[發(fā)明專利]一種基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)視頻碼率自適應(yīng)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010401015.4
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號(hào): CN111431941B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白光偉;肖強(qiáng);沈航;孫鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L29/06
• 分類號(hào): H04L29/06;H04N21/2187;H04N21/239;H04N21/262;H04N21/6373
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種基于移動(dòng)邊緣計(jì)算實(shí)時(shí)視頻碼率自適應(yīng)方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、移動(dòng)客戶端實(shí)時(shí)采集視頻播放用戶的性能參數(shù)，包括視頻播放情況、多媒體網(wǎng)絡(luò)連接情況以及移動(dòng)設(shè)備性能，并將碼率自適應(yīng)任務(wù)進(jìn)行定義；

S2、邊緣服務(wù)器根據(jù)移動(dòng)客戶端采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)，為用戶選擇性能最優(yōu)的任務(wù)調(diào)度策略；

S3、移動(dòng)客戶端根據(jù)所選擇的任務(wù)調(diào)度策略自動(dòng)切換工作模式；

S4、移動(dòng)客戶端根據(jù)接下來一個(gè)迭代期間視頻播放的情況，以及設(shè)備能耗參數(shù)計(jì)算得出當(dāng)前調(diào)度策略的QoE，并將其反饋給邊緣服務(wù)器；

S5、邊緣服務(wù)器根據(jù)移動(dòng)客戶端反饋的任務(wù)模式、環(huán)境狀態(tài)與其選擇該任務(wù)模式后的用戶QoE形成映射表，更新調(diào)度策略狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；當(dāng)下一次有用戶需要進(jìn)行邊緣計(jì)算調(diào)度任務(wù)時(shí)，可在映射表中選擇長期QoE最高的調(diào)度方式；

S6、重復(fù)步驟S1至S5，不斷迭代更新，最終邊緣調(diào)度策略的性能將趨于最優(yōu)；

其中：

所述的步驟S1中，所述視頻播放情況包括平均視頻質(zhì)量、平均質(zhì)量變化幅度、卡頓時(shí)長；所述多媒體網(wǎng)絡(luò)連接情況包括用戶感知吞吐量的均值，用戶感知吞吐量在本次時(shí)間段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差；所述移動(dòng)設(shè)備性能包括設(shè)備i的本地計(jì)算能力和單個(gè)cpu周期的能耗；

所述的步驟S2中，邊緣服務(wù)器根據(jù)客戶端采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)，為用戶選擇性能最優(yōu)的任務(wù)調(diào)度策略，具體操作如下：

S21.根據(jù)所采集的環(huán)境信息將移動(dòng)設(shè)備的碼率自適應(yīng)任務(wù)表示為T_i，表達(dá)式如下：

其中，d_i是用于計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)的大小，包括程序代碼、輸入文件；c_i表示完成此任務(wù)所需的計(jì)算量，該計(jì)算量由cpu周期數(shù)來量化；t_i^max是計(jì)算任務(wù)最大等待時(shí)間，即延遲約束時(shí)長，t_i^max和觀看視頻的類別、網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)程度相關(guān)；

S22.根據(jù)環(huán)境狀態(tài)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣判斷移動(dòng)視頻用戶是否需要調(diào)用邊緣服務(wù)，判斷的依據(jù)為是否使用邊緣計(jì)算后QoE會(huì)高于本地計(jì)算；

S23.確定優(yōu)先級(jí)：為每個(gè)視頻碼率自適應(yīng)任務(wù)確定優(yōu)先級(jí)，邊緣服務(wù)器優(yōu)先為優(yōu)先級(jí)較高的移動(dòng)視頻用戶提供服務(wù)；優(yōu)先級(jí)用于無線資源分配，并由無線通信狀態(tài)、任務(wù)延遲約束、任務(wù)性質(zhì)因素來確定；

S24.分配信道：將信道根據(jù)事先確定的優(yōu)先級(jí)分配給設(shè)備，分配信道時(shí)判斷與原有信道相比能耗是否更低，若能有效降低能耗則更換信道，若否，則保持原狀；

所述的步驟S22中，根據(jù)環(huán)境狀態(tài)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣判斷移動(dòng)視頻用戶是否需要調(diào)用邊緣服務(wù)，具體操作如下：

(1)、設(shè)在MEC服務(wù)器上執(zhí)行其計(jì)算任務(wù)的一類設(shè)備的集合表示為G_R，則延遲約束t_i^max計(jì)算方法如下所示：

上式中，B_k代表視頻緩沖區(qū)的剩余時(shí)間，減去通訊和計(jì)算任務(wù)的總耗時(shí)；d_i是用于計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)的大小，c_i表示完成此任務(wù)所需的計(jì)算量，f₀^R是MEC服務(wù)器的計(jì)算能力，r_i是從設(shè)備i向邊緣服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的上行鏈路速率；

(2)設(shè)在其本地設(shè)備上執(zhí)行其計(jì)算任務(wù)的設(shè)備集合表示為G_L，用于確定屬于這種類型的設(shè)備的條件如下：如果t_i^L≤t_i^max且這表示當(dāng)本地計(jì)算滿足延遲約束，并且設(shè)備能耗低于通過無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)用邊緣服務(wù)時(shí)，將任務(wù)在本地計(jì)算效果更優(yōu)，其中：

其中，d_i是用于計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)的大小，是表示單位數(shù)據(jù)的回程傳輸時(shí)間延遲的系數(shù)，w表示信道帶寬，p_i是移動(dòng)設(shè)備i在單位信道中向邊緣服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的功率，g_i是移動(dòng)用戶i和邊緣服務(wù)器之間的信道增益，σ²是背景噪聲功率；

所述的步驟S23確定優(yōu)先級(jí)具體操作如下：

S231.對于屬于計(jì)算能力不足的設(shè)備G_R，必須在MEC服務(wù)器輔助下才能完成計(jì)算任務(wù)，這類設(shè)備的無線資源分配應(yīng)具有最高優(yōu)先級(jí)；

S232.對于既可以選擇在本地執(zhí)行又可以卸載到邊緣服務(wù)器執(zhí)行的設(shè)備集合G_O中的移動(dòng)客戶端，則應(yīng)指定為不同的優(yōu)先級(jí)，設(shè)備i在無線資源分配過程中的優(yōu)先級(jí)可被定義為：

其中，h_i表示設(shè)備i可訪問的合格渠道數(shù)量，α₁、α₂分別代表權(quán)重因子，取值根據(jù)服務(wù)提供商的喜好來設(shè)置；

所述的步驟S5邊緣服務(wù)器根據(jù)移動(dòng)客戶端反饋的QoE更新調(diào)度策略狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，具體操作如下：

S51.移動(dòng)客戶端根據(jù)視頻播放狀況以及能耗情況計(jì)算出綜合QoE，計(jì)算方式如下：

q＝Q_s,a-λE_s,a

其中，Q_s,a表示狀態(tài)s時(shí)選擇a策略時(shí)的視頻質(zhì)量，與視頻碼率的平穩(wěn)，平均碼率，卡頓率相關(guān)；E_s,a表示選擇該策略時(shí)的移動(dòng)設(shè)備能耗，能耗越高意味著QOE值越低，反之則越高；

S52.移動(dòng)客戶端將步驟S51中得出的綜合QoE發(fā)送給邊緣服務(wù)器；

S53.邊緣服務(wù)器根據(jù)用戶反饋的綜合QoE更新自身狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，更新方法如下：

q_s,a＝q(s,a)+γmax q'(s,a)

其中，γ表示加權(quán)因子，γ取值應(yīng)滿足γ∈(0,1)，γ的取值意味著學(xué)習(xí)算法更多關(guān)注的是即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)還是未來獎(jiǎng)勵(lì)，如果γ趨于0則表示考慮更多的是即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)，反之則表示算法同樣會(huì)關(guān)注未來的的獎(jiǎng)勵(lì)；

S54.不斷重復(fù)上述步驟，然后通過不斷迭代更新Q(s,a)，最終形成一個(gè)相對收斂的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Q；矩陣Q的表達(dá)式如下：

式中s對應(yīng)表示各種不同的環(huán)境狀態(tài)，a表示該設(shè)備在該狀態(tài)下所選擇的邊緣調(diào)度策略，q_sa表示在s狀態(tài)下選擇策略a時(shí)的長期回報(bào)。