有线电视网双模终端资源管理关键技术研究

【摘要】：随着数字电视业务在我国的发展,有线电视网的双模终端(双模机顶盒)逐渐成为被广泛应用的家庭数字终端设备。随着有线电视网的双向化改造的推进,双模终端通常采用HFC接入网实现宽带接入。HFC接入网的带宽资源成为影响双模终端服务质量的一个关键因素。随着“三网融合”的推进,多种融合业务逐渐渗透到双模终端平台上,促使双模终端逐渐向具有开放式软件架构的智能电视终端发展。智能电视终端的多业务并发特性,使得业务对终端资源(包括CPU、内存、调谐器等)以及接入网带宽资源的竞争难以避免。因此,双模终端需要更加合理、高效的资源管理机制,使得终端的总体服务质量能够得到保障。同时,需要对HFC接入网的带宽资源进行合理的分配,使各个终端能够享有满足其业务服务质量的网络带宽资源。 本文依托国家科技支撑计划“支持跨区域、多运营商的新一代广播电视服务系统”课题,以及国家863重大项目课题“融合网络业务体系的开发”,对具有智能电视特征的双模终端的资源管理问题展开研究,其中主要研究终端系统资源分配算法和HFC接入网带宽分配算法。本文主要工作和创新点如下： 1)在以往的实时系统资源分配算法中,主要通过离散化的资源配置选项来描述任务的资源消耗量与效用的关系。另一些资源分配模型中,将效用或QoS描述为资源的连续函数。完全离散或完全连续的资源效用模型,都不完全适用于双模终端。本文首次提出了“连续效用子集”的概念,既能体现某些资源与任务效用之间的连续函数关系,又能描述另一些资源与任务效用之间的离散映射关系,能更准确地描述双模终端的资源与效用的关系。基于“连续效用子集”的概念,本文对实时系统资源分配算法提出了如下的两点改进： (i)实时系统的应用分配到的资源量达到一定量时,其效用逐渐呈现“饱和”趋势,资源消耗函数呈现为凹函数。这种特性通常体现在同一个“连续效用子集”中。本文利用这一特点,对已有的启发式资源分配算法HEU加以改进,提出了启发式算法T-HEU,能够在一定条件下降低HEU的时间复杂度。理论分析表明,HEU算法的时间复杂度为O(MN2L2),而T-HEU算法的时间复杂度在O(MNL)与O(MN2L2)之间,低于HEU的时间复杂度。 (ii)基于离散资源配置选项的资源分配算法,分配结束后存在一些残留资源,而某些任务的效用仍然有上升空间。这造成某些资源(如CPU时间片、网络带宽等)浪费。本文借助“连续效用子集”的概念,将残留资源的最优分配问题近似归结为线性规划问题,并设计出一种启发式算法RRA_HEU,与现有的线性规划解法进行了比较。仿真结果表明,RRA_HEU在任务个数少于15的情况下,分配残留资源的时间明显小于单纯形法和主-对偶内点法。单纯形法分配残留资源的时间并不随着任务数的增加而有明显的增加,而且执行时间几乎总是小于主-对偶内点法,适用于任务数较多情况下的残留资源分配。将残留资源分配算法应用于双模终端上的应用进程资源分配,能够提高双模终端上的资源利用率,从而提高系统效用。 2)设计了一种用于单链路效用max-min公平分配的高精确度算法AUMMAA.与现有的时间复杂度较低的算法——基于分段线性函数的单链路UMM分配算法相比,时间复杂度相似,但AUMMAA具有更高的计算精确度。 3)基于本文设计的效用max-min公平分配算法AUMMAA,提出了一种面向业务间效用公平性的QAM资源分配算法。其中,包括一种面向弹性带宽业务的QAM频点选择算法QCSA,以及,对单频点带宽使用AUMMAA进行分配。理论分析和仿真结果表明,QCSA在QAM频点组负载较轻时,倾向于提高频点组的带宽利用率；在QAM频点组负载较重时,能够促进多频点间的效用公平性。 4)基于本文设计的QAM频点选择算法QCSA,提出了一种面向终端间公平性的带宽分配机制,该机制使得不同的终端所获得的带宽满足加权max-min公平。在将单个终端的总带宽分配给各个业务时,提出了NOTF算法,能在近似最大化总效用的前提下,兼顾各业务的效用公平性。仿真实验表明,NOTF算法在使单个终端的业务总效用降低5%时,能够使业务间的效用方差降低约50%,明显促进了业务间的效用公平性。

【关键词】：有线电视 双模终端 智能电视 实时系统 HFC 资源管理 资源分配 启发式算法 效用 最大最小公平性
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN943.6
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