IJDMB 国际期刊的数字多媒体广播 1687 - 7586 1687 - 7578 Hindawi 10.1155 / 2017/2456814 2456814 研究文章 一个新颖的方法来减少IPTV系统的单播带宽的高速访问网络 http://orcid.org/0000 - 0003 - 2178 - 437 x Khabbiza El Hassane 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 8524 - 9053 El Alami Rachid 1 Qjidaa 哈桑 1 王 国家主席胡锦涛 LESSI实验室 物理系 科学教师Dhar El Mahraz Sidi穆罕默德本Abdellah大学 费斯 摩洛哥 usmba.ac.ma 2017年 31日 10 2017年 2017年 29日 06 2017年 17 09年 2017年 26 09年 2017年 31日 10 2017年 2017年 版权©2017 El Hassane Khabbiza et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

信道变化的时间是一个关键质量的经验(体验质量)度量等基于ip的视频传输系统的互联网协议电视(IPTV)。一个有趣的频道改变加速度方案基于peer-assisted交付最近提出的,由一个FCC服务器部署(快速通道改变服务器)的IP骨干为了向机顶盒发送单播流(机顶盒)之前发送正常的多播流之后每个通道的变化。然而,部署此类解决方案将导致网络高带宽的使用,因为巨大的单播流量由服务器发送FCC机顶盒。在本文中,我们提出一个新的解决方案来减少带宽占用的单播流量,通过部署FCC服务器功能在用户机顶盒。这意味着,每个频道变更请求后,新加坡旅游局将从另一个机顶盒接收单播流量而不是中央服务器。通过使用这种方法,单播流量不会通过IP网络;这将是一个点对点通信通过访问网络。提出了广泛的仿真结果来展示我们的新解决方案的鲁棒性。

 1。介绍

最近,IPTV(互联网协议电视)解决方案已经成为广泛使用的,因为它提供了各种服务,如多播电视、视频点播(VOD),和暂停直播电视(PLTV),利用IP网络扩张和互联网用户的增加。

代替传统的电视,它提供了大带宽和没有一个视频交付给每个用户,IPTV分布需要严格要求在性能和可靠性的需求,低延迟,抖动的严格控制,小的包丢失为了保证预期的视频质量。

图 1说明了IPTV系统的基本拓扑结构。当用户切换到一个特定的频道(或当用户打开他/她的机顶盒),新加坡旅游局发送请求加入相应的多播组使用IGMP(互联网组管理协议) 1]。然后,如果成功,IPTV平台提供视频流封装在RTP(实时传输协议)用户数据包通过AGR(聚合路由器),(访问节点)和HG(家庭网关)。

IPTV系统的体系结构。

在每个通道变化,新加坡旅游局将IGMP加入多播消息发送新渠道;在这种变化,新加坡旅游局必须等待更可解码的帧的到来,这叫做I-frame。为了解决这个问题,提出了许多技术来减少等待时间;最著名的技术之一是单播peer-assisted解决方案,它由寄I-frame更快让机顶盒解码多播流而不是等待原始I-frame的到来。

本文的目的是提出一种新颖的方法来减少带宽占用的单播流量消耗在通道变化通过使机顶盒之间的沟通。使用这种方法,新加坡旅游局将加入流,解码,并显示在用户屏幕上。此外,与此同时,机顶盒可以缓冲流几秒钟交付它到另一个机顶盒(属于一个相同)的情况下,所需的机顶盒。

本文组织如下。部分 2评论的方法用于减少信道变化时间。该方法在节中有详细描述 3。节 4之后,我们评估我们的方法的结论部分 5。

 2。相关工作

视频流是由一系列的帧(或图片)采取定期(通常每33.3或40毫秒);这个流的比特率相当高,可以达到200 Mb / s自行研制(标准清晰度电视)和最多1 GB / s HDTV(高清电视) 2]。

由于网络带宽是一个稀缺资源,最近很多压缩技术一直用于保存网络带宽和存储。有效的媒体流计划因此被开发出来,如mpeg - 2, mpeg - 4,利用帧之间的时间相关性。这种相关性可以显著提高压缩效率。

这个方案的视频流压缩成一系列帧分为一组照片(共和党)如图 2。每个共和党由三张照片:I-frame P-frame, B-frame。I-frame是参考系,画面中利用像素的空间相关性,而且非常独立于其他框架。P -和B-frames预测帧和总是依赖其他帧解码;他们不能独自解码。

典型的框架结构。

解码视频流,译码器需要一个I-frame,即参考系,因为它是所有共和党解码的基本信息。增加播出时间和减少延迟,强烈建议将I-frame频繁。然而,传输I-frame更频繁地将增加的比特率视频因为这些框架相对比P -和B-frames。

共和党大小的选择应该适合共和党之间的平均大小和解码延迟。一般来说,有一个权衡播出的性能一方面和压缩效率另一方面;在实践中,共和党持续时间通常是选择1到3秒。

2.1。信道变化的延迟

在传统电视系统中,信道变化时间(CCT)几乎是同时(大约200毫秒),当用户只需要改变载波频率,解调的内容,并将其显示在电视屏幕上显示出来。

数字化和压缩的视频流,通道改变时间(CCT)显著增加;一般来说,在IPTV系统中,这三个基本组件( 3]:

解码延迟:之间的时间的用户输入通道可解码的多播数据的变化和收据。

IGMP延迟:所需的时间来处理IGMP离开并加入消息。

缓冲延迟:之前所需的时间缓冲的内容显示在用户电视。

在过去的几年里,许多技术( 4)已经被提议作为解决减轻IPTV系统的有条件现金援助。大部分的技术专注于减少基于辅助流解码延迟,这始于一个I-frame。这个辅助流发送到新加坡旅游局当用户更改频道为了让新加坡旅游局赶上前面I-frame并开始解码和显示它在屏幕上没有必须等到原始I-frame的到来,这将有助于减少有条件现金援助。

有三种基本技术利用辅助流。

技术1。Prejoin最可能的下一个频道基于用户行为或相邻的通道与当前通道( 5- - - - - - 7]。这样,新加坡旅游局将解码的新渠道很快,因为它已经收到了I-frame之前切换频道。

技巧2。编码一个低质量的辅助流I-frames频繁到普通流中每个通道( 8, 9]。

技巧3。这种技术是FCC unicast-based,它由部署在一个快速通道变化(FCC)服务器的网络媒体为了缓冲流并提供新加坡旅游局以更高的速度在每个频道变更请求( 10- - - - - - 12]。

 2.2。FCC Unicast-Based

基于单播的FCC改变解决方案部署的最受欢迎的频道运营商在世界各地由于其简单性和可靠性,它不需要任何修改其他网络元素来实现它。图 3显示了一个简单的拓扑结构的基于FCC单播的IPTV系统的解决方案,和图 4说明了这种技术的工作机制。

FCC的工作原理。

FCC工作流程。

这个解决方案包括内安装一个FCC服务器IP骨干为了封面ANs的最大数量;这个服务器连接到多播源,赶上了最后几秒钟的每个频道的内容流。一旦IPTV用户按下遥控器上的按钮改变频道,新加坡旅游局将立即发送一个通信委员会要求FCC服务器并行请求单播的IGMP留言之前为了离开多播组对应于前面的通道。FCC服务器发送新加坡旅游局短流的视频新渠道直接播放,开始在一些过去的入口点。

FCC服务器将数据发送给新加坡旅游局的数据速率快于通道的数据率和几秒钟后赶上多播流的通道,然后FCC服务器指示新加坡旅游局加入新渠道。

在加入新通道和接收第一个多播数据包,新加坡旅游局通知FCC停止单播流( 13]。

 2.3。FCC单播带宽评价

FCC为单播不考虑传输带宽限制,因为使用单播流与多播流并行实现IPTV服务给最终用户。带宽限制越来越严重当用户切换频道频繁或同步的方式将自己的行为(寻找有趣的程序)或避免商业优惠(广告)。

这个带宽将被添加到其他服务的多播带宽和带宽(特别是当一个向最终用户提供其他服务),如HSI(高速互联网),VoIP (IP语音),锅(普通电话服务),会导致许多交通拥堵问题之间的一个和AGR AGR和IP骨干。

总单播带宽( b t )在通道变化为一个一个的单播流量的总和( b 我 )发送到每个机顶盒在每个通道变化(如图 5),可以表现出下列功能: (1) b t = ∑ 我 = 1 在线IPTV用户的数量 b 我 。

FCC单播带宽。

 3所示。新FCC Unicast-Based解决方案

减少单播期间消耗的带宽通道的IPTV用户连接到一个变化,我们提出了一种新的解决方案,如图 6由FCC的实现服务器功能在每个用户机顶盒与中央FCC服务器,这将作为FCC控制器(FCCC)同时作为传统FCC服务器。一旦机顶盒接收通道流,它将解码和显示在用户屏幕上同时可以缓冲流几秒钟交付它到另一个机顶盒(属于一个相同)的情况下,所需的机顶盒。

建议的解决方案来减少FCC单播带宽。

我们的命题主要是写给高速接入网技术,如VDSL(高比特率数字用户线)( 14),GPON(千兆无源光网络) 15),以太网提供一个大的上行带宽。

确定用户的物理位置,我们会利用动态访问协议(如DHCP ( 16)(动态主机配置协议)和PPPOE ( 17]在以太网(点对点协议),因为他们是最受欢迎的协议用于IPTV身份验证。

我们建议启用DHCP选项82 1882年[]或PPPOE选项 19)根据访问协议(DHCP或PPPOE)一个。这种方式,信息将被发送到的访问通过DHCP服务器发现或PPPOE积极发现启动(PADI)消息。一旦访问服务器得到这些信息,将它与机顶盒IP地址)(FCC服务器构建FCC数据库(图 7)。

新加坡旅游局收集位置信息。

 3.1。可能的场景

在每个通道变化,五个场景可能发生。

场景1(机顶盒不断加入同一个通道FCC期间)。

图 8在这个场景中显示了工作流程和主要步骤。当用户想频道切换到一个新的,STB1发送一个FCC请求FCCC服务器;FCCC服务器首先将更新相关的信息在FCC STB1数据库包括信道的时间变化,新加坡旅游局IP地址和ID的新渠道。

的时间通道已经更改将被添加到该数据库以便于缓冲区的验证实现,来决定是否这个机顶盒可以作为一个FCC为其他机顶盒。

当FCCC服务器发现一个机顶盒已经连接到同一个和加入新通道与一个完整的缓冲区,FCCC服务器将请求这个机顶盒(STB2)向STB1流。

在某些时候,STB2指示STB1加入新渠道。在加入新通道和接收第一个多播数据包,STB1通知STB2停止单播流。

建议的解决方案工作流程。

 场景2(机顶盒通道FCC期间变化)。

如果新加坡旅游局改变通道FCC期间,新加坡旅游局(接收器)将请求FCCC简历过去RTP流交付报告序列号FCCC [ 20.]。

 场景3 (STB FCC期间关闭)。

如果新加坡旅游局关掉FCC期间,新加坡旅游局(接收器)将请求FCCC简历过去RTP流交付报告FCCC序列号。

 场景4(以防有包丢失在交付的流)。

以防有丢包流交付期间,新加坡旅游局(接收器)需求缺失的RTP数据包从FCCC服务器报告这个包的序列号。

 场景5(没有机顶盒可以满足要求)。

如果FCCC服务器未找到任何机顶盒实现的要求FCC服务器,它本身将提供单播流在一节FCC Unicast-Based如前所述。

数据报在图 9简历主要步骤的新解决方案。

FCC提出解决方案主要步骤。

 3.2。FCCC算法

新奇的贡献是新的FCC控制器服务器(FCCC)有两个功能:第一个是正常的FCC服务器和第二个函数是FCC控制服务器,它将控制和选择合适的机顶盒作为本地FCC服务器。

FCCC构建FCC数据库根据收到的信息访问服务器和渠道变更请求。数据库是由多个数据库;FCCC中的每个节点都有自己的数据库的访问,我们考虑FCCC数据库作为一个矩阵(图 10),列数是网络机顶盒的数量的行数是缓冲时间除以时间采样间隔。

FCCC通道变化数据库。

一旦FCCC服务器接收一个FCC请求,它将更新的进入新加坡旅游局在数据库中。节省内存,FCC服务器将只记录一些信息几秒钟。例如,在图 10,STB4正在从通道3通道1,和从机顶盒接收通道变更请求后,FCCC服务器将更新行号4 STB4对应时间 t 从通道3通道1。

FCCC服务器会分析所有矩阵行检查是否有一个机顶盒完全缓冲通道1。验证后,结果将是STB2因为这个机顶盒接收的交通通道长期高于缓冲时间,这意味着STB2有一个完整的缓冲区,因此可以作为FCC服务器。

为了避免交通拥堵上行流量和负荷的问题,FCCC不会选择新加坡旅游局在FCC期间不止一次。每次FCC选择后,FCCC将开始倒数计时器(定时器时间等于FCC时间)并将它绑定到选择的机顶盒;这种方式,FCCC不会选择这个机顶盒因为计时器尚未过期;一旦计时器到期时,新加坡旅游局可以选择再次作为FCC服务器。

一般来说,FCCC服务器计算新加坡旅游局ID,可以作为一个FCC为用户服务器 k 在即时 t 基于以下功能: (2) 马克斯 ⁡ 我 n - - - - - - C + 我 n - - - - - - 1 α × 年代 - - - - - - 我 n - - - - - - 1 2 + 我 n α × P - - - - - - 我 n - - - - - - 1 2 + 我 n α × V , 在哪里

我 n 是一个单位矩阵;

C 是一个方阵,大小 米 元素的向量 U 其他地方的主对角线和零: (3) C = U 1 ⋯ 0 ⋮ ⋱ ⋮ 0 ⋯ U 米 ;

U 是一个列向量的大小 米 ,它包含每个机顶盒的即时信息 t ;这个向量将用于排除新加坡旅游局,这是在即时关闭 t ;甚至其缓冲区满是按照FCCC数据库;

α 是无穷整数,忽视价值低于一个通过应用因素;

年代 是一个方阵,大小 米 ,它由对角线的值,每个等于行之和,矩阵的元素 米 其他地方和零: (4) 年代 = 1 n ∗ U k × ∑ 我 = 1 n 米 1 , 我 ⋯ 0 ⋮ ⋱ ⋮ 0 ⋯ ∑ 我 = 1 n 米 米 , 我 ;

P 是一个方阵,尺寸m,由对角线的行值都等于乘法,矩阵的元素 米 其他地方和零: (5) P = 1 U k n × ∏ 我 = 1 n 米 1 , 我 ⋯ 0 ⋮ ⋱ ⋮ 0 ⋯ ∏ 我 = 1 n 米 米 , 我 ;

米 是信道变化矩阵,其中包含最新的信道变化为每个用户的信息;它由 n 列和 米 行;

n = B u f f e r D u r 一个 t 我 o n / Δ t ;

Δ t 采样间隔,信息的点之间的距离;

缓冲时间FCC缓冲的时间;

米 是网络机顶盒的数量;

V 是一个列向量的大小 米 ,数字增加增量为1。

请注意

在主函数中,矩阵 P, 年代, C已经修改,以消除次方根元素运用的功能呢 x - - - - - - 1 - - - - - - 1 2 + 1 α 和 ( 1 - - - - - - 1 + x - - - - - - 1 α ] 。

如果上面的函数的结果是零,这意味着没有机顶盒的描述要求;在这种情况下,FCCC应负责交付新加坡旅游局的单播流 k 。

4所示。绩效评估

确认该方案的性能和效率,我们创建了一个模拟的单播之间的带宽,并使用MATLAB AGR。

我们认为在这个例子中(图 11),我们有120用户,可以改变60 SD渠道(每个通道的速度是3 Mb / s),经常一段1200秒。FCC缓冲区的容量为3秒。

FCC带宽使用之前和之后使用新的通信方案。

发送的新解决方案减少了单播带宽FCCC机顶盒的渠道变化;本地FCC服务器(机顶盒)取代中央FCCC服务器转发时所需的单播流量通道变化。

图 12显示了带宽的行为而言,渠道的数量;60岁的用户数量是固定的用户,可以执行40通道变化时期的400秒。我们的话在这个例子中,当通道的数量较小的用户数量,我们计划的效率非常重要,因为发现更多的用户看同样的频道的概率很高。这意味着当用户切换到一个新的渠道,我们有更高的机会找到另一个用户看相同的频道,从而支持发送单播流而不是中央FCC服务器。

带宽的行为而言,通道的数量。

增加渠道的数量意味着用户有更多的选择在频道冲浪,所以当用户切换到一个新的频道,很难找到更多的人看同样的频道。

在旧方案,单播的带宽被所有用户在频道改变用户的数量成正比,但在这个新计划带宽减少一旦用户的数量高于通道的数量。这意味着我们有很好的优化一旦我们有更多用户看相同的通道如图 13。

带宽的行为的用户数量。

图 14显示了带宽的行为而言,看时间;新旧方案相同的行为时看时间很长,但是当用户经常切换通道,关于节约带宽新方案更优。

带宽的行为的观察。

总之,该方案的模拟显示很好的一个上行端口的带宽管理尤其是当有相当高的通道数量变更请求的用户数量是高于可用频道的数量。

 5。结论和未来的工作

我们提出了一个新的解决方案,有效地管理带宽资源在IP网络上的单播流量变化的IPTV频道实现用户机顶盒上的单播peer-assisted解决方案。这意味着,如果有一个机顶盒已经加入一个频道,这个频道是请求另一个机顶盒,连接到相同的访问节点,这个机顶盒可以交付FCC单播流量的邻居而不是中央FCC服务器(FCCC)。在这种情况下,加入这个通道没有机顶盒,机顶盒的FCCC将单播流量按旧的FCC unicast-based方法本身。

整个过程是由中央控制的FCC服务器根据所收集的信息通道变更请求收到机顶盒,机顶盒收到访问服务器的位置。

我们的解决方案不需要任何额外的资源或新的硬件集成在其他网络元素;它只需要一些软件升级FCC服务器和用户机顶盒。对于未来的发展,我们将扩大这一新的解决方案优化的单播带宽PLTV(暂停直播电视)以受益于用户机顶盒之间的通信。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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