文摘

本文着重于确保服务质量(QoS)和体验上的品质(体验质量)需求的用户在异构设备多播会话。QoS参数如比特率、延迟和数据包损失是好指标优化网络服务但缺乏描述用户的感受(体验质量)。在N-Screen服务中,具有不同属性的用户有不同的设备屏幕大小、分辨率、访问网络接口,用户有不同的体验质量N-Screen设备上使用相同的QoS参数。我们制定的目标函数N-Screen多播分组,确保最低带宽较小的用户体验质量的要求。我们提出一个动态的用户体验质量重新分配计划维护和满足用户的会员适应不同的网络环境。提出的方案结合了可用带宽和多媒体视觉质量保证QoS和体验质量。在网络体系结构中,我们引入QoS的功能和体验质量意识到多播组管理和评估方案的QoS和体验质量参数。仿真结果表明,该多播服务保证了网络QoS和担保的用户体验质量在不同网络条件。

1。介绍

多媒体流是增长最快的应用程序之一,过去的十年目睹了一个快速发展的智能设备和通信技术的复杂性。互动广告局的报告说,大约69%的用户4-Screens [1活跃和大约90%的用户的交互是通过多屏幕(2]。N-Screen,也称为多屏幕,有不同的属性,如网络接口,媒体编解码器,屏幕分辨率、计算和存储。N-Screen服务使用户能够访问和共享相同的内容源通过异构设备从任何位置,在任何时候3,4]。无处不在的通信技术和智能设备的要求,用户应该能够访问他们的订阅服务通过任何可用的网络(如3 g, 4 g LTE, WiFi,以及通过任何设备,如智能手机、笔记本电脑、台式机、平板电脑。N-Screen多媒体服务的需求广泛的带宽,确保服务质量(QoS)。缺乏带宽可能会导致更高的端到端延迟,视频抖动、包丢失。思科公司预测,到2019年,80%的全球IP数据将视频流量。此外,N-Screen设备的异构性提出了新的问题关于多媒体的QoS和在不同的终端用户的体验4,5]。带来的挑战在移动视频交通迅速增长并确保多媒体QoS和用户的体验质量(体验质量)在移动设备上可以解决通过提高网络容量或卸载核心和回程网络的流量(6]。提出一种新颖的N-Screen多媒体多播方案来减少交通和确保所有集团用户的体验质量要求满足N-Screen设备。

多媒体服务利用高带宽的巨大增长,造成拥堵的核心网络。IP多播(7]技术旨在节约网络带宽通过将单个流发送到多个主机同时有助于减少核心网络流量。多播流接收节点可以有不同的功能和QoS和体验质量要求。IP多播传输速率同步内容中最严重的信道条件导致传统的组播用户带宽公平性问题。改善组播用户之间的公平性,目的地设置分组(DSG) [8,9)计划提出集团用户基于可用带宽(ABW)。现有的DSG方案不考虑N-Screen设备的体验质量要求和不同的功能,不能保证所有用户体验质量要求的体验质量也许不同的在不同的设备在同一网络环境。此外,N-Screen设备可能在不同网络条件下具有相同的体验质量。N-Screen用户的QoS要求可以保证通过定义不同的QoS交通类和高质量的服务类与优先级在差异化服务(10]和IEEE802.11e [11]。另外,可伸缩视频编码(12,13]适应各种网络环境的数据传输速率来处理内容的分布异构设备。这些模型需要网络代码转换来处理不同的QoS类和各种网络环境。本文侧重于保证QoS和体验质量需求的满意度N-Screen多媒体多播网内用户不需要适应,SVC或分层视频编码。我们制定的目标函数N-Screen分区问题,确保用户体验质量的最大化。建议方案分配用户到适当的视觉质量建立多播组(MGs)源如图1。


图1
N-Screen意识到多播服务。

从网络的角度来看,QoS的特点是带宽约束、延迟、数据包损失,恐慌影响视频质量。Tavakoli et al。14)调查的影响块/包大小和质量交换振幅QoS和体验质量。尽管QoS可以给有价值的见解关于网络条件下,它通常是提供一个可靠的估计不足的视频质量被最终用户,这被称为体验质量(15]。QoS和体验质量描述多媒体服务的质量,可以提供的当前网络状况和被N-Screen的用户设备。QoS的绩效合同,可以定性或定量测量之间的用户和服务提供者。体验质量是一个定性指标,可以测量动态视频完整性评价指标(电影)16]或平均意见分(MOS) [17]。在这项研究中,我们采用MOS度量ITU-T G.1070 [8,18)标准认为N-Screen体验质量评估的属性和网络环境信息。安德鲁Catellier et al。19)表示,用户对不同的设备有不同的多媒体QoS和体验质量,认为多媒体的质量是不一样的10日21′′英寸平板电脑和英寸的液晶显示屏。因此,只考虑比特率不能满足每个用户的体验质量要求在MG感知的视觉质量是不同的每个用户的N-Screen设备。在本文中,我们提出一个比特率和多媒体知道N-Screen多播服务质量,确保用户的QoS和体验质量要求N-Screen环境中得到满足。

本文的组织结构如下:部分2描述了背景和相关工作和部分3概述了提出N-Screen多播服务。部分4解释了架构提供QoS和体验质量意识到N-Screen多播服务和方案可用带宽估计,以及多媒体质量评估。我们提出的目标函数N-Screen MG管理、动态用户分配和周期性毫克管理计划部分5。部分6该建议的体系结构提供了一个讨论和比较模拟结果与现有的。最后,部分7总结了纸。

在本节中,我们介绍相关的背景知识和工作N-Screen服务,多播服务,体验质量和多媒体QoS和之前进入的细节提出N-Screen多播服务。

N-Screen服务使用户能够使用多个异构设备在任何时间,任何地点。N-Screen技术旨在提供无缝服务连续性和同步的内容在异构显示(20.]。在现实中,N-Screen服务是一个源的启用多用途(OSMU)与一个自适应源正如(ASMD)。最近工作(3,4)定义和分类提供的各种服务,可以在多个设备,以及交接机制在各种接入网络和设备。在[21),作者提供了移动数字电视广播的实现细节N-Screen智能设备上的iOS和Android操作系统平台。Kwon et al。22)确定了不同的服务质量等因素,易于使用,价格公平,影响使用现有的行为意图N-Screen服务。提出了一个可扩展的框架(23)提供基于web的用户界面N-Screen管理对不同的屏幕布局。无缝屏幕切换方案没有干预的用户提出了考虑用户的上下文提取设备的嵌入式传感器(24]。大多数情况下,这些研究工作集中在N-Screen服务的定义和体系结构。向前发展,本文着重于多点的异构N-Screen设备的分组数据传播来缓解网络拥塞,目前存在于移动和固定网络。

多播服务提供了一个一对多或多对多沟通可以降低整体的核心网络负载。多播方案可以应用层多播25,26),ip层组播(27),和链路层组播28]。在多播环境中,一个用户可能有不同的信道条件,由于干扰,出现褪色,障碍,和基站的距离。群际比例公平和多播比例公平方案提出了(29日)提高系统吞吐量,分配适当的数据率根据信道条件。IP多媒体子系统(IMS)支持的通用移动通信系统(UMTS)在第三代合作伙伴计划(3 gpp)释放5在异构网络支持服务连续性。版本5的3 gpp最初仅支持单播传输函数来提高ip核网络负载(30.]。然而,3 gpp版本6和更高版本31日]介绍了多媒体广播和多播服务在IMS(清楚)。聚合IMS-MBMS集成框架提出了支持多播/广播服务和移动在异构网络30.- - - - - -32]。尽管是优于先前的模型,清楚服务仍然没有考虑N-Screen设备的不同的功能和体验质量要求。

QoS的服务可用性和网络传输的质量。QoS管理计划集中在应用程序层(33,网络层28),和MAC层(34)会话适应网络环境的机制。这些计划需要准确的信息网络的QoS参数如ABW,丢包率(PLR)、神经过敏、和平均分组延迟。的估计ABW是QoS管理的关键因素之一,网络拥塞。ABW可以估计hop-to-hop或端到端。个人跳带宽估算工具提出了在先前的研究35,36),和端到端带宽估计Pathload(37),pathChirp(38]。网络中端到端ABW是一个时变过程,可以被定义为最低nonutilized能力之间的联系。带宽估计可分为(我)被动估计从丢包,延迟,没有闯入网络拥塞,和(2)活跃的发送探测包,估计带宽。主动探测方法是进一步分为探测差距或探测率模型。包对的火车39)发送数据包分别在时间和使用双线性回归来估计带宽。的pathChirp使用指数时间空间探测包估计ABW之间,可以准确地捕捉网络的拥堵的状态。Pathload使用周期数据包的单向延迟估计ABW和州,当流率大于ABW,周期性的单向延迟数据包显示了增加的趋势。提出了一种Bayesian-based预测模型来预测瞬时端到端带宽变化和单向带宽估计的预测方法在接收方40]。Ahuja et al。41)提出了如2 g和3 g网络选择多路存取网络环境中基于可用链接。

在多媒体流的重要因素之一是用户体验质量的保险需求。多媒体体验质量评估模型可分为媒体层模型(传销)或包层模型(plm)。传销使用多媒体内容估计视觉质量的同时,plm使用包和网络信息来预测视觉质量(42]。在一个先前的研究(43),作者分类多媒体体验质量估计模型作为参考,减少参考,没有参考模型。完整的参考模型(16)需要原始流和收到扭曲流,减少参考模型需要一些参数描述的原始流和接收到的扭曲的流,也没有参考模型只使用扭曲的流。ITU-T J.144 [44)和ITU-R BT.1683 [45)的完整参考模型感知视觉质量评估在数字电视。魏仁芳et al。46)开发降低了知觉视觉质量的评估参考模型。没有建议或参考参数包层模型研究在过去(47- - - - - -49]。ITU-T G.1070 [8)是体验质量评估的建议基于PLM可视电话多媒体流媒体服务。

本文的贡献和意义比现有方法可以概括如下。( 我们专注于确保用户在异构设备的QoS和体验质量要求在多播会话。( )我们建议N-Screen组播用户分区作为一个优化问题,最大化用户的体验质量使用较小的用户的带宽和提供一个算法来管理的数量出来。( )我们提出一个动态用户保持体验质量重新分配方案适应用户的会员根据不同网络条件。( )提供N-Screen多播服务,我们介绍QoS的方案评估、体验质量评估、和视觉质量意识到毫克管理网络体系结构。

3所示。提出N-Screen多播服务的概述

提出N-Screen多播服务中,我们假设N-Screen用户指定其视觉质量要求(MOS)和服务提供端分配用户适当毫克,能满足用户的需求,如图2。在图中, 设在代表的内容传输速率在源和毫克 设在代表用户设备上预期的视觉感知质量。在一个N-Screen多播环境中,设备在不同的网络环境可以分配给相同的MG,反之亦然。这是因为金属氧化物半导体不仅取决于比特率和PLR,还编解码器,帧速率和屏幕分辨率。我们假设一个用户的视觉质量要求是小于或等于最大的视觉质量,可以提供在当前网络环境在用户的设备。的标准分配的目标用户对MG和N-Screen多播服务简要讨论如下。(我)分配用户的现有毫克可以提供所需的视觉质量在用户的设备上。(2)给用户分配MG提供最大的视觉质量和需要较小的带宽比其他现有出来。(3)创建一个新的MG如果没有可用的毫克可以满足用户的需求受到系统资源的可用性。


图2
N-Screen、网络和视觉质量意识到用户分配到不同的组播组。

4所示。拟议的QoS和体验质量意识到N-Screen多播服务架构

多播传播相同的内容同时向多个接收节点,从而高效地利用网络资源。多媒体多播服务的主要挑战是提供下行数据传播N-Screen设备有不同的功能,QoS需求,位置和网络条件。虽然QoS参数,比如可用带宽,数据包丢失和底层网络的端到端延迟是好指标应用服务提供商来优化他们的服务,这些参数不能反映最终用户设备上感知的视觉质量。在N-Screen,用户体验不同的视觉质量在不同N-Screens同时由于异构QoS参数功能的设备。我们提出一个新的N-Screen多播服务,专注于确保N-Screen用户的QoS和体验质量要求在服务提供者端通过分组用户适当的机动式不需要网络多媒体的适应,在可伸缩视频编码。在接下来的部分,我们介绍了拟议的架构,可用带宽估计,N-Screen设备上和视觉质量。

4.1。提出N-Screen多播服务架构

支持N-Screen多播服务,我们介绍N-Screen毫克的功能管理、QoS和体验质量评估技术和N-Screen服务存储库的服务提供者网络如图3。我们简要讨论图的每个节点的功能3如下。


图3
拟议的QoS和体验质量意识到N-Screen服务架构。
以下4.4.1。N-Screen服务管理系统(销售经理)

有效地支持N-Screen服务跨异构网络和设备,应该有一个节点获取整个网络的信息。销售经理是中央控制单元执行的注册和授权用户的设备并提供目录服务。它维护用户的设备列表、IP地址和内容列表内容服务器。

4.1.2。N-Screen概要文件和多播组管理器(PMGM)

售后服务与销售经理注册,用户执行PMGM设备登记。PMGM保持当前的网络环境信息和设备属性的每个N-Screen设备并分配用户适当的出来。得到用户的QoS参数从N-Screen内容服务器(nc)和使用它们N-Screen属性评估感知的视觉质量。如果一个设备的组成员关系改变是由于网络环境的变化,PMGM通知nc邀请用户到适当的MG更好的服务质量。

4.1.3。N-Screen内容服务器(nc)

nc执行会话管理和QoS参数估计和发送内容适应出来。它还包含一个带宽估计模块,发送探测包列车N-Screen设备估计端到端ABW PLR和报告他们的PMGM进一步行动。

4.2。QoS参数估计

多媒体服务(即最优网络。,Internet) are confronted with many challenges, and one of the most important factors is the ABW. The unpredictable and dynamic behavior of internet traffic adversely affects the multimedia quality. ABW and PLR are critical metrics to ensure the user’s QoS requirements. We adapt and extend the concept proposed in previous works [50,51通过使用探针列车估计ABW]。图4显示该ABW估计方案使用interpacket差距,一个自适应的泊松分布的探测包列车准确捕捉网络的拥塞。


图4
可用带宽估计使用探测训练方法。

我们定义的数据包数量的最大值和最小值在火车和适应最大和最小之间的数据包的数量限制。背靠背nc的带宽估计模块发送探测包,并使用单向延迟(OWD)估计ABW。我们线性增加探测数据包的数量如果估计下一班火车 大于一个预定义的阈值。如果 小于阈值,我们减少数据包的数量在未来的火车。让 是探测包的时间戳 我们开始传播 在接收机接收时间。的 连续探测包的探针可以训练 。的 可以发现以下几点: 在哪里 在火车探测包的数量。可用的带宽 为探测数据包大小 可以发现以下几点: 包丢失是另一个重要的QoS参数和发生由于排队等许多因素,用户位置,在无线网络信道噪声。包丢失减少系统吞吐量和链接的可靠性和增加传输延迟由于重发。多媒体质量是高度敏感的包丢失实时多媒体服务大多是基于不可靠的用户数据报协议(UDP)。PLR由以下给出: 在哪里 是预期的(数据包传输)和数据包 是实际收到的数据包。每个N-Screen设备接收数据包的记下和报告 火车的带宽估计估计模块 和 使用(2)和(3)。

4.3。体验质量评估(视觉效果)

QoS参数充分了解网络状态,但不提供任何关于多媒体的信息质量被最终用户N-Screen设备。体验质量参数估计感知视觉质量在用户的设备上。视觉感知质量取决于N-Screen设备和访问网络条件的能力。用户体验不同的视觉质量在不同N-Screen设备甚至在相同的网络条件。我们适应的概念ITU-T G.1070 [8]估计多媒体质量用户N-Screen设备上(MOS): 在哪里 平均意见分,其范围从1到5。的变量 , , 依赖于媒体代码、帧率和屏幕的大小。

5。QoS和体验质量意识到N-Screen多播组管理

在本节中,我们介绍了QoS和体验质量意识到用户的作业和多播组管理。当一个用户请求所需的内容,考虑其QoS和体验质量要求和关于ABW, PLR,和预期的金属氧化物半导体的内容他目前的设备,MG管理功能决定是否将用户添加到一个现有的或新的MG。在移动网络,支持的数据速率和包丢失在接收节点在MG可能由于不同的信道条件和位置。摘要我们近似PLR ABW MG的基本节点,即节点拥有最高的最小损失和ABW毫克。我们引入N-Screen组管理、动态用户重新分配,下面和周期性的MG的管理方案。

5.1。N-Screen组管理

提出N-Screen分组的目的是确保并使用较小的带宽最大化用户的体验质量。感知的视觉质量在MG的递增函数内容传输速率(CTR)只要CTR小于ABW和减少当CTR超过ABW由于PLR的发生。分区问题的目标是适当分配用户确保和最大化用户的经验使用较小的用户的带宽。让 表示会话效用” “分区的用户 成 组织用户体验使用较小的带宽最大化。我们可以表达 如下: 这样 在哪里 是用户的作业吗 到毫克 , 是用户的可用带宽 的CTR毫克 ,MaxCap最大连接的能力。我们规模的比特率(5)从0到5,使其与金属氧化物半导体参数方程。约束(6),带宽分配给出来不应该耗费系统阈值的带宽60%标准eMBMS规范。方程(7),提供的视觉质量毫克” “应该满足用户的需求。约束(8)表明,CTR毫克” “应小于最小ABW在所有的用户组。符号部分显示了符号和符号描述用于这些方程和摘要。系统执行用户任务的组使用动态编程算法(52]。用户的组成员关系决定通过以下决定方程:

5.2。动态用户重新分配

N-Screen用户感知的视觉质量的多播组变化由于各种网络环境,并解决用户的作业多播组不能保证用户的视觉质量要求在会话的生命周期。我们建议动态用户分配保持视觉感知质量,确保用户的需求。动态用户分配算法如图5。考虑到目前的网络条件下,用户的需求,和N-Screen属性,该方案监控视觉质量恶化。如果满意的视觉质量恶化状况,建议方案搜索另一个现有毫克可以提供更好的视觉质量,确保用户的要求。系统邀请用户到适当的MG保持体验质量要求。


图5
算法的动态用户重新分配。

6。评价结果

部分提供了全面的仿真结果和比较与其他方案。结果表明,该多播服务有效地利用网络资源并提供QoS和体验质量的耐力。我们使用基于OMNET + +的模拟环境53]。图6显示了仿真模型来估计可用带宽和多媒体视觉质量。在图中, 是生成背景流量的来源, 是路由器,美联社是无线网络基站,以及与每个AP N-Screen设备四个异构设备。表吗1显示了模拟参数用于模拟和评估的方案。

表1
仿真参数设置。

图6
仿真环境。

图7显示带宽估计的比较方案使用探针差距模型,线性增加探测器的数量,和提出了基于泊松分布的interpacket差距模型自适应火车的数据包数量。该方案预测快速带宽波动比其他方案。结果清楚地表明,传统方法没有口径突然发现可用带宽的变化。图7显示正常的场景背景流量在44960 ms,我们增加了背景流量检测带宽的变化。该方案检测改变比其他计划早些时候97 ms。由于该方案可以检测可用带宽的变化比计划早所以源可以提前调整比特率。这有助于减少交通拥堵,减少数据包的损失,提高用户的体验质量。


图7
可用带宽估计的比较方案。

视觉感知质量很大程度上取决于网络条件和N-Screen属性如图8(一个)。等编解码器压缩比高h和更高的传输速率可以提供更好的视觉质量良好的信道条件,但随着PLR的增加更少,编解码器压缩比,如mpeg - 4和传输速度比h提供更好的视觉质量。系统分配一个用户到毫克N-Screen设备上提供更好的视觉质量在当前的网络环境。由于背景的互联网流量的不可预测性,我们建议动态MG分配维护和确保所需的体验质量如图8 (b)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
动态组分配对视觉质量的影响。

表2显示了一个比较的QoS和体验质量意识到N-Screen多播服务与传统的基于比特率的多播和单播方案。基于比特率的多播方案组设备在一个多播会话虽然D-4的体验质量要求和D-5并不满足。基于单播的传输提供了高视觉质量N-Screen用户利用用户的ABW在网络资源的成本。该方案将用户划分为毫克,以确保所有N-Screen用户的视觉质量要求得到满足。图9比较的效率提出了N-Screen多播服务视觉的感知质量与传统的单播和多播方案。在实验中,我们不同的用户数量在会话中。

表2
比较N-Screen多播和单播和多播方案。

图9
比较建议的N-Screen多播和单播和多播方案。

7所示。结论

在本文中,我们提出了QoS和体验质量意识到自适应N-Screen设备映射到多播组(MGs)在应用程序层,以确保N-Screen设备的视觉质量要求在不同网络条件而不需要网络代码转换。在N-Screen服务,用户的异构设备有不同的属性和用户对不同的设备有不同的体验质量相同的QoS。我们提出了架构、管理功能和参数估计方案提供N-Screen多播服务。提出的多播服务保证的最低QoS和体验质量要求用户在不同网络条件。此外,提出了可用带宽估计方案可以突然发现网络环境的变化。拟议中的N-Screen多播方案可以有效地利用网络资源,提供类似的视觉质量,通过单播会话。

符号

OWD: 包的单向延迟
: 端到端可用带宽
: 探测数据包大小
PLR: 丢包率
金属氧化物半导体: 意思是意见评分(多媒体质量范围:1 - 5)
: 数量的多播组
: 系统中单播的用户数量
: 多播组的组播用户数量
: 系统的总带宽
: 分数的带宽分配给多播服务
: 带宽分配给多播组
: 用户将属于一个多播组相同的服务。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突的出版物。