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基于LTE资源块感知的自适应无线流媒体系统.docx
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基于LTE资源块感知的自适应无线流媒体系统.docx
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1 引言
随着移动互联网技术的迅猛发展,截至 年,全球移动视频流业务数据
占据了全球移动数据的 以上,在人们的生活、娱乐、安防领域扮演着越来
越重要的角色
。为了满足爆炸式增长的通信量需求,网络提供商推出了 蜂
窝网服务,其能提供 的峰值下行速率,然而在用户拥塞的情况下视
频播放 体验仍然不是很令人满意。有调研结果显示,在 网络拥塞的情
况下,移动视频播放的平均卡顿时间长达
。
上述两种现象是矛盾的:视频质量的提升远不及带宽水平的提升,说明视
频流应用未充分利用 带宽,即带宽低估;视频播放卡顿则是带宽高估造成
的。其根本原因在于:视频流应用无法准确估计当前可用网络带宽和应对未来
带宽的波动,这个问题在端到端时延较大的移动通信网络中尤为显著。
学术界及工业界对基于移动互联网下的流媒体自适应技术开展了大量研究
工作,参考文献针对 流媒体业务提出了基于缓冲区等级自适应的码率
切换算法,但对缓冲区等级的判定未作讨论;参考文献针对具有不同流量特
征业务的服务质量需求,根据用户缓冲区以及基站硬件资源的使用情况,通过
缩减基站使用带宽以降低系统通信能耗;参考文献结合不同视频类型设计了
相应的用户体验质量效用函数,使用强化学习算法训练模型 ,实现频数类
型相适应的码率自适应算法。
为充分挖掘 网络应用场景中流媒体业务物理层频谱资源,本文提出了
利用软件定义无线电( !"#$%$ $%#"%,&'()技术手段将频谱资源探
测落实到 资源块颗粒度的感知上,结合自适应流媒体技术,让用户在
网络环境下获得流畅且尽可能高质量的视频观看体验。
2 系统方案
本文基于 的自适应流媒体协议(%)"*"%"+,$#$"-,$#
,'&)下的视频服务,用户设备上的 '& 视频客户端根据网络带宽
状况,向视频服务器请求合适码率的视频分片。通常来说,'&客户端需要
根据其下载的视频分片的下载速率来估计当前可用带宽。然而,由于 网络
中存在较大的端到端时延,使用下载速率作为可用带宽的估计可能会极大地低
估网络带宽,除非视频分片足够大以至于能完全占用端到端的带宽。另一方面,
'&根据历史带宽记录预测未来的带宽, 网络带宽的波动性,可能造成
带宽高估进而导致视频播放卡顿。
为了解决上述挑战,本文对 物理层的网络带宽利用情况进行了深入探
究。由于在指定的一段时间区间内对于指定的 基站,用于下行链路传输的
可用无线资源总是已知的,网络带宽端到端的瓶颈在于接入链路
.
,因此 网
络的特征决定了解决该问题的关键在于下行链路的接入带宽。
根据以上分析,本文提出了基于 资源块感知的自适应无线流媒体系统,
该系统基于以客户端为中心的视频传输架构,其中视频传输架构兼 容 /0
'& ( ,- +*1#$ $2+$# -#1+0%)"* "%"+,$ #$"- ,$#
)标准,该指定 基站服务场景中的用户设备能监测小区内的物理层资
源利用情况并实时将其映射为潜在可用网络带宽。
系统提出的资源监测机制利用 用户设备实现精确、有效的频谱感知能
力。通常获取资源占用情况的直接方法是解码基站的全部控制信号,然而这种
方法效率低且可扩展性差,它要求每个用户一直监测控制信道并解码发送给所
有其他用户的控制信息,而当前 标准下的纠错机制无法保证用户能正确解
码全部控制信息。本系统基于软件定义无线电技术,利用 资源架构在时域
与频域分布有序的特点来解决该问题,用户通过检测 信号能量来判断资源
块利用情况,无须解码发送给其他用户的下行链路控制信息。在获得物理层剩
余可用的 资源块比率后,系统按比例将下载速率映射为潜在可用带宽,这
个带宽值将被应用层用来进行码率自适应。从 '&用户的角度来看,为了保
证视频在最短卡顿时间的同时最大程度地提高带宽利用率,自适应逻辑模块需
要准确地预测将来的带宽变化情况,以实现视频质量和播放卡顿间的折中。
3 关键理论与技术
/0'&
为了让用户得到更加多元化的服务并保证用户得到与自身当前的网络状况
和终端性能相适应的视频服务,在 流的基础上衍生出自适应 流。
现有主流的自适应流技术,即苹果公司的 &(3,$#$"-)、微软
公司的 &4&#$"-和 %$的 '&(%)"*#$"-),
彼此互不兼容,无法实现技术互通。为了解决这一割裂的局面, /组织与
/ 联合提出了 /0'& 协议。
/0'&技术框架包括流媒体服务器与 '&客户端,流媒体服务器
负责存储和管理 '& 媒体内容并响应客户端的 媒体服务请求;'&
客户端负责以标准 与服务器交互,获取 和解析媒体表示描述( $%"
+#$$"%$*#+,')文件、构建与管理媒体文件下载请求、解码
和输出媒体内容,同时也负责响应事件,实现与流媒体服务相关的应用。首先
媒体内容部署在流媒体服务器上,按内容的存储方式分为 ' 与媒体分片文件
两部分。当用户发起内容播放请求时,客户端首先向服务器请求、下载与解析
' 文件,获取节目码率等信息,然后根据实际的网络带宽情况向服务器请求
某种码率的媒体分片文件。在视频的播放过程中,客户端会根据带宽情况选择
不同码率的媒体分片以实现自适应切换
。
是由 / 组织制定的 5& 技术标准的长期演进。系统引入了
67'(正交频分复用)和 86(多输入多输出)等关键技术,显著增加了
频谱效率和数据传输速率。根据双工方式不同, 系统分为 7''0(频分
复用)和 ''0(时分复用),二者的主要技术区别在空口的物理层(帧结
构、时分设计、同步等)上。
下行信道被分为固定的时间帧,其时间长度为 。每个时间帧被
分为 个子帧,分别为 且包括两个时隙()。基站使用 67'技
术来传输子帧,其中子帧在时间和空间上将无线电资源分割成网格,每个网格
(占据 9:;..<)被称为一个资源单元(()。基站的一个物理资源
块((=)包含多个资源单元。每个 (=占据时域上半个子帧和频域上 个
67' 子载波(9:)
。
基于用户的信道条件和通信量需求,基站动态地分配无重叠的 (= 集给不
同用户,资源分配策略是网络提供商制定的。
基于 = 与 5&( 的软件无线电平台
软件无线电这个无线通信的新概念是在 >> 年由 ?$+43" 正式提出
的。它是一种可重构或者可重新编程的无线电系统,即可在其系统硬件不变更
的情况下,在具体的应用中通过软件加载来完成需要的功能。这一思想的提出
和发展是为了解决无线通信领域出现的多种标准间激烈竞争、多种体系并存的
难题。
软件无线电已有多种开源及商业的系统可用于通信系统开发和原型设计,
例如开源软件包 /@5("%(开源软件无线电)和 5&((1,$#"3 !"#$
#"%+$#+4$#"3,通用软件无线电外设)组成的基于 的软件无线电系统平
台。在由 = 和 5&( 组成的软件无线电平台里,低速率基带信号的处理
由 = 负责,5&( 则作为无线电通信系统中射频前端和数字中频的部分,
负责对高速率信号进行处理。5&(@ 体系结构如图 所示。5&(@
体系结构如图 所示,5&( 的结构体系中包括由负责高速率数字信号处理的
7/、负责数模信号之间相互转换的 ' 与 ' 器件等组成的母板以及负责
处理射频信号的射频子板。从图 A可以看到,在实际的发送过程中, 将已经
处理好的低速率基带信号通过控制芯片送到 5&( 板上,其中 7/ 对信号进
行可变速率的梳状内插,把信号从基带移至数字中频,实现数字上变频功能,
然后经过 ' 器件的转换,转入模拟域,再由射频子板进行模拟域的上变频,
将信号从中频移到射频,最后经实际环境把射频信号发送出去。接收端完成的
是一个基本相反的信号处理流程
>
。
4 系统设计
系统框架
基于 资源块感知的自适应无线流媒体系统框架如图 所示,其主要包
含两个部分:'& 服务器和用户终端。
图 1
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