控制器及針對前往網絡用戶設備的視頻數據流的控制方法與流程

2023-09-17 16:25:15 2

本發明涉及傳遞數據；具體而言，涉及控制器及通過網絡前往網絡用戶設備的視頻數據流的控制方法。

背景技術：

通過行動網路傳輸的數據中的重要部分是具有流模式的視頻流量。最新型流技術是HTTP動態自適應流媒體。此項技術由例如HTTP直播流(蘋果)、平滑流(微軟)、HTTP動態流(Adobe)及DASH(HTTP動態自適應流媒體)標準使用。在此技術中，伺服器存儲數個視頻文件副本，每一視頻文件編碼有不同的參數，例如不同解析度及比特率。比特率越高，需用於傳輸視頻的無線電信道越快，且單幀質量將越高。副本分為時間同步的獨立片段。此舉允許向前倒片，而無需加載全部片段，及必要時允許在不同比特率之間切換。

從用戶端角度來看，視頻質量感知優良不僅在於其比特率高，亦在於播放時沒有延遲(亦稱為失速)。該等延遲在用戶端的輸入緩衝器變空時出現，亦即用戶端正在觀看視頻片段，而觀看速度比視頻片段通過無線電信道到達的速度更快。在使用行動網路時，這種情況的原因之一是用戶端所連接到的基站具有有限的時間及頻率資源。接著，此資源在被大量連接到同一基站的用戶端阻塞時可能耗盡。由於阻塞，對於大多數用戶端而言，無線電信道中的傳輸率變得比伺服器上可用的比特率更低，從而導致播放延遲。

根據現有技術，已知通過網絡控制視頻數據流的方法。例如，歐洲專利1872536，即與本申請發明最接近的類似發明中描述一方法，該方法用以在伺服器在不同的流版本之間切換時控制從伺服器到用戶端的數據包傳輸，具體取決於用戶端緩衝器的狀態。用多種比特率對同樣的多媒體內容，例如特定視頻排序進行預先編碼，並存儲在伺服器上。然而，此方法需要為每一數據流存儲大量版本。而且，即使具有大量版本，也不能保證在每一特定情況下都將可用最佳版本。

因此，顯然，關於對通過網絡到達用戶設備的視頻數據流的控制，需要一項新的技術解決方案，該解決方案將提供高速度、簡便性、高效率、最小質量損失和最高的用戶滿意度。

技術實現要素：

本發明的目標是創建控制器與控制視頻數據傳輸的方法，該控制器與方法將有可能改變通過無線電信道從基站到用戶端的視頻數據傳輸量，以便優化傳輸。

所述問題由一專用方法解決，此方法控制到達用戶設備的網絡數據流。該方法是在數據存儲器中存儲視頻片段，從至少一個網絡用戶設備接收請求，確定此設備的當前參數，根據該等參數轉化存儲的視頻片段，並將轉化的片段發送至用戶設備以作為對請求的回應。根據此方法，存儲的視頻片段是通過對每一片段進行實時轉碼來改變比特率而實現轉化的。

本發明獲得的技術效果是播放視頻時的延遲(失速)平均次數更少，且供應商晶片和轉接網路的負荷更低。該效果是通過改變視頻數據量而提供的，此改變是通過視頻數據逐段實時轉碼為比特率來進行的，該等比特率低於伺服器上存儲的最高質量副本的比特率。

在可能的實施例中的一個實施例中，當已從網絡用戶設備接收到對該等視頻數據的第一請求時，視頻片段保存在數據存儲器中。

在較佳實施例中的一個實施例中，將視頻片段保存在數據存儲器中的階段包括緩存該等片段的階段。

在另一實施例中，網絡用戶設備的當前參數包括下列參數中至少一個參數:設備信道的當前容量、用戶緩衝器的狀態，及費率。

在另一較佳實施例中，存儲的視頻片段在硬體級別轉碼。

在另一實施例中，存儲的視頻片段隨著解析度變更而轉碼。

在另一較佳實施例中，在填充數據存儲器時，根據來自網絡用戶設備的對已保存視頻數據的請求而選擇保存在數據存儲器中的視頻片段。

在另一實施例中，選擇是基於來自網絡用戶設備的對特定視頻數據的請求頻率而定。具有最高請求頻率的視頻具有優先權。

在另一實施例中，選擇是基於移除視頻而定，該等視頻的最後收到的請求是最早的請求。

在又一個實施例中，視頻片段額外包含音頻或/及文本數據。

本文亦通過提出一控制器而解決所述問題，該控制器負責視頻數據流向用戶設備的網絡傳輸。控制器包含至少一個適用於存儲視頻片段的數據存儲器，及至少一個控制塊。控制器的控制塊能夠接收來自至少一個網絡用戶設備的請求，及確定至少一個網絡用戶設備的當前參數。數據存儲器中存儲的視頻片段可通過變更視頻片段比特率而改變，變更比特率是通過根據由至少一個控制器確定的用戶設備當前參數而實時轉碼每一片段來進行的。此外，控制器包含網絡接口，該網絡接口可向至少一個網絡用戶設備發送已改變的視頻片段。

在另一實施例中，至少一個控制塊含有至少一個排程器。

在另一實施例中，排程器提供可能性以選擇一比特率，該比特率用於根據網絡用戶設備的確定當前參數而向指定的用戶設備發送視頻片段，以作為對來自至少一個用戶設備的請求的回應。

在另一實施例中，視頻流控制器位於網絡中，該網絡包含至少一個用戶設備、至少一個基站、至少一個網關及至少一個內容伺服器。

在另一實施例中，控制器經過設計以使得沒有用戶設備、沒有基站、沒有網關及沒有內容伺服器接收任何有關此控制器在網絡中的存在的信息。

所述問題亦通過一設備解決，該設備包含能夠接收來自至少一個網絡用戶設備的請求的代理塊、用於存儲視頻片段的緩存塊，及可確定至少一個網絡用戶設備的當前參數的排程器。此外，該設備包含轉碼塊，該轉碼塊可根據用戶設備的當前參數，通過改變視頻片段比特率及/或解析度、利用對每一片段進行實時轉碼來改變存儲在緩存塊中的視頻片段，及該設備包含網絡接口，該網絡接口可向至少一個網絡用戶設備發送改變的視頻片段。

在又一個實施例中，代理塊可在網絡級操作。

本發明的該等及其他方面將不對優選實施例、附圖及發明摘要進行清楚的後續說明。本發明的一或數個實施方式示例的細節在其他附圖及在後續說明書中顯示。本發明的其他顯著特徵、問題及優勢將通過說明書、附圖及權利要求書將顯而易見。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的網絡邏輯結構及控制器在網絡中的定位。

圖2示出了根據本發明的設備功能塊之間的相互作用。

圖3示出了根據本發明運行的代理塊的原理。

圖4示出了根據本發明運行的緩存塊的原理。

圖5示出了根據本發明運行的排程器的原理。

圖6舉例說明了根據本發明實施針對前往網絡用戶設備的網絡視頻數據流的控制器。

圖7舉例說明設備運行所利用的封裝。

具體實施方式

圖1示出了由兩個部分組成的網絡邏輯結構。第一部分是負責無線電接入的轉接網路1(E-UTRAN)。該部分由基站4(eNodeB)及用戶設備3(user equipment；UE)組成。第二部分是核心網絡2(演進分組核心(Evolved Packet Core；EPC))，該核心網絡2負責提供所需的服務質量(quality of service；QoS)、移動性控制、驗證、計費，等等。該等網絡的邏輯節點使用標準化通信協議。根據本發明的控制器5置於第一部分與第二部分之間。控制器5處理所謂的接口S1。

代理伺服器的常規集中放置及在核心網絡中放置緩存僅降低網際網路網關的負荷而不能卸載轉接網絡。本文提出的解決方案使用代理伺服器在轉接網路內側的分布放置，從而有可能降低轉接網路信道的負荷。根據本發明的控制器位於轉接網路邊緣，從而減小轉接信道的負荷。因為使用代理塊，因此此种放置是可能的。而且，在網絡邏輯階層中的此放置允許運營商在實體網絡的多個級別定位控制器5；從基站4到點，該點聚集來自數十個基站4的流量。除此之外，控制器5的硬體和軟體平臺可擴展處理模塊與數據存儲系統的數目，從而使運營商有可能在其網絡中就效率和低成本而言以最佳方式使用本發明。

在行動網路中，數據在隧道內側傳輸。封裝(圖7中示出封裝之非限制性格式)從用戶設備3發送至基站4，然後通過與服務網關6的隧道連接而傳輸，在服務網關6，封裝從隧道中被取出及發送至核心網絡2。隧道技術針對來自不同客戶端經過轉接網路的各種類型的流量提供所需的服務質量。隧道由協議S1-AP控制，而隧道內側的傳輸由S1-U控制。代理塊充當透明代理伺服器，亦即代理功能實施以用於隧道自身及隧道內側的連接。由此，優化及視頻流量緩存對用戶設備3及具有視頻數據的內容伺服器8而言是透明的；及對於基站4及服務網關6而言亦如此，而傳輸封裝的報頭沒有明顯變更。此允許簡化控制器5向現有網絡的整合，因為無需改變用戶設備3、基站4及網關6的配置。

此种放置的另一個優點是傳輸信道的延遲更小，因為使用了代理伺服器。視頻數據依據傳輸控制協議(Transmission Control Protocol；TCP)傳輸，該協議保證可靠的交付。在此協議的框架中，內容伺服器依據混合邏輯信道(亦即由無線電支信道及包括轉接網路、核心網絡及網際網路中某些部分的支信道組成的信道)速率來選擇速率以將數據發送至客戶端。該兩個支信道具有不同特性，因此混合邏輯信道的速率基本上由具有更糟特性的信道(亦即無線電信道)的速率確定，從而影響TCP連接的速度。通過代理伺服器，有可能利用獨立選擇的TCP參數而為每一支信道提供兩個不同邏輯連接。此舉可顯著減少交付視頻數據時的延遲。

在封包網絡中，用戶數據通過信道傳輸，以用於具有一定服務質量的IP封包流。用戶設備3與外部網際網路伺服器8的連接被稱作端到端承載。端到端承載由轉接網路1(E-UTRAN)及核心網絡2(EPC)中邏輯節點之間依據如S1-U、TCP、HTTP等協議已形成的數個信道組成。

協議集S1由兩個部分組成：S1-U及S1-AP。協議S1-U直接通過IP網絡提供S1隧道流的傳輸，而協議S1-AP則規定信道E-RAB形成於用戶設備3與服務網關6之間；具體而言，隧道S1(信道E-RAB的組件)形成於基站4與服務網關6之間。S1隧道流是基站4與服務網關6之間的IP封包流，其中用戶設備3的IP封包經隧道傳輸。

協議S1-U的IP隧道依據協議GTP-U及亦依據UDP傳輸協議而實施。隧道端點(輸入/輸出)是基站4與服務網關6(亦即添加的IP報頭包含基站4與服務網關6的IP位址)。

圖2示出了控制器5塊之間的相互作用。根據本發明，控制器5包含代理塊11、排程器13、轉碼塊14、緩存塊12與網絡接口23，該等網絡接口可向用戶設備3發送視頻數據。

代理塊11(圖3中示出了該代理塊11的運行)在網絡級操作，攔截並分析通過代理塊11的全部封包。換言之，代理塊連續擴展基站4與服務網關6之間的隧道級別(IP1)，然後分析嵌入封包以便確定封包類型(TCP、UDP)。由此，網絡級操作允許代理塊11接入未向代理塊11定址的封包。內容伺服器8或用戶設備3或基站4或服務網關6皆不接收有關代理塊11的幹擾或存在的任何信息，因為在封包報頭處理之後，代理塊以特殊方式適配該報頭來模仿上述各者從內容伺服器8向用戶設備3的回應。UDP封包在沒有任何變更的情況下發送，但TCP封裝則以以下方式處理。當從至少一個網絡用戶設備3接收到請求時，代理塊確定此設備3的當前參數。當用戶設備3與內容伺服器8之間形成連接時，代理塊斷開基站4與服務網關6之間的隧道。為此，代理塊掃描全部通過的封包，確定封包類型。對於包含嵌入其中的TCP封包的UDP封包而言，報頭保存在具有通信表的內存中：IP位址+用戶設備埠，及從基站4到達服務網關6並返回的全部隧道數據，數個隧道teID，如IP+基站埠、IP+服務網關埠、眾多隧道teID、IP+內容伺服器埠，及其他。在隧道形成之前，根據基站4與移動管理實體(mobility management entity；MME)9之間的SCTP流量分析而攔截隧道數目。為了分析此流量，使用額外的句法封包分析器。在報頭保存之後，從封包中提取數據。如果數據包含來自用戶3到內容伺服器8的視頻數據請求，則傳遞此請求以獲得對排程器13的服務。如果排程器回復拒絕，則代表用戶3將請求傳遞至內容伺服器8。如果排程器返回所請求的視頻及為其傳輸而計算得出的比特率，則代理塊11利用視頻數據形成封包，根據保存的表適配報頭，以模仿從內容伺服器8到用戶3的回應。

如果數據包含要傳遞到用戶3的文件，則將數據發送到排程器13，該數據將傳遞至緩存塊，且必要時經轉碼。排程器回復有關傳輸比特率與轉碼視頻的信息。然後，代理塊11利用視頻數據形成封包，根據保存的表適配報頭，以模仿從內容伺服器8到用戶3的回應。

緩存塊12(圖4中示出了該緩存塊的運行)包括數據存儲器(例如固態驅動器、硬碟驅動器、該兩者的可能組合，等等)，從而存儲從代理伺服器收到的受歡迎信息，及低解析度和高解析度的最受歡迎視頻。當有關新加載視頻的信息到達時，緩存塊12根據其自己的視頻受歡迎統計資料、來自內容伺服器8的元數據、視頻時間、視頻在網絡中的受歡迎程度，及HTML頁上對視頻的連結量，來決定是否保存該視頻(具體而言保存在緩存中)。當接收到來自排程器13的請求時，緩存塊12刷新受歡迎程度統計資料，並檢查此視頻是否包含在緩存中。如果是，則緩存塊12將視頻放入將要發送至排程器13的隊列中。如果在對此視頻的首次請求之後，未在緩存中發現該視頻，則緩存塊12返回對排程器13的拒絕。如果從排程器13收到一視頻，則緩存塊分析此視頻的受歡迎程度統計資料，並決定是否保存該視頻。

排程器13(圖5中示出了其運行)估計用戶設備3信道的當前容量：具體而言，網絡狀態、支持的用戶設備3的緩衝器、其費率、下一傳輸必需的資源，及轉碼塊14的負荷。然後，對給定用戶的比特率作出決定。具體而言，如果信道與轉碼塊14具有某些剩餘資源，則排程器13決定在用戶所需模式中發送視頻數據。如果信道與轉碼塊14的資源不充足，則該等資源根據用戶設備優先權而分布。優先級較低的用戶設備僅得到剩餘資源。根據計算得到的資源，塊14轉碼視頻數據。在選擇傳輸率之後，根據來自代理塊11對數據搜索或傳輸的請求，如果請求來自用戶3，排程器可請求來自緩存塊12的具有所需參數的視頻數據。如果已發現數據，則數據必要時將在轉碼之後被傳遞至代理塊11。如果未發現視頻，則排程器將返回拒絕。如果從內容伺服器8收到視頻，則在可能的轉碼之後，視頻將與有關其向用戶3的所需傳輸速率的信息一同被傳遞至代理塊。轉碼塊14依據來自排程器13的需求，根據用戶設備3的當前參數，利用實時轉碼每一視頻片段，來改變保存在緩存塊12中或由網絡接收到的視頻片段流的比特率或解析度。如果轉碼塊14具有剩餘容量，則轉碼塊14將最受歡迎的視頻轉碼至更低比特率，以便在網絡過載時，轉碼塊的一部分負荷將移至緩存塊12。

根據本發明，當排程器13過載時，排程器13開始按照用戶費率(例如金、銀及銅)對發送至用戶設備3的視頻流賦予優先權。由於優先化，時間及頻率資源在用戶間重新分布，亦即一些用戶的信道速率增大及其他用戶的信道速率降低。根據動態自適應流協議，用戶依據其設備3的信道速率而開始請求其下一個視頻片段，具體由排程器13確定。對於一些用戶而言，信道速率可能低於內容伺服器8上的最小可用比特率。在此情況下，對於該等用戶，轉碼塊14開始對所請求的視頻數據進行實時轉碼，從而提供可能匹配信道當前速率的質量。此舉使用戶設備緩衝器空轉的一般次數降至最低，無論用戶費率為何。

該種速度只有當使用硬體轉碼時是可能的，這是本發明的獨特特徵。與使用軟體轉碼的解決方案相比，本發明亦可提供更低功耗和更高性能。當沒有阻塞時，硬體轉碼亦允許在緩存塊12中快速重新編碼視頻數據至更低的比特率，以便使緩存塊12為基站4的阻塞做準備。在此情況下，當阻塞已發生及無線電信道容量不充足時，視頻數據將從緩存塊12被發送至用戶設備。

轉碼塊14建立在視頻編解碼器的多處理器硬體實施的基礎上，從而提供數個視頻流的實時轉碼。在請求來自排程器13時，轉碼塊14開始對來自緩存塊12的每一視頻片段進行轉碼，因此將已編碼片段傳遞至代理塊11，以將其打包在封包中並發送至用戶設備3。在緩存塊12中未發現視頻的情況下，沒有緩存時不可能進行轉碼：例如，在所請求的視頻不受歡迎的情況下。具體而言，排程器13將來自代理塊11的視頻數據發送至轉碼塊14，該轉碼塊14執行實時逐段轉碼，及將轉碼片段返回排程器13，傳輸過程中沒有任何顯著延遲。為了成功執行全部功能，轉碼塊14可支持該種數據流格式，如MP2-TS、MP4、WebM，及其他。

當在排程階段在用戶設備3之間重新分布資源時，如果排程器13決定延遲有限的接收視頻的流量，則流量延遲可能被添加至傳輸過程。在此情況下，轉碼塊14的運行被定義如下：轉碼片段在調度之前可暫時積聚在緩存塊12中，或每當發送下一個視頻數據封裝之前可啟動轉碼，及延遲時間可用於轉碼視頻片段以用於優先權較高或滿意度較低的其他用戶設備3。

本發明使用硬體編解碼器以用於轉碼，例如用於新型處理器架構中的h.264格式的編解碼器(QuickSync技術)，具體而言，因特爾處理器(Sandy Bridge、Ivy Bridge，例如因特爾Xeon E3-1275)及其他。使用QuickSync技術的Media SDK程序庫可在僅一個計算模塊上轉碼高達8個HD視頻流或16個從HD到SD的視頻流。控制器5可包括數個計算模塊，負荷平衡器零星分布在該等模塊之間。此允許線性地按比例縮放轉碼塊14性能，從而添加至新計算模塊。

轉碼高速導致更高的緩存效率。可能性看似快速獲得數個版本的同一緩存視頻，該等視頻具有不同的比特率及解析度。

此外，快速的轉碼更易於快速對基站4的阻塞作出反應，從而對發送至用戶設備3的視頻數據執行實時轉換，該等用戶設備的無線電特定速率低於內容伺服器8上的視頻最小比特率。

根據本發明，轉碼塊14可支持多種適用於視頻數據的流格式。具體而言，某一流格式中之數據可不僅存儲視頻片段，亦可存儲文本(例如副標題)及音頻數據(例如音軌)。在轉碼開始之前，轉碼塊14將特定流格式的視頻數據分為數個數據流。轉碼結束之後，轉碼塊14再次將該等數據流聚合在一起。

本發明支持預測類型的智能緩存算法。預測算法使用關於用戶對內容的請求的統計信息，該算法不僅提供關於傳遞通過特定控制器5的請求的信息，亦提供來自其他控制器5的信息。這確保進入緩存塊12的高效率，即使對網絡邊緣的設備而言。

預言性算法使用關於來自內容伺服器8中位置的某一內容的受歡迎程度的多種元信息，使用流量分析方法來積累關於內容下載的統計資料。例如，支持此算法的緩存塊積累關於針對社交網絡、網頁等等上邊特定視頻的請求量的穿過特定伺服器的統計資料。由此，有可能預加載用戶近期可能將請求的數據。

當用保存視頻數據填充數據存儲器中的剩餘空間時，有必要再次清除保存的視頻數據。根據請求的統計分析，緩存塊12可從傳輸數據中挑選並存儲最受歡迎的視頻文件，並作出決定以便從存儲器中移除最不受歡迎的視頻。本發明支持此種緩存策略，如LFU及LRU，該等策略可共同或單獨使用。在其他實施例中，本發明提供其他緩存策略的聯合或單獨使用。LFU策略優先選擇具有最高請求頻率的視頻。LRU策略優先選擇近期請求的視頻，亦即基於移除上次請求時間最早的視頻。由此，本發明通過使用混合解決方案假設受歡迎視頻的子集發生頻繁變更，該解決方案組合該等策略。

為提供高效率，緩存塊12支持來自數個代理塊11過程中的並行請求，及來自置於數個計算模塊上的數個代理塊11的請求。單獨硬體設備上的一個緩存塊12可支持與不同基站4共同作業的數個代理塊11。在實施例中的一個實施例中，代理塊、轉碼塊和排程器可在控制塊21(圖6)中聯合。圖6示出了根據本發明的控制器5的結構方案，該控制器包含至少一個控制塊21、能夠存儲視頻片段的至少一個數據存儲器22，及網絡接口23，該網絡接口23使控制器5與轉接網絡1和核心網絡2連接，以便將視頻片段發送至用戶設備3。

上文描述充當一示例，且不應被視作限制性。在開放示例不脫離本發明主旨的情況下，專業人員將理解該等開放實例的變更與修正。