[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

CN111866601B - 一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法 - Google Patents

一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111866601B
CN111866601B CN202010703956.3A CN202010703956A CN111866601B CN 111866601 B CN111866601 B CN 111866601B CN 202010703956 A CN202010703956 A CN 202010703956A CN 111866601 B CN111866601 B CN 111866601B
Authority
CN
China
Prior art keywords
multicast
group
user
utility
server
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010703956.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111866601A (zh
Inventor
谭小彬
李思敏
徐磊
王顺义
杨坚
郑烇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology of China USTC
Original Assignee
University of Science and Technology of China USTC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology of China USTC filed Critical University of Science and Technology of China USTC
Priority to CN202010703956.3A priority Critical patent/CN111866601B/zh
Publication of CN111866601A publication Critical patent/CN111866601A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111866601B publication Critical patent/CN111866601B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
    • H04N21/60—Network structure or processes for video distribution between server and client or between remote clients; Control signalling between clients, server and network components; Transmission of management data between server and client, e.g. sending from server to client commands for recording incoming content stream; Communication details between server and client 
    • H04N21/63—Control signaling related to video distribution between client, server and network components; Network processes for video distribution between server and clients or between remote clients, e.g. transmitting basic layer and enhancement layers over different transmission paths, setting up a peer-to-peer communication via Internet between remote STB's; Communication protocols; Addressing
    • H04N21/64—Addressing
    • H04N21/6405—Multicasting
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
    • H04N21/60—Network structure or processes for video distribution between server and client or between remote clients; Control signalling between clients, server and network components; Transmission of management data between server and client, e.g. sending from server to client commands for recording incoming content stream; Communication details between server and client 
    • H04N21/63—Control signaling related to video distribution between client, server and network components; Network processes for video distribution between server and clients or between remote clients, e.g. transmitting basic layer and enhancement layers over different transmission paths, setting up a peer-to-peer communication via Internet between remote STB's; Communication protocols; Addressing
    • H04N21/647—Control signaling between network components and server or clients; Network processes for video distribution between server and clients, e.g. controlling the quality of the video stream, by dropping packets, protecting content from unauthorised alteration within the network, monitoring of network load, bridging between two different networks, e.g. between IP and wireless
    • H04N21/64723—Monitoring of network processes or resources, e.g. monitoring of network load
    • H04N21/64738—Monitoring network characteristics, e.g. bandwidth, congestion level
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
    • H04N21/60—Network structure or processes for video distribution between server and client or between remote clients; Control signalling between clients, server and network components; Transmission of management data between server and client, e.g. sending from server to client commands for recording incoming content stream; Communication details between server and client 
    • H04N21/63—Control signaling related to video distribution between client, server and network components; Network processes for video distribution between server and clients or between remote clients, e.g. transmitting basic layer and enhancement layers over different transmission paths, setting up a peer-to-peer communication via Internet between remote STB's; Communication protocols; Addressing
    • H04N21/647—Control signaling between network components and server or clients; Network processes for video distribution between server and clients, e.g. controlling the quality of the video stream, by dropping packets, protecting content from unauthorised alteration within the network, monitoring of network load, bridging between two different networks, e.g. between IP and wireless
    • H04N21/64746—Control signals issued by the network directed to the server or the client
    • H04N21/64761—Control signals issued by the network directed to the server or the client directed to the server
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
    • H04N21/60—Network structure or processes for video distribution between server and client or between remote clients; Control signalling between clients, server and network components; Transmission of management data between server and client, e.g. sending from server to client commands for recording incoming content stream; Communication details between server and client 
    • H04N21/63—Control signaling related to video distribution between client, server and network components; Network processes for video distribution between server and clients or between remote clients, e.g. transmitting basic layer and enhancement layers over different transmission paths, setting up a peer-to-peer communication via Internet between remote STB's; Communication protocols; Addressing
    • H04N21/647—Control signaling between network components and server or clients; Network processes for video distribution between server and clients, e.g. controlling the quality of the video stream, by dropping packets, protecting content from unauthorised alteration within the network, monitoring of network load, bridging between two different networks, e.g. between IP and wireless
    • H04N21/64784—Data processing by the network
    • H04N21/64792—Controlling the complexity of the content stream, e.g. by dropping packets

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

本发明提出一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，包括：步骤1、移动用户将各自的信道质量及缓冲区状态报告给各自连接的基站，而基站继续将这些信息上报给边缘服务器，进而边缘服务器依据这些信息将用户分为多个组播组；步骤2、组播组作为一个整体参与组播组间的合作博弈，组播服务器根据合作博弈解进行带宽资源的分配；组播要求组内组播相同的内容，故而组内码率决策一致，通过合作博弈达成各组间资源分配和码率决策的帕累托最优解，即在不降低其他组效用的情况下，不能增加本组的效用；步骤3、组播服务器完成区域内的视频内容分发任务，并判断视频内容是否分发完毕，若已完成全部内容的分发，则结束，若还未完成，则回到步骤1继续循环。

Description

一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法。
背景技术
移动边缘计算(MEC)是近年新兴的解决方案，它将网络的计算和存储能力下沉到用户侧，即网络边缘处，以此来提供低时延、高可靠、大带宽的网络服务。特别地，用户端通过底层缓存减少对核心网络资源的重复访问，也能有效减少网络拥塞和访问延迟。网络边缘对视频流量的需求日益增加，如何有效利用边缘网络的场景，构建自适应视频架构，逐渐成为一个有价值的议题。
目前常见的自适应视频码率选择方法有如下几种：
早些年有研究提出了基于纯客户端的自适应视频算法，该方法是在普通网络场景下，客户端依据不同的算法，自主选择视频码率的方法。如客户端依据本地缓冲区占用水平决定自适应码率的方法，通过带宽预测进行自适应选择的方法，综合考虑缓冲区占用水平及带宽情况的SQUAD框架，以及基于非合作博弈的自适应算法，可以将有限的服务器输出带宽最优地分配给用户。然而仅客户端驱动的方法可能会导致“自私”的行为，在多用户状态下竞争资源时可能会产生不公平的结果，另外，由于缺乏协调也可能会导致网络资源利用不够充分。
因此，有研究提出了基于合作博弈的自适应视频流方法，通过协同用户行为以提高视频服务质量。该研究通过联盟形成博弈，将用户划分成不同的联盟，进而通过联盟剩余利益的再分配，达成网络资源分配的帕累托最优解，有效提升了网络资源的利用率和公平性。该研究未依托特殊的网络场景，而是在普通服务器-用户网络场景下进行的，联盟之间存在着较大的通信开销。
在移动边缘场景下，传统的无线基站被升级为能承担更多任务的智能化基站，有助于用户之间的通信协作，有的研究通过在边缘服务器上部署转码服务器，根据内容流行度及视频访问频率来主动缓存视频源流，在边缘用户请求内容时，根据多用户的需求及信道条件分别转交不同质量的视频。有的研究在多无线接入点的情况下，根据负载均衡策略决定边缘设备到边缘服务器的映射，然后在保证不发生播放中断的前提下，选择用户体验质量最佳的视频流。这些研究大多关注在边缘计算场景下如何最大限度地利用网络资源，对于用户之间的公平性，以及对用户视频内容请求的聚合(如组播)等特性并未深入研究。
发明内容
由于非边缘计算场景下的码率决策算法存在通信代价大，实施困难的问题，且现有的视频码率选择方法一般仅以客户端驱动，客户端无法获得网络状态信息因此难以实现对网络资源的充分利用，并且客户端决策时一般都是最大化自身收益，也影响了用户之间视频服务质量的公平性。因此，本发明提出一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，依据用户的缓冲区及信道状态，将多媒体广播单频网络(MBSFN)区域内的视频用户分成多个组播组，由于同一组播组的用户状态相近，故同一组播组采用同一码率，相同的视频内容仅需在组内进行一次交付传递，且仅需从源服务器取回一次，提高了内容交付的效率，减轻了回程链路负载；组播组之间通过合作博弈决策组内码率，资源分配，有效保证了多用户的公平性。
本发明的技术方案为一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，包括如下步骤：
步骤1、移动用户将各自的信道质量及缓冲区状态报告给各自连接的基站，而基站继续将这些信息上报给边缘服务器，进而边缘服务器依据这些信息将用户分为多个组播组；
步骤2、组播组作为一个整体参与组播组间的合作博弈，组播服务器根据合作博弈解进行带宽资源的分配；组播要求组内组播相同的内容，故而组内码率决策一致，通过合作博弈达成各组间资源分配和码率决策的帕累托最优解，即在不降低其他组效用的情况下，不能增加本组的效用；
步骤3、组播服务器完成区域内的视频内容分发任务，并判断视频内容是否分发完毕，若已完成全部内容的分发，则结束，若还未完成，则回到步骤1继续循环该过程。
进一步的，该方法适用的移动边缘网络场景为：在交换机处部署边缘服务器和多播服务器，上述服务器具有计算能力和缓存能力，连接着其下辖的多媒体广播单频网络MBSFN范围内的多个基站，组播单频网络内包含一个或多个组播组，能有效消除相邻MBSFN小区的传输干扰，基站下连接着众多的无线设备，同时该交换机还与其它交换机相互连接，该边缘服务器能够与其他区域的边缘服务器进行代价通信，最终边缘服务器连接到存储视频资源的源服务器，边缘服务器通过与源服务器的连接接收视频数据。
进一步的，多播服务器收集区域内用户的无线链路质量及内容的组播，边缘服务器负责用户分组、无线资源分配、码率决策的计算任务，另外边缘服务器上存在缓存模块，根据视频流行度及缓存替换策略决定流行内容的缓存与替换，当本组内查询已有内容时，直接为本组提供缓存，另外还能向周围边缘服务器提供已缓存的内容。
进一步的，所述步骤1中，边缘服务器依据这些信息将用户分为多个组播组，具体包括：
步骤1.1、计算分组信息
在分组时共同考虑CQI与客户端缓冲区的影响，对于信道质量，考虑信道质量及信道质量的历史状态信息，以表示信道质量和信道质量状态的变化的影响，分别用CQI和CQS来表示这两个因素，CQS的公式如(1)所示，其中a为参数，CQIt-1表示上一时刻的CQI；客户端缓冲区状态考虑两个信息：一是缓冲区缓存大小，用BT表示，以秒为单位，表示缓冲区缓存片段的时间长度；二是缓冲区缓存的平均码率，用BR表示，以Mbps为单位，设某用户共缓存K个片段，lk为其缓存的第k个片段的码率，其中1≤k≤K，每个片段的时间间隔均为ΔT，则BR计算公式如(2)所示。
Figure BDA0002593988640000031
Figure BDA0002593988640000032
步骤1.2、进行聚类
对于这N个用户，需要将其分为M个组播组，M由边缘服务器端设定，每个循环都需要重新进行分组，每个用户的信息为一个四维向量fi，fi＝(CQIi，CQSi，BTi，BRi)，i为用户序号；聚类算法的输入为给定N个用户的状态信息数据集[f1，f2，...，fn]，使用聚类算法将其分成M个组。
进一步的，所述步骤2中，当分组完成后，边缘服务器作为这M个组的协调代理，通过这M个组之间合作博弈的计算，完成资源分配及码率决策的任务，并由组播服务器对各组组播内容，采用纳什议价模型来解决合作博弈解的问题。
进一步的，用户集合为[1，2，...N]，组播组集合为[1，2，..，M]；一个组播服务器下有大小为Bt的带宽，带宽大小是能够时变的，将带宽共同分配给M个组；所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤2.1、用户效用计算，用户效用即为用户体验质量qoe，第i个用户下载第k个片段的效用用ui(k)表示，该效用由视频片段质量、质量切换和播放中断组成；qi(k)为用户i下载第k个片段时的码率，而size(qi(k))是第k个片段的存储空间大小，xi为用户i分配的带宽，δk为第k个片段下载前的缓冲区状态，单位是秒，a1，a2，a3，r均为大于0的参数，a1，a2，a3代表视频片段质量、质量切换和播放中断这三项在用户效用中的比重，r取0.6；
ui(k)＝qoei(k) (3)
Figure BDA0002593988640000041
步骤2.2、组播组效用计算
组播组效即该组播组的效用函数um，xm表示第m个组占用的带宽，
Figure BDA0002593988640000042
作为用户i是否在组m内的标志，0代表已连接，1代表未连接,Bt即组播服务器下的总带宽，对于基站下连接的各用户效用取对数，带宽作为分母，a4是带宽分母的权重参数，以衡量带宽成本；效用函数um如公式(5)所示，公式(6)和(7)为组效用的限制条件；
Figure BDA0002593988640000043
Figure BDA0002593988640000044
Figure BDA0002593988640000045
步骤2.3、构建纳什议价模型；
步骤2.4、求解KKT条件得到资源调度与码率决策方法。
进一步的，所述步骤2.3、构建纳什议价模型具体如下：
为解决带宽分配和码率决策问题，将其建模为一个纳什议价问题，令
Figure BDA0002593988640000046
为可能的协议集合空间，xm为组m经协议分配得到的带宽，um(xm)为用户基于空间
Figure BDA0002593988640000047
得到的效用，
Figure BDA0002593988640000048
为用户的分歧点空间集合；定义空间
Figure BDA0002593988640000049
为用户所有可能效用的集合，如公式(8)所示；
Figure BDA00025939886400000410
定义分歧点的效用集合为公式(9)所示。
Figure BDA00025939886400000411
纳什议价结果
Figure BDA00025939886400000412
必须满足以下4条公理，才能成为有效的议价结果：
1)帕累托最优；
2)对称性；
3)等价效用表示的不变性；
4)无关替代独立性。
存在一个满足以上四条公理的独立解
Figure BDA00025939886400000413
并能满足公式(10)及其限制条件(11)(12)(13)所示的优化问题，公式(11)的含义即分配给所有组的带宽不超过总带宽Bt，(12)的含义即所述的设备i是否在组m内的标志，0代表已连接，1代表未连接，(13)的含义即用户效用um需大于等于分歧点效用ym，求出的解即为纳什议价结果：
Figure BDA0002593988640000051
Figure BDA0002593988640000052
Figure BDA0002593988640000053
um≥ym，m＝1，2，...，M。 (13)
进一步的，所述步骤2.4、求解KKT条件得到资源调度与码率决策方法，具体如下：
使用拉格朗日乘子法解决纳什议价求解问题，借助连乘积的对数形式，将(10)所示的优化问题转化为公式(14)所示的最小化对数和问题，其余限制条件同(11)(12)(13)；然后设拉格朗日乘子为λ，μm，1≤m≤M，使用拉格朗日乘子法将优化目标(14)和限制条件(11)、(13)构造成拉格朗日函数L，如公式(15)所示，而该问题求解的KKT条件为(16a-g)，(16a)表示拉格朗日函数取极值时梯度为0，是求解优化问题的必要条件，(16b-c)是由(11)、(13)转化而来的不等式约束条件，(16d-e)为拉格朗日系数约束条件,拉格朗日系数非负，(16f)即(12)所示的约束条件，(16g)是拉格朗日的松弛互补约束条件，最终求解该拉格朗日函数和KKT条件即求得纳什议价解；
Figure BDA0002593988640000054
Figure BDA0002593988640000055
Figure BDA0002593988640000056
Figure BDA0002593988640000057
ym-um≤0，m＝1，2，...，M (16c)
λ≥0 (16d)
μm≥0 (16e)
Figure BDA0002593988640000058
μm(ym-um)＝0，m＝1，2，...，M。 (16g)
有益效果：
本发明提出了一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法。本发明解决了传统视频码率选择方法仅以客户端驱动，对网络资源的利用不够充分，多用户间的资源分配不够公平，缺乏实际的网络场景依托，通信代价大，实施困难等问题；由于采用了组播技术，各组内传播给各客户端的码率一致，同一组播组采用同一码率，相同的视频内容仅需从源服务器取回一次，实现了在网络边缘侧的内容聚合，尤其是对流行度高的大流量视频内容的聚合，大大减少了对核心网络的重复访问，减轻了回程链路负载，对于缓解核心网络流量拥堵也有一定帮助；另一方面，合作博弈算法保证了多用户之间的公平性，对于边缘网络来说，由于加强了边缘协作，边缘网络资源的利用也更加充分。
附图说明
图1：本发明的方法流程图；
图2：本发明网络场景示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明主要流程如图1所示，一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，包括如下步骤：
步骤1、首先，移动用户将各自的信道质量及缓冲区状态报告给各自连接的基站，而基站继续将这些信息上报给边缘服务器，进而边缘服务器依据这些信息将用户分为多个组播组；
步骤2、组播组作为一个整体参与组播组间的合作博弈，组播服务器根据合作博弈解进行带宽资源的分配；组播要求组内组播相同的内容，故而组内码率决策一致，通过合作博弈达成各组间资源分配和码率决策的帕累托最优解，即在不降低其他组效用的情况下，不能增加本组的效用；
步骤3、组播服务器完成区域内的视频内容分发任务，并判断视频内容是否分发完毕，若已完成全部内容的分发，则结束程序，若还未完成，则回到步骤1继续循环该过程。
进一步的，首先介绍本发明所采用的移动边缘网络场景。本发明在交换机处部署边缘服务器和多播服务器，这些服务器具有计算能力和一定的缓存能力，连接着其下辖的多媒体广播单频网络(MBSFN)范围内的多个基站，组播单频网络内包含一个或多个组播组，能有效消除相邻MBSFN小区的传输干扰，基站下连接着众多的无线设备，同时该交换机还与其它交换机相互连接，也就意味着该区域边缘服务器可以与其他区域的边缘服务器进行代价较小的通信，如相互交流缓存等。最终边缘服务器连接到存储视频资源的源服务器，边缘服务器通过与源服务器的连接接收视频数据，具体架构如图2所示。
其中，多播服务器收集区域内用户的无线链路质量及内容的组播，边缘服务器负责用户分组、无线资源分配、码率决策等计算任务，另外边缘服务器上存在缓存模块，根据视频流行度及缓存替换策略决定流行内容的缓存与替换，当本组内查询已有内容时，可以直接为本组提供缓存，除此之外，还可以向周围边缘服务器提供已缓存的内容。
下面详细介绍各个步骤的具体内容。
所述步骤1、进行组播组分组
组播分组任务由边缘服务器计算完成，由于各客户端的视频内容是由组播服务器下发的，因此组播服务器保存有客户端的视频缓存信息，并且客户端的信道状态对于组播服务器来说是可知的，之后再由组播服务器将相关信息发送给边缘服务器进行分组计算。下面介绍分组计算的一般方法：
步骤1.1、计算分组信息
由于用户体验质量与视频码率质量是正相关的，而视频码率与客户端信道质量(CQI)是正相关的，同时用户体验质量还受到视频质量切换、播放中断的影响，因此在分组时共同考虑CQI与客户端缓冲区的影响。对于信道质量，考虑信道质量及信道质量的历史状态信息，以表示信道质量和信道质量状态的变化的影响，分别用CQI和CQS来表示这两个因素，CQS的公式如(1)所示，其中a为参数，CQIt-1表示上一时刻的CQI。客户端缓冲区状态考虑两个信息：一是缓冲区缓存大小，用BT表示，以秒为单位，表示缓冲区缓存片段的时间长度；二是缓冲区缓存的平均码率，用BR表示，以Mbps为单位，设某用户共缓存K个片段，lk为其缓存的第k个片段的码率，其中1≤k≤K，每个片段的时间间隔均为ΔT，则BR计算公式如(2)所示。
Figure BDA0002593988640000071
Figure BDA0002593988640000072
步骤1.2、进行聚类
对于这N个用户，需要将其分为M个组播组，M是可以变化的常数，由边缘服务器端设定。由于客户端可能是移动的，CQI可能是时变的，故每个循环都需要重新进行分组。每个用户的信息为一个四维向量fi，fi＝(CQIi，CQSi，BTi，BRi)，聚类算法的输入为给定N个用户的状态信息数据集[f1，f2，...，fn]，使用聚类算法将其分成M个组。
步骤2、资源分配与码率决策
当分组完成后，边缘服务器作为这M个组的协调代理，通过这M个组之间合作博弈的计算，完成资源分配及码率决策的任务，并由组播服务器对各组组播内容。采用纳什议价模型来解决合作博弈解的问题。
用户集合为[1，2，...N]，组播组集合为[1，2，..，M]。一个组播服务器下有大小为Bt的带宽，带宽大小可以是时变的，将带宽共同分配给M个组。
该问题的的解决方法如下：
步骤2.1、用户效用计算用户效用即用户QoE，公式如(3)和(4)所示。用户效用即为用户qoe，用户在下载片段k时的效用由视频片段质量、质量切换和播放中断组成。qi(k)为用户i下载第k个片段时的码率，而size(qi(k))是第k个片段的存储空间大小，xi为用户i分配的带宽，δk为第k个片段下载前的缓冲区状态，单位是秒，a1，a2，a3，r均为大于0的参数，a1，a2，a3代表视频片段质量、质量切换和播放中断这三项在用户效用中的比重，r一般取0.6。
ui(k)＝qoei(k) (3)
Figure BDA0002593988640000081
步骤2.2、组播组效用计算
即该组播组的效用函数um。xm表示第m个组占用的总带宽，
Figure BDA0002593988640000082
作为设备i是否在组m内的标志，0代表已连接，1代表未连接,Bt即上文提到的组播服务器下的总带宽，且该带宽可以是时变的。对于基站下连接的各用户效用取对数，以达到比例公平的效果，带宽作为分母，a4是带宽分母的权重参数，以衡量带宽成本。效用函数um如公式(5)所示，公式(6)和(7)为组效用的限制条件。
Figure BDA0002593988640000083
Figure BDA0002593988640000084
Figure BDA0002593988640000085
步骤2.3、构建纳什议价模型
为解决带宽分配和码率决策问题，本发明将其建模为一个纳什议价问题，令
Figure BDA0002593988640000086
为可能的协议集合空间，xm为组m分配得到的协议带宽，um(xm)为用户基于空间
Figure BDA0002593988640000087
得到的效用，
Figure BDA0002593988640000088
为用户的分歧点(无协议点)空间集合。定义空间
Figure BDA0002593988640000089
为用户所有可能效用的集合，如公式(8)所示。
Figure BDA00025939886400000810
定义分歧点的效用集合为公式(9)所示。
Figure BDA00025939886400000811
纳什议价结果
Figure BDA00025939886400000812
必须满足以下4条公理，才能成为有效的议价结果：
1)帕累托最优；
2)对称性；
3)等价效用表示的不变性；
4)无关替代独立性。
存在一个满足以上四条公理的独立解
Figure BDA0002593988640000091
并能满足公式(10)及其限制条件(11)(12)(13)所示的优化问题，公式(11)的含义即分配给所有组的带宽不超过总带宽Bt，(12)的含义即上文所述的设备i是否在组m内的标志，0代表已连接，1代表未连接，(13)的含义即用户效用um需大于等于分歧点效用ym，求出的解即为纳什议价结果：
Figure BDA0002593988640000092
Figure BDA0002593988640000093
Figure BDA0002593988640000094
um≥ym，m＝1，2，...，M (13)
步骤2.4、求解KKT条件得到资源调度与码率决策方法：使用拉格朗日乘子法解决纳什议价求解问题。首先由于优化目标含有连乘的形式，故借助连乘积的对数形式，将(10)所示的优化问题转化为公式(14)所示的最小化对数和问题，其余限制条件同(11)(12)(13)。然后设拉格朗日乘子为λ，μm，1≤m≤M，使用拉格朗日乘子法将优化目标(14)和限制条件(11)、(13)构造成拉格朗日函数L，如公式(15)所示，而该问题求解的KKT条件为(16a-g)，(16a)表示拉格朗日函数取极值时梯度为0，是求解优化问题的必要条件，(16b-c)是由(11)、(13)转化而来的不等式约束条件，(16d-e)为拉格朗日系数约束条件，拉格朗日系数非负，(16f)即(12)所示的约束条件，(16g)是拉格朗日的松弛互补约束条件，最终求解该拉格朗日函数和KKT条件即求得纳什议价解。
Figure BDA0002593988640000095
Figure BDA0002593988640000096
Figure BDA0002593988640000097
Figure BDA0002593988640000098
ym-um≤0，m＝1，2，...，M (16c)
λ≥0 (16d)
μm≥0 (16e)
Figure BDA0002593988640000099
μm(ym-um)＝0，m＝1，2，...，M (16g)
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、移动用户将各自的信道质量及缓冲区状态报告给各自连接的基站，而基站继续将这些信息上报给边缘服务器，进而边缘服务器依据这些信息将用户分为多个组播组；
步骤2、组播组作为一个整体参与组播组间的合作博弈，组播服务器根据合作博弈解进行带宽资源的分配；组播要求组内组播相同的内容，故而组内码率决策一致，通过合作博弈达成各组间资源分配和码率决策的帕累托最优解，即在不降低其他组效用的情况下，不能增加本组的效用；
其中，用户集合为[1，2，...N]，组播组集合为[1，2，..，M]；一个组播服务器下有大小为Bt的带宽，带宽大小是能够时变的，将带宽共同分配给M个组；所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤2.1、用户效用计算，用户效用等于用户体验质量qoe，如公式(3)所示，第i个用户下载第k个片段的效用用ui(k)表示，该效用由视频片段质量、质量切换和播放中断组成；qi(k)为用户i下载第k个片段时的码率，而size(qi(k))是第k个片段的存储空间大小，xi为用户i分配的带宽，δk为第k个片段下载前的缓冲区状态，单位是秒，a1，a2，a3，r均为大于0的参数，a1，a2，a3代表视频片段质量、质量切换和播放中断这三项在用户效用中的比重，r取0.6；
ui(k)＝qoei(k) (3)
Figure FDA0003126063920000011
步骤2.2、组播组效用计算
组播组效即该组播组的效用函数um，xm表示第m个组占用的带宽，
Figure FDA0003126063920000012
作为用户i是否在组m内的标志，0代表已连接，1代表未连接，Bt即组播服务器下的总带宽，对于基站下连接的各用户效用取对数，带宽作为分母，a4是带宽分母的权重参数，以衡量带宽成本；效用函数um如公式(5)所示，公式(6)和(7)为组效用的限制条件；
Figure FDA0003126063920000013
Figure FDA0003126063920000014
Figure FDA0003126063920000015
步骤2.3、构建纳什议价模型；
步骤2.4、求解KKT条件得到资源调度与码率决策方法；
步骤3、组播服务器完成区域内的视频内容分发任务，并判断视频内容是否分发完毕，若已完成全部内容的分发，则结束，若还未完成，则回到步骤1继续循环该过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于：
该方法适用的移动边缘网络场景为：在交换机处部署边缘服务器和组播服务器，上述边缘服务器和组播服务器具有计算能力和缓存能力，连接着其下辖的多媒体广播单频网络MBSFN范围内的多个基站，组播单频网络内包含一个或多个组播组，能有效消除相邻MBSFN小区的传输干扰，基站下连接着众多的无线设备，同时该交换机还与其它交换机相互连接，该边缘服务器能够与其他区域的边缘服务器进行通信，最终边缘服务器连接到存储视频资源的源服务器，边缘服务器通过与源服务器的连接接收视频数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于：
组播服务器收集区域内用户的无线链路质量及内容的组播，边缘服务器负责用户分组、无线资源分配、码率决策的计算任务，另外边缘服务器上存在缓存模块，根据视频流行度及缓存替换策略决定流行内容的缓存与替换，当本组内查询已有内容时，直接为本组提供缓存，另外还能向周围边缘服务器提供已缓存的内容。
4.根据权利要求1所述的一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于：所述步骤1中，边缘服务器依据这些信息将用户分为多个组播组，具体包括：
步骤1.1、计算分组信息
在分组时共同考虑CQI与客户端缓冲区的影响，对于信道质量，考虑信道质量及信道质量的历史状态信息，以表示信道质量和信道质量状态的变化的影响，分别用CQI和CQS来表示这两个因素，CQS的公式如(1)所示，其中a为参数，CQIt、CQIt-1分别表示当前时刻和上一时刻的CQI；客户端缓冲区状态考虑两个信息：一是缓冲区缓存大小，用BT表示，以秒为单位，表示缓冲区缓存片段的时间长度；二是缓冲区缓存的平均码率，用BR表示，以Mbps为单位，设某用户共缓存K个片段，lk为其缓存的第k个片段的码率，其中1≤k≤K，每个片段的时间间隔均为ΔT，则BR计算公式如(2)所示：
Figure FDA0003126063920000031
Figure FDA0003126063920000032
步骤1.2、进行聚类
对于这N个用户，需要将其分为M个组播组，M由边缘服务器端设定，每个循环都需要重新进行分组，每个用户的信息为一个四维向量fi，fi＝(CQIi，CQSi，BTi，BRi)，i为用户序号；聚类算法的输入为给定N个用户的状态信息数据集[f1，f2，...，fn]，使用聚类算法将其分成M个组。
5.根据权利要求1所述的一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于：所述步骤2中，当分组完成后，边缘服务器作为这M个组的协调代理，通过这M个组之间合作博弈的计算，完成资源分配及码率决策的任务，并由组播服务器对各组组播内容，采用纳什议价模型来解决合作博弈解的问题。
6.根据权利要求5所述的一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于：所述步骤2.3、构建纳什议价模型具体如下：
为解决带宽分配和码率决策问题，将其建模为一个纳什议价问题，令
Figure FDA00031260639200000310
为可能的协议集合空间，xm为组m经协议分配得到的带宽，X为所有组经协议分配得到的带宽集合，um(xm)为用户基于空间
Figure FDA0003126063920000033
得到的效用；
Figure FDA0003126063920000034
为用户的分歧点空间集合，ym为组m经在无协议情况下分配得到的带宽，Y为所有组在无协议情况下分配得到的带宽集合，定义空间
Figure FDA0003126063920000039
为用户所有可能效用的集合，如公式(8)所示；
Figure FDA0003126063920000035
定义分歧点的效用集合为公式(9)所示：
Figure FDA0003126063920000036
纳什议价结果
Figure FDA0003126063920000037
必须满足以下4条公理，才能成为有效的议价结果：
1)帕累托最优；
2)对称性；
3)等价效用表示的不变性；
4)无关替代独立性；
存在一个满足以上四条公理的独立解
Figure FDA0003126063920000038
并能满足公式(10)及其限制条件(11)(12)(13)所示的优化问题，公式(11)的含义即分配给所有组的带宽不超过总带宽Bt，(12)的含义即设备i是否在组m内的标志，0代表已连接，1代表未连接，(13)的含义即用户效用um需大于等于分歧点效用ym，求出的解即为纳什议价结果：
Figure FDA0003126063920000041
Figure FDA0003126063920000042
Figure FDA0003126063920000043
um≥ym，m＝1，2，...，M (13)。
7.根据权利要求6所述的一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法，其特征在于：所述步骤2.4、求解KKT条件得到资源调度与码率决策方法，具体如下：
使用拉格朗日乘子法解决纳什议价求解问题，借助连乘积的对数形式，将(10)所示的优化问题转化为公式(14)所示的最小化对数和问题，其余限制条件同(11)(12)(13)；然后设拉格朗日乘子为λ，μm，1≤m≤M，使用拉格朗日乘子法将优化目标(14)和限制条件(11)、(13)构造成拉格朗日函数L，如公式(15)所示，而该问题求解的KKT条件为(16a-g)，(16a)表示拉格朗日函数取极值时梯度为0，是求解优化问题的必要条件，(16b-c)是由(11)、(13)转化而来的不等式约束条件，(16d-e)为拉格朗日系数约束条件，拉格朗日系数非负，(16f)即(12)所示的约束条件，(16g)是拉格朗日的松弛互补约束条件，最终求解该拉格朗日函数和KKT条件即求得纳什议价解；
Figure FDA0003126063920000044
Figure FDA0003126063920000045
Figure FDA0003126063920000046
Figure FDA0003126063920000047
ym-um≤0，m＝1，2，...，M (16c)
λ≥0 (16d)
μm≥0 (16e)
Figure FDA0003126063920000048
μm(ym-um)＝0，m＝1，2，...，M (16g)。
CN202010703956.3A 2020-07-21 2020-07-21 一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法 Active CN111866601B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010703956.3A CN111866601B (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010703956.3A CN111866601B (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111866601A CN111866601A (zh) 2020-10-30
CN111866601B true CN111866601B (zh) 2021-10-22

Family

ID=73001782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010703956.3A Active CN111866601B (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111866601B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113194362B (zh) * 2021-04-30 2022-09-02 中国科学技术大学 边缘计算场景中视频组播分组和码率决策方法
CN113037876B (zh) * 2021-05-25 2021-08-24 中国人民解放军国防科技大学 基于合作博弈的云下行任务边缘节点资源分配方法
CN113329266B (zh) * 2021-06-08 2022-07-05 合肥工业大学 一种基于有限用户视角反馈的全景视频自适应传输方法
CN114339311B (zh) * 2021-12-09 2022-10-11 北京邮电大学 一种视频云转码及分发联合决策方法及系统
CN114386795A (zh) * 2021-12-28 2022-04-22 中国电子技术标准化研究院华东分院 一种基于评审任务的multi-agent双随机分发的方法和系统
CN114630183B (zh) * 2022-03-17 2024-03-26 东南大学 一种基于可伸缩性编码的边缘设备缓存方法及评估方法
CN115755609B (zh) * 2022-11-18 2024-07-26 江西科骏实业有限公司 基于合作博弈的群系统控制方法、系统及介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101516065A (zh) * 2009-03-18 2009-08-26 东南大学 适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法
CN104780567A (zh) * 2015-04-10 2015-07-15 大连大学 一种卫星网络流量控制方法
CN107689859A (zh) * 2017-08-29 2018-02-13 广西大学 基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法
CN108600998A (zh) * 2018-04-09 2018-09-28 东北大学 超密度蜂窝与d2d异构融合网络缓存优化决策方法
CN108881324A (zh) * 2018-09-21 2018-11-23 电子科技大学 一种SDN网络的DoS攻击分布式检测与防御方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180284741A1 (en) * 2016-05-09 2018-10-04 StrongForce IoT Portfolio 2016, LLC Methods and systems for industrial internet of things data collection for a chemical production process
CN108990159B (zh) * 2018-07-12 2023-04-07 东南大学 移动边缘计算系统中基于分层博弈的联合资源分配方法
CN110177310A (zh) * 2019-06-28 2019-08-27 三星电子（中国）研发中心 一种内容分发系统和方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101516065A (zh) * 2009-03-18 2009-08-26 东南大学 适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法
CN104780567A (zh) * 2015-04-10 2015-07-15 大连大学 一种卫星网络流量控制方法
CN107689859A (zh) * 2017-08-29 2018-02-13 广西大学 基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法
CN108600998A (zh) * 2018-04-09 2018-09-28 东北大学 超密度蜂窝与d2d异构融合网络缓存优化决策方法
CN108881324A (zh) * 2018-09-21 2018-11-23 电子科技大学 一种SDN网络的DoS攻击分布式检测与防御方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Markov Decision Process Based Wireless Multicast Opportunistic Routing;Dianbo Ma et al;《Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference》;20140915;5509-5514 *
On using cooperative game theory to solve the wireless scalable video multicasting problem;Su Luo et al;《2013 IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC)》;20140306;318-323 *
基于LTE网络的DASH视频组播技术研究;袁亚雄;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20181015(第10期);I136-364 *
基于P4的HTTP网内缓存方案及其实现;詹昱辰 等;《数据与计算发展前沿》;20200615(第03期);75-86 *
基于合作博弈的网格资源分配;李志洁 等;《大连理工大学学报》;20071115(第06期);909-913 *
基于网络选择的视频通信带宽博弈算法;魏淑芝 等;《通信学报》;20150225(第02期);216-224 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111866601A (zh) 2020-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111866601B (zh) 一种基于合作博弈的移动边缘场景中的视频码率决策方法
CN109684075B (zh) 一种基于边缘计算和云计算协同进行计算任务卸载的方法
CN109857546B (zh) 基于Lyapunov优化的多服务器移动边缘计算卸载方法及装置
CN111246586B (zh) 一种基于遗传算法的分配智能电网资源的方法及系统
CN112860350A (zh) 一种边缘计算中基于任务缓存的计算卸载方法
CN110717300B (zh) 面向电力物联实时在线监测业务的边缘计算任务分配方法
CN102857548B (zh) 一种移动云计算资源优化配置方法
CN111669444A (zh) 基于边缘计算的云游戏服务质量增强方法及系统
CN105191209A (zh) 一种缓存的视频点播流和尽力而为流联合调度的体验感知质量的系统和方法
CN104168318A (zh) 一种资源服务系统及其资源分配方法
CN115002113B (zh) 一种移动基站边缘计算力资源调度方法、系统、电子设备
CN111475274A (zh) 云协同多任务调度方法及装置
CN108848395B (zh) 基于果蝇优化算法的边缘协作缓存布置方法
CN113407249B (zh) 一种面向位置隐私保护的任务卸载方法
CN111405587B (zh) 基于信道定价的虚拟无线网络资源分配方法
CN111182495A (zh) 一种5g车联网部分计算卸载方法
CN106954232A (zh) 一种时延优化的资源分配方法
CN109831796A (zh) 无线网络虚拟化中的资源分配方法
CN112804361A (zh) 一种面向内容协作缓存的边缘联盟博弈方法
CN115629873A (zh) 车路云协同任务卸载与任务队列稳定性控制系统和方法
CN116939866A (zh) 一种基于协同计算和资源分配联合优化的无线联邦学习效率提升方法
CN114466023B (zh) 面向大规模边缘计算系统的计算服务动态定价方法及系统
CN114938372B (zh) 一种基于联邦学习的微网群请求动态迁移调度方法及装置
CN113194362B (zh) 边缘计算场景中视频组播分组和码率决策方法
Alsarhan et al. Spectrum sharing in multi-service cognitive network using reinforcement learning

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant