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移动流媒体多路传输关键技术研究

秦久人  
【摘要】:近年来,随着以5G为代表的移动互联通信技术的快速发展,以及智能手机、便携式电脑、可穿戴设备等硬件的快速普及,移动流媒体业务得到了长足发展。以网络课堂/会议、视频通话、即时游戏等为代表的移动流媒体应用,一方面极大的方便了人们的工作、生活,丰富了人们的娱乐方式,另一方面也带来了海量的即时数据传输需求。在移动网络环境下,由于用户移动性、无线信道干扰等因素的影响,传输层面临传输路径稳定性差,丢包率高等问题。传统以TCP为代表的单路径传输协议,难以适应复杂、多变的移动网络环境,传输速率受限于单一网络性能,且传输连接稳定性差,难以满足移动流媒体业务的传输需求。为了解决上述问题,以多路传输控制协议(Multipath Transmission Control Protocol,MPTCP)为代表的多路传输协议得到了国内外专家学者的广泛关注。MPTCP能够利用通信终端的多个网络接口(Wi-Fi,4G/5G等)在一个传输连接中建立多条子流。相较于单路径,多条子流并行传输能够有效的利用不同网络中的空闲带宽提高系统吞吐量,降低传输时延。尽管拥有上述优势,在面向移动流媒体业务时,MPTCP仍存在如下问题:(1)调度策略低效。MPTCP采用基于最短往返时延的数据分发策略,并在数据包传输失败后进行无差别的重传,在异构环境下,容易导致数据包乱序,增加传输延迟;(2)拥塞控制僵化。MPTCP采用固定的窗口调整策略,无法针对多样的输入流进行调整,导致传输效率低下;(3)网络感知匮乏。MPTCP难以感知网络环境对传输的影响,导致传输决策盲目、低效;(4)能耗管理缺失。由于移动终端的能量受限,而MPTCP缺乏能量管理机制,导致移动终端使用寿命下降,影响用户使用体验。因此,本文重点从动态数据调度、智能拥塞控制、网络环境感知、能量效率平衡等方面进行突破,并取得了如下成果:(1)针对调度策略低效问题,提出了部分可靠的多路虚拟队列调度机制。首先构建了虚拟队列模型,打破传统发送窗口约束,最大程度上保证数据包的按序到达。而后设计了面向消息的部分可靠重传算法,避免了无效重传。仿真实验结果显示,在不同网络参数下,所提方案能有效地减少数据包乱序概率,降低数据包交付时延。(2)针对拥塞控制僵化问题,设计了输入特征分析的多路智能拥塞控制机制。首先,在频域上对数据流的特征进行提取。在此基础上,利用增强学习理论对多路拥塞控制进行建模,根据网络环境及输入流动态调整控制策略。仿真实验结果表明,所提方案能够以较小的时延代价获得较高的吞吐量提升,性能优于同期解决方案。(3)针对网络感知匮乏的问题,提出了子流耦合感知的多路自适应传输方案。首先,通过提取子流耦合特征与拥塞特征,从空间与时间上对网络环境对传输的影响进行量化。而后,基于深度Q网络方法,对多路传输策略进行训练。仿真结果显示,在多种传输场景下,所提方案都能获得优于对比方案的系统吞吐量与时延。(4)针对能耗管理缺失问题,设计了能效均衡的多路传输优化算法。首先,通过设计传输效用模型,对影响传输性能的带宽、时延、能耗等问题进行综合分析。而后,通过Q-Learning方法,在兼顾传输效率的基础上对传输能耗进行优化。仿真实验结果表明,所提算法能够在保证传输吞吐量与时延性能相似的前提下,实现传输能耗的降低。本文面向移动网络环境下的流媒体多路传输,对调度、拥塞、网络、能耗等问题进行了分析。并利用统计分析、数学建模、人工智能、实验测试等方法对相关问题进行了解决。本文的研究成果能够为我国未来移动流体业务的发展提供一定的技术支撑。


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