本发明涉及一种数据通信技术领域的方法，具体地，涉及一种基于机会路由和网络编码的可伸缩视频流动态多码率组播优化传输方法。
背景技术：
随着移动数据流量的迅速增长以及智能终端设备的日益普及，无线视频流媒体技术在近几年得到了越来越广泛的应用。美国思科公司对全球移动数据的分析报告表明截至2014年底，移动视频数据流量已经占据了移动数据总流量的50％以上，并且这一比例预期将在2019年底达到75％。但是，无线网络中的数据传输往往容易受到无线信道时变特性以及传输错误的影响，因此如何在无线网络中为视频传输提供服务质量保证仍然是一个具有挑战性的问题。
作为网络中视频内容分发的一种重要手段，可伸缩视频编码(SVC,Scalable Video Coding)流媒体的多码率组播技术能够适应不同的用户观看需求以及异构的网络状况以提高网络的传输效率。可伸缩视频编码的码流包括一个基本层和多个增强层，这些灵活多维的分层结构在空间分辨率、时域帧速率以及视频的重建质量三个维度上提供了多个接入点。在以多码率组播的方式传输可伸缩视频编码流时，由不同的IP组播组传递各可伸缩视频编码层，每个接收者按其不同的处理能力以及不同的链路容量选择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序列。
经过对现有技术的检索发现，J.Zhao等人在《IEEE Transactions on Multimedia，Oct.2006，pp.1021-1032，(电气电子工程师协会多媒体学报，2006年10月，第1021-1032页)》上发表了题为“LION:Layered overlay multicast with network coding(LION：使用网络编码的分层覆盖组播)”的文章，该文章使用视频接收的码率以及相应的接收质量作为终端用户的效用指标，为分层视频流的多码率组播构建了整体的网络效用最大化问题(NUM，Network Utility Maximization)，在满足可伸缩视频流层间依赖性约束以及网络容量约束的情况下，最大化所有终端用户对于所有可伸缩视频层的总体视频接收质量。需要指出的是，该文章主要基于静态网络特征参数(例如拓扑、链路容量等)且不随时间变化的假设，并且在进行NUM优化建模和求解之前必须预先确定从信源节点到各终端用户之间的一条或多条传输路径。然而，在实际的无线视频传输网络中，由于无线信道的时变特性，无线网络的特征参数往往会频繁地随时间变化，因此该文章所提出的适合于静态网络假设的最优码率分配方案并不能得到最优的视频传输性能。
经检索还发现，K.Zeng等人在《IEEE Transactions on Wireless Communication，Dec.2008，pp.5118-5128，(电气电子工程师协会无线通信学报，2008年12月，第5118-5128页)》上发表了题为“Capacity of opportunistic routing in multi-rate and multi-hop wireless networks(多码率和多跳无线网络中机会路由的容量)”的文章，该文章指出机会路由方法能够利用无线共享介质的广播特性以及空间分集特性为数据包传输的中继节点动态地选择下一跳节点，相比于传统的静态路由机制，大幅提高了无线时变网络的端到端传输吞吐率。但是，该文章提出的方法只研究了网络中从源节点到某一个具体终端节点的单播场景，并没有考虑如何利用机会路由机制实现从源节点到多个异构终端用户的组播传输优化。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于机会路由和网络编码的可伸缩视频流动态多码率组播优化传输方法，该方法结合了中继节点转发的机会路由机制和网络编码技术，同时兼顾了无线网络的时变动态特性、无线中继节点的竞争关系以及视频编码层的码流优先级问题，以实时满足可伸缩视频编码层间依赖性的需求，提供一种完全分布式的码率分配方法，最终实现可伸缩视频流多码率组播通信的动态码率资源分配、动态路由选择动以及态传输调度的联合优化。
为实现以上目的，本发明提供一种基于机会路由和网络编码的可伸缩视频流动态多码率组播优化传输方法，包括以下步骤：
第一步，在源节点处，根据无线网络的时变特性对时间进行分段，在各时间段内使用可伸缩视频编码技术将视频流编码为多个可伸缩视频编码层，通过对不同可伸缩视频编码层的码率分配保证可伸缩视频编码的层间依赖性约束条件；
第二步，在中继节点处，某一个具体的视频数据包在经由网络中的中继节点转发时，使用机会路由机制为其动态地选择下一跳转发节点，并且使用网络编码技术以进一步提高网络的吞吐量；
第三步，在无线网络中，将无线共享介质中的各无线网络节点划分为若干个最大同时传输节点集合，实现网络整体传输时间在各最大同时传输节点集合之间的最优调度；
第四步，结合前面三个步骤所得到的源节点处视频编码层的层间依赖型条件，中继节点转发的机会路由机制和网络编码技术，以及无线网络的时变动态特性和节点传输竞争关系，使用多时间段的动态网络效用最大化建模方法实现基于机会路由和网络编码的可伸缩视频流动态多码率组播通信的优化问题；
在为终端节点进行具体的码率分配方案时，采用完全分布式码率分配方法，最终实现可伸缩视频流多码率组播通信的动态码率资源分配、动态路由选择以及动态传输调度的联合优化。
优选地，第一步中，所述的时间分段是对可伸缩视频流组播时间的进一步划分，在每一个时间分段内无线信道的信道状态信息相对稳定，并且通过直接测量和信道状态预测的方法获得。
优选地，第一步中，所述的可伸缩视频编码的层间依赖性约束条件为标号更高的视频层的解码需要依赖于标号较低的视频层，即视频层的组播传输顺序需要按照视频层标号从低到高的顺序进行。
优选地，第二步中，所述的机会路由机制是利用无线共享介质的广播特性以及空间分集特性，在中继节点的下一跳转发候选节点集合中动态地为数据包选择实际的下一跳转发节点。
优选地，第二步中，所述的网络编码技术是在中继节点转发之前对数据包进行算术编码操作，并且规定每条链路上的实际带宽消耗量为所有目的节点在该链路上消耗带宽的最大值；该条件为在链路上采用网络编码的约束条件，以实现不同目的节点在同一链路上的资源共享。
优选地，第三步中，所述的同时传输节点集合中所有节点在同时进行数据包传输时，其相关联的链路不会产生无线竞争而能够成功完成到下一跳节点的数据包传输。
优选地，第三步中，所述的最大同时传输节点集合是一个同时传输节点集合，如果向该集合中增加任一个节点则导致该集合变为非同时传输节点集合。
优选地，第四步中，所述的联合优化问题为：以所有用户在可伸缩视频流多码率组播的完整时间段内接收到的视频整体质量最大化为目标函数，兼顾可伸缩视频流解码的层间依赖关系，以信息流平衡条件、网络编码条件、最大同时传输节点集合时间调度条件、以及机会路由机制对于信道容量的限制为约束条件，建立可伸缩视频流动态多码率组播通信的动态码率资源分配、路由选择以及传输调度联合优化问题。
优选地，第四步中，所述的完全分布式码率分配方法是指：运用对偶分解理论将原始优化问题分解为若干个子优化问题，允许每个网络节点利用本地局部信息对码率、传输调度和路由选择进行动态的调整和更新，以分布式方式迭代求解从而实现网络的动态最优资源分配。
更优选地，所述的完全分布式码率分配方法的具体执行步骤为：
(a)初始化：设置初始的原始/对偶变量为某些非负值；
(b)重复执行：
对于源节点：
b1)从目的节点处接收对偶变量信息；
b2)从下一跳节点处接收对偶变量信息；
b3)从本地存储器中获取存储的原始和对偶变量信息；
b4)更新原始/对偶变量；
b5)向网络节点集合传输更新的对偶变量信息；
对于每个节点：
b1)从源节点处接收对偶变量信息；
b2)从下一跳节点处接收对偶变量信息；
b3)从本地存储器中获取存储的原始和对偶变量信息；
b4)更新原始/对偶变量；
b5)向该节点的发送节点传输更新的对偶变量信息；
b6)如果该节点是目的节点，则向源节点传输更新的对偶变量信息；
直到所有原始和对偶变量收敛到最优值，或达到最大迭代次数时，完全分布式码率分配方法停止。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明为动态时变无线网络的需要，提供了一种完全分布式码率分配方法，实现了动态的网路路由选择以及传输调度，并通过机会路由以及网络编码的引入，提高了网络整体的吞吐量和对时变信道状态的适应性，为接收端提供更佳的视频质量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的方法流程图；
图2为本发明一实施例组播网络的示意图，同时示出了机会路由的基本模块；
图3为本发明一实施例网络中传输节点之间冲突关系的示意图；
图4为本发明一实施例分布式码率分配方法的示意图；
图5为本发明一实施例对网络中最大同时传输节点集合的时间调度示意图，其中(a)给出了网络中的链路平均数据包接收率随各时间段变化的关系曲线；(b)所示，给出了网络中最大同时传输节点集合的最优时间调度结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例提供一种基于机会路由和网络编码的可伸缩视频流动态多码率组播优化传输方法，参照图1所示的方法流程图，包括如下步骤：
1、源节点处的可伸缩视频流码率分配约束
如图2所示，本实施例对组播网络结构进行实例分析，可以将无线网络抽象为有向图G＝(V，E)，其中V是无线节点集合，E是无线链路集合。无线节点集合V可以进一步表示为三个子集合的并集，即V＝{s}∪N∪D，其中s表示源节点，N表示中继节点集合，D代表目的节点集合。假定在源节点处将可伸缩视频流编码为M层{L1，L2，...，LM}，其中第m层的传输码率位于容忍区间内，进而使用机会路由机制和网络编码操作通过多跳无线中继节点将分层的可伸缩视频流组播传输至各目的节点。此外，对应于无线链路的时变特性，将可伸缩视频流传输的整个时间段均匀划分为若干个大小相等的时间段t∈{1，2，...T}，无线链路的信道状态在每一个时间段内保持不变。
2、中继节点处的机会路由机制和网络编码操作
如图2所示，还示出了机会路由机制的基本模块。使用机会路由机制，由一个发送节点发出的无线数据包传输可以被其有效传输范围内的多个相邻节点接收。由于没有指定具体的下一跳转发节点，因此任何成功接收到该数据包的下一跳节点都有可能继续转发该数据包。因此，机会路由机制为发送节点选择能够接收到数据包并且在地理位置上比该发送节点更接近于目的节点的下一跳节点作为转发节点集合，并且动态地为不同的数据包选择实际的下一跳转发节点，从而通过本地的机会转发有效利用了无线共享介质的广播特性。
假定在时间段t，节点s需要将数据包P1、P2和P3组播传输至目的节点d1～d3。节点s的所有下一跳相邻节点n1～n6都在其有效传输范围内，因此都能够接收到由节点s发送的这三个数据包。但是，在这六个下一跳相邻节点中，由于只有n1、n2和n3在地理位置上比节点s更接近于目的节点，因此这三个节点组成的集合{n1，n2，n3}被选为节点s的转发节点集合，记作Fs(t)。在图2中，进一步假定连接节点s和Fs(t)中每一个转发节点的链路的数据包接收概率为2/3。由于不同接收节点之间的无线数据包接收时高度不相关的，因此，假定在三次数据包传输之后，每个节点处接收到的数据包情况如图2所示，即n1接收到数据包P1和P2，n2接收到数据包P1和P3，n3接收到数据包P2和P3。接着，由转发节点集合{n1，n2，n3}接收到的数据包将进一步通过机会路由机制转发至三个目的节点。具体地，以目的节点d2为例，考虑Fs(t)中节点与d2的连接性关系，节点n2和n3需要将接收到的数据包转发给d2。如果节点n2和n3之间没有沟通，则这两个节点都期望转发数据包P3，从而有可能导致目的节点d2对数据包P3的重复接收。为了避免这一情况，传统的机会路由机制会基于节点n2和n3到目的节点d2的空间距离分配相应的转发优先级，如果同一个数据包被多个转发节点成功接收，则根据这些转发节点的转发优先级选择一个实际的转发节点继续转发该数据包。在这一例子中，由于n2比n3更靠近目的节点d2，n2的转发优先级要高于n3。因此，如果节点n2成功接收到某一个数据包，则它将负责将该数据包转发至目的节点d2，而节点n3则避免重复传输；反之，如果节点n2没有接收到该数据包而节点n3成功接收到该数据包，则节点n3将负责将该数据包转发至目的节点d2。从而，节点n2将转发数据包P1和P3至目的节点d2，而节点n3仅转发数据包P2至目的节点d2。类似地，可以将这一转发节点集合选择和优先级排序策略应用于其他两个目的节点的传输中。但是，应当注意到传统的机会路由机制的局限性是需要提供特定的MAC协议来确定转发节点集合的选择并且协调该集合中节点之间的协作传输。此外，将传统的机会路由机制从单播场景应用到多个目的节点的组播场景使得相应MAC协议的设计更加复杂。
相比之下，通过引入网络编码操作，转发中继节点处可以对接收到的数据包执行代数运算操作，从而克服上文提到的机会路由机制的两个局限性。例如，不同于直接转发接收到的数据包，节点n1可以转发编码后的数据包P1+P2至目的节点d1，节点n3可以转发编码后的数据包P2+P3至目的节点d2和d3，而节点n2仍然转发数据包P1和P3。从而，通过在组播场景中使用网络编码操作，所有三个目的节点都能够成功恢复得到三个原始数据包。将机会路由机制与网络编码操作相结合的好处是目的节点不再需要接收到所有的原始数据包，替代地，仅需要接收到任何K个线性独立的编码数据包(假设原始数据包的数目为K)就可以成功恢复出原始的K个数据包。
3、无线网络的最大同时传输节点集合划分与调度
如图3所示，为图2所示的原始网络拓扑结构中各传输节点之间的冲突关系图。在图2所示的原始网络拓扑结构及可伸缩视频组播网络场景中，节点s、n1、n2和n3可以被选作传输节点发送或转发数据包。但是，由于传输节点冲突的原因，这四个节点不能同时进行数据包的发送或转发。在图3所示的传输节点冲突关系图中，每个端点代表原始网络拓扑中的一个传输节点，并且具有与其转发节点集合相连的一组链路集合。如果两个传输节点由于其相关联的链路之间的冲突无法同时进行数据包传输，则这两个传输节点之间存在冲突关系，对应于冲突关系图中两个端点之间的连线。在此基础之上引入同时传输节点集合的概念。同时传输节点集合中所有节点在同时进行数据包传输时，其相关联的链路不会产生无线竞争而能够成功完成到下一跳节点的数据包传输。同时传输节点集合的基本思想是通过要求该集合中的所有机会路由接收者在同一时刻相互之间不存在竞争关系来避免传输节点之间的冲突。为了充分利用无线共享介质以实现网络的吞吐量上限，定义最大同时传输节点集合为一个同时传输节点集合，如果向该集合中增加任一个节点则导致该集合变为非同时传输节点集合。
4、建立基于机会路由和网络编码的多时间段动态网络效用最大化问题，提出分布式的码率分配方法
建立多时间段动态网络效用最大化问题如下(其中每个参数的含义可在上下文中对应获取)：
约束条件：
其中，优化变量为：
R-表示由视频接收码率组成的向量。具体地，Rmd(t)表示在第t个时间段内目的节点d接收到第m个视频层的码率。
g-表示由虚拟信息流码率组成的向量。具体地，表示在第t个时间段内无线链路(i，j)上用于目的节点d接收第m个视频层的虚拟信息流码率。
f-表示由实际带宽消耗量组成的向量。具体地，表示在第t个时间段内无线链路(i，j)上用于接收第m个视频层的实际带宽消耗量。
λ-表示由时间比例组成的向量。具体地，λα(t)表示在第t个时间段内某一个特定的最大同时传输节点集合Гα(t)分配到的传输时间比例。
优化目标为：
使有无线组播网络中所有用户的效用函数总和最大化，即最大化用户在所有T个可伸缩视频流组播时间段内的整体接收视频质量。所述用户效用函数U(Rmd(t))表示目的节点d以码率Rmd(t)成功接收并解码第m个视频层之后的视频失真的减少量。
约束条件为：
2)网络编码约束条件，保证无线链路上实际消耗的带宽为该链路上到所有目的节点的虚拟信息流中的最大值。
3)最大同时传输节点集合的传输调度条件，规定在任意时刻最多只能有一个最大同时传输节点集合被安排进行传输。
4)基于机会路由机制和网络编码操作的无线广播传输容量约束条件，其中，J是节点i的转发节点集合Fi(t)的一个子集合，超边(i，J)表示从节点i到J中的节点组成的广播区域的链路集合，C(i，J)是从节点i到J中的节点组成的广播区域的链路有效传输码率。
5)和6)是可伸缩视频编码的层间依赖性约束条件，确保所有目的节点按照标号从低到高依次递增的顺序接收各视频编码层。
上述优化问题的分布式求解算法及执行过程如下：
首先得到上述优化问题的拉格朗日对偶形式为：
其中，是拉格朗日乘子。
进一步的，采用原始-对偶算法，同时更新原始变量和对偶变量，通过迭代逐步逼近最优点，其中k表示迭代次数，δ是正的步长值，[·]+表示取正值的运算：
其中，对偶变量μ对应的约束条件为等式约束条件，因此其对应的更新迭代不需要进行[·]+运算。
如图4所示，给出完全分布式码率分配方法执行过程如下(其中每个参数的含义可在上下文中对应获取)：
(a)初始化：设置初始的原始/对偶变量为某些非负值；
(b)重复执行：
对于源节点s：
b1从目的节点d处接收对偶变量
b2从下一跳节点j处接收对偶变量
b3从本地存储器中获取存储的视频接收码率Rmd(t)|k、对偶变量vmd|k、γmd|k、β(s，J)(t)|k、θ(t)|k和链路有效传输码率
b4更新得到视频接收码率Rmd(t)|k+1、虚拟信息流码率实际带宽消耗量传输时间比例λα(t)|k+1和对偶变量
b5向网络节点集合{N∪D}传输对偶变量θ(t)|k+1。
对于每个节点i∈N∪D：
①从源节点s处接收对偶变量θ(t)|k；
②从下一跳节点j处接收对偶变量
③从本地存储器中获取存储的对偶变量β(i，J)(t)|k和链路有效传输码
④更新得到虚拟信息流码率实际带宽消耗量传输时间比例λα(t)|k+1和对偶变量
⑤向{j∈V|(j，i)∈E}中的发送节点传输对偶变量
⑥如果节点i是目的节点，即i＝d，d∈D，则向源节点s传输对偶变量
直到：所有原始和对偶变量收敛到最优值，或达到最大迭代次数为止。
如图5中(a)所示，给出了网络中的链路平均数据包接收率随各时间段变化的关系曲线；如图5中(b)所示，给出了网络中最大同时传输节点集合的最优时间调度结果。其中，与图2和图3对应，三个最大同时传输节点集合分别为Г1(t)＝{s}，Г2(t)＝{n2}和Г3(t)＝{n1，n3}。可以看到，由于源节点s始终由数据包通过可伸缩视频编码产生，因此无论信道状态的好坏，在每个时间段内为Г1(t)分配的最优传输比例始终保持较大的值(0.4左右)。另一方面，当网络条件好的时候，数据包接收率相对较大，所提出的码率分配方法会为具有更多下一跳节点的传输节点(例如Г2(t)中的节点n2)分配更大的传输时间比例；相反，当网络条件不好的时候，数据包接收率相对较小，所提出的码率分配方法会提高其它传输节点的利用率(例如Г3(t)中的节点n1和n3)以将多条不可靠的无线链路组合为一条更可靠的链路。
本发明为动态时变无线网络的需要，建立基于机会路由和网络编码的多时间段动态网络效用最大化问题，并且相应地提供了一种完全分布式的码率分配方法，实现了动态的可伸缩视频流码率分配、网络路由选择以及传输调度，并通过机会路由以及网络编码的引入，提高了网络整体的吞吐量和对时变信道状态的适应性，为接收端提供更佳的视频质量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。