用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法及装置与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法及装置。

背景技术：

随着居家办公和远程办公越来越流行，导致视频会议的需求爆发性增长。然而，视频会议需要同时传输大量视频流，特别是高码率视频(4k、8k)，需要大量的网络带宽，相比之下互联网的带宽增长缓慢。同时，在视频会议过程中，由于接入会议的用户设备和网络接入方式变得多种多样，因此对视频码率的需求差异很大。为用户提供超出其请求码率的视频，不仅不能提高用户体验，还会增加解码的能量消耗、造成网络拥塞和视频播放卡顿。

软件定义网络(softwaredefinednetwork，sdn)作为下一代网络技术，将控制平面与数据平面分离。sdn控制器能够从网络设备收集信息，获得全局网络视图。在此基础上，sdn控制器可以根据需求控制网络数据的路由，优化网络资源的效率。sdn能够弥补ip组播中internet组管理协议(igmp)中存在的问题，提供组播数据传输能力，减少单播传输中的大量冗余带宽。

移动边缘计算(mobileedgecomputing,mec)作为5g关键技术，能够在网络边缘提供云计算功能和it服务环境，实现超低延迟、高带宽和实时访问等特性。相比中心云，mec成本更低，能够大量的部署在网络边缘。mec提供的计算能力，能够针对用户的需求，实时地为用户进行视频转码。

结合sdn和mec为用户提供多方视频会议面临很多挑战，例如，应对视频会议的大量网络带宽需求，在视频会议过程中，提高网络资源利用率的问题，如何有效的利用mec计算资源满足用户对视频码率的差异化需求问题。

因此，如何有效的结合sdn和mec，满足用户需求并提高网络资源利用效率的问题的研究对未来视频会议系统的发展至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法及装置，综合考虑网络的拓扑结构、传输链路的有效带宽和时延、用户请求的视频码率以及mec的计算资源限制因素，能够保证用户体验并有效提高多方视频会议的网络资源利用率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法，包括以下步骤：

s100，为每个用户构建目标为所有其他用户的组播树；

s200，计算所述组播树边的优先级，并基于所述优先级计算结果，在网络中寻找代价最小的mec服务器加入s100所述组播树中；

s300，重路由不满足带宽约束组播树和不满足端到端时延约束的用户；

s400，将组播树转换为组播地址、流表规则和mec转码规则，将所述流表规则部署到网络中的sdn交换机中，将mec转码规则部署到mec服务器，并将组播地址部署到用户的视频服务器。

s100中构建组播树具体如下：收集网络拓扑结构，包括链路容量和延迟；并收集参与视频会议的用户产生的视频码率和请求码率信息，为参与视频会议中每一个用户构建目标为所有其他参会用户的最短路径组播树，得组播树集合。

s200中，网络中寻找代价最小的mec服务器加入组播树中包括以下步骤；

s201，计算所有组播树的边的优先级；

s202，选择优先级最大的边，对目标结点由近到远遍历寻找网络费用最小的进行mec转码，

s203，判断经过mec转码后的网络费用是否减小，对于网络费用减小的接入mec进行转码，并更新转码后的相应边的优先级，对于网络费用没有减小的，则将该边的优先级置0；

s204，重复s202和s203，直到将网络拓扑中所有的边置0。

s200中计算组播树边的优先级具体如下：

在组播树的结点的子树中寻找传输码率相同的边及其个数，同时获取所述传输码率的可降码率，采用所述可降码率和所述个数计算组播树边的优先级；同时得到采用所述边进行传输时，其可降码率对应的可降网络带宽费用；

对所有组播树进行计算，得到所有组播树中所有边的优先级。

s200中，基于组播树优先级计算结果，在网络中寻找代价最小的mec服务器加入s100所述组播树中，具体包括：

s211，选择优先级最大的边，并从对应所述优先级最大的边的结点，以由近到远的顺序遍历具有计算资源的mec服务器；将所述对应所述优先级最大的边的结点发送至所述具有计算资源的mec服务器，然后连接至组播树的最短路径，计算所述具有计算资源的mec服务器进行转码的网络费用，选择网络费用最小的mec服务器，如果所述网络费用大于降码率时网络中带宽费用降低值；所述降码率时网络中带宽费用降低值是指基于所述优先级最大的边降码率时网络中带宽费用降低值，则删除所述边，按所述最短路径重新路由组播树，否则所述优先级置0；

s212，重复s211直到所有组播树的所有边的优先级都为0。

s300中重路由不满足带宽约束的组播树具体为：

遍历网络拓扑中的边，如果边中传输的视频码率之和超出其有效带宽，则对经过该边的组播树在该边上传输的码率进行排序；超出有效带宽的大小为超出码率；

如果存在大于超出码率的组播树，则选择最小码率所对应的组播树，从所述最小组播树中删除传输的视频码率之和超出其有效带宽的边；并将该边的目的结点的子树重新路由到组播树中

如果不存在大于超出码率的组播树，则按传输码率从大到小排序，依次从组播树中删除传输的视频码率之和超出其有效带宽的边，并将该边的目的结点的子树重新路由到组播树中，直到满足该边中传输的视频码率之和小于或等于其有效带宽。

s300中，重新路由不满足端到端时延约束的用户，具体为：遍历所有组播树中的目标用户，如果从根用户到目标用户的传输时延超出时延门限值，则从组播树中删除根用户到目标用户的传输路径，然后在组播树中寻找能够满足目标用户请求码率的结点，并将所述目标用户重新路由到满足目标用户请求码率的结点中。

一种用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由的系统，包括组播树构建模块、费用最小mec服务器寻找模块、重路由模块以及组播树和转码规则部署；

其中，组播树构建模块用于为每个用户构建目标为所有其他用户的组播树；

费用最小mec服务器寻找模块用于计算所述组播树边的优先级，并基于所述优先级计算结果，在网络中寻找代价最小的mec服务器加入组播树中；

重路由模块用于重路由不满足带宽约束组播树和不满足端到端时延约束的用户；

组播树和转码规则部署用于将组播树转换为组播地址、流表规则和mec转码规则，将所述流表规则部署到网络中的sdn交换机中，将mec转码规则部署到mec服务器，并将组播地址部署到用户的视频服务器。

一种用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由装置，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法的部分步骤或所有步骤；所述处理器为远程的处理器或本地的处理器。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明根据sdn控制器收集的网络拓扑结构和参与视频会议的用户的产生视频码率和请求码率信息，为每个用户构建目标为所有其他用户的组播树；然后在网络中寻找代价最小的mec服务器加入组播树中，为用户提供视频转码功能，以适配用户请求码率，并减少网络费用；在组播树中，可能存在传输的视频码率超出链路容量和用户的端到端时延超出时延门限的情况，需要对重新进行路由，以满足链路容量和时延限制，最后将组播树转换为组播地址、流表规则和转码规则，将流表规则部署到网络中的sdn交换机中，将mec转码规则部署到mec服务器，将组播地址部署到用户；本发明综合考虑网络的拓扑结构、传输链路的有效带宽和时延、用户请求的视频码率以及mec的计算资源限制因素，在带宽、时延和mec计算资源受限的情况下能够保证用户体验并有效提高多方视频会议的网络资源利用率。

附图说明

图1为本发明所述方法一种可实施的流程示意图。

图2为本发明所述方法中网络中寻找代价最小的mec服务器加组播树的流程示意图。

图3为三种算法在不同用户数量下的平均时延对比图。

图4为三种算法在不同用户数量下的平均总网络带宽对比图。

图5为三种算法在不同用户数量下的平均网络费用对比图。

图6为三种算法在不同mec服务器部署比例下的平均网络带宽对比图。

图7为三种算法在不同mec服务器部署比例下的平均网络费用对比图。

图8为基于本发明一种可实施的系统构架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

设sdn网络的拓扑结构建模为一个有向图g＝＜v,e＞，其中v＝u∪s∪m是参会用户、sdn交换机和部署有mec服务器的sdn交换机三种结点的集合。e是结点之间边的集合，eu,v∈e表示结点u到v可以通过有线或无线链路进行数据传输，表示链路有效带宽，表示链路之间的传输时延。会议中每个用户s∈u都产生一定码率的视频，并请求不同的视频码率视频流通过组播方式发送给其他用户，并在传输过程中，经过mec服务器对视频流进行转码。

定义为组播树的集合，组播树ts的根为用户s，终点所有其他用户为ds＝u\s。定义二值变量1表示边eu,v在s到d的传输路径中；定义二值变量表示mec服务器m在组播树ts为用户d进行转码。

本发明以最小化总网络资源费用优化目标，在链路有效带宽、传输时延和mec计算资源受限的条件下，对应的优化问题为：

其中，二值变量表示边eu,v在组播树ts中；是ts中边eu,v上传输的码率；二值变量表示mec服务器m对输出到eu,v的视频进行转码；nm表示与m相连的结点；costbw是带宽的单价(价格/mbps)；costmec是租用mec虚拟机的单价(价格/个)；是边em,v上传输视频的最小带宽；是mec在边em,v上输出的码率，表示mec转码时延，是从s到d的端到端时延。

参考图1和图2，本发明所述的用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法包括以下步骤：

s100，会议控制器通过sdn控制器收集网络拓扑结构，包括链路容量和延迟；并收集参与视频会议的用户产生的视频码率和请求码率信息，为参与视频会议中每一个用户构建目标为所有其他参会用户的最短路径组播树，得组播树集合；

首先，为每个用户构建组播树；

计算网络拓扑g＝＜v,e＞中所有边eu,v∈e的权重其中和分别为eu,v的有效带宽和传输时延；

对于每个用户s∈u使用dijkstra算法从根用户s到目标用户d∈ds建立最短路径,将所有路径合并重复的边组成一棵最短路径树；

其中，合并重复边的过程为：首先根据所有路径对赋值，边eu,v在s到d的传输路径中则否则为然后，根据对赋值；最后，由对应的边组成组播树ts。

s200，计算所述组播树边的优先级，并基于所述优先级计算结果，在网络中寻找代价最小的mec服务器加入s100所述组播树中；

计算所有组播树的边的优先级：

计算组播树边eu,v的优先级在ts的结点u的子树中寻找传输码率同为的边，个数记为则eu,v的优先级优先级代表如果使用mec服务器进行转码后，eu,v的码率可以降为网络中带宽费用就能够降低

对所有组播树计算，得到所有组播树中所有边的优先级，具体如下：

1)选择优先级最大的边，由近到远寻找网络费用最小的mec转码；

2)若经过转码，网络费用减小，则接入mec进行转码，并更新转码后的相应边的优先级，否则将该边的优先级置0；

3)按照步骤1)～2)处理网络拓扑中所有的边，直到所有边的优先级为0；

步骤1)～步骤3)具体过程为：

选择优先级最大的边，对目标结点由近到远寻找网络费用最小的mec服务器进行转码；

首先选择最大的从结点v以由近到远的顺序遍历具有计算资源的mec服务器m，计算将结点v连接至m，然后连接至组播树的最短路径pm。则通过该mec服务器进行转码的网络费用vm＝costmec+|{eu,v|eu,v∈pm∪e}|·costbw，选择网络费用最小的mec服务器，如果则删除eu,v，按pm重新路由组播树，否则令重复执行直到所有组播树的所有边的优先级都为0。

s300，重路由不满足带宽约束组播树和不满足端到端时延约束的用户；

重新路由不满足带宽约束的组播树：

遍历网络拓扑中的边eu,v，如果边中传输的视频码率超出其有效带宽：则对经过该边的组播树在该边上传输的码率进行排序。

如果存在大于超出码率的组播树，则选择最小码率所对应的组播树ts，从ts中删除该边eu,v，并将v的子树重新路由到ts中。

如果不存在，则按传输码率从大到小排序依次从组播树ts中删除该边eu,v，并将v的子树重新路由到ts中，直到满足：

重新路由不满足端到端时延约束的用户：

遍历所有组播树ts中的目标用户d，如果从根用户s到d传输时延超出时延门限τ^s,d≤τthreshold，则从ts中删除s到d传输路径，然后在ts中寻找能够满足的结点n，将d重新路由到n。

s400，将组播树和转码规则部署到网络；

将组播树转换为组播地址、流表规则，将组播地址和流表规则部署到网络中的sdn交换机中，将mec转码规则部署到mec服务器，并将组播地址部署到用户的视频服务器。

下面给出仿真示例设置和结果分析。

作为示例，本发明在mininetsdn网络仿真软件的基础上进行修改，在虚拟主机和openflow交换机的基础上，实现mec服务器，仿真平台使用python语音以面向对象方式编写，通过linux的网络名称空间功能实现基于进程的虚拟化来在单个操作系统内核上运行多个主机和交换机，使用虚拟以太网(veth)连接交换机和主机，提供可扩展的pythonapi。

参考图8，用户作为主机接入网络，运行视频服务器和客户端程序，在mec服务器中执行转码程序。为了提高仿真效率，转码的仿真方式为，根据算法的转码规则，预先进行转码，并记录时间，转码程序在接收到视频数据后，根据记录的转码时间，延迟并发送转码后的视频数据。

本发明还提供一种用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由的系统，包括组播树构建模块、费用最小mec服务器寻找模块、重路由模块以及组播树和转码规则部署；其中，

组播树构建模块用于为每个用户构建目标为所有其他用户的组播树；

费用最小mec服务器寻找模块用于计算所述组播树边的优先级，并基于所述优先级计算结果，在网络中寻找代价最小的mec服务器加入组播树中；

重路由模块用于重路由不满足带宽约束组播树和不满足端到端时延约束的用户；

组播树和转码规则部署用于将组播树转换为组播地址、流表规则和mec转码规则，将所述流表规则部署到网络中的sdn交换机中，将mec转码规则部署到mec服务器，并将组播地址部署到用户的视频服务器。

费用最小mec服务器寻找模块包括组播树边的优先级计算单元、转码路径选择单元、转码网络费用判断单元以及转码更新优先级单元。其中，组播树边的优先级计算单元用于计算所有组播树的边的优先级；转码路径选择单元选择优先级最大的边，目标结点由近到远寻找网络费用最小的进行mec转码；转码网络费用判断单元用于判断所进行的mec转码费用是否最小，如果是，则由转码更新优先级单元接入该mec进行转码，并更新所述边的优先级，如果不是，则向转码更新优先级单元发出置0信息；转码更新优先级单元还用于判断是否所有边的优先级是否置0，如果不是组播树边的优先级计算单元发出信息，则向如果是则向重路由模块发送重路由信息。

本发明还提供一种用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由装置，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法的部分步骤或所有步骤；所述处理器可以是远程的处理器，也可以是本地的处理器。

所述多方视频会议的转码和组播路由装置可以采用笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站。

处理器可以是中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或现成可编程门阵列(fpga)。

对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。

仿真实验参数如下，

通过brite网络拓扑生成软件随机生成具有3个as的网络拓扑，每个as有200个交换机，共600个交换机，链接为交换机数的2倍，自治网间的带宽为102400mbps，交换机之间的带宽为20mbps～200mbps随机产生，服从均匀分布；然后在网络边缘，按比例随机向交换机部署mec；用户随机接入网络边缘的交换机；用户产生的视频目标码率设为12mb，请求码率从2mb～12mb随机产生，服从均匀分布。

作为示例的，设置带宽单价costbw＝1(价格/mbps)，租用mec虚拟机的单价costmec＝10(价格/个)，mec服务器支持的最大虚拟机数量cm＝10，转码速率rtranscode＝1(1mbps/ms)，时延门限设为τthreshold＝100(ms)，边权重系数α＝β＝0.5。

网络总带宽通过所有用接收到的视频码率和传输路径计算。用户的端到端时延通过记录视频包的发送和接收时刻计算。

结果分析，对比算法为svc算法和reedy算法，本发明对应的算法为proposed算法，具体如下：

第一组实验：三种算法的平均端到端时延、平均网络带宽和平均网络费用对比，该实验主要评估各算法在网络拓扑中随机接入不同用户数量的算法性能。按照0.4的比例随机向交换机部署mec，分别接入20,30,40,50个用户，交换机之间的带宽根据用户数量按比例增加。每个用户配置，在随机生成的网络拓扑进行30次实验。实验结果如图3、图4及图5所示。本发明的算法无论是在端到端时延，网络带宽，还是网络费用上都优于其他两种算法，本发明所述算法随着用户数量的增加，对于网络资源的占用增长更慢，优势更加明显。在50个用户情况下，占用的带宽相比svc方法降低了44.4％，相比greedy方法降低了30.7％。网络费用相比svc降低38.3％，相比greedy方法降低了26.7％。可以说明本发明可以在保证用户请求码率和端到端时延的情况下，提高网络资源利用率。

第二组实验：三种算法的平均网络带宽和平均网络费用对比，该实验主要评估各算法在网络拓扑中随机部署不同比例mec服务器的算法性能，按照0.2,0.3,0.4的比例随机向交换机部署mec，然后接入10个用户。每个mec配置，在随机生成的网络拓扑进行30次试验。实验结果如图6及图7所示。本发明的算法即使在mec部署量较少的情况下，无论是在端到端时延，网络带宽，还是网络费用上都优于svc算法，虽然和greedy算法在带宽上相差不大，但是网络费用的差异显示了本发明使用了更少的mec服务器；随着mec服务器部署量的上升，本发明的网络费用进一步降低，而greedy算法在mec服务器超过一定数量时，不能再得到提升。从而证明了本发明对于mec服务器的利用效率更高，利用少量的mec服务器就可以大大的提高网络资源的利用率，降低网络费用。

作为可选的，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的用户体验驱动的多方视频会议的转码和组播路由方法。

计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取记忆体(ram，randomaccessmemory)、固态硬盘(ssd，solidstatedrives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(reram,resistancerandomaccessmemory)和动态随机存取存储器(dram，dynamicrandomaccessmemory)。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。