[发明专利]可伸缩视频流多速率组播通信的最优速率分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可伸缩视频流多速率组播通信的最优速率分配方法，包括分发网络的构建、链路速率的分配、多路径路由以及分布式算法设计等内容。为了实现异构网络环境中用户整体效用的最大化，结合多速率多径路由、网络编码技术和网络流量控制等方法，为每个视频编码层寻求传输代价最小的分配网络，以满足了可伸缩视频编码层间依赖性的需求。

技术背景

多速率组播技术因其能适应不同用户的需求以及时变的网络环境，成为了异构网络中视频内容分发的重要技术之一。从源端编码的角度来看，原始数据的分层或分级编码，例如JVT/MPEG组织制定的可伸缩视频编码(SVC，Scalable Video Coding)标准，允许视频以多个速率进行传输和编码，逐步提高视频质量，通过在编、解码器以及网络中间节点的速率匹配，以得到更高效的率失真性能。

可伸缩视频编码流包含了一个基本层和多个增强层，这些灵活多维的层结构在空间分辨率、时域帧速率以及视频的重建质量上提供了多个接入点。在以多速率组播的方式传输SVC流时，由不同的IP组播组传递各个SVC层，每个接收节点按其不同的处理能力以及不同的链路容量加入一定数量的组播组，从而得到同一内容在不同尺度组合下的视频图像。

现在的流量控制方案，往往基于架构确定的树状或网状分发网络，并且通过源点驱动进行拥塞控制，不适用于动态变化的异构网络结构。本发明对传输网络分层利用率的最大化进行了研究，其中每个接收点都有多条路径可供选择。另外，本发明提出的基于网络编码技术的多速率组播方案能够提高网络的传输性能以及视频流的质量。

现有的网络性能优化方案主要集中于端与端的资源分配，在研究网络利用率最大化的问题时，没有充分地考虑视频编码层间的优先级。本发明对可伸缩视频编码的层间依赖性进行了研究，以及如何将这一性质与多路径视频流和基于网络编码的路由相结合，从而达到最佳网络性能。

网络编码可以实现单源多汇组播的最大流通信。现有的速率分配方案都通过网络编码技术来提高分层组播的吞吐量，但这些方案主要关注于整个网络吞吐量的最大化或接收端接收到的视频层数数量的最大化，仅仅将问题简化为一个整数线性规划问题，忽略了用户视频接收效用的最大化以及可伸缩视频编码的层间依赖性问题。

发明内容  本发明的目的在于针对可伸缩视频流多速率组播通信中往往忽略层间依赖性以及视频编码层代价值的两个问题，而提供一种可伸缩视频流多速率组播通信的最优速率分配方法。为实现异构网络环境下的用户整体效用最大化，提供一种完全分布式的速率分配算法，有效地利用了网络的带宽资源，并且通过网络编码的引入，不仅提高了网络整体吞吐量，同时也为接收端提供了更佳的视频质量。

为达到上述目的，本发明的构思是：将多速率多径路由、中继节点的网络编码和网络化流量控制技术进行了联合优化，并且在选择最佳组播传输路径和分配各层次视频流传输速率时，兼顾了视频编码层的码流优先级问题。一方面，为每个视频编码层寻求代价最小的传输网络；另一方面，同时满足可伸缩视频编码层间依赖性的需求。此外，本发明还提出了一种完全分布式的速率分配算法，采用拉格朗日对偶方法将原始凸优化问题分解为高阶和低阶两个子优化问题，既实现了资源的最优分配，又便于分布式求解。

一种可伸缩视频流多速率组播通信的最优速率分配方法，其特征在于根据上述发明构思，采用下述步骤实现异构网络环境中用户效用的最大化：第一，将多速率多径路由、中继节点的网络编码和网络化流量控制进行联合优化；第二，在选择最佳组播传输路径和分配各层次视频流传输速率时，兼顾视频编码层的码流优先级问题，不仅为每个视频编码层寻求代价最小的传输网络，也同时满足可伸缩视频编码层间依赖性的需求；第三，采用完全分布式的速率分配算法，即采用拉格朗日对偶方法将原始凸优化问题分解为高阶和低阶两个子优化问题，既实现资源的最优分配，又便于分布式求解。

上述第一步骤中的联合优化是：每个接收节点在编码网络中接收各层次视频流时，同时选用多条路由路径；基于这些路径，将网络编码运用在不同接收节点的交叉路径上，进一步提高网络的吞吐量。

上述第二步骤中的兼顾视频编码层的码流优先级问题是：在选择路由和进行流量分配时，使最低层的传输代价最小，同时保证从低层到高层的传输代价依次递增，以满足接收端的解码要求。