异构环境下大型自适应视频组播方法优化研究

论文题目: 异构环境下大型自适应视频组播方法优化研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 管理科学与工程

作者: 王晖

导师: 沙基昌

关键词: 分层视频组播,整体效能,自组织代理,视频流量模型,可伸缩性视频转换编码

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来,随着Internet宽带网络的大规模普及和网络视频服务需求不断增长,视频组播技术由于具有高效的多点数据传送功能,在远程教育、分布视频会议、数字视频监控以及实时视频分发等领域得以广泛的应用。但随着视频组播应用规模的扩展,组播网络和接收者性能的动态异构性急剧增大,视频组播服务质量难以保证和管理控制复杂等自适应性问题成为学术界和工业界关注和研究的热点和难点。尤其是在大型视频组播应用方面,无论在理论上,还是在实际应用中都有许多问题尚待解决或完善。因此,对异构环境下的大型自适应视频组播方法进行优化研究具有十分重要的意义。本文围绕大型自适应视频组播方法优化展开了多个方面的研究。通过对目前具有代表性的视频组播应用自适应方法的分类、关键技术和自适应性能的分析与评价,发现绝大多数研究是以小规模的视频组播应用为背景,以局部性能指标的提升为目标展开研究。针对这一问题,本文分析和归纳了自适应视频组播应用系统整体效能模型,以整体效能最大化为目标,提出了一个可扩展的层次化分布求解方法,可获得视频组播应用系统中各个会话的优化带宽、优化的分层数量和各层次优化的发送速率。该方法可解决大规模视频组播应用中集中式自适应控制与决策所引发的反馈内爆、单点失效和实时性能较差等问题。通过计算复杂度分析和实验,证明该分布求解方法具有计算复杂度低、实时性能好、易于实现等优点。针对端点自适应方法和基于静态配置代理的应用自适应方法无法满足大型视频组播扩展性、动态性和复杂性要求这一难点问题,本文提出了一个基于自组织代理的视频组播层次化自适应体系HALVM。该体系综合了代理的动态自组织协议和可伸缩性视频转换编码技术,将复杂的大型视频组播应用系统的动态自适应问题分解为层次化的小型视频组播应用子系统,由发送者、接收者和层次化代理分布完成自适应功能,是一个扩展性能好、管理与控制效率高的自适应解决方案。代理的位置和功能如何动态配置和管理是HALVM的关键和难点问题。本文在研究和分析了视频组播原始拓扑结构特点的基础上,利用共享丢失模型,提出了一个代理动态自组织协议SL-SOAP。该协议首次引入了多视频组播会话代理的逻辑组成,提出了多个视频组播会话代理中代理进程的优化定位方法,并对协议的控制报文和转移状态进行了详细的定义和设计。可伸缩性视频转换编码算法是层次化代理自适应机制的核心组成。好的转换编码算法不仅要满足拥塞速率控制的要求,而且要使分层视频组播流中的增强层数据以率失真优化的方式进行截断,以提高接收者的接收效能。本文对可伸缩三维小波编码算法MC-EZBC实时性能和质量进行了改进,在此基础上,重点研究了MC-EZBC转换编码的联合率失真目标函数和优化算法,提出了率失真优化的MC-EZBC转换编码分层速率控制方法。对比实验结果表明,采用了联合率失真优化后的码率控制方法比原有的按顺序截断方法可提高平均视频质量PSNR 0.3-0.5dB。针对分层视频组播仿真和评价中缺乏能够反映可伸缩性视频编码流量统计特性的视频流量模型问题,本文采用马尔科夫调制的一阶自回归方法首次对MPEG-FGS编码的基层和增强层流量统计特性进行建模,并在网络仿真器NS-2中加以实现。仿真验证结果表明:本文提出的MPEG-4 FGS流量模型能够较好地拟合真实视频流的流量特性。在此基础上,本文设计并实现了一个基于MPEG-4 FGS流量模型的层次化速率控制方法,并对分层视频组播协议RLM的收敛时间、丢包率和平均吞吐量等性能进行了仿真,通过与层次化CBR

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 立题背景

1.1.1 IP 组播的特点

1.1.2 大型视频组播应用中存在的异构性问题

1.1.3 自适应视频组播方法

1.2 本文研究的问题：异构环境下大型自适应视频组播方法优化研究

1.3 本文的主要工作及创新

1.4 论文结构

第二章视频组播应用自适应方法研究

2.1 视频组播应用自适应问题

2.2 应用自适应方法

2.2.1 端点自适应方法

2.2.2 基于代理的应用自适应方法

2.2.3 混合应用自适应方法

2.3 综合分析与评价

2.3.1 自适应关键技术

2.3.2 自适应性能评价指标

2.3.3 分析与评价

2.4 小结

第三章自适应视频组播应用系统效能分析与优化

3.1 视频组播应用系统模型描述

3.1.1 接收者效能函数定义

3.1.2 系统模型描述

3.1.3 系统整体效能最大化问题

3.2 层次化分解与描述

3.2.1 系统整体效能最大化问题的层次化分解

3.2.2 系统整体效能最大化问题的层次化描述

3.3 分布求解方法

3.3.1 第0层会话效能最大化问题求解方法

3.3.2 通过某瓶颈链路的新视频组播应用系统整体效能最大化问题求解方法

3.4 小结

第四章基于自组织代理的大型视频组播层次化自适应体系HALVM

4.1 HALVM概述

4.1.1 层次化自适应体系

4.1.2 视频组播会话管理

4.2 发送端自适应功能

4.3 接收端自适应功能

4.3.1 包丢失事件率的测算

4.3.2 往返时间的测算

4.4 层次化代理自适应功能

4.5 可伸缩性视频编码及其转换编码算法

4.5.1 可伸缩性视频编码在HALVM 中的作用

4.5.2 可伸缩性视频转换编码算法

4.6 基于共享丢失模型的代理自组织协议

4.7 HALVM的可行性分析

4.7.1 HALVM 管理可行性分析

4.7.2 HALVM 经济可行性分析

4.7.3 HALVM 法律可行性分析

4.8 小结

第五章基于共享丢失模型的代理自组织协议SL-SOAP

5.1 代理自组织协议概述

5.1.1 HSRM 的托管节点动态维护机制

5.1.2 转换编码器自组织方法SOT

5.1.3 分析与评价

5.2 共享丢失模型与组形成协议GFP

5.2.1 共享丢失模型

5.2.2 组形成协议GFP

5.2.3 分析与评价

5.3 代理自组织协议SL-SOAP

5.3.1 SL-SOAP 协议模型

5.3.2 SL-SOAP 协议描述

5.3.3 SL-SOAP 协议状态转移描述

5.4 小结

第六章率失真优化的可伸缩性视频转换编码算法研究

6.1 可伸缩性视频转换编码算法设计要求

6.2 率失真优化的PFGS转换编码算法OPTRANS-1

6.3 小波视频编码MC-EZBC的可伸缩性研究

6.3.1 MC-EZBC 简介

6.3.2 MC-EZBC 的全伸缩性能分析

6.4 MC-EZBC编码算法的性能优化

6.4.1 编码性能参数的选择

6.4.2 性能优化评价

6.5 率失真优化的MC-EZBC转换编码算法OPTRANS-2

6.5.1 MC-EZBC 码率控制策略

6.5.2 OpTrans-2 码率控制优化要求

6.5.3 OpTrans-2 联合率失真目标

6.5.4 OpTrans-2 联合率失真求解

6.5.5 OpTrans-2 码率控制性能分析

6.5.6 OpTrans-2 的层次编码方法

6.6 算法性能分析与评价

6.7 小结

第七章可伸缩性视频流量建模与分层视频组播性能仿真

7.1 分层视频组播仿真评价中的视频流量模型概述

7.1.1 层次化恒定速率（CBR）流量模型

7.1.2 抽象的通用层次化流量模型

7.1.3 单一层次的VBR 视频流量模型

7.2 可伸缩性视频编码FGS的流量建模

7.2.1 单一场景的FGS 视频流量模型

7.2.2 具有频繁场景切换的FGS 视频流量模型

7.3 FGS视频流量模型仿真验证

7.3.1 仿真验证的拓扑结构与剧情

7.3.2 仿真验证结果

7.4 基于FGS流量模型的视频组播仿真评价

7.4.1 基于FGS 流量模型的层次化速率控制方法

7.4.2 仿真实验

7.5 小结

第八章结论

致谢

参考文献表

附录一：攻读博士学位期间发表的论文

附录二：缩略词表

发布时间: 2006-09-14

参考文献

[1].下一代互联网中IP组播的研究[D]. 黄奎.中国科学院研究生院（软件研究所）2005
[2].互联网的IP组播与泛播通信机制研究[D]. 郑健平.中国科学院研究生院（软件研究所）2005
[3].大规模组通信组播技术研究[D]. 刘志峰.国防科学技术大学2005
[4].移动IPv6关键技术研究[D]. 万征.浙江大学2006
[5].移动互联网的组播研究[D]. 吴茜.清华大学2006
[6].下一代互联网服务保障关键技术研究[D]. 刘文红.北京交通大学2007
[7].移动互联网的组播切换算法研究[D]. 张晖.北京交通大学2008

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