一种对等直播系统中多码率调度方法.pdf

本发明公开了一种对等直播系统中多码率调度方法，步骤为：①广播源将视频源编码成多个码率，向服务器注册视频源的地址以及视频源的码率数N。②节点加入到服务器的某个频道中，获取该频道的地址，以及该频道的码率数N，并根据码率数来设置节点自己的缓冲区。③节点自动或手动从N个码率中选择一个码率m加入频道来观看节目。④节点根据自己当前码率的缓冲区填充情况，在网络中向当前码率的邻居节点请求数据，调度当前码率的数据。⑤节点在调度数据的同时，检测当前码率的缓冲情况，以此来作为切换码率的依据。

1、  一种对等直播系统中多码率调度方法，包括以下步骤：
第1步广播源服务器将每个节目源编码成内容相同但码率不同的N个视频流，并按码率由低至高编号，再向注册服务器添加一个频道，注册节目源的地址以及该节目源对应的不同码率的视频流个数N，N为大于等于2的正整数；
第2步用户节点加入到注册服务器的频道中，获取该频道的地址，以及该频道不同码率的视频流个数N，并根据视频流个数设置节点自己的缓冲区；
第3步用户节点从N个视频流中选择一个码率的视频流来观看节目，设该码率的视频流序号为m，1≤m≤N；
第4步用户节点根据自己当前码率视频流的缓冲容器的填充情况，在网络中向当前所在频道的邻居节点请求数据，调度当前频道的视频流数据；
第5步节点在调度数据的同时，检测当前码率的视频流缓冲情况，并以此缓冲情况作为切换另外码率视频流的依据；
第6步等待一个节点调度时间间隔，然后回到第4步继续调度数据。

2、  根据权利要求1所述的对等直播系统中多码率调度方法，其特征在于：第4步具体包括下述步骤：
第4.1步判断缓冲区是否已开始滚动，如果是，则进入第4.4步，否则进入第4.2步；
第4.2步向节目源服务器请求当前码率视频流最前面W秒的数据，W根据用户节点的能力确定；
第4.3步判断当前码率的视频流有没有连续T秒数据，T根据系统所允许的节目播放启动时间确定，如果有，开始滚动，并转入第4.5步，否则回到第4.2步；
第4.4步按优先级请求后面的V秒的数据，V根据用户节点的能力确定，然后转入第4.5步；
第4.5步缓冲区向前滚动U秒数据，U和节点调度间隔时间取值相同，如果当前码率视频流还没开始播放，则判断是否可以开始播放。

3、  根据权利要求2所述的对等直播系统中多码率调度方法，其特征在于：第4.4步具体包括下述步骤：
第4.4.1步对于每个不同码率的视频流i分配一个权值P(i)＝1/(1+m-i)，1≤i≤m；
第4.4.2步对于视频流i的第j个数据包i，j，如果该节点的邻居节点中拥有数据包i，j的节点数量为X(i，j)，则数据包i，j的优先级用公式F(i，j)＝P(i)/(1+X(i，j))＝1/(1+m-i)(1+X(I，j))来计算；
第4.4.3步计算每个不同码率的视频流的每个数据包的优先级，并按优先级从大到小排序，调度V秒的数据包的数据。

4、  根据权利要求2所述的对等直播系统中多码率调度方法，其特征在于：第4.5步具体包括下述步骤：
第4.5.1步缓冲区向前滚动U秒数据，并判断当前码率视频流是否已经播放，如果还没开始播放，转入第4.5.2步，否则进入第5步；
第4.5.2步等待当前码率视频流的缓冲容器中最靠前的连续T秒或以上的数据前面那段空白区域被滚动出缓冲区，或者是前面那段空白区域被填充为止，才开始播放，即判断节点的当前码率视频流的缓冲容器的起始点开始是否有连续T秒数据，如果有，则转入第4.5.3步，否则进入第5步；
第4.5.3步开始播放当前码率视频流，然后进入第5步。

5、  根据权利要求1至4中任一所述的对等直播系统中多码率调度方法，其特征在于：第5步具体包括下述步骤：
第5.1步缓冲情况分为好、中、差三个级别，检测当前码率的缓冲质量，如果已经有连续一段时间缓冲情况都为好，则转入第5.2步；如果已经有连续一段时间缓冲情况都为差，则转入第5.3步；否则进入第6步；
第5.2步如果节点当前码率的视频流序号m等于N，即已经为最高码率的视频流，则节点在保持缓冲当前码率视频流的数据的同时，再去缓冲序号为N-1的视频流的数据；如果节点当前码率的视频流序号m不等于N，则节点不再缓冲当前码率视频流的数据，而把当前码率视频流切换到高一级，即将当前码率视频流序号m加1，然后进入第6步；
第5.3步如果节点当前码率的视频流序号m等于1，即已经为最低码率的视频流，则节点继续缓冲当前码率视频流的数据；如果当前码率视频流序号m大于1，则节点不再缓冲当前码率视频流的数据，而把当前码率视频流切换到低一级，即将当前码率视频流序号m减1，然后进入第6步。

6、  根据权利要求5所述的对等直播系统中多码率调度方法，其特征在于：第5.1步具体包括下述步骤：
第5.1.1步设置一个好评级计数和一个差评级计数，并初始化；
第5.1.2步计算一次缓冲区的填充比例，如果缓冲区的填充比例小于一个预设的缓冲比例最小值，则缓冲情况为差，转到第5.14步；如果缓冲区的填充比例大于一个预设的缓冲比例最大值，则缓冲情况为好，转到第5.1.5步；否则，缓冲情况为中，转到第5.1.3步；
第5.1.3步同时置好评级计数和差评级计数为0，并进入第6步；
第5.1.4步置好评级计数为0，差评级计数加1，同时判断差评级计数是否大于预设的评级计数最大值，如果是的话，则切换到更低码率的视频流并置差评级计数为0，并转到第5.3步；如果不是，则进入第6步；
第5.1.5步置差评级计数为0，好评级计数加1，同时判断好评级计数是否大于预设的评级计数最大值，如果是的话，则切换到更高码率的视频流并置好评级计数为0，并转到第5.2步；如果不是的话，则进入第6步。

一种对等直播系统中多码率调度方法
技术领域
本发明属于计算机应用领域，具体涉及一种对等直播系统中多码率调度方法MrSM(Muliti-rate Schedule Mechanism)，该方法特别适合于网络带宽和客户端计算能力差异性比较大的网络环境。
背景技术
随着对等计算技术的不断成熟发展和广泛运用，对等网络流媒体直播系统也有很大的进步。对等网络流媒体直播系统解决了传统直播系统对服务器端网络的带宽、服务器性能要求过高的问题，一改传统的分布式多媒体系统主要使用的客户端-服务器这种集中模式。然而在对等网络流媒体技术流行的今天，如何让系统适应不同的网络环境，如何能够保证网络拓扑变化下的播放流畅性，这些还没有很好的解决方案。
但是传统的对等网络流媒体直播都采用单一码率的设计，也就是说每个节目都有固定码率的流，流的码率过大，就不能让带宽较小的用户使用。流的码率小的话，提供的流媒体质量也不能让所有用户满意。虽然现在的计算机网络大多都是基于IP协议，硬件的不同往往被系统软件所屏蔽，提供给应用软件开发者的是简单统一的网络视图和开发环境。但是对于直播系统这样的依赖带宽的系统来说，同样的应用在不同的网络环境下，表现的往往不一样。C/S模式下的直播系统依赖的就是客户端和服务器端两点间的传输速度，如果速度达不到流媒体数据的要求，那么播放是无法进行下去的。
由于在对等网络流媒体直播系统中，任意的节点都可能非常依赖拓扑结构中的某些节点给它提供数据，当给它提供数据的节点离开网络的时候，可能使节点能够获得的数据量变少。如果数据量少到一定程度，播放器无法获得足够的数据，就会导致直播无法正常进行下去。在采用单一码率的情况下，仅仅依赖调整调度算法，是无法解决问题的。
由于Internet上视频应用的快速发展，视频编码的目标也从对某一固定码率优化视频质量变化为如何在一定码率范围下优化视频的质量。为达到这个目标常用的方法有以下几种：
一种是以所有信道的最低速率对视频进行编码，这样可以保证所有接收方可以接收最低质量的视频。
另一种方法是以高质量对视频进行编码，再利用服务器为不同的用户对已编码的码率进行码率变换。这种方法的缺点在于服务器在传输时进行码率变换较复杂(包含解码，编码)，而且码率变换也会使视频质量的下降。
还有一种方法就是在编码时，产生多个不同速率的码率。对于网络上的组播，服务器传输多个码率，总的输出速率就等于多个码率的速率之和。接收方选择其中的一种码率进行解码。当网络带宽发生变化时，用户可以转到其它码率。对于单播，码率向用户传输是根据用户与服务器的信道连接来实现的，当信道速率发生变化时，一个反馈信号将传给服务器以转换到另一个码率。这种联播的方法通常需要确定产生多少数量的码率，如果产生的码率太少了，则不能以较精细的粒度覆盖速率范围，这使得许多用户不能从所连接的信道获取所能获取的最好质量的视频，从而造成信道利用不足。如果码率的数量太多，则在组播中传输的码率过大。
最近几年，一种全新的称为精细粒度可扩展编码(FGS)的技术受到了广泛的关注，FGS压缩把视频压缩成两个位流：基本层位流和增强层位流，与SNR扩展性的编码不同，FGS采用bit-plane编码。它可以实现连续的增强层速率控制。MPEG-4通过VOL数据结构来实现分级编码。FGS由于使用了位平面编码技术，与非扩展性编码相比有如下新的特点：第一，增强层使用位平面编码技术对DCT残差进行编码来覆盖网络带宽的变化范围，第二，每一帧的增强层码率可以在任何地点截断，第三，解码器重建的视频质量和收到的比特数成正比。而基本层使用基于分块运动补偿和DCT变换的编码方式达到网络传输的最低要求。
日本NTT CyberSpace研究所开发了面向内容发送和视讯会议的MPEG-4软件编解码器。能以4Mb/s数据速度对30帧/秒的VGA影像进行编码。如果使用工作频率为3GHz左右的PC服务器，即便应用于视讯会议系统，也能不掉帧地对影像进行编码。
之所以能够实现上述2个特点，主要是因为在编码顺序做了研究。具体而言，就是分成了基本层和扩展层。基本层利用MPEG-4简洁规范(MPEG-4 Simple Profile)或者MPEG-4高级简洁规范(MPEG-4 AdvancedSimple Profile)进行编码。数据编码速度为100Kb/s，图像尺寸为QVGA。不过，如果将数据编码速度降到100Kb/秒，画质自然也会下降，因此马赛克噪音很明显。对画质下降进行补偿的是扩展层数据。采用MPEG-4FGS进行编码。具体而言，对VGA影像进行编码后，以图像尺寸转换QVGA影像。此时利用扩展层对遗漏的信息进行编码。
无论是分层编码还是多描述编码，仍然都是在实验阶段，想要真正运用到系统中来，还有很长的路要走。仅仅依赖现在实用的编码技术，如何应对网络环境参差不齐，拓扑结构动态变化，相对于以前的单一码率对等网络流媒体直播系统，引入一套新的多码率调度的对等网络直播机制，用以解决网络环境适应性的问题，使得对等网络直播软件适应性得到提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对等直播系统中多码率调度方法，该方法可以解决网络环境差异性引起的适应性问题。
本发明提供的对等直播系统中多码率调度方法，包括以下步骤：
第1步广播源服务器将每个节目源编码成内容相同但码率不同的N个视频流，并按码率由低至高编号，再向注册服务器添加一个频道，注册节目源的地址以及该节目源对应的不同码率的视频流个数N，N为大于等于2的正整数；
第2步用户节点加入到注册服务器的频道中，获取该频道的地址，以及该频道不同码率的视频流个数N，并根据视频流个数设置节点自己的缓冲区；
第3步用户节点从N个视频流中选择一个码率的视频流来观看节目，设该码率的视频流序号为m，1≤m≤N；
第4步用户节点根据自己当前码率视频流的缓冲容器的填充情况，在网络中向当前所在频道的邻居节点请求数据，调度当前频道的视频流数据；
第5步节点在调度数据的同时，检测当前码率的视频流缓冲情况，并以此缓冲情况作为切换另外码率视频流的依据；
第6步等待一个节点调度时间间隔，然后回到第4步继续调度数据。
本发明为了解决网络中的各个节点的带宽差异的问题，同一频道提供了多个码率让不同的节点选择播放，并且根据节点当前带宽可能随时发生变化的特点，提供了一种可以在多码率之间切换的调度方法。本发明具有以下几个特点：
(1)适应计算机网络复杂多样性
现在的网络环境非常多样化，不同的用户可能差别很大，有光纤、宽带、LAN、WIFI、CDMA、GPRS。但是对于直播系统这样的依赖带宽的系统来说，同样的应用在不同的网络环境下，表现的往往不一样。多码率调度方法则可以使这种网络的复杂多样性不至于影响用户的观看效果，对不同网络的带宽有相应的码率提供播放，这样无论是什么网络环境下都可以比较流畅的观看节目，只不过是画质有差别而已。
(2)适应拓扑结构的动态变化
对等流媒体直播通常很依赖与自己相连的拓扑结构，而拓扑结构往往经常会变化，每个节点都可能会退出，还有新节点会加入，每个用户都会经常更新自己的拓扑结构。拓扑结构的动态变化也会影响直播流媒体数据的缓冲。如果没法从拓扑中足够快的取得数据，对于单一码率的对等直播系统来说，这会导致直播服务无法运作。引入多码率调度方法后，使得系统能够随着拓扑结构的变化影响，调整自身播放的码率，使得这种动态变化对用户造成的影响可以尽量减少。
(3)节约了服务器带宽
由于多码率的调度方法采用了交叉拓扑的结构，所以和采用单一码率的方法作比较，在同一节目中采用多个码率的情况下，服务器的带宽占用将会比发布多个节目更少。
附图说明
图1为本发明方法的主流程框图；
图2为多码率的数据缓冲管理的结构示意图；
图3为码率切换后开始播放的情况示意图；
图4为码率质量判断的示意图；
图5为多码率调度和单码率调度的对比示意图。
具体实施方式
本发明根据对等直播的特点，引入了一种多码率调度的机制，可以选择不同的码率视频流以及动态的切换不同码率视频流，从而使节点更好的适应网络带宽的多样性和动态性，提高节点在播放节目时的稳定性。
本系统里含有三个角色，其中，用户节点负责选择节目观看，广播源服务器负责存放节目的视频流并将视频流数据提供给用户节点，注册服务器负责管理广播源服务器和用户节点、记录节目信息和节点信息。
下面结合附图和实例对本发明作详细的说明。
如图1所示，本发明对等直播系统中多码率调度方法包括以下步骤：
(1)广播源服务器将每个节目源编码成内容相同但码率不同的多个视频流，并按码率由低至高编号，再向注册服务器添加一个频道，注册节目源的地址(即所在广播源服务器的该频道地址)以及该节目源对应的不同码率的视频流个数N，N为大于等于2的正整数。
从用户角度看，注册服务器上一个频道就是一个地址，但是实际上该地址是存在多个码率的视频流的，视频流的个数也不是固定的，而是由广播源服务器提供的不同码率的视频流数目决定的。
(2)用户节点加入到注册服务器的某个频道中，获取该频道的地址，以及该频道不同码率的视频流个数N，并根据视频流个数来设置节点自己的缓冲区。
多码率的缓冲区管理不同于单码率的缓冲管理。缓冲区的结构必须分成多个不同的缓冲容器，由缓冲区管理器来管理这些缓冲容器，缓冲容器的数量等于不同码率的视频流个数N。视频流划分为数据包，并对数据包按顺序编号，每个缓冲容器里面按顺序存放数据包，这样缓冲区管理的情况如图2所示。
(3)用户节点从N个视频流中选择一个码率的视频流来观看节目，设该码率的视频流序号为m，1≤m≤N。
加入频道时，根据节点所处的环境或者节点的能力来选择一个码率的视频流，如果节点的网络环境或者自身能力比较差，就应该选择一个码率比较低的视频流来加入频道；如果节点的网络环境以及自身能力比较强，就应该选择一个码率比较高的视频流来加入。
(4)用户节点根据自己当前码率视频流的缓冲容器的填充情况，在网络中向当前所在频道的邻居节点请求数据，调度当前频道的视频流数据。
具体步骤如下：
(4.1)判断缓冲区是否已开始滚动，如果是，则进入步骤(4.4)，否则进入步骤(4.2)；
(4.2)向节目源服务器请求当前码率视频流最前面W秒的数据，W为一固定值，根据用户节点的能力确定，一般范围为35到45；
(4.3)判断当前码率的视频流有没有连续T秒数据，T为一固定值，根据系统所允许的节目播放启动时间确定，一般范围为20到30，如果有，开始滚动，并转入步骤(4.5)，否则回到步骤(4.2)；
(4.4)按优先级请求后面的V秒的数据，V为一固定值，根据用户节点的能力确定，一般范围为8到10，然后转入步骤(4.5)；
具体的步骤如下：
(4.4.1)对于每个不同码率的视频流(1≤i≤m)分配一个权值P(i)＝1/(1+m-i)，这个权值的计算公式保证视频流i的权值P(i)会随着i的减小而变小，即对于小于等于当前码率的每个视频流来说，码率越高，权值越高。
(4.4.2)那么对于视频流i的第j个数据包i.j来说，如果该节点的邻居节点中拥有数据包i.j的节点数量为X(i.j)，则数据包i.j的优先级可以用公式F(i.j)＝P(i)/(1+X(i.j))＝1/(1+m-i)(1+X(I，j))来计算。
(4.4.3)这样计算了每个不同码率的视频流(1≤i≤m)的每个数据包的优先级之后，就按优先级从大到小排序，调度V秒的数据包的数据。
(4.5)缓冲区向前滚动U秒数据，U为一固定值，和节点调度间隔时间X取值相同，节点调度间隔X为用户节点每次调度数据之间的时间间隔，一般可以设为3到5，如果当前码率视频流还没开始播放，则判断是否可以开始播放；
具体的步骤如下：
(4.5.1)缓冲区向前滚动U秒数据，并判断当前码率视频流是否已经播放，如果还没开始播放，转入步骤(4.5.2)，否则进入步骤(5)。
(4.5.2)如果当前调度码率的视频流还没开始播放(可能是新加入频道还没有开始播放，或者还在播放原来码率的视频流准备切换到新的码率的视频流)，则等待当前码率视频流的缓冲容器中最靠前的连续T秒或以上的数据前面那段空白区域被滚动出缓冲区，或者是前面那段空白区域被填充为止，才开始播放，此时情况如图3所示，即判断节点的当前码率视频流的缓冲容器的起始点开始是否有连续T秒数据，如果有，则转入步骤(4.5.3)，否则进入步骤(5)。
(4.5.3)开始播放当前码率视频流，然后进入步骤(5)。
(5)节点在调度数据的同时，检测当前码率的视频流缓冲情况，并以此缓冲情况来作为切换另外码率视频流的依据，其步骤为：
(5.1)缓冲情况分为好、中、差三个级别，检测当前码率的缓冲质量。如果已经有连续一段时间缓冲情况都为好，则转入步骤(5.2)；如果已经有连续一段时间缓冲情况都为差，则转入步骤(5.3)；否则进入步骤(6)。
如图4所示，可以根据当前码率视频流的缓冲区填充的百分比给缓冲情况做一个评级，分三级：好、中和差。当连续几次给缓冲情况的评级都是差的时候，就认为应该切换到低一级码率的视频流。当连续几次评级为好的时候，就认为应该切换到高一级码率的视频流，具体如下：
(5.1.1)设置一个好评级计数(good quality count)和一个差评级计数(bad quality count)，并都初始化为0。
(5.1.2)计算一次缓冲区的填充比例。如果缓冲区的填充比例小于一个预设的缓冲比例最小值(可以是20％)，则缓冲情况为差，转到(5.14)；如果缓冲区的填充比例大于一个预设的缓冲比例最大值(可以是80％)，则缓冲情况为好，转到(5.1.5)；否则，缓冲情况为中，转到(5.1.3)。
(5.1.3)缓冲情况为中，则同时置好评级计数和差评级计数为0，并进入步骤(6)。
(5.1.4)缓冲情况为差，置好评级计数为0，差评级计数加1，同时判断差评级计数是否大于预设的评级计数最大值(如8或9)，如果是的话，则切换到更低码率的视频流并置差评级计数为0，并转到步骤(5.3)；如果不是的话，则进入步骤(6)。
(5.1.5)缓冲情况为好，置差评级计数为0，好评级计数加1，同时判断好评级计数是否大于预设的评级计数最大值(如8或9)，如果是的话，则切换到更高码率的视频流并置好评级计数为0，并转到步骤(5.2)；如果不是的话，则进入步骤(6)。
(5.2)如果节点当前码率的视频流序号m等于N，即已经为最高码率的视频流，则节点在保持缓冲当前码率视频流的数据的同时，再去缓冲序号为N-1的视频流的数据；如果节点当前码率的视频流序号m不等于N，则节点不再缓冲当前码率视频流的数据，而把当前码率视频流切换到高一级，即将当前码率视频流序号m加1(m＝m+1)。然后进入步骤(6)。
(5.3)如果节点当前码率的视频流序号m等于1，即已经为最低码率的视频流，则节点继续缓冲当前码率视频流的数据；如果当前码率视频流序号m大于1，则节点不再缓冲当前码率视频流的数据，而把当前码率视频流切换到低一级，即将当前码率视频流序号m减1(m＝m-1)。然后进入步骤(6)。
(6)等待一个节点调度时间间隔X秒，然后回到步骤(4)继续调度数据。
实例：
整个系统的配置如表1所示，并设置V＝10，W＝40，T＝25，U＝X＝5；
表1测试实例硬件配置