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CN104796793B - 机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法 - Google Patents

机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法 Download PDF

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CN104796793B
CN104796793B CN201510197377.5A CN201510197377A CN104796793B CN 104796793 B CN104796793 B CN 104796793B CN 201510197377 A CN201510197377 A CN 201510197377A CN 104796793 B CN104796793 B CN 104796793B
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Abstract

本发明公开了一种机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，包括根据不同的多媒体流和多媒体云端状态，实时判断分析信道质量对丢包率、可解码帧率和峰值信噪比的变化规律，机会式组建满足用户多样性需求的最优化动态多媒体云平台；无线传感器网络中基于画面组分级协作对多媒体流进行重构；根据用户需求、多媒体云平台状态和传感器节点状态给出了多中继‑分级协作传输网络组建方案。该方法充分考虑了多媒体流、多媒体动态云平台和无线传感器网络状态，机会式组建多媒体动态云平台和多中继‑分级协作无线传感器网络，在满足用户的多样性需求的同时提升多媒体流云计算效率、优化多媒体数据编解码复杂度和提高无线传感器网络资源利用率。

Description

机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法
技术领域
本发明涉及多媒体云平台和协作传输方法，特别是涉及一种机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，属于多媒体通信及云计算技术领域。
背景技术
机会网络技术无需维护发送端与目的端节点之间传输路径，充分考虑网络拓扑的动态特性，根据某种因素促发的相遇机会，通过节点自组织构成数据传输网络。而无线传感器网络多媒体通信中，多媒体大数据存储在云平台，传感器节点接收来自云平台的多媒体流。然而在提供多媒体服务时受到自身电源、硬件设备噪声、外界未知环境因素干扰等方面限制，难以解决多媒体流在远距离、长时间和大数据量实时通信时服务质量保障问题。并且多媒体流数据服务还有这些特点：不同多媒体流结构及其对数据存储、数据处理和传输的要求不同；用户需求具有多样性，网络状态是动态变化的。所以以往静态云平台的多媒体流计算方法和单中继单级协作传输方法已无法满足无线传感器网络的多样性多媒体应用的保障需求。鉴于此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，自适应机会式组建满足用户多样性需求的最优化动态多媒体云平台，以及根据用户需求、多媒体云平台状态和传感器节点状态组建多中继-分级协作传输网络。
本发明的技术方案是这样的：一种机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，包括建立机会式多媒体动态云平台，所述建立机会式多媒体动态云平台包括以下步骤：
S01、用户侧需求的多媒体流数据经MPEG算法编码后状态定义为{帧内编码帧,前向预测编码帧,双向预测内插编码帧}，每个多媒体云端状态定义为{剩余存储空间,云端间通信距离,发送功率}；
S02、结合步骤S01中得到的多媒体流数据编码后状态参数值，多媒体流数据与定性参量向量线性计算，得出待发送视频帧；
S03、确定多媒体流数据的优先级，多媒体流数据只包含帧内编码帧时优先级为1，多媒体流数据只包含帧内编码帧和前向预测编码帧时优先级为2，多媒体流数据包含帧内编码帧、前向预测编码帧和双向预测内插编码帧时优先级为3；
S04、用户侧需求注重实时性保障转S05，注重播放质量保障转S06，注重综合性能转S07；
S05、从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率大于3％，则从云端集合中选择1个云端与前述3个云端重建云平台，用于发送优先级为1的多媒体流数据；
S06、从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的5％的云端集合中选择4个云端建立云平台，用于发送优先级为2的多媒体流数据；
S07、从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率小于3％，则去除1个云端并重建云平台；如果误码率大于等于3％并小于等于4％，则从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的6％的云端集合中选择2个云端建立云平台，用于发送优先级为3的多媒体流数据。
进一步的，机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法包括步骤S08、选择NR个中继节点，建立NR-NM分级协作传输网络，所述NM为所述步骤S05、S06或者S07中建立的云平台所包含的云端个数。
进一步的，所述机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法包括步骤S09、发送端节点向NR个候选中继节点和接收端节点发送多媒体数据，对比来自候选中继节点和接收端节点的反馈信息，如果反馈一致，则建立分级协作传输网络；如果反馈不一致，则排除反馈不一致的候选中继节点，剩余候选中继节点建立分级协作传输网络。
进一步的，所述建立分级协作传输网络的中继节点故障时，该中继节点将发送失败的多媒体流数据重构，向邻居节点广播，邻居节点及接收端节点收到广播后向该中继节点反馈，从反馈中选出不在所述NR个候选中继节点的邻居节点代替该中继节点。
进一步的，所述NR是使得信道利用率CN和接收端节点上可解码帧率DFR达到最大时的取值。
优选的，所述所述所述CA为中继网络信道数，所述n为多媒体流数据中视频帧个数，所述m为画面组个数，所述k为视频帧类型个数，所述α、β、γ分别为画面组中帧内编码帧、前向预测编码帧、双向预测内插编码帧与画面组长度比值，所述d为发送端节点至接收端节点距离，所述dl为中继节点间距离。
优选的，所述步骤S05中所述云端的剩余存储空间大于nISI/NM，所述步骤S06中所述云端的剩余存储空间大于(nISI+nPSP)/NM，所述步骤S07中所述云端的剩余存储空间大于(nISI+nPSP+nBSB)/NM，所述nI是多媒体流数据中帧内编码帧个数，所述nP是前向预测编码帧个数，所述nS是双向预测内插编码帧个数，所述SI是帧内编码帧大小，所述SP是前向预测编码帧大小，所述SB是双向预测内插编码帧大小。
本发明所提供的技术方案的有益效果是，采用多媒体动态云端，根据不同的多媒体流和多媒体云端状态，实时判断分析信道质量对丢包率、可解码帧率和峰值信噪比的变化规律，自适应机会式组建满足用户多样性需求的最优化动态多媒体云平台，从而为无线传感器网络提供具有可靠、实时和健壮的多媒体流服务。无线传感器网络中，基于画面组GOP分级协作对来自云平台的多媒体流进行重构；结合中继节点和接收端节点的接收功率建立最优多中继分级协作中继节点集合；根据用户需求、多媒体云平台状态和传感器节点状态给出了多中继-分级协作传输网络组建方案。满足用户的多样性需求、提升多媒体流云计算效率、优化多媒体数据编码和解码复杂度，以及提高无线传感器网络资源利用率。
附图说明
图1为基于机会式多媒体动态云平台和多中继-分级协作无线传感器网络的传输示意图。
图2为误码率对丢包率的影响变化规律示意图。
图3为误码率对可解码帧率的影响变化规律示意图。
图4为误码率对峰值信噪比PSNR的影响变化规律示意图。
图5为多媒体云平台体系结构示意图。
图6为6*5网络部署示意图。
图7为多中继协作通信拓扑示意图。
图8为多中继分级协作传输循环过程示意图。
图9为多媒体应用分层模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
无线传感器网络多媒体通信中，假设M是多媒体数据定量集合，T是M上的多媒体流定性参量集合，如果定量多媒体数据x属于M且是T的随机映射，x对T的确定度f(x)属于区间[0，1]，且具有稳定趋势的随机数，则x在多媒体域M上的分布称为多媒体云端记作M(x)。
在M(x)上，存储了t个视频帧，F＝F1,F2,…,Ft。每个视频帧分别属于帧内编码帧I，前向预测编码帧P和双向预测内插编码帧B类型之一。结合用户需求Ur和多媒体流定性参量向量T，计算出待发送视频帧Fi，根据公式(1)计算得到。
其中，函数h(Fi,T)是对计算对象视频帧结合定性参量进行分析，函数是将用户需求与上述2个分析结论相结合，特别是将视频帧的确定度f(Fi)与定性分析h(Fi,T)相结合，准确地为用户映射流数据。
此外，Tp(Fi)是根据视频帧类型判断其优先级，同时根据计算结果决定多媒体流中包含的帧类型：
(1)Tp(Fi)＝1表明多媒体流中只有包含I帧，此时定义该多媒体流为初级多媒体流S0，优先级为1；
(2)Tp(Fi)＝2表明多媒体流中只有包含I帧和P帧，此时定义该多媒体流为次级多媒体流SL，优先级为2；
(3)Tp(Fi)＝3表明多媒体流中只有包含I帧，P帧和B帧，此时定义该多媒体流为高级多媒体流SH，优先级为3，同时确定度与3种不同级别的多媒体流具有如公式(2)所示关系。
其中，L(S0)L(SL)和L(SH)，分别表示三种级别多媒体流的长度，以数据包为单位，具有如下特点：
(1)被动式标记(上行)：无线传感器网络WSNs上传数据，自适应标记一个云端与其建立直通式服务会话；
(2)主动式按需服务(下行)：根据无线传感器网络WSNs用户需求主动式发送或转发多媒体数据；
(3)异构网络兼容性：可以有线、无线局域网、WSNs，物联网IOT等异构网络实现兼容通信，将其与上层云服务之间建立透明处理模块；
(4)流式云计算资源共享：自适应选择云端多媒体数据为用户提供长时间稳定的流式数据服务；
(5)云端服务可靠性：为用户提供具有高可靠、实时性和鲁棒性的多媒体流服务。
在多媒体通信过程中，定义多媒体云平台状态为{多媒体云端数NM,信噪比SNR,可解码帧数Ndec,数据包数Npacket，误码率Pb}。当各个多媒体云端相互独立且符合高斯分布时，接收端的信噪比可由公式(3)计算得到。
其中，EN为高斯分布期望值，d为发送端节点与接收端节点之间距离。
可解码帧率Ndec可由公式(4)计算得到。
其中，NI，NP和NB分别为I帧，P帧和B帧的个数。
丢包率可由公式(5)计算得到。
PSNR(英文全称为：Peak Signal to Noise Ratio，中文名称为：峰值信噪比)可由公式(6)计算得到。
根据公式(4)，(5)和(6)，分析评价误码率对丢包率、可解码帧率和PSNR的影响，结果如图2、3和4所示。参阅图2，当误码率增大时丢包率随之增大。当多媒体云端规模或通信距离增大时丢包率随之增大。当信道质量好且NM为3时丢包率接近于0。表明，增加多媒体云端数量不会显著改善多媒体通信质量。参阅图3发现，误码率越大可解码帧率越低。当多媒体云端规模或通信距离增大时丢包率也增大。当误码率大于3％且小于4％时，NM和d对SNR(英文全称为：Signal to Noise Ratio，中文名称为：信噪比)影响较小。参阅图4发现，如果误码率大于4％，可通过增加多媒体云端个数平滑PSNR抖动从而为远程通信质量提供有效保障。
综上所述，基于丢包率、可解码帧率和PSNR等性能感知的机会动态多媒体云平台如图5所示，其实施步骤具体如下：
S01、多媒体流数据经MPEG(英文全称为：Moving Picture Experts Group，中文名称为：动态图像专家组)算法编码后定义为{帧内编码帧I,前向预测编码帧P,双向预测内插编码帧B}，多媒体云端状态定义为{剩余存储空间SRi，通信距离dc，发送功率PS}。其中多媒体流状态参数值可在系统初始化后得到，多媒体云端状态参数值可根据云端设备固有属性获取。
S02、结合步骤S01中得到的多媒体流数据编码后状态参数值，多媒体流数据与定性参量向量T线性计算，得出待发送视频帧Fi。
S03、根据计算结果决定多媒体流中包含的帧类型Tp(Fi)确定优先级。Tp(Fi)＝1表明多媒体流中只有包含I帧赋值为1，即优先级为1；多媒体流中只有包含I帧和P帧赋值为2，，即优先级为2；多媒体流中包含I帧，P帧和B帧赋值为3，，即优先级为3。
S04、用户侧需求注重实时性保障转S05，注重播放质量保障转S06，注重综合性能转S07；
S05、从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率大于3％，则从云端集合中选择1个云端与前述3个云端重建云平台，用于发送优先级为1的多媒体流数据；
S06、从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的5％的云端集合中选择4个云端建立云平台，用于发送优先级为2的多媒体流数据；
S07、从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率小于3％，则去除1个云端并重建云平台；如果误码率大于等于3％并小于等于4％，则从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的6％的云端集合中选择2个云端建立云平台，用于发送优先级为3的多媒体流数据。
假设多媒体流中含有n个视频帧，m个GOP(英文全称为：Group of Pictures，中文名称为：画面组)，k个视频帧类型，在WSNs上传输的有效吞吐率可由公式(7)计算得到。
其中，NR为协作节点规模，即中继节点个数，表示接收端正确解码。
由公式(7)可以看出，T(n)与WSNs中参与协作传输的中继节点规模成正比，与多媒体流中的视频帧类型成反比，且与GOP数成正比。因此，采用多中继-分级协作方案传输多媒体流，具有如下几个优势：
(1)通过多中继传输获得空间分集增益；
(2)通过优化多媒体流中视频帧结构，压缩多媒体流规模可获得能量增益，保证实时性；
(3)多中继-分级协作传输可获得远距离、长时间传输可靠性保障。
因此，基于机会多媒体云平台的协作多媒体流定义为{n，m，k}，视频帧特征定义为{α，β，γ}。发送端节点从多媒体云平台上获得多媒体流后，按上述定义重构并发送给NR个中继节点，{S,NR,D}共同构成分级协作传输网络。
每一个中继节点和接收端节点D收到多媒体流后，对其重构并向发送端节点S反馈确认信息。在设计多中继-分级协作传输网络时，对于节点发生故障的检测与协作网络修复方法如下：
(1)通过对比来自NR的反馈与D的反馈，若一致，表明正确接收；
(2)否则，不一致的中继节点必须退出多中继-分级协作网络；
(3)故障节点将发送失败的多媒体流数据按定义重构，向邻居节点广播，邻居节点及D节点收到后向该故障节点反馈，从反馈中选出不在NR中的邻居节点代替该节点；
(4)通过一次重传，保证流数据正确到达D节点，选出替代节点，重构分级协作网络。
综上所述，具体建立中继-分级协作传输网络过程分为三个阶段：
第一阶段：建立NR-NM分级协作节点集合
可由公式(8)得到D节点的接收功率Pr。其中，中继节点的接收功率Pl可由公式(9)得到。
其中，P表示端到端通信的传输功率，β表示路径损耗参数且β＝3。
为了支持并行通信，本方法要求发送功率PS≤Pr(mα+β+γ)/n，其中，αβγ分别为GOP中，I，P和B帧与GOP长度比。
在极限条件下多中继-分级协作网络信噪比如公式(10)所示。
全部传输所用信道利用率可由公式(11)得到。
其中为中继网络中信道数。
可解码帧率DFR可由公式(12)得到。
为了得到最优的NRNM值，给出如下约束条件：
(1)信道利用数达到最大；
(2)节点D上可解码帧率达到最大。
图6给出了一个6*5二维网络拓扑，其中部署了4个多媒体云端和3个中继节点。
第二阶段：多中继协作传输。
每个中继节点将从发送端节点S及对应的多媒体云端，接收到{n，m，k}重构的协作多媒体流，重构独立编码后并行发送给节点D。并行通信时平均发射功率必须小于等于中继节点收到的多媒体流后，不解码、不译码只进行重构，需要传输的帧数为所有中继节点都完成分级协作传输共需2NRNM次。
图7给出了多中继协作传输拓扑。参阅图7发现，机会动态多媒体云平台可以根据用户需求和网络信道实时状态自适应构建。发送端节点S和中继节点可以选择最优多媒体云端规模以便提高多媒体流从云平台到WSNs的下行传输效率和质量。
第三阶段：分级协作解码。
节点D收到来自发送端节点S和NR个中继节点的个数据分组。图8给出了多中继NR-NM分级协作网络的一个构建和动态调整的具体示例。
请参阅图1和9，基于机会式多媒体动态云平台和多中继-分级协作无线传感器网络的多媒体应用分为三层架构：(1)多媒体应用层；(2)云平台层；(3)基础设施层。多媒体服务的云计算方法和系统的实施步骤具体如下：
S01、多媒体流数据经MPEG(英文全称为：Moving Picture Experts Group，中文名称为：动态图像专家组)算法编码后定义为{帧内编码帧I,前向预测编码帧P,双向预测内插编码帧B}，多媒体云端状态定义为{剩余存储空间SRi，通信距离dc，发送功率PS}。其中多媒体流状态参数值可在系统初始化后得到，多媒体云端状态参数值可根据云端设备固有属性获取。
S02、结合步骤S01中得到的多媒体流数据编码后状态参数值，多媒体流数据与定性参量向量T线性计算，得出待发送视频帧Fi。
S03、根据计算结果决定多媒体流中包含的帧类型Tp(Fi)确定优先级。Tp(Fi)＝1表明多媒体流中只有包含I帧赋值为1，即优先级为1；多媒体流中只有包含I帧和P帧赋值为2，，即优先级为2；多媒体流中包含I帧，P帧和B帧赋值为3，，即优先级为3。
S04、用户侧需求注重实时性保障转S05，注重播放质量保障转S06，注重综合性能转S07；
S05、从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率大于3％，则从云端集合中选择1个云端与前述3个云端重建云平台，用于发送优先级为1的多媒体流数据；
S06、从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的5％的云端集合中选择4个云端建立云平台，用于发送优先级为2的多媒体流数据；
S07、从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率小于3％，则去除1个云端并重建云平台；如果误码率大于等于3％并小于等于4％，则从满足云端间通信距离小于发送端节点与接收端节点间距离的6％的云端集合中选择2个云端建立云平台，用于发送优先级为3的多媒体流数据；
S08、选择NR个中继节点，建立NR-NM分级协作传输网络；
S09、发送端节点向NR个候选中继节点和接收端节点发送多媒体数据，对比来自候选中继节点和接收端节点的反馈信息，如果反馈一致，则建立分级协作传输网络；如果反馈不一致，则排除反馈不一致的候选中继节点，剩余候选中继节点建立分级协作传输网络。
S10、建立分级协作传输网络的中继节点故障时，该中继节点将发送失败的多媒体流数据重构，向邻居节点广播，邻居节点及接收端节点收到广播后向该中继节点反馈，从反馈中选出不在所述NR个候选中继节点的邻居节点代替该中继节点。
S11、通过一次重传，保证流数据正确到达接收端节点D，选出替代节点，重构分级协作网络。
S12、多中继NR-NM分级协作解码。接收端节点D收到来自发送端节点S和NR个中继节点的个数据分组，经过解调、解码、MPEG解码后播放多媒体流。
本发明通过实时感知信道质量、无线传感器网络状态，多媒体云端和传感器节点状态，机会式构建多媒体动态云平台，自适应规划多中继-分级协作传输网络，从而为不同网络环境下的多媒体应用提供健壮性、鲁棒性、实时性、能量效率和计算效率等方面的综合保障。

Claims (7)

1.一种机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于，包括建立机会式多媒体动态云平台，所述建立机会式多媒体动态云平台包括以下步骤：
S01、用户侧需求的多媒体流数据经MPEG算法编码后状态定义为{帧内编码帧,前向预测编码帧,双向预测内插编码帧}，每个多媒体云端状态定义为{剩余存储空间,云端间通信距离,发送功率}；
S02、结合步骤S01中得到的多媒体流数据编码后状态参数值，多媒体流数据与定性参量向量线性计算，得出待发送视频帧；
S03、确定多媒体流数据的优先级，多媒体流数据只包含帧内编码帧时优先级为1，多媒体流数据只包含帧内编码帧和前向预测编码帧时优先级为2，多媒体流数据包含帧内编码帧、前向预测编码帧和双向预测内插编码帧时优先级为3；
S04、用户侧需求注重实时性保障转S05，注重播放质量保障转S06，注重综合性能转S07；
S05、从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率大于3％，则从云端集合中选择1个云端与前述3个云端重建云平台，用于发送优先级为1的多媒体流数据；
S06、从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的5％的云端集合中选择4个云端建立云平台，用于发送优先级为2的多媒体流数据；
S07、从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的10％的云端集合中选择3个云端建立云平台，计算云平台误码率，如果误码率小于3％，则去除1个云端并重建云平台；如果误码率大于等于3％并小于等于4％，则从满足云端间通信距离小于发送端与接收端间距离的6％的云端集合中选择2个云端建立云平台，用于发送优先级为3的多媒体流数据。
2.根据权利要求1所述的机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于，包括步骤：
S08、选择NR个中继节点，建立NR-NM分级协作传输网络，所述NM为所述步骤S05、S06或者S07中建立的云平台所包含的云端个数。
3.根据权利要求2所述的机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于，包括步骤：
S09、发送端节点向NR个候选中继节点和接收端节点发送多媒体数据，对比来自候选中继节点和接收端节点的反馈信息，如果反馈一致，则建立分级协作传输网络；如果反馈不一致，则排除反馈不一致的候选中继节点，剩余候选中继节点建立分级协作传输网络。
4.根据权利要求2或3所述的机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于：所述建立分级协作传输网络的中继节点故障时，该中继节点将发送失败的多媒体流数据重构，向邻居节点广播，邻居节点及接收端节点收到广播后向该中继节点反馈，从反馈中选出不在所述NR个候选中继节点的邻居节点代替该中继节点。
5.根据权利要求2或3所述的机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于：所述NR是使得信道利用率CN和接收端节点上可解码帧率DFR达到最大时的取值。
6.根据权利要求5所述的机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于：所述所述2≤ρ≤5，所述CA为中继网络信道数，所述n为多媒体流数据中视频帧个数，所述m为画面组个数，所述k为视频帧类型个数，所述α、β、γ分别为画面组中帧内编码帧、前向预测编码帧、双向预测内插编码帧与画面组长度比值，所述d为发送端节点至接收端节点距离，所述dl为中继节点间距离。
7.根据权利要求1所述的机会式多媒体动态云平台和多中继分级协作的传输方法，其特征在于：所述步骤S05中所述云端的剩余存储空间大于nISI/NM，所述步骤S06中所述云端的剩余存储空间大于(nISI+nPSP)/NM，所述步骤S07中所述云端的剩余存储空间大于(nISI+nPSP+nBSB)/NM，所述nI是多媒体流数据中帧内编码帧个数，所述nP是前向预测编码帧个数，所述nS是双向预测内插编码帧个数，所述SI是帧内编码帧大小，所述SP是前向预测编码帧大小，所述SB是双向预测内插编码帧大小。
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