LTE核心網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作式視頻緩存研究.pdf

1、作為向下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(4G)過渡中的代表性設(shè)計(jì)，3GPP LTE技術(shù)近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)擁有了廣泛的部署。伴隨著新型移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的完善帶來(lái)的無(wú)線帶寬和數(shù)據(jù)速率的大幅度提高，面向移動(dòng)用戶的在線視頻業(yè)務(wù)也得到了爆炸性的增長(zhǎng)。據(jù)Cisco2012年白皮書預(yù)計(jì)，在未來(lái)的五年中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中視頻相關(guān)的流量將增長(zhǎng)16倍，并將占據(jù)整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)流量的66％以上。
　　 3GPP LTE核心網(wǎng)絡(luò)不同于前幾代通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)

2、傳輸服務(wù)都采用全數(shù)據(jù)包交換的方式，通過內(nèi)部的GTP協(xié)議提供用戶終端設(shè)備與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的連接。然而，在這種簡(jiǎn)單的“中繼”式的傳輸中，所有的數(shù)據(jù)請(qǐng)求需要經(jīng)過整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)到達(dá)Internet，這樣不僅帶來(lái)巨大的網(wǎng)絡(luò)延遲，而且會(huì)產(chǎn)生額外的跨網(wǎng)費(fèi)用。尤其是對(duì)于數(shù)據(jù)量要求很大的視頻服務(wù)來(lái)說，這樣的延遲和跨網(wǎng)費(fèi)用都將是難以承受的。顯然，將高訪問量的視頻緩存在離用戶更近的核心網(wǎng)絡(luò)中，將會(huì)在提高用戶體驗(yàn)的同時(shí)大大降低移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供商的運(yùn)營(yíng)成本。

3、而進(jìn)一步的分析表明，LTE核心網(wǎng)絡(luò)的中層服務(wù)網(wǎng)關(guān)通常是由處理能力強(qiáng)大的服務(wù)器組成，具備進(jìn)行視頻緩存的硬件條件。本文基于這樣的觀點(diǎn)，對(duì)LTE核心網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作式視頻緩存問題進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　 1.提出了一種LTE核心網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)化的視頻存儲(chǔ)算法。針對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)中被請(qǐng)求對(duì)象的訪問特點(diǎn)進(jìn)行建模，該模型從緩存的原始目的出發(fā)，以最大化本地文件命中率為優(yōu)化目標(biāo)，以降低核心網(wǎng)絡(luò)中可能需要的協(xié)作式請(qǐng)求數(shù)據(jù)

4、量。證明了該優(yōu)化模型為NP難解問題。通過進(jìn)一步分析視頻文件的特點(diǎn)，采用一種貪心式的搜索算法，盡可能搜索優(yōu)化的文件存儲(chǔ)解決方案。最后通過松弛模型問題變量得出優(yōu)化問題的理論上界，作為評(píng)價(jià)貪心算法的標(biāo)準(zhǔn)尺度。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的存儲(chǔ)算法與理論上界之間的差距在1％～3％之間。
　　 2.分析比較了視頻緩存系統(tǒng)中已有的幾種協(xié)作式請(qǐng)求調(diào)度機(jī)制，提出了一種分布式的基于數(shù)據(jù)流式、流量感知的協(xié)作式請(qǐng)求調(diào)度算法;并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了多源多

5、路徑網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)作式請(qǐng)求問題，提出了一種集中式、具有理論近似度的協(xié)作式數(shù)據(jù)流路由算法。現(xiàn)有的文獻(xiàn)和系統(tǒng)中，協(xié)作式傳輸大多采用靜態(tài)的、基于文件傳輸?shù)膬?nèi)部傳輸方式。本文針對(duì)這種將網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)看做FTP服務(wù)器/客戶端方式的傳輸模式，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，并提出了一種基于數(shù)據(jù)流的協(xié)作式請(qǐng)求調(diào)度算法。比較對(duì)文件式非流量感知、文件式流量感知、數(shù)據(jù)流式非流量感知、數(shù)據(jù)流式流量感知四種可能的傳輸方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性研究分析比較，對(duì)本文研究中采用的傳輸方式進(jìn)

6、行評(píng)估。LTE協(xié)作式視頻緩存中，每個(gè)未命中請(qǐng)求可能有多個(gè)可選用網(wǎng)內(nèi)服務(wù)源，而每個(gè)網(wǎng)內(nèi)服務(wù)源有多條到達(dá)指定節(jié)點(diǎn)的路徑。路由問題包括了選定服務(wù)源以及選定路由路徑兩個(gè)基本子問題。本文進(jìn)而針對(duì)這樣的路由問題進(jìn)行建模，得到統(tǒng)一的優(yōu)化模型，并且提出了一種具有理論近似度的多項(xiàng)式時(shí)間路由算法。該算法適用于多源多路徑的應(yīng)用場(chǎng)景，并且具有較低的算法復(fù)雜度。
　　 3.提出了一種聯(lián)合自適應(yīng)視頻速率的協(xié)作式視頻路由算法。實(shí)際視頻傳輸中，為了降低用戶等待

7、和用戶體驗(yàn)延遲，高負(fù)荷的應(yīng)用場(chǎng)景下，視頻服務(wù)器可以通過可伸縮視頻、自適應(yīng)速率等技術(shù)手段來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)中的流量需求。針對(duì)這樣的實(shí)際應(yīng)用背景，本文研究了一種聯(lián)合自適應(yīng)速率的技術(shù)的協(xié)作式請(qǐng)求傳輸模型，該模型以最大化用戶累計(jì)效用為優(yōu)化目標(biāo)。本文證明了模型化的問題是NP難解問題，進(jìn)而提出了一種快速的兩階段求解算法，該算法與已有的算法相比，具有很大優(yōu)勢(shì)，并且能夠支持更高的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
　　 4.提出了一種簡(jiǎn)單的、在現(xiàn)有路由器中可以實(shí)現(xiàn)的路由協(xié)議。

8、根據(jù)理論上路由算法得出的服務(wù)源和選定路徑的數(shù)據(jù)流路由結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用中的路由器的工作要求，提出了一種基于逐跳前傳(hop-by-hop forwarding)的路由協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)路由流量的比例結(jié)果(proportional)建立路由表數(shù)據(jù)庫(kù)，并且將相應(yīng)的路由表發(fā)放到對(duì)應(yīng)的路由器中。在提出的路由協(xié)議中，每個(gè)路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)流的源地址和目的地址，決定將收到的數(shù)據(jù)流按比例發(fā)送到下一跳的路由器。提出的路由協(xié)議可以很容易的在絕大多數(shù)已有