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智能电视终端资源管理及服务性能优化的研究

作　者: 陈磊
导　师: 吴刚
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 网络传播系统与控制
关键词: 智能电视智能电视操作系统 QoS保障的资源分配 VBR视频流量平滑自适应媒体播放
分类号: TN919.82
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着三网融合的不断推进,我国的广播电视网已经基本实现了与电信网、互联网在网络物理层面的融合,业务应用层面的融合成为现阶段发展的重点。融合业务的开展需要依赖融合终端的支持,传统的数字电视终端由于各厂商硬件平台的差异和软件协议的不同制约了业务应用的开展,而搭载了操作系统、具有开放平台的智能电视成为三网融合背景下终端融合的产物。智能电视支持各种业务应用程序的下载安装和多应用的并发运行,具有多种网络接入能力,可实现内容的无限扩展。本文在国家863项目“融合网络业务体系的开发”课题和国家科技支撑计划“支持跨区域、多运营商的新一代广播电视服务系统”课题的基础上,围绕智能电视终端资源管理和服务性能的优化展开深入研究：在系统层上采用高效的资源分配算法优化系统资源的分配,保障应用的QoS；在业务层上优化视频流媒体应用的逻辑设计,通过平滑VBR视频传输时的突发流量和客户端的自适应媒体播放以提高应用的服务性能。本文的主要贡献和创新点如下：1)提出了一种具有应用区分度的QoS保障资源分配策略针对智能电视终端嵌入式系统资源受限、资源分配不合理及应用缺乏QOS保障等问题,结合用户对应用的偏好度和应用QOS合同,以最大化系统效用值为优化目标,构建了一种具有应用区分度的QoS保障资源分配模型,并针对该模型提出了一种基于工作点集凸包的快速启发式资源分配算法WPCHRA。该算法通过惩罚向量将资源分配方案中的多维资源转换为单维的复合资源,在工作点的二维空间中应用凸包过程,以凸包上边界的分段坡度值作为启发来引导对工作点的选择,能使系统资源得到更合理的分配,保障偏好应用的QoS等级,提高系统的用户体验。WPCHRA算法的时间复杂度为O{nLm+nL log nL),与复杂度为O(mn2L2)的启发式算法M_HEU相比,能在获取问题近似最优解的同时具有更好的时间性能,更适合智能电视操作系统中资源分配的实时决策。2)提出了一种基于缓冲区充盈度的视频流量平滑算法VBR视频在传输中流量波动和突发性,使视频流的接纳控制和网络带宽的管理更为复杂,且对智能电视终端的数据接收处理产生了冲击。针对该问题,提出了一种基于缓冲区充盈度的视频流量平滑算法BFDASo该算法的核心思想是尽量减小缓冲区的溢出可能,在给定的缓冲区容量和启动延时下,通过对缓冲区充盈度函数的判断,动态搜索分段终点,自适应的产生CBR分段传输规划。BFDAS算法一次运行便可得出可行的传输规划,与固定分段算法PCRTT相比,视频流传输过程中峰值速率平均降低12%,速率变化次数平均降低76%,速率变化率平均降低15%,视频流的传输更为平稳；而且其50%左右的平均缓冲区空间利用率能更好的折中高效利用缓冲区和支持客户端VCR操作两方面的需求；另外,BFDAS算法固定启动延时的特性,也更适用于实际的服务系统。3)提出了一种基于帧速估算的自适应媒体播放算法实际网络信道状态是动态变化的,VBR视频数据到达客户端的延迟随着时间而随机变动,若延迟过大可能引起客户端缓冲区下溢,造成视频的播放中断。针对该问题,提出了一种基于帧速估算的自适应媒体播放算法FREAMP。该算法通过综合考虑缓冲区数据占用量和到达帧速来决定视频的播放速率,在缓冲区警报区域时,使用二次型函数的调整方式来加快或减慢视频的播放速率；在缓冲区安全区域时,用估算的到达帧速决定视频的播放速率。FREAMP算法能快速响应网络信道的状态变化,尽量稳定缓冲区的数据占用量,降低缓冲区下溢概率,进而增加视频播放的连续性。实验表明,在同样的信道状态下,与固定变速因子和渐进变速播放算法相比,FREAMP算法控制下的视频播放中断次数分别平均减少了53.2%和33.7%,播放延时分别平均降低了12.7%和8.9%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
图目录  12-13
表目录  13-14
第一章绪论  14-22
  1.1 研究背景  14-18
    1.1.1 三网融合  14-16
    1.1.2 智能电视  16-18
  1.2 研究意义  18-19
  1.3 本文主要研究内容和章节安排  19-22
    1.3.1 主要研究内容  19-20
    1.3.2 章节安排  20-22
第二章终端资源管理和性能优化的相关技术  22-44
  2.1 引言  22-23
  2.2 电视终端资源管理  23-30
    2.2.1 中间件技术  23-25
    2.2.2 专用操作系统  25-28
    2.2.3 应用QoS需求及解决方案  28-30
  2.3 视频流媒体服务  30-39
    2.3.1 流媒体服务特点  31-32
    2.3.2 客户端缓冲技术  32-35
    2.3.3 视频流量平滑技术  35-37
    2.3.4 自适应媒体播放技术  37-39
  2.4 TVOS介绍  39-42
    2.4.1 系统体系架构  39-41
    2.4.2 资源管理框架  41-42
  2.5 小结  42-44
第三章具有应用区分度的QOS保障资源分配策略  44-62
  3.1 引言  44-45
  3.2 用户偏好度  45-47
  3.3 资源分配模型  47-52
    3.3.1 应用和资源  47
    3.3.2 应用QoS合同  47-51
    3.3.3 模型描述  51-52
  3.4 资源分配算法  52-57
    3.4.1 惩罚向量和凸包  52-54
    3.4.2 WPCHRA算法  54-57
    3.4.3 算法复杂度分析  57
  3.5 实验结果与分析  57-60
  3.6 小结  60-62
第四章基于缓冲区充盈度的视频流量平滑算法  62-78
  4.1 引言  62-63
  4.2 视频流量平滑工作原理  63-66
  4.3 经典视频流量平滑算法  66-68
    4.3.1 削减峰值速率  66-67
    4.3.2 平稳速率变化  67
    4.3.3 等间隔固定分段  67-68
  4.4 基于缓冲区充盈度的自适应分段  68-72
    4.4.1 缓冲区充盈度  68-69
    4.4.2 BFDAS算法  69-72
  4.5 实验结果与分析  72-77
    4.5.1 平滑效果  72-75
    4.5.2 性能对比  75-77
  4.6 小结  77-78
第五章基于帧速估算的自适应媒体播放算法  78-94
  5.1 引言  78-79
  5.2 自适应媒体播放工作原理  79-80
  5.3 经典自适应媒体播放算法  80-82
    5.3.1 缓冲区数据占用量  80-81
    5.3.2 网络延时情况  81
    5.3.3 视频场景内容感知  81-82
  5.4 基于帧速估算的自适应媒体播放  82-86
    5.4.1 缓冲区播放模型  82-83
    5.4.2 帧速估算  83-84
    5.4.3 速率调整方案  84-86
  5.5 实验结果与分析  86-92
    5.5.1 网络信道模型  86-87
    5.5.2 性能指标  87-88
    5.5.3 对比实验  88-92
  5.6 小结  92-94
第六章总结与展望  94-96
参考文献  96-104
致谢  104-106
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  106-107

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