基于软件定义及信息中心网络的无线视频流传输调度策略研究

In recent years, domestic and international scholars pay great attention to the future Internet research, which is represented by information centric network (ICN) and software defined network (SDN). However, in the future Internet environment, the research on wireless video transmission technology is still at an initial stage. This project proposal is based on the SDN and ICN integrated architecture, the main research focuses are cache management, routing and scheduling algorithms for wireless video transmission. The detailed content includes: base on the random process and queuing theory, we establish a stochastic fluid model to reveal the general working process of the ICN and SDN integrated network. Through the stochastic fluid model, we analyze the video data distribution and network traffic among ICN nodes; design the optimization algorithms to dynamically adjust the routing and cache management. To enable the video adaptation over the wireless network, the cross layer approach is adopted to capture real-time network parameters, such as channel gain, network latency and packet loss rate, etc. According to the ICN architecture, we build the receiver-driven status model and scheduling algorithms. Based on the network status analysis and video transmission characteristics, the proposed scheduling algorithms adaptively control the video transmission policy. We develop the simulation platform to evaluate the proposed theory and algorithms. This research aims to study the core technology of wireless video transmission over the future Internet environment, and lay a solid foundation for the wireless multimedia applications.

近年来，以信息中心网络和软件定义网络为代表的未来互联网研究受到了国内外学者高度重视。然而未来互联网环境下，无线视频流传输技术的研究还处于起步阶段。本项目基于信息中心网络和软件定义网络整合架构，对无线视频传输中缓存管理、路由策略和调度算法进行研究。具体内容包括：以随机过程和排队论为基础建立随机流模型，揭示整合网络工作过程的一般规律，通过随机流模型分析和估计视频数据在网络节点缓存中的分布及网络流量变化，设计优化算法动态调整路由选择和缓存管理；为使视频服务自适应无线网络性能变化，利用跨层方法实时获取网络性能参数，如信道增益，网络延迟和丢包率等，构建接收端驱动的网络状态模型和调度算法，根据网络状态分析及视频传输特性，制定网络节点的视频数据调度策略；建立系统仿真平台，对提出的理论方法进行性能分析与评价。本项目旨在建立未来互联网环境下无线视频传输的核心算法，为无线多媒体服务的发展打下坚实基础。

随着移动互联网和无线通信技术的飞速发展，无线视频数据爆发式增长、海量移动设备互联、新型多媒体业务要求移动互联网提供高效数据传输服务。针对当前无线视频传输服务质量难以控制、网络资源利用率低、系统吞吐量较差等问题，本课题进行了深入研究，主要内容包括：首先，以最新互联网体系结构：信息中心网络（Information Centric Network, ICN）与软件定义网络（Software Defined Network, SDN）为基础，根据无线移动网络特性，构建无线视频传输系统架构。系统包括数据平面、控制平面、应用层三部分。根据ICN和SDN网络协议规范，通过随机过程和排队论方法建立ICN 节点缓存分配动态模型，揭示视频数据在网络内缓存分布和用户业务统计规律；构建 ICN 节点上行和下行传输队列模型，分析不同业务数据传输需求；根据网络传输约束模型，提出了基于动态分簇的网络内缓存池构建方法。其次，通过课题提出的网络模型，提取各类视频数据时-空分布、访问频率等特征，建立了缓存分配马尔科夫决策模型和基于强化学习方法的自适应边缘缓存策略；利用网络虚拟化、多流传输、频谱载波聚合技术，设计快速收敛的分布式、动态信道调控算法。最后，针对无线信道变化造成数据包丢失，以及网络内缓存导致的传输延时波动问题，研究了基于客户端驱动模型的自适应前向纠错视频传输控制算法；析用户数据访问变化规律，提出了各级网络节点协同数据分流方法；通过不同网络条件下的仿真实验，验证了提出方法的有效性。本课题利用最新的网络体系结构，构建了一套视频传输控制方法，对大幅度的提高网络视频系统的服务质量、传输效率、可扩展性、系统吞吐量提供了科学理论基础，为解决通信系统面临的技术挑战，推动国家移动多媒体服务不断发展，起到了积极的促进作用。