CN114979710A - 针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法 - Google Patents

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CN114979710A CN202210822969.1A CN202210822969A CN114979710A CN 114979710 A CN114979710 A CN 114979710A CN 202210822969 A CN202210822969 A CN 202210822969A CN 114979710 A CN114979710 A CN 114979710A
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Abstract

本发明涉及无线网络技术领域，公开了一种针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法，解决了由于传统地面蜂窝网络的不足所带来的高铁上用户视频观看较为困难的问题；本发明基于星地联合传输的视频流交付方案，利用星地链路覆盖范围大更加稳定的特点以及车载服务器的部署，来提高用户在高铁这种高速移动场景下的视频观看体验；本发明还考虑了卫星传输的代价以及用户之间的公平性，设计了系统整体效用最大化的优化目标，并采用了遗传算法来解决系统整体效用最大化这一问题。

Description

针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法
技术领域
本发明涉及无线网络技术领域，具体涉及一种针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法。
背景技术
高铁是人们出行的首选，在高铁的旅途上通过手机等设备的移动网络进行视频观看是用户娱乐的一种重要方式。视频观看对于网络质量要求较高，但当前的地面蜂窝网络对于高铁这样高速移动环境下的无线通信存在明显缺陷。蜂窝区间的快速切换，信道不稳定，此外无线信号还面临较大的车体穿损。因此，在实际生活体验中，在高铁上很难通过移动无线网络获得良好的视频观看体验。随着高速铁路长度以及客运量不断增加，如何为高铁用户提供优质的网络多媒体服务成为一个亟待解决的问题。
目前在国内高铁上获得的娱乐视频流服务为掌上高铁APP上所提供的高铁影院服务。在高铁上部署有WIFI和分布式计算及存储的服务器，视频可装载到高铁上、存储于高铁车载服务器的硬盘中，用户观看高铁影院的视频时可直接通过高铁WIFI传输给用户，使得用户观看视频时有良好的观看体验。但此种方式缺陷也十分明显，只能够流畅观看已经存储的视频，虽然通过高铁上WIFI可以接入互联网，但网速很慢无法观看互联网上的各式各样的视频。且并不是所有的高铁上都部署有高铁WIFI以及车载服务器，大部分的和谐号高铁上就并没有车载WIFI。
现有技术中，为了解决这一问题所采取的方案是基于边缘服务器的预取和缓存策略。配置车载服务器，车载服务器具有一定的计算和存储能力。在当用户观看视频时，为了预防由于网络波动导致的视频卡顿，车载边缘服务器通过某种算法在网络条件好时预取后续视频流并缓存到本地，以便在网络条件差的时候用户能够不卡顿地观看视频。为了避免信号的穿透损耗，配置车载天线对外与路旁基站无线互联，对内用户则通过车载WIFI连入互联网。但高铁的快速移动，使得地面蜂窝通信网络依然存在快速波动和切换的缺陷，难以满足多用户观看视频时对持续性高速率无线带宽的需求。
当前低轨卫星的对地通信在快速发展，各国都在建设低轨卫星星座，例如美国的Starlink计划，中国的OneWeb星座计划。相较于地面蜂窝基站2km左右的通信距离，卫星的对地通信具有更大的范围，卫星对地蜂窝可达上百公里。卫星通信计划使用Ku波段，具有更大的带宽。目前在学术界对于卫星对地的通信主要是在对地组播通信方面，由于卫星的对地通信具有更大的覆盖面积，其具有巨大的组播优势。除此之外，由于卫星具有远大于地面基站蜂窝的通信范围，对于快速移动的移动设备，卫星通信具有更小的蜂窝切换频率，其信道也相对更加稳定，若卫星能够与地面基站通信相互配合，可对高铁上的用户提供持续稳定且更高质量的无线通信，满足用户在高铁上的视频观看需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法，传输架构包括车辆、设置在车辆上的车载服务器、与车载服务器连接的用户设备；其中车载服务器能够缓存视频片段，并能够根据用户设备的请求将外部网络中的视频片段进行缓存；外部网络向车载服务器传输视频片段时，外部网络与车载服务器之间存在多个回程链路；
传输方法包括以下步骤：
步骤A：用户设备请求视频片段，判断车载服务器中是否缓存有用户设备所需的视频片段；如是，运行步骤B；如否，运行步骤C；
步骤B：车载服务器将已缓存的视频片段发送至用户设备；
步骤C：通过遗传算法决策是否为某个用户设备预取视频片段，以及预取视频片段的码率和回程链路；
步骤D：将视频片段缓存至车载服务器中，然后运行步骤B；
其中，步骤C具体包括以下步骤：
步骤C1：是否为某个用户设备预取视频片段，以及预取视频片段的码率和回程链路称为决策参数，对所有用户设备的决策参数进行二进制编码，得到一个个体；
步骤C2：随机产生多个个体，组成初始的种群；
步骤C3：计算种群中每个个体的适应度，具体包括以下步骤：
步骤C31：计算个体中在第u个用户设备观看第j个视频片段时所获得的视频观看体验
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；其中
Figure 196612DEST_PATH_IMAGE002
是第j个视频片段的码率，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是一个布尔变量，表示本次是否对第u个用户设备取回第j个视频片段，1表示本次取回，0表示本次不取回；
Figure 680683DEST_PATH_IMAGE004
是观看时的中断时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是当前视频片段与前一个视频片段的码率差值，α、β、γ为三个比例参数；
步骤C32：计算个体的星地链路传输代价
Figure 946579DEST_PATH_IMAGE006
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第u个用户设备使用星地链路的流量费用，η为比例系数，t为视频片段的时间长度，
Figure 289836DEST_PATH_IMAGE008
是第j个视频片段的码率，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是一个布尔量，若第j个视频片段是通过星地链路取回则为1，否则为0；
步骤C33：计算个体中的用户设备间Jain公平指数
Figure 56804DEST_PATH_IMAGE010
，U为个体中所有用户设备的个数；
步骤C34：计算个体的系统整体效用
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；其中θ为用于衡量
Figure 536327DEST_PATH_IMAGE012
权重的参数；
步骤C35：循环步骤C31至步骤C34，计算出所有个体的系统整体效用后，进行归一化处理，得到每个个体的适应度；
步骤C4：保留种群中适应度大于设定值的个体并将其余个体去除后，将种群中的个体随机两两配对，用交叉和变异的方式产生子女，将新产生的子女加入种群中；
步骤C6：循环进行步骤C3至步骤C4，直至达到最大循环次数，然后选出种群中适应度最高的个体，根据个体的二进制编码得到：是否为某个用户设备预取视频片段，以及所预取视频片段的码率和回程链路。
具体地，传输架构还包括车载微基站、车载WIFI、地面基站、通信卫星、地面关口站、视频源服务器、核心网；
用户设备通过车载WIFI连接至车载服务器，车载服务器通过车载微基站与地面基站和通信卫星通信连接，地面基站连接至核心网，通信卫星通过地面关口站连接至核心网，视频源服务器与核心网连接且存有视频片段；
所述回程链路包括地面链路和星地链路；所述地面链路指视频片段经地面基站、车载微基站到达车载服务器的链路；所述星地链路指视频片段经通信卫星、车载微基站到达车载服务器的链路。
具体地，所述车载服务器包括用户请求处理模块、决策模块、执行模块、缓存模块；用户设备连入车载WIFI并发出视频观看的请求后，车载服务器的用户请求处理模块检查车载服务器的缓存模块中是否有用户设备所需的视频片段S，若请求命中，则通过车载WIFI将视频片段S传输给用户设备，若未命中，则通过决策模块运行步骤C；决策模块做好视频片段S的码率和回程链路的决策后，将决策传输给执行模块，由执行模块根据决策向视频源服务器发出对应码率的视频片段请求以及对应的回程链路请求，并预取视频片段S，最后将视频片段S通过车载WIFI传输给用户设备，同时检查缓存模块，若缓存模块当前未满，则将视频片段S缓存，若缓存模块已满，则将之前缓存的视频片段替换为视频片段S。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明提出了一种针对高铁移动用户多媒体流的星地网络联合传输架构以及基于视频片段的联合传输方法。通过星地链路来对快速波动的地面链路进行补充；部署车载微基站通过位于车外的天线来与路旁的蜂窝基站无线互连，且其多天线也可以同时与空中覆盖此区域的低轨卫星无线互连，通过此种方式以避免无线信号的穿透损耗；部署车载服务器来进行相应的计算任务以及视频片段的缓存。同时考虑到用户的观看体验质量（QoE）、用户间的公平性以及使用星地链路的可能的流量费用，构建整体系统效用的优化模型，并采用遗传算法来决策用户所观看视频片段的码率以及其视频片段的回程链路来最大化整个系统的整体效用。
附图说明
图1为本发明传输架构的示意图；
图2为本发明高铁内部的网络架构图；
图3为本发明车载服务器的模块组成示意图；
图4为本发明传输架构的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
1.整体传输架构
本发明的传输架构如图1所示，本实施例中的车辆为高铁，通信卫星为低轨卫星；在高铁上部署车载微基站以及车载服务器，车载服务器具有计算以及存储能力。当高铁行驶到地面基站边缘时可切换到下一个地面基站，路旁的地面基站均与核心网相连，所有视频源服务器也连入核心网。视频片段从视频源服务器发出，穿过核心网到达当前高铁旁边的地面基站，最后从地面基站经地面链路到达车载服务器，此地面链路为瓶颈链路，链路吞吐量快速波动不稳定。位于距地面一千公里左右轨道上的运行有多颗低轨卫星，依此从高铁空中掠过。低轨卫星的地面关口站连入核心网，低轨卫星通过其所属的地面关口站连入核心网。视频片段可从视频源服务器出发，穿过核心网到达地面关口站，然后传输给低轨卫星，最后低轨卫星将视频片段从星地链路传输车载服务器，此星地链路为瓶颈链路，但链路吞吐量较为稳定。
高铁内部的网络架构如图2所示。用户设备通过车载WIFI接入车载微基站，车载微基站和车载服务器起到代理服务器的作用，作为用户设备和核心网的桥梁，负责管理用户设备的请求。车载服务器具有一定的计算和存储功能，能够通过计算来决策用户所观看视频片段的码率以及视频片段的回程链路，并向视频源服务器发出相应视频片段码率的请求以及视频片段回程链路的选择。
2.传输架构模块和传输架构工作流程
车载服务器的模块组成如图3所示。用户设备在连入车载WIFI并发出视频观看的请求后，首先由车载服务器的用户请求处理模块进行处理。用户请求处理模块首先检查车载服务器的缓存模块中是否有用户设备所需的视频片段，若请求命中，则直接通过车载WIFI将视频片段传输给用户设备。若未命中，则将用户设备的请求加入决策模块这一轮的决策中，决策模块通过遗传算法的迭代，将系统整体效用做为筛选指标，迭代选出能够最大化系统整体效用的决策参数；决策参数包括是否为某个用户设备预取视频片段，以及所预取视频片段的码率和回程链路。当地面链路的数据传输速率较高时，可更多通过地面链路取回较高码率的视频片段，可较少使用传输代价更高的星地链路；而当地面链路的数据传输速率较低时，则可使用更加稳定的星地链路来预取视频片段，防止视频中断对用户观看体验影响。决策模块做好相应视频片段码率和回程链路决策后，将决策传输给执行模块，由执行模块根据决策向云端的视频源服务器发出相应码率的视频片段请求以及相应的回程链路请求，并取回相应的视频片段。最后将视频片段通过车载WIFI传输给用户设备，同时检查车载缓存，若车载缓存当前未满，则将该视频片段也缓存下来，若车载缓存已满，则执行缓存替换策略；其中视频片段也称为视频块。上述工作流程如图4所示。
3.系统整体效用模型
将本发明中的传输架构及其传输方法作为一个系统，下面分析影响系统整体效用的各个因素，定义系统整体效用的具体表达式，即系统的优化目标。
单个用户的视频观看体验（QoE）：用户的QoE是由用户在观看一个视频片段时的视频片段码率、中断时间以及视频质量抖动组成的，在第u个用户设备观看第j个视频片段时所获得的视频观看体验
Figure 363337DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 193890DEST_PATH_IMAGE002
是第j个视频片段的码率，
Figure 639915DEST_PATH_IMAGE003
是一个布尔变量，表示本次是否对第u个用户设备取回第j个视频片段，1表示本次取回，0表示本次不取回；
Figure 505103DEST_PATH_IMAGE004
是观看时的中断时间，
Figure 378381DEST_PATH_IMAGE013
是当前视频片段与前一个视频片段的码率差值，表示视频质量前后切换带来的影响，α、β、γ为三个比例参数。
星地链路传输代价：当使用更加稳定的星地链路进行下行传输时，会对卫星有一定的能量消耗，与星地链路传输的数据量成正比，可形象作为整个系统为卫星流量的付费，星地链路传输代价
Figure 820863DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 805000DEST_PATH_IMAGE007
为第u个用户设备使用星地链路的流量费用，η为比例系数，t为视频片段的时间长度，
Figure 524694DEST_PATH_IMAGE008
是第j个视频片段的码率，
Figure 834453DEST_PATH_IMAGE015
是一个布尔量，若第j个视频片段是通过星地链路取回则为1，否则为0。
用户间的Jain公平指数：当多个用户一起观看多个视频时，为了使系统不会偏袒某个用户，保障用户间观看体验的公平性，这里使用用户QoE的Jain公平指数
Figure 639598DEST_PATH_IMAGE016
来定义用户间的公平性：
Figure 552059DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 126260DEST_PATH_IMAGE018
的值处于0到1之间，当
Figure 341340DEST_PATH_IMAGE019
的值为1时表示各个用户的QoE相同，是最公平的情况，
Figure 368202DEST_PATH_IMAGE018
的值越接近于0表示越不公平。
系统整体效用：根据以上所列出的各种指标，得到系统整体效用
Figure 101933DEST_PATH_IMAGE020
；其中θ是Jain公平指数的一个0到1之间的参数，用以衡量Jain公平指数的权重，θ越大表示Jain公平指数对于系统整体效用的影响越大。
系统的优化目标就是最大化系统整体效用，即在能够最少使用星地链路流量的情况下，最大化所有用户总的QoE并尽力保证用户间的公平性，该优化问题可公式化表示如下：
Figure 530640DEST_PATH_IMAGE021
视频片段的码率共有n个等级，分别为
Figure 916622DEST_PATH_IMAGE022
码率从低到高，J为视频片段的最大数量。
4.码率以及回程链路决策
定义好系统整体效用后，需要车载服务器去决策是否为每个用户设备在这一轮中预取视频片段，如果用户设备中目前的视频缓冲长度足够长，则不需要在这一轮中预取视频片段，否则需要确定预取视频片段的码率以及回程链路。
本发明使用遗传算法进行决策，步骤如下：
参数编码：对于每个用户设备来说，车载服务器需要对该用户设备决策的参数可以描述为是否需要预取视频片段、视频片段码率以及回程链路。是否需要预取视频片段可编码为一位二进制数，1表示需要预取，0表示此轮不需要预取；视频片段的码率编码需要考虑视频码率等级数，若有N个码率等级则至少需要编码成
Figure 961938DEST_PATH_IMAGE023
位的二进制数，例如有7个码率等级，则相应码率从低到高可依此编码为其码率等级的二进制数，如第三等级的码率编码为011；回程链路有两个选择，则可编码为一位二进制数，1表示从地面链路取回，0表示从星地链路取回。例如10011表示用户设备需要从地面链路预取第一个码率等级的视频片段。这样一来，一个用户设备对应的决策参数即可被编码成
Figure 950623DEST_PATH_IMAGE024
位的二进制数。若用户设备总数为U，遗传算法中一个个体的基因型为一个
Figure 499416DEST_PATH_IMAGE025
位的二进制数。
遗传算法种群初始化：种群中包含多个个体，初始种群中个体数为P，则可随机产生P个
Figure 321878DEST_PATH_IMAGE026
位的二进制数作为初始种群。
个体适应度计算：对于每个个体，首先根据基因型确定需要预取的用户设备数量，视频码率以及回程链路。对于使用相同回程链路的用户设备，用户设备间平分链路速率。车载服务器根据高铁当前车速、所处的位置、离基站的距离以及离卫星的距离，预测两条回程链路的吞吐量，从而计算下载这些视频片段所需时间，然后计算出系统整体效用，进行归一化处理后，得出每个个体的适应度，适应度在0到1之间。
选择：在种群中，根据每个个体的适应度选择出适应度大于设定值T的个体，去掉小于T值的个体（0＜T＜1），得到新的种群，将选择出来的个体作为父母样本，并随机的两两配对，用交叉和变异的方法繁衍后代。
交叉：在父母样本a、b中的二进制串种随机产生一个分段点，并将分段点之后的子串相互交换，生成两个子女样本。
变异：在每个子女样本中的二进制串中随机选择一位，将其值求反，将1变为0，0变为1；变异发生的概率取为0.01。
循环：将新产生的子女个体加入到之前被选出来的优秀个体组成新的种群中，并循环进行个体适应度计算、选择、交叉、变异，直到达到设定的最大循环次数，选出适应度最高的个体，并从中解码得出是否为某个用户设备预取视频片段，以及所预取视频片段的码率和回程链路。
本发明提出了一种针对高铁移动用户多媒体流的星地网络联合传输架构和传输方法，解决了由于传统地面蜂窝网络的不足所带来的高铁上用户视频观看较为困难的问题。本发明基于星地联合传输的视频流交付方案，利用星地链路覆盖范围大更加稳定的特点以及车载服务器的部署，来提高用户在高铁这种高速移动场景下的视频观看体验；本发明还考虑了卫星传输的代价以及用户之间的公平性，设计了系统整体效用最大化的优化目标，并采用了遗传算法来解决系统整体效用最大化这一问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法，其特征在于：传输架构包括车辆、设置在车辆上的车载服务器、与车载服务器连接的用户设备；其中车载服务器能够缓存视频片段，并能够根据用户设备的请求将外部网络中的视频片段进行缓存；外部网络向车载服务器传输视频片段时，外部网络与车载服务器之间存在多个回程链路；
传输方法包括以下步骤：
步骤A：用户设备请求视频片段，判断车载服务器中是否缓存有用户设备所需的视频片段；如是，运行步骤B；如否，运行步骤C；
步骤B：车载服务器将已缓存的视频片段发送至用户设备；
步骤C：通过遗传算法决策是否为某个用户设备预取视频片段，以及预取视频片段的码率和回程链路；
步骤D：将视频片段缓存至车载服务器中，然后运行步骤B；
其中，步骤C具体包括以下步骤：
步骤C1：是否为某个用户设备预取视频片段，以及预取视频片段的码率和回程链路称为决策参数，对所有用户设备的决策参数进行二进制编码，得到一个个体；
步骤C2：随机产生多个个体，组成初始的种群；
步骤C3：计算种群中每个个体的适应度，具体包括以下步骤：
步骤C31：计算个体中在第u个用户设备观看第j个视频片段时所获得的视频观看体验
Figure 100908DEST_PATH_IMAGE001
；其中
Figure 896826DEST_PATH_IMAGE002
是第j个视频片段的码率，
Figure 40231DEST_PATH_IMAGE003
是一个布尔变量，表示本次是否对第u个用户设备取回第j个视频片段，1表示本次取回，0表示本次不取回；
Figure 187179DEST_PATH_IMAGE004
是观看时的中断时间，
Figure 949599DEST_PATH_IMAGE005
是当前视频片段与前一个视频片段的码率差值，α、β、γ为三个比例参数；
步骤C32：计算个体的星地链路传输代价
Figure 131181DEST_PATH_IMAGE006
；其中
Figure 55275DEST_PATH_IMAGE007
为第u个用户设备使用星地链路的流量费用，η为比例系数，t为视频片段的时间长度，
Figure 548573DEST_PATH_IMAGE008
是第j个视频片段的码率，
Figure 114684DEST_PATH_IMAGE009
是一个布尔量，若第j个视频片段是通过星地链路取回则为1，否则为0；
步骤C33：计算个体中的用户设备间Jain公平指数
Figure 150773DEST_PATH_IMAGE010
，U为个体中所有用户设备的个数；
步骤C34：计算个体的系统整体效用
Figure 245768DEST_PATH_IMAGE011
；其中θ为用于衡量
Figure 491941DEST_PATH_IMAGE012
权重的参数；
步骤C35：循环步骤C31至步骤C34，计算出所有个体的系统整体效用后，进行归一化处理，得到每个个体的适应度；
步骤C4：保留种群中适应度大于设定值的个体并将其余个体去除后，将种群中的个体随机两两配对，用交叉和变异的方式产生子女，将新产生的子女加入种群中；
步骤C6：循环进行步骤C3至步骤C4，直至达到最大循环次数，然后选出种群中适应度最高的个体，根据个体的二进制编码得到：是否为某个用户设备预取视频片段，以及所预取视频片段的码率和回程链路。
2.根据权利要求1所述的针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法，其特征在于，传输架构还包括车载微基站、车载WIFI、地面基站、通信卫星、地面关口站、视频源服务器、核心网；
用户设备通过车载WIFI连接至车载服务器，车载服务器通过车载微基站与地面基站和通信卫星通信连接，地面基站连接至核心网，通信卫星通过地面关口站连接至核心网，视频源服务器与核心网连接且存有视频片段；
所述回程链路包括地面链路和星地链路；所述地面链路指视频片段经地面基站、车载微基站到达车载服务器的链路；所述星地链路指视频片段经通信卫星、车载微基站到达车载服务器的链路。
3.根据权利要求2所述的针对高速移动场景的星地联合多媒体传输架构的传输方法，其特征在于，所述车载服务器包括用户请求处理模块、决策模块、执行模块、缓存模块；用户设备连入车载WIFI并发出视频观看的请求后，车载服务器的用户请求处理模块检查车载服务器的缓存模块中是否有用户设备所需的视频片段S，若请求命中，则通过车载WIFI将视频片段S传输给用户设备，若未命中，则通过决策模块运行步骤C；决策模块做好视频片段S的码率和回程链路的决策后，将决策传输给执行模块，由执行模块根据决策向视频源服务器发出对应码率的视频片段请求以及对应的回程链路请求，并预取视频片段S，最后将视频片段S通过车载WIFI传输给用户设备，同时检查缓存模块，若缓存模块当前未满，则将视频片段S缓存，若缓存模块已满，则将之前缓存的视频片段替换为视频片段S。
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