本发明属于网络技术领域，具体是一种基于车载网络提高网络接入带宽，通过缓存和在线转码提升用户观看视频体验的系统及其工作方法。
背景技术：
随着移动通信技术的不断发展和移动设备的不断普及，移动视频流量体量巨大，且增长迅猛，对网络容量以及用户体验都提出了越来越高的要求。移动设备大多配有多个网络接口卡，如wifi、lte、蓝牙等，还可以通过usb端口进行扩展。mptcp协议能够使移动设备同时或者交替地使用多个无线接口，在移动环境下进行切换而不中断连接，提高吞吐量和鲁棒性。
由于在高速移动环境下无线网络通信质量变差，现有的公交系统通过提供车载wifi接入点(ap)为用户提供了相对稳定和高速的网络接入。但是，当前的实现并不能很好地适应用户的移动性：当用户离开车辆时，将导致原有的连接断开，服务中断。另一方面，车外的行人也无法通过这些可用的资源提升自己的可用网络容量。并且用户通过车载ap在移动设备上观看视频时，其观看体验还面临以下挑战：
1、为了发现周围的车载ap，移动设备需要对多个信道进行扫描，这会带来较大的时间开销，而缩短了服务时间。
2、在移动环境下，车载ap和移动设备距离可能持续变化，传统的基于rssi的ap选择策略不能很好地刻画ap性能。
3、传统的无线设备只有在rssi低于某一阈值时才会触发ap切换，在移动环境下，这种切换策略具有明显的滞后性，也会错失更好的连接机会，不能充分利用可用资源。
4、不同车载ap的速度、方向差异较大，导致移动环境下网络状况波动较大，视频客户端难以准确预测网络带宽，容易导致用户视频频繁卡顿，降低用户体验。
5、对多码率视频进行缓存时，存在存储空间和缓存有效性之间的冲突。缓存所有码率的视频块会导致存储空间的浪费，存储部分码率的视频块又会降低缓存有效性。
技术实现要素：
发明目的：为了解决以上问题，本发明提出一种利用车载ap进行视频缓存、转码和传输的系统，该系统能够充分利用可用的车载ap资源提升网络吞吐量，优化用户观看视频的体验。
本发明的另一目的在于提供上述利用车载ap进行视频缓存、转码和传输的系统的相应的工作方法。
技术方案：本发明所述的一种利用车载ap进行视频缓存、转码和传输的系统，包括车载ap、移动设备、控制器、视频服务器，其中，
车载ap：周期性向控制器发送当前车载ap的位置、速度、工作信道信息；负责视频块的缓存、转码，并使用缓存替换策略进行缓存更新；
移动设备：周期性将当前移动设备的位置、速度、网卡数量发送给控制器，向控制器查询周围可用的车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间，根据控制器返回结果，选择合适的车载ap进行连接；移动设备上的视频客户端根据所连接的车载ap的期望吞吐量和期望通信时间决定请求的视频码率；
控制器：控制器收集车载ap的信息，响应移动设备查询请求，根据移动设备和车载ap的位置、速度信息，结合吞吐量模型计算期望吞吐量，向移动设备返回可用的候选车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间；
视频服务器：将内容切分成固定播放长度的视频块，并对每块提供不同码率的版本以供用户选择。
利用上述基于车载ap的系统进行视频缓存、转码和传输的工作方法，包括以下步骤：
1)车载ap周期性向控制器汇报当前位置、速度、工作信道信息，控制器接收并存储这些信息；车载ap根据最大通信距离、速度信息，结合吞吐量模型，决定缓存视频的码率，并对流行视频进行缓存；
2)移动设备周期性将当前移动设备的位置、速度、网卡数量信息发送给控制器，请求查询周围可用的车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间；
3)控制器根据移动设备和车载ap的位置、速度信息，结合吞吐量模型计算移动设备和某车载ap建立连接的期望吞吐率，并根据期望吞吐量对车载ap进行筛选和排序，将排序后的车载ap列表及其期望吞吐量、期望通信时间返回给移动设备；
4)移动设备根据候选车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间，在合适的时机进行车载ap的选择和切换；移动设备上的视频客户端根据所连接车载ap的期望吞吐量和期望通信时间，决定请求的视频码率，并向车载ap请求视频块；
5)车载ap根据缓存情况决定如何传输视频块，并根据缓存策略进行缓存更新，具体地，如果车载ap缓存有视频客户端请求的码率的视频块，则直接传输给视频客户端；如果车载ap缓存有视频客户端请求的视频块但码率大于视频客户端请求，则车载ap将视频块转码为低码率后传输给视频客户端，同时更新缓存；如果车载ap未缓存请求的内容，或缓存有视频客户端请求的视频块，但码率低于视频客户端请求，则车载ap从视频服务器下载视频客户端所请求码率的视频块，传输给视频客户端，同时更新缓存。
所述步骤1)和3)中的吞吐量模型是瞬时吞吐率对通信时间积分得到，而瞬时吞吐率由对数距离路径损耗模型和香农定理共同决定。
有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：
1、通过引入控制器收集和追踪车载ap信息，移动设备可以直接向控制器查询周围可用车载ap，避免了频繁扫描周围可用车载ap带来的时间开销。且车载ap的筛选和排序都在控制器进行，没有增加移动设备计算开销。
2、通过构建吞吐量模型，将车载ap和移动设备的相对位置变化纳入模型中，更精确地刻画了与车载ap连接所能得到的吞吐量提升，帮助移动设备选择更好的车载ap。
3、移动设备周期性地向控制器查询周围可用车载ap，并根据可用车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间及时发现更好的车载ap进行切换，提高了资源利用率，避免了传统的基于rssi的ap切换策略的滞后性，减少了服务不可用时间。
4、视频客户端根据所连接车载ap的期望吞吐量和期望通信时间决定所请求视频的码率，在充分利用网络带宽的同时尽可能提升用户视频质量，避免了传统的基于历史带宽信息进行预测的码率调节方法的不准确性和滞后性。
5、通过利用车载ap的存储能力提供缓存服务，缩短了用户获取视频块的时延，提升了传输速率。而通过车载ap的存储能力将高码率视频转码为低码率视频来满足视频客户端的请求，不仅提升了缓存文件的利用价值，也降低了后端网络传输负担。
附图说明
图1为移动设备和车载ap通信模型图；
图2为利用车载ap进行视频缓存、转码和传输的系统场景图；
图3为基于图2的系统结构的数据流图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
首先，基于图1所示的移动设备和车载ap的通信示意图来构建该场景下的吞吐量计算模型。
移动设备和车载ap之间的距离由其两者位置和速度共同决定，是时间的函数。而rssi则是关于该距离的函数，其路径损耗遵从对数距离路径损耗模型，即：
rssi＝φ(d)＝r0+10αlog10(d/d0)(1)
其中，d是移动设备到车载ap的距离，d0是参考距离，r0是在d0位置时的信号接收强度，一般取d0＝1m。α是路径损耗指数，表示路径损耗随着距离增长的速率。
记rssimin为将报文从移动设备传输到车载ap所需的最小rssi，此时移动设备与车载ap之间的距离为通信半径r，即以移动设备为中心，半径为r的范围内存在车载ap，就可以进行报文传送。根据式(1)，可以得到通信半径为：
根据信息论中的香农定理以及信噪比的计算公式：
capacity＝blog2(1+s/n)(3)
snr＝rssi-b＝10lg(s/n)(4)
其中，b是信道带宽，s是信号功率，n是噪声功率，b是接收端的噪声强度。结合公式(3)、(4)，再假设实际tcp吞吐量占上限容量的比例为ω，得到瞬时吞吐率的计算公式：
根据移动设备和车载ap的位置和速度信息，很容易计算两者在时间t时的距离d(t)，令d(t)≤r，可以得到移动设备和车载ap的通信时间区间(tstart,tend)，将这段时间内的瞬时吞吐率对时间t积分，就可以得到移动设备和车载ap通信的期望吞吐量，即：
其中
下面结合图2所示的系统场景图来描述具体处理过程。如图2所示，系统主要有四个部分组成：车载ap、移动设备、控制器、视频服务器，移动设备能够通过选择和连接车载ap提升吞吐量，请求合适码率的视频块以优化用户观看视频的体验。其中，车载ap为布置在车上的wifi访问点，具有一定的存储和计算能力。移动设备配置有多个网卡，或者可以通过usb端口进行扩展，移动设备使用mptcp协议，因而能够同时使用多个网卡进行数据传输，提升吞吐量和鲁棒性。控制器可以部署在云端对所有车载ap进行集中管理，也可以部署在基站上对基站覆盖范围内的车载ap进行管理。系统各组成部分功能如下：
车载ap：周期性向控制器发送当前车载ap的位置、速度、工作信道信息；负责视频块的缓存、转码，并使用缓存替换策略进行缓存更新；
移动设备：周期性将当前移动设备的位置、速度、网卡数量发送给控制器，向控制器查询周围可用的车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间，根据控制器返回结果，选择合适的车载ap进行连接；移动设备上的视频客户端根据所连接的车载ap的期望吞吐量和期望通信时间决定请求的视频码率；
控制器：控制器收集车载ap的信息，响应移动设备查询请求，根据移动设备和车载ap的位置、速度信息，结合吞吐量模型计算期望吞吐量，向移动设备返回可用的候选车载ap列表及其期望吞吐量和期望通信时间；
视频服务器：将内容切分成固定播放长度的视频块，并对每块提供不同码率的版本以供用户选择。
图3是根据图2的系统结构的数据流图。车载ap周期性向控制器报告自己的信息，控制器收集车载ap信息，并根据移动设备信息帮助移动设备对周围的车载ap进行筛选和排序，将候选ap列表及相应期望吞吐量和期望通信时间返回给移动设备，移动设备据此选择要连接的车载ap，并根据期望吞吐量和期望通信时间决定请求的视频码率，车载ap根据缓存情况决定转码或从视频服务器进行下载，并根据缓存策略进行缓存更新。具体工作流程如下：
1)车载ap周期性向控制器汇报当前位置、速度、工作信道等信息，控制器接收并存储这些信息。车载ap根据最大通信距离、速度等信息，结合吞吐量模型，决定缓存视频的码率，并对流行内容进行缓存。
由于车载ap和移动设备通信半径为r，则车载ap和移动设备最大通信时间为：
其中，|v|是车载ap的移动速率。由公式(5)可以计算得到这段时间期望吞吐量，记为t，则移动设备连接该车载ap的平均吞吐率为：
车载ap使用接近该平均吞吐率的码率来缓存流行视频。
2)移动设备周期性将当前移动设备的位置、速度、网卡数量等信息发送给控制器，请求查询周围可用的车载ap列表。
3)控制器根据移动设备和车载ap的位置、速度等信息，结合吞吐量模型计算移动设备和某车载ap建立连接的期望吞吐率，并以此对车载ap进行筛选和排序，将排序后的车载ap列表及其期望吞吐量、期望通信时间返回给移动设备。
在筛选过程中，控制器将期望吞吐量过低和期望通信时间过短的车载ap进行过滤，只将性能较好的车载ap信息返回给移动设备。
4)移动设备根据候选车载ap列表及吞吐量模型，在合适的时机进行车载ap的选择和切换。根据所连接车载ap的期望吞吐量和期望通信时间，视频客户端使用步骤1)中类似的方法(参照式8)决定请求的视频码率，并向车载ap请求视频块。
5)如果车载ap缓存有视频客户端请求的码率的视频块，则直接传输给视频客户端；如果车载ap缓存有视频客户端请求的视频块但码率大于视频客户端请求，则车载ap将视频块转码为低码率后传输给视频客户端，同时更新缓存；如果车载ap未缓存请求的内容，或缓存有视频客户端请求的视频块，但码率低于视频客户端请求，则车载ap从视频服务器下载视频客户端所请求码率的视频块，传输给视频客户端，同时更新缓存。
具体的缓存更新策略是：对于需要缓存的视频块，如果有足够的可用空间，则直接将视频块添加到缓存中；如果空间不可用，则根据lru(leastrecentlyused，最近最少使用)算法找到最近最少被访问的视频块，保留最高码率的视频块，释放低码率视频块占用的存储空间，直到有足够空间存储该视频块；如果仍然没有足够的存储空间，则按照lru替换最近最少访问的视频块。