專利名稱：可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法，包括分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu) 建、鏈路速率的分配、多路徑路由以及分布式算法設(shè)計(jì)等內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用 戶整體效用的最大化，結(jié)合多速率多徑路由、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)流量控制等方法，為每個 視頻編碼層尋求傳輸代價最小的分配網(wǎng)絡(luò)，以滿足了可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求。
背景技術(shù)：
多速率組播技術(shù)因其能適應(yīng)不同用戶的需求以及吋變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，成為了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中視 頻內(nèi)容分發(fā)的重要技術(shù)之一。從源端編碼的角度來看，原始數(shù)據(jù)的分層或分級編碼，例如 JVT/MPEG組織制定的可伸縮視頻編碼(SVC， Scalable Video Coding)標(biāo)準(zhǔn)，允許視頻以多 個速率進(jìn)行傳輸和編碼，逐步提高視頻質(zhì)量，通過在編、解碼器以及網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)的速率匹 配，以得到更高效的率失真性能。
可伸縮視頻編碼流包含了一個基本層和多個增強(qiáng)層，這些靈活多維的層結(jié)構(gòu)在空間分辨 率、時域幀速率以及視頻的重建質(zhì)量上提供了多個接入點(diǎn)。在以多速率組播的方式傳輸SVC 流時，由不同的IP組播組傳遞各個SVC層，每個接收節(jié)點(diǎn)按其不同的處理能力以及不同的鏈 路容量加入一定數(shù)量的組播組，從而得到同一內(nèi)容在不同尺度組合下的視頻圖像。
現(xiàn)在的流量控制方案，往往基于架構(gòu)確定的樹狀或網(wǎng)狀分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并且通過源點(diǎn)驅(qū)動進(jìn) 行擁塞控制，不適用于動態(tài)變化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明對傳輸網(wǎng)絡(luò)分層利用率的最大化進(jìn) 行了研究，其中每個接收點(diǎn)都有多條路徑可供選擇。另外，本發(fā)明提出的基于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù) 的多速率組播方案能夠提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能以及視頻流的質(zhì)量。
現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方案主要集中于端與端的資源分配，在研究網(wǎng)絡(luò)利用率最大化的問 題時，沒有充分地考慮視頻編碼層間的優(yōu)先級。本發(fā)明對可伸縮視頻編碼的層間依賴性進(jìn)行 了研究，以及如何將這一性質(zhì)與多路徑視頻流和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由相結(jié)合，從而達(dá)到最佳 網(wǎng)絡(luò)性能。 i
網(wǎng)絡(luò)編碼可以實(shí)現(xiàn)單源多匯組播的最大流通信?，F(xiàn)有的速率分配方案都通過網(wǎng)絡(luò)編碼技 術(shù)來提高分層組播的吞吐量，但這些方案主要關(guān)注于整個網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化或接收端接收 到的視頻層數(shù)數(shù)量的最大化，僅僅將問題簡化為一個整數(shù)線性規(guī)劃問題，忽略了用戶視頻接 收效用的最大化以及可伸縮視頻編碼的層間依賴性問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對可伸縮視頻流多速率組播通信中往往忽略層間依賴性以及視頻編碼層代價值的兩個問題，而提供一種可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率 分配方法。為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶整體效用最大化，提供一種完全分布式的速率分配 算法，有效地利用了網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，并且通過網(wǎng)絡(luò)編碼的引入，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)整體吞吐 量，同時也為接收端提供了更佳的視頻質(zhì)量。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是將多速率多徑路由、中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)編碼和網(wǎng)絡(luò)化 流量控制技術(shù)進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化，并且在選擇最佳組播傳輸路徑和分配各層次視頻流傳輸速率 時，兼顧了視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題。 一方面，為每個視頻編碼層尋求代價最小的傳輸 網(wǎng)絡(luò)；另一方面，同時滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求。此外，本發(fā)明還提出了一種 完全分布式的速率分配算法，采用拉格朗日對偶方法將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩 個子優(yōu)化問題，既實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)分配，又便于分布式求解。
一種可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法，其特征在于根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思， 采用下述步驟實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶效用的最大化第一，將多速率多徑路由、中繼節(jié)點(diǎn) 的網(wǎng)絡(luò)編碼和網(wǎng)絡(luò)化流量控制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；第二，在選擇最佳組播傳輸路徑和分配各層次 視頻流傳輸速率時，兼顧視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題，不僅為每個視頻編碼層尋求代價最 小的傳輸網(wǎng)絡(luò)，也同吋滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求；第三，采用完全分布式的速 率分配算法，即采用拉格朗日對偶方法將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題， 既實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)分配，又便于分布式求解。
上述第一步驟中的聯(lián)合優(yōu)化是每個接收節(jié)點(diǎn)在編碼網(wǎng)絡(luò)中接收各層次視頻流時，同時 選用多條路由路徑；基于這些路徑，將網(wǎng)絡(luò)編碼運(yùn)用在不同接收節(jié)點(diǎn)的交叉路徑上，進(jìn)一步 提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 2
上述第二步驟中的兼顧視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題是在選擇路由和進(jìn)行流量分配時， 使最低層的傳輸代價最小，同時保證從低層到高層的傳輸代價依次遞增，以滿足接收端的解 碼要求。
上述第三步驟中的完全分布式速率分配算法是利用拉格朗日釋限和對偶方法，將原始
凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題，允許每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和每條鏈路利用本地局部
信息進(jìn)行速率的動態(tài)調(diào)整和更新，以分布式方式實(shí)現(xiàn)鏈路傳輸速率的全局最優(yōu)化分配；以所
有用戶整體效用最大化為目標(biāo)函數(shù)，兼顧可伸縮視頻流解碼的層間依賴關(guān)系，以信息流平衡
條件、鏈路容量限制、網(wǎng)絡(luò)編碼條件等為約束函數(shù)，建立多速率組播通信的資源分配凸優(yōu)化
數(shù)學(xué)模型；具體方法如下 1.網(wǎng)絡(luò)模型的建立
7將網(wǎng)絡(luò)抽象為有向圖G(l/，五)，其中K是節(jié)點(diǎn)的集合，分為源節(jié)點(diǎn)集合S、中間節(jié)點(diǎn)集合 W和接收節(jié)點(diǎn)集合/ ， ￡是節(jié)點(diǎn)之間鏈路的集合；對于每條鏈路ee五都對應(yīng)有限的傳輸帶寬 Ce;假定可伸縮視頻流在源節(jié)點(diǎn)編碼為肘層{/1,,/2,...,/ }，第w層數(shù)據(jù)以速率&通過組播組
附向lig個接收點(diǎn)分發(fā)；假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到每個接收節(jié)點(diǎn)r都有多條傳輸路徑^r), ;c"表示接 收節(jié)點(diǎn),'在接收第W層數(shù)據(jù)時，第y'條路徑上分配的流量大??；/^表示第w層數(shù)據(jù)流在鏈路 e上占有的帶寬;矩陣r表示鏈路和接收節(jié)點(diǎn)r的傳輸路徑之間的關(guān)系，其中Z"的元素《，二l 表示鏈路e包含于接收節(jié)點(diǎn)r的第y條傳輸路徑中；采用普遍運(yùn)用的代價函數(shù)/>( )，定義為
巧-
2. 建立凸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
目標(biāo)問題P1: maximize E E t/m( E a4,》
約束條件
D E 《" ^ "。 Ve ￡ A Vm G3M' W 6 &
WW
2) J] /m,e S Ce， Ve G
3) E ^ E "",》，Vm = 1,…，M — 1, e i ;
4) 、S E《,j S Sm, Vm ￡ Vr e化
5) > 0, Vj e P(。； Vm e M, Vr e fi.
優(yōu)化目標(biāo)使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的用戶效用總和最大化； 約束條件
1) 規(guī)定每條鏈路上的實(shí)際帶寬消耗量為所有接收節(jié)點(diǎn)在該鏈路上消耗帶寬的最大值；該 條件表示在鏈路上采用網(wǎng)絡(luò)編碼的限制條件，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)在同一鏈路上的資源共享；
2) 對應(yīng)于鏈路上帶寬的限制條件；
3) 確保各層次視頻流的傳輸代價從低層到高層依次遞增；
4) 對應(yīng)于各個接收節(jié)點(diǎn)在每條路徑上的流量限制條件；
5) 規(guī)定各個接收節(jié)點(diǎn)在每條路徑上的流量必須大于零；
3. 將原始凸優(yōu)化問題分解為以下低階和高階兩個子優(yōu)化問題目標(biāo)問題P2a: mag!gize X) EE x;》
約束條件-
1) J]《e a;" $ /m,e, Ve G E, Vm G風(fēng)Vr e i ;
2) E札)^ E P(")， Vm = 1,…，M 一 1, Vr e i . 目標(biāo)問題P2b: mag^iize &m (f)
約束條件-
Z " ^ c。 Ve e丑.
4.兩個子優(yōu)化問題的分布式求解算法
(1)低階子優(yōu)化問題——目標(biāo)問題P2a的求解步驟如下-
步驟l:定義拉格朗日對偶(釋限)<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，《，和K是拉格朗曰乘子；
步驟2:定義拉格朗日對偶函數(shù)g(p，q) =SUpL(X,p,q)
<formula>formula see original document page 9</formula>
步驟3:定義對偶問題minimize g(p，q)
<formula>formula see original document page 9</formula>
步驟4:采用原始-對偶算法，同時更新原始變量和對偶變量，逐步逼近最優(yōu)點(diǎn)，其中a(力)、 )是正的步長值，[']+表示取正值的運(yùn)算。
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，流量分配大小X以及拉格朗日乘子p和q的偏導(dǎo)數(shù)為:一
《》
若跳=1,亂
由；)
若肌=
若m = 1
在以上更新過程中，pi^可視為擁塞代價，當(dāng)總需求5>;.<,.大于可提供的流量/_
' /"W ' ' '
時，；7"上升；反之，p:下降?！犊梢暈閭鬏斚模?dāng)?shù)赪層的傳輸代價大于第W + 1層的
傳輸代價時，《上升；反之，K下降。所有更新過程可以分布式實(shí)現(xiàn)，每條鏈路、每個節(jié)點(diǎn)
只需要局部信息，就可完成更新。
(2)高階子優(yōu)化問題——目標(biāo)問題P2b的求解過程
定義U/me)為滿足目標(biāo)問題P2a中約束條件5>;乂盧/_的最優(yōu)化拉格朗曰乘子，
' ,尸W ' ' '
定義fe = [/U,…，/M,e]、 f = LA，…，^F以及
/ n,e > 0 for all m and Z /m,e ^ Ce卜e e五,
F表示Fe(e e E)的笛卡爾乘積，于是目標(biāo)問題P2b可由以下的次梯度方法進(jìn)行求解
An,e是第m層鏈路e上總的擁塞代價，若A^因l,e上升，則表示分配的/m,e不能滿足實(shí)
際所有接收節(jié)點(diǎn)的需求，它的值將在下一次更新中減小。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提 供了一種完全分布式的速率分配算法，有效地利用了網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，并通過網(wǎng)絡(luò)編碼的引 入，提高了網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量，也為接收端提供更佳的視頻質(zhì)量。


10圖1經(jīng)典的蝶型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
圖2步長對收斂的影響；
圖3高階子優(yōu)化問題性能；
圖4接收節(jié)點(diǎn)^和A的速率分配;
圖5方法總流程圖
圖6模塊2子流程圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率 分配方法，其特征在于采用下述步驟實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶效用的最大化①將多速率多 徑路由、中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)編碼和網(wǎng)絡(luò)化流量控制技術(shù)進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化，②在選擇最佳組播傳 輸路徑和分配各層次視頻流傳輸速率時，兼顧了視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題。 一方面，為 每個視頻編碼層尋求代價最小的傳輸網(wǎng)纟l另一方面，同時滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性 的需求，③采用完全分布式的速率分配算法，既實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)分配，又便于分布式求解。
本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行試驗(yàn)，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作 過程，主要包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定、建立凸優(yōu)化問題模型、優(yōu)化問題的分布式求解算法介紹、 算法的執(zhí)行過程以及性能分析。
1. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)定
本發(fā)明對圖1所示的經(jīng)典蝶型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例分析。圖中S、 iV,.和^分別代表源節(jié)點(diǎn)、
中間節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。假設(shè)視頻流包含三層，基本層速率為3(data units/s)，第一增強(qiáng)層 速率為2，第二增強(qiáng)層速率為l。圖中，每個接收節(jié)點(diǎn)都有三條可選的路徑，每條路徑的傳輸 延時隨機(jī)取0到1間的數(shù)值。
2. 建立基于以上網(wǎng)絡(luò)的凸優(yōu)化計(jì)算方法
將網(wǎng)絡(luò)抽象為有向圖GO/,E)，其中r是節(jié)點(diǎn)的集合，分為源節(jié)點(diǎn)S、中間節(jié)點(diǎn)集合iV和 接收節(jié)點(diǎn)集合i ， ￡是節(jié)點(diǎn)之間鏈路的集合；對于每條鏈路ee五都對應(yīng)有限的傳輸帶寬Ce; 假定可伸縮視頻流在源節(jié)點(diǎn)編碼為層,/2,...,/M} (#=力，第w層數(shù)據(jù)以速率通過組播組 m向lig個接收點(diǎn)分發(fā)；假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到每個接收節(jié)點(diǎn)/"都有多條傳輸路徑P(r)， <,,表示接 收節(jié)點(diǎn)r在接收第m層數(shù)據(jù)時，第/條路徑上分配的流量大小；y^表示第w層數(shù)據(jù)流在鏈路
11e上占有的帶寬；矩陣Zr表示鏈路和接收節(jié)點(diǎn)r的傳輸路徑之間的關(guān)系，其中r的元素《e二l 表示鏈路e包含于接收節(jié)點(diǎn)r的第/條傳輸路徑中；本發(fā)明采用普遍運(yùn)用的代價函數(shù)MO，定
義為/ ( )=^~ +《. ；原始凸優(yōu)化問題分解為以下低階和高階兩個子優(yōu)化問題 目標(biāo)問題P2a: 腿ximize E E ""1( 《'J
reflmeA/ 3'eP(T)
約束條件
D E《e.《,,S /"， Ve e丑'Vm e M, Vr e i ;
2) E《,》S E U' Vm = 1，….，M — 1, W ￡ / . 目標(biāo)問題P2b: maximize &m (f)
f^O
約束條件J] /m,e ^ Ce, Ve ￡丑.
3.兩個子優(yōu)化問題的分布式求解算法及執(zhí)行過程
(1)低階子優(yōu)化問題——目標(biāo)問題P2a的求解過程步驟如下
步驟l:定義拉格朗日對偶(釋限) L(X,P,q)=E E y ( E《,》
A/—1
-EE&"(E《，e.《,廣")HZ ([ SPD-E ""J]
其中，K，。和？;:是拉格朗日乘子；
步驟2:定義拉格朗日對偶函數(shù)g(p,q)=SUpL(X，p,q) 步驟3:定義對偶問題minimize g(p,q)
P^O, q^O ;
步驟4:采用原始-對偶算法，同時更新原始變量和對偶變量，逐步逼近最優(yōu)點(diǎn)，其中a(力)、
/5(力)和7(i)是正的步長值，[.]+表示取正值的運(yùn)算。
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，流量分配大小X以及拉格朗日乘子p和q的偏導(dǎo)數(shù)為:
<formula>formula see original document page 13</formula>由)Z p(-《》-
若m- 1—1; 若怖=見
(2)高階子優(yōu)化問題——目標(biāo)問題P2b的求解過程
定義^n，e(An，e)為滿足目標(biāo)問題P2a中約束條件 S 的最優(yōu)化拉格朗曰乘子，
定義fe = [A，e,…，f = [A，…，^r以及
Fe = j fe /m，e ^ 0 for all m and E /肌'e ; C*e卜e G F表示Fe(e e司的笛卡爾乘積，于是目標(biāo)問題P2b可由以下的次梯度方法進(jìn)行求解
+ 1) = [/m,e(力')+ 〃'(0 . ^n,e("W))卩
(3)完全分布式凸優(yōu)化算法的執(zhí)行
(a) 初始化設(shè)置￡ = 0、 ^ = 0,并且對T', m， e和)分別設(shè)置對應(yīng)的非負(fù)值uo)， ((O),《，,(O)' /m，e(0)。
(b) 低階子優(yōu)化問題求解的執(zhí)行 對于鏈路e:
在時間？ = 1,2，...，鏈路e上
① 接收所有使用鏈路e的接收節(jié)點(diǎn)r的a4。.(0值；
② 從本地處理器中取出/m"0;
③ 更新?lián)砣鷥rp;e(";
④ 將新的p"(i + l)廣播到所有的接收節(jié)點(diǎn)r G i (e)。 對于接收節(jié)點(diǎn)"在時間i-l，2,...,，接收節(jié)點(diǎn)r上-
① 接收到總的網(wǎng)絡(luò)擁塞代價值5:^《,《￡;
② 從本地處理器中取出(W;
③ 更新?lián)砣鷥ra4"i);
更新傳輸消耗《W;
◎?qū)⑿碌摹?W + l)廣播到所裙的鏈路e G P(r)。 (C)高階子優(yōu)化問題求解的執(zhí)行 對于鏈路e:
在時間f-1，2,...，鏈路e上
① 計(jì)算An,e(/m,e(力'))(/叫e(力'))；
② 更新/^(0;
③ 回到低階子優(yōu)化問題求解的執(zhí)行。 低階子優(yōu)化和高階子優(yōu)化執(zhí)行在不同的時間范圍內(nèi)，前者屬于內(nèi)循環(huán)，運(yùn)行于高速的時
間間隔；而后者則屬于外循環(huán)，運(yùn)行于低速時間間隔。直到在低階子優(yōu)化問題的求解中，^達(dá)
到最佳值時，才轉(zhuǎn)到高階子優(yōu)化問題求解的過程中去。
(4)采用上述算法后進(jìn)行性能分析，實(shí)現(xiàn)組播通信最優(yōu)化
① 步長對收斂的影響
圖2給出了在起始狀態(tài)設(shè)置固定步長c^)二0.01，同時在結(jié)束階段步長逐步減小 0^) = ^的情況下，A的速率收斂情況。定義lima(0二0以及E^。"(0-w?？梢钥闯?，
逐步減小的步長使收斂更為平滑，但是它的收斂速度比固定步長慢了許多。例如，要達(dá)到5. 05 的速率，固定步長的算法只需要58次迭代，而逐步減小的步長需要103次迭代。此外，在使 用固定步長時，《的速率只能接近于實(shí)際的最佳值，此處為5.0143;而使用逐步減小的步長 時，/ ,的速率成功地收斂于5。
② 高階子優(yōu)化問題性能
圖3給出了高階子優(yōu)化問題的收斂情況。由于篇幅有限，此處以第一增強(qiáng)層上的路徑
(i^,iV3)、 (iV2，iV3)和(iV3,iV4)舉例。可以看出，因?yàn)榈碗A子優(yōu)化問題的快速收斂，這三條鏈路
都大致在120次迭代后收斂。
14③速率優(yōu)化結(jié)果
圖4給出了在低階子優(yōu)化問題中，在固定步長a^) == O.Ol的情況下，各接收節(jié)點(diǎn)在每一層所 分配到的速率?？梢钥闯?，所有的速率分配在50次迭代后，都達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)。例如，在基 本層,接收節(jié)點(diǎn)&在35次迭代后就達(dá)到 ^優(yōu)速率的10%，并且在119次迭代后收斂于3. 001。 可見，本發(fā)明的速率分配算法有很快的收斂速度。
權(quán)利要求
1.一種可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法，其特征在于采用下述步驟實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶效用的最大化第一，將多速率多徑路由、中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)編碼和網(wǎng)絡(luò)化流量控制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；第二，在選擇最佳組播傳輸路徑和分配各層次視頻流傳輸速率時，兼顧視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題，不僅為每個視頻編碼層尋求代價最小的傳輸網(wǎng)絡(luò)，也同時滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求；第三，采用完全分布式的速率分配算法，即采用拉格朗日對偶方法將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題，既實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)分配，又便于分布式求解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法，其特征在于 所述第一步驟中的聯(lián)合優(yōu)化是每個接收節(jié)點(diǎn)在編碼網(wǎng)絡(luò)中接收各層次視頻流時，同時選 用多條路由路徑；基于這些路徑，將網(wǎng)絡(luò)編碼運(yùn)用在不同接收節(jié)點(diǎn)的交叉路徑上，進(jìn)一步 提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法，其特征在于 所述第二步驟中的兼顧視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題是在選擇路由和進(jìn)行流量分配時， 使最低層的傳輸代價最小，同時保證從低層到高層的傳輸代價依次遞增，以滿足接收端的 解碼要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法，其特征在于所述第三步驟中的完全分布式速率分配算法是利用拉格朗日釋限和對偶方法，將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題，允許每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和每條鏈路利用本地局部信息進(jìn)行速率的動態(tài)調(diào)整和更新，以分布式方式實(shí)現(xiàn)鏈路傳輸速率的全局最優(yōu)化分配；以所有用戶整體效用最大化為目標(biāo)函數(shù)，兼顧可伸縮視頻流解碼的層間依賴關(guān)系，以信息流平衡條件、鏈路容量限制、網(wǎng)絡(luò)編碼條件等為約束函數(shù)，建立多速率組播通信的資源分配凸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；具體方法如下 (1)網(wǎng)絡(luò)模型的建立將網(wǎng)絡(luò)抽象為有向圖G(F,五)，其中K是節(jié)點(diǎn)的集合，分為源節(jié)點(diǎn)集合S、中間節(jié)點(diǎn)集合iV和接收節(jié)點(diǎn)集合及，E是節(jié)點(diǎn)之間鏈路的集合；對于每條鏈路ee五 都對應(yīng)有限的傳輸帶寬Ce;假定可伸縮視頻流在源節(jié)點(diǎn)編碼為肘層^,/2,...,~}，第m層數(shù)據(jù)以速率Bm通過組播組m向|/ m|個接收點(diǎn)分發(fā)；假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到每個接收節(jié)點(diǎn)r都有多條傳 輸路徑尸(。，x"表示接收節(jié)點(diǎn)r在接收第m層數(shù)據(jù)時，第/條路徑上分配的流量大??；厶,e表 示第w層數(shù)據(jù)流在鏈路e上占有的帶寬；矩陣Z'表示鏈路和接收節(jié)點(diǎn)r的傳輸路徑之間的關(guān) 系，其中Zf的元素z^-l表示鏈路e包含于接收節(jié)點(diǎn)r的第j'條傳輸路徑中；采用普遍運(yùn)用的代價函數(shù)p(')，定義為<formula>formula see original document page 3</formula>(2) 建立凸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型目標(biāo)問題P1: <formula>formula see original document page 3</formula>約束條件^ E 4 ■ 〈，J ^ ^'。 Ve e A Vm e M, Vr e2) E /m,e S Ce, Ve e丑；3) E S E P(《+i'》，Vm = 1，….，M 一 1， Vr~ e fi;4) ~ ^ J] 34,) ^ Bm， e M; GWW5) a;" ^ 0， G尸(r); Vm G M, Vr ￡兄優(yōu)化目標(biāo)使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的用戶效用總和最大化； 約束條件1) 規(guī)定每條鏈路上的實(shí)際帶寬消耗量為所有接收節(jié)點(diǎn)在該鏈路上消耗帶寬的最大值；該 條件表示在鏈路上采用網(wǎng)絡(luò)編碼的限制條件，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)在同一鏈路上的資源共享；2) 對應(yīng)于鏈路上帶寬的限制條件；3) 確保各層次視頻流的傳輸代價從低層到高層依次遞增；4) 對應(yīng)于各個接收節(jié)點(diǎn)在每條路徑上的流量限制條件；5) 規(guī)定各個接收節(jié)點(diǎn)在每條路徑上的流量必須大于零； (3) 將原始凸優(yōu)化問題分解為以下低階和高階兩個子優(yōu)化問題 目標(biāo)問題P2a: m^^ize J] EE《,》約束條件!) E & 《,，S Ve e丑，Vm e M, e i ;2) E ^ E U, Vm = 1,…，M - 1， e i .目標(biāo)問題P2b: maximize &m(f)f》0約束條件J] /m，e ^ Ce, Ve e丑.(4)兩個子優(yōu)化問題的分布式求解算法-①低階子優(yōu)化問題——目標(biāo)問題P2a的求解步驟如下:步驟l:定義拉格朗日對偶(釋限)<formula>formula see original document page 4</formula>其中，K,。和《;:是拉格朗日乘子；步驟2:定義拉格朗日對偶函數(shù)g(p,q)mpL(X，p,q)X ;步驟3:定義對偶問題minimize g(p， q)p^0， q^O .步驟4:采用原始-對偶算法，同時更新原始變量和對偶變量，逐步逼近最優(yōu)點(diǎn)，其中W^、 風(fēng)0和7("是正的步長值，卜]+表示取正值的運(yùn)算。<formula>formula see original document page 4</formula>其中，流量分配大小X以及拉格朗日乘子p和q的偏導(dǎo)數(shù)為<formula>formula see original document page 4</formula>②高階子優(yōu)化問題——目標(biāo)問題P2b的求解過程定義&e(/m，e)為滿足目標(biāo)問題P2a中約束條件 《7.《/m，e的最優(yōu)化拉格朗曰乘乂, '子，定義4 = …，/M,e]、 f = [A,…，/E]T以及Fe = J fe /m,e > 0 for all m and Z /m'e ^ Ce卜e e丑， F表示Fe(e G丑)的笛卡爾乘積，于是目標(biāo)問題P2b可由以下的次梯度方法進(jìn)行求解<formula>formula see original document page 5</formula>
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可伸縮視頻流多速率組播通信的最優(yōu)速率分配方法。本發(fā)明采用下述步驟實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶整體效用最大化①本發(fā)明將多速率多徑路由、中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)編碼和網(wǎng)絡(luò)化流量控制進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化，②在選擇最佳組播傳輸路徑和分配各層次視頻流傳輸速率時，兼顧了視頻編碼層的碼流優(yōu)先級問題。一方面，為每個視頻編碼層尋求代價最小的傳輸網(wǎng)絡(luò)；另一方面，同時滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性的需求，③采用一種完全分布式的速率分配算法，即采用拉格朗日對偶方法將原始凸優(yōu)化問題分解為高階和低階兩個子優(yōu)化問題，既實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)分配，又便于分布式求解。網(wǎng)絡(luò)編碼的引入，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量，同時為接收端提供了更佳的視頻質(zhì)量。
文檔編號H04N7/24GK101568026SQ200910052029
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者璐 江, 敏 汪, 沖 譚, 鄒君妮 申請人:上海大學(xué)