最高服务能力的节点担当子图中心节点，即子图中心节点较高的服务能力能够将与其直接连接或间接连接节点能够聚合在当前子图内，从而确保子图结构的稳定。特别地，若子图仅包含中心节点，则当中心节点被其他子图合并后，仅包含单一中心节点的子图被移除。
上述节点合并的迭代收敛条件为图G内所有子图均无法从其他子图处合并任一节点，即图G内所有子图的结构不再发生变化。通过节点的合并，将优化后的子图记为优化子图，则图G可以由优化子图集合表示，即G＝(SG(vc),SG(vd),…,SG(vu))。在无线移动网络中，新的节点加入和系统成员的退出导致图G的结构不断地变化，实时调整每个优化子图结构会带来较大的成本。因此，可设置一个周期时间T，经过周期时间T后图G对现有优化子图的划分结果进行子图节点合并，从而对优化子图进行进一步的调整。
S4、视频服务器将每个优化子图的所有节点组建到一个节点社区中，优化子图的中心节点仍然作为节点社区的中心节点。
经过了优化后，每个优化子图都能够保持稳定的结构，且每个优化子图内节点与其邻居节点拥有较高的共享程度。此时，将图G中每个优化子图视为一个节点社区，使节点能够进行基于节点社区的视频资源请求，降低搜索延时，并且保证传输效率。为了确保节点社区内节点能够高效的共享视频资源，降低视频请求延时、提高视频请求成功率，需要对节点社区内的视频资源分布进行不断调整，以平衡节点社区内视频资源的供给与需求。为此，对节点社区内的每个节点定义不同的角色，节点社区内节点的角色包括普通节点、中心节点和桥节点。
普通节点负责为节点社区内或节点社区外的请求节点传输视频资源，并且根据中心节点的要求调整本地缓存的视频资源。当新节点请求视频资源并加入无线移动网络后，存储请求视频的节点社区的中心节点会收到来自于服务器转发的请求消息，中心节点将该请求消息转发至节点社区内的普通节点，收到请求消息的普通节点向视频请求节点传输视频数据，则该视频请求节点成为当前节点社区的新成员节点，角色为普通节点，新成员节点需要通过定期发送状态消息至当前视频资源提供者处，以维护与节点社区内节点的连接。当节点社区内普通节点退出系统或节点社区内普通节点从当前节点社区跳转至其他节点社区时，普通节点需要向中心节点和其邻居节点发送第一退出消息，收到第一退出消息的节点则从本地的邻居节点列表中将该节点删除，放弃与已退出的普通节点所建立的连接。
中心节点负责处理与转发节点社区内和节点社区外节点的请求消息以及监控和调整节点社区内缓存的视频资源，中心节点还负责维护其他节点社区中心节点的状态和节点社区内桥节点的节点列表。节点社区内的所有节点均与中心节点存在着直接或间接的连接，即在优化子图中与中心节点存在着一跳或多跳连接，中心节点可利用其邻居节点向外散播视频请求消息等信息，能够有效降低视频搜索延时、提高视频请求成功率。当中心节点退出当前节点社区时，将向节点社区内所有节点广播第二退出消息，并且第二退出消息中包含新中心节点的信息，新中心节点在当前中心节点退出后的节点社区内拥有最大入度边权重值。
桥节点即位于节点社区边界的节点，其邻居节点包含其他节点社区内的节点，桥节点负责维护与位于其他节点社区的邻居节点间的连接。由于桥节点与其他节点社区内节点拥有邻居关系，因此，较为适合作为节点社区间的接口，收集相邻节点社区内共享视频的信息，协助中心节点调整和优化节点社区内视频资源的分布。当桥节点退出当前节点社区时，将向其邻居节点和中心节点发送第三退出消息。
S5、新节点以及加入视频系统的所有节点均基于节点社区请求视频资源，并且在请求成功后进行交互。
S5的具体方法包括新节点请求部分和加入视频系统的节点请求部分。
新节点请求部分包括S5.11至S5.16。
S5.11、新节点向视频服务器发送请求消息，请求消息对应一个视频资源。
S5.12、视频服务器将请求消息转发至所有节点社区的中心节点。
S5.13、中心节点将请求消息转发至所有邻居节点。
S5.14、若邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则向中心节点返回确认消息并终止转发请求消息，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则继续向自身的邻居节点转发请求消息。
S5.15、中心节点将接收到首个确认消息转发至视频服务器，若中心节点未接收到确认消息则向视频服务器返回请求失败消息。
S5.16、视频服务器将接收到的首个确认消息转发给新节点，新节点与确认消息对应的提供者建立连接开始交互并获取视频资源，并且视频服务器将新节点加入到提供者所在的节点社区，若视频服务器未接收到确认消息则向新节点返回请求失败消息。新加入节点社区的节点，仅需维护与当前视频提供者间的连接即可，从而降低节点社区结构的维护负载。
加入视频系统的节点请求部分包括S5.21至S5.28。
S5.21、任意节点社区内的任一节点作为请求者向自身的邻居节点广播请求消息，请求消息对应一个视频资源。
S5.22、若邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则直接向请求者返回确认消息，请求者从接收到的所有确认消息中选取服务能力最强的一个邻居节点作为提供者进行交互并获取视频资源，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则请求者向所在节点社区的中心节点发送请求消息。
S5.23、中心节点向自身的邻居节点转发请求消息。
由节点社区中心节点向其邻居节点广播请求消息并由中心节点的邻居节点逐层向外广播请求消息的过程不仅能够减轻中心节点的负担，因为中心节点无需维护每个节点社区内节点存储的视频资源，而且也能将请求消息快速散播到整个节点社区。
S5.24、若中心节点的邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则向中心节点返回确认消息并终止转发请求消息，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则继续向自身的邻居节点转发请求消息。
S5.25、中心节点将接收到的首个确认消息发送给请求者，请求者与确认消息对应的提供者建立连接开始交互并获取视频资源，若中心节点未接收到确认消息则将请求消息转发至邻居节点社区的中心节点。
S5.26、邻居节点社区的中心节点将请求消息在邻居节点社区内转发，若邻居节点社区内有节点存储有请求消息对应的视频资源则该节点作为提供者直接向请求者发送确认消息并且建立连接开始交互并获取视频资源，若邻居节点社区内没有节点存储有请求消息对应的视频资源则邻居节点社区的中心节点向请求者所在节点社区的中心节点发送请求失败消息。
S5.27、若所有邻居节点均发送了请求失败消息，则请求者所在节点社区的中心节点向视频服务器转发请求失败消息。
S5.28、视频服务器向请求者发送确认消息，并且向请求者发送请求消息对应的视频资源。
S6、中心节点根据所在节点社区内其它节点的请求失败情况优化节点社区内的视频资源分布。
利用节点社区内节点的层次关系快速散播请求消息，平衡了中心节点的负载与请求成功率和请求延时之间的关系。然而，一旦在节点社区内视频请求失败，则会产生额外的请求延时，主要是邻居节点社区的资源请求过程引起的请求延时，从而影响了用户的体验效果。由于用户对于视频内容的兴趣不断变化，为了降低请求延时、提升请求成功率，需要不断地优化和调整节点社区内资源的分布。而节点社区内视频资源分布的调整主要依赖于从当前节点社区内视频资源请求失败中感知节点社区内节点对于视频资源需求的变化以及邻居节点社区内视频资源需求的变化。
S6的具体方法包括S6.1至S6.5。
S6.1、中心节点每次向邻居节点社区的中心节点转发请求消息时记录该请求消息对应的视频资源为当前所在节点社区内请求失败资源。
中心节点在收到邻居节点社区的中心节点发来的请求消息时记录节点社区内请求失败的视频ID和时间戳，构成集合SL＝(s1,s2,…,sn)，其中SL中任一元素si被定义为si＝(Vj,ti)，其中，Vj为节点社区内请求失败的视频ID，ti为请求失败的时间戳。
S6.2、中心节点计算所有节点社区内请求失败资源的内容相似度。
具体的计算方法为：
其中，将视频Vi和Vj进行结构化处理，由视频名称、导演、演员、简介等文本描述视频结构，将文本内容抽取成特征词，并将视频由特征词向量表示，利用向量夹角余弦公式计算两个视频的相似程度。fwi和fwj分别表示描述Vi或Vj的特征词向量，S(Vi,Vj)表示视频Vi和Vj的内容相似度。设置阈值VT，若S(Vi,Vj)>ST，则视Vi和Vj为内容相似视频；否则，若S(Vi,Vj)≤ST，则视Vi和Vj为内容不相似视频。
S6.3、中心节点基于内容相似度对所有节点社区内请求失败资源进行聚类处理，得到若干个视频类别。
若Vi和Vj为内容相似视频，则Vi和Vj构成一个视频类别。若视频Vk与Vi或Vj相似，则Vk加入Vi和Vj的视频类别。相似视频构成一个视频类别，则可对SL中元素进行聚类处理，从而获得一个视频类别列表，即VL＝(c1,c2,…,cm)。
S6.4、中心节点基于时间槽计算每个视频类别的请求失败率和请求失败率增速。
用时间槽的方式收集任一类别ci的视频请求失败率，请求失败率为中心节点收到的视频请求失败次数与视频请求总次数的比值，设TS为一个时间槽，则(Fk，TSk)表示第k个时间槽内视频类别ci的请求失败率。将收集的m个时间槽内关于视频类别ci的请求失败率映射到直角坐标平面内，横坐标表示时间槽的数量，纵坐标表示任一时间槽对应的请求失败率。
坐标平面内的数据点可被拟合成为一条回归直线，并利用最小二乘法可进一步获得回归直线的斜率bi，
其中，xi为第i个时间槽；yi为第i个时间槽对应的请求失败率。bi表示连续m个时间间隔内视频类别ci的请求失败率的增长速率，可被视为中心节点对节点社区内节点对于视频需求变化程度的感知结果。
S6.5、当请求失败率增速逐渐增大且超过设定的增速阈值时，中心节点提升对应类别视频资源在节点社区内的存储规模。
若以m个时间间隔为一个周期，则可获得下一个周期视频类别ci的请求失败率的增长速率若的值大于设定阈值B且(其中，为第一个周期视频类别ci的请求失败率的增长速率)，则表明属于视频类别ci的视频处于流行状态且当前节点社区需要预先缓存属于视频类别ci的视频，以提升节点社区内视频请求成功率。
此时，中心节点通过以下两种方法调整属于视频类别ci的视频在节点社区内的分布。
方法一。中心节点在收到来自于服务器、节点社区内和节点社区外节点转发的请求消息后，向节点社区内节点散播请求消息，若请求失败，则中心节点计算请求的视频与VL中视频类别的匹配程度，即确定请求的视频归属的VL中类别。若请求的视频归属于处于流行状态且需要预先缓存的视频类别，则中心节点记录当前视频信息，并要求节点社区内拥有服务能力最小值的节点从视频服务器端下载该视频到本地缓冲区中(节点服务能力是动态变化的，缓存视频和高效交付视频数据都可以增加服务能力，因此，流行视频资源并不会总是由同一个节点缓存)。
方法二。中心节点向节点社区内所有桥节点广播处于处于流行状态且需要预先缓存的视频类别列表，要求桥节点与相邻节点社区的边界节点交互存储的视频信息和收集的请求消息中所含的视频信息，并与视频类别进行匹配。若桥节点收集到的视频信息中包含归属于需要缓存视频类别的视频时，则桥节点向节点社区外邻居节点发送请求消息，并将其缓存至本地缓冲区。
用户对于视频的兴趣始终处于动态变化，静态的视频资源分布难以应对动态变化的视频需求，通过感知用户需求变化，调整节点社区内视频资源分布，以提升视频资源的请求成功率，有效降低视频请求延时，提升用户体验质量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，所述视频系统包括通信连接的视频服务器和若干个节点，视频服务器和节点中均存储有视频资源，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1、将节点之间传输视频资源的行为视为一次交互行为，视频服务器感知所有节点之间的交互行为；
S2、视频服务器构建有向图，有向图中将所有节点作为顶点、将节点之间的交互行为转化为边，并且将有向图拆分为若干个子图，子图中包括一个中心节点和若干个普通节点，普通节点中位于子图边缘的为边界节点；
S3、视频服务器对子图的边界进行优化得到优化子图；
S4、视频服务器将每个优化子图的所有节点组建到一个节点社区中，优化子图的中心节点仍然作为节点社区的中心节点；
S5、新节点以及加入视频系统的所有节点均基于节点社区请求视频资源，并且在请求成功后进行交互；
S6、中心节点根据所在节点社区内其它节点的查询失败情况优化节点社区内的视频资源分布。
2.如权利要求1所述的基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，其特征在于：
S1的具体方法包括：
S1.1、两个节点分别作为请求者和提供者，请求者接收到来自于提供者的视频资源后记录交互行为信息；
S1.2、任一节点退出视频系统时不仅将存储的所有交互行为信息发送给视频服务器，而且删除本地存储的视频资源；
S1.3、视频服务器将收到的每个交互行为信息均记录为一个六元组，六元组包括平均传输延时、平均丢包率、请求者ID、提供者ID和视频ID，并且将所有的六元组组成交互行为列表。
3.如权利要求2所述的基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，其特征在于：
S2的具体方法包括：
S2.1、有向图中两个顶点之间的边分别表示视频资源的请求方向，有向边的起点表示视频资源的请求者，有向边的终点表示视频资源的提供者；
S2.2、视频服务器根据节点之间的交互频度和单次交互时长为每条边赋予权重；
S2.3、视频服务器根据节点提供视频资源的次数和每次提供视频资源时的稳定性计算节点的视频资源交付能力；
S2.4、视频服务器将具有最高权重入度边的节点和与该节点具有入度边的所有节点从有向图中移除，并且组成一个子图，子图中具有最高权重入度边的节点为中心节点，通过迭代视频服务器将有向图拆分为若干个子图。
4.如权利要求3所述的基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，其特征在于：
S3的具体方法包括：
S3.11、视频服务器取两个子图进行边界优化；
S3.12、当一个子图中的一个边界节点对其它子图中的节点具有入度边时，记该入度边的权重为第一评估值，并且记该边界节点为主待调节点、其它子图中的节点为副待调节点；
S3.13、计算副待调节点与其所在子图的中心节点之间所有最短路径入度边的权重的均值，记为第一基准值；
S3.14、对第一评估值和第一基准值进行比较，若第一评估值大于第一基准值则执行S3.15，若第一评估值小于或者等于第一基准值，则副待调节点保持不动；
S3.15、计算当前主待调节点所在子图中所有节点的平均出度边权重和平均服务能力，分别记为第二基准值和第三基准值；
S3.16、计算若副待调节点加入到主待调节点所在的子图后该子图中所有节点的平均出度边权重和平均服务能力，分别记为第二评估值和第三评估值；
S3.17、将第二评估值与第二基准值以及第三评估值与第三基准值进行比较，若第二评估值大于第二基准值或者第三评估值大于第三基准值则副待调节点加入到主待调节点所在的子图中，并且在该子图中重新将具有最大入度边权重值的节点指定为中心节点。
5.如权利要求1所述的基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，其特征在于：
S5的具体方法包括新节点查询部分和加入视频系统的节点请求部分；
新节点查询部分包括：
S5.11、新节点向视频服务器发送请求消息，请求消息对应一个视频资源；
S5.12、视频服务器将请求消息转发至所有节点社区的中心节点；
S5.13、中心节点将请求消息转发至所有邻居节点；
S5.14、若邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则向中心节点返回确认消息并终止转发请求消息，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则继续向自身的邻居节点转发请求消息；
S5.15、中心节点将接收到首个确认消息转发至视频服务器，若中心节点未接收到确认消息则向视频服务器返回查询失败消息；
S5.16、视频服务器将接收到的首个确认消息转发给新节点，新节点与确认消息对应的提供者建立连接开始交互并获取视频资源，并且视频服务器将新节点加入到提供者所在的节点社区，若视频服务器未接收到确认消息则向新节点返回请求失败消息；
加入视频系统的节点请求部分包括：
S5.21、任意节点社区内的任一节点作为请求者向自身的邻居节点广播请求消息，请求消息对应一个视频资源；
S5.22、若邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则直接向请求者返回确认消息，请求者从接收到的所有确认消息中选取服务能力最强的一个邻居节点作为提供者进行交互并获取视频资源，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则请求者向所在节点社区的中心节点发送请求消息；
S5.24、若中心节点的邻居节点存储有请求消息对应的视频资源则向中心节点返回确认消息并终止转发请求消息，若邻居节点未存储有请求消息对应的视频资源则继续向自身的邻居节点转发请求消息；
S5.25、中心节点将接收到的首个确认消息发送给请求者，请求者与确认消息对应的提供者建立连接开始交互并获取视频资源，若中心节点未接收到确认消息则将请求消息转发至邻居节点社区的中心节点；
S5.26、邻居节点社区的中心节点将请求消息在邻居节点社区内转发，若邻居节点社区内有节点存储有请求消息对应的视频资源则该节点作为提供者直接向请求者发送确认消息并且建立连接开始交互并获取视频资源，若邻居节点社区内没有节点存储有请求消息对应的视频资源则邻居节点社区的中心节点向请求者所在节点社区的中心节点发送请求失败消息；
S5.27、若所有邻居节点均发送了查询失败消息，则请求者所在社区的中心节点向视频服务器转发查询失败消息；
S5.28、视频服务器向请求者发送确认消息，并且向请求者发送请求消息对应的视频资源。
6.如权利要求5所述的基于用户交互行为感知的移动视频系统资源共享方法，其特征在于：
S6的具体方法包括：
S6.1、中心节点每次向邻居节点社区的中心节点转发请求消息时记录该请求消息对应的视频资源为当前所在节点社区内请求失败资源；
S6.2、中心节点计算所有社区内查询失败资源的内容相似度；
S6.3、中心节点基于内容相似度对所有社区内查询失败资源进行聚类处理，得到若干个视频类别；
S6.4、中心节点基于时间槽计算每个视频类别的查询失败率和查询失败率增速；
S6.5、当查询失败率增速逐渐增大且超过设定的增速阈值时，中心节点提升对应类别视频资源在社区内的存储规模。
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