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CN111031340A - 边缘节点控制 - Google Patents

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CN111031340A
CN111031340A CN201911368194.XA CN201911368194A CN111031340A CN 111031340 A CN111031340 A CN 111031340A CN 201911368194 A CN201911368194 A CN 201911368194A CN 111031340 A CN111031340 A CN 111031340A
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Abstract

本公开涉及边缘节点控制。提供了一种用于提供边缘节点(110)故障管理和带宽(BW)控制以在基于包的网络中传输数据流的方法。该方法包括：通过以下动作控制传输到一个或更多个客户端设备(151、152、153)的输出数据流来自适应地传输数据流(DS)：分析一个或更多个接收客户端设备(151、152、153)的相应的接收的数据流(DS1、DS2、DS3)的至少一个数据流特性，并且基于所述分析的数据流特性而为输出数据流提供传输策略。由此，提供了基于应用自适应比特率(ABR)对消耗BW和相关联的恢复方案的精确调整，以就视频质量以及对其他服务的影响而言保持最高的可实现性能。

Description

边缘节点控制
本申请是申请日为2017年02月24日，申请号为201780011364.1，发明名称为“边缘节点控制”的申请的分案申请。
发明领域
本发明涉及通过IP(因特网协议)网络的广播和媒体分发，且更具体地涉及用于在基于包的网络中传输数据流的边缘节点故障管理和带宽(BW)控制。
发明背景
通过像因特网的包网络的直播TV的视频分发有一些挑战。在如今的解决方案中，用于传输数据文件的正常机制是所谓的TCP传输控制协议。该协议确保丢失数据被重新传输，并且如果大量数据丢失，则发送者发送较少的数据以避免网络拥塞。这意味着无法确保数据何时到达，并且它使用“适合所有”的重传策略。对于TV来说，不可预测的到达通过在接收机侧的大量缓冲来补偿，这“消除”了TV的直播体验。延迟可能是几分钟。
在通过IP网络的媒体分发中，例如在通过因特网的视频和TV分发中，到客户端设备的带宽可能根据不同情况而变化。如今，如由客户端设备所设想的带宽变化通常由三种机制来处理：TCP(TCP/IP协议栈的传输控制协议)的拥塞控制机制、缓冲和调整视频质量(ABR)。基本上，拥塞控制是由TCP协议栈处理，该TCP协议栈调整丢失包的重传率，以使客户端设备适于在网络中(或实际上在传输瓶颈中)使用公平份额的可用带宽。在这样的系统中，客户端设备需要缓冲数据，因为不确定网络是否能够提供视频流所需的带宽，并且对于视频，客户端设备需要呈现视频数据以保持观看者体验。所以需要缓冲来承受网络引入的比特率变化且特别是由TCP拥塞避免机制引入的比特率变化以及网络引入的抖动。在容量和抖动在IP网络中变化时，接收客户端设备暂停当前视频在屏幕上的呈现，以在其缓冲器中累积更多视频数据。累积是一种方式，这意味着对于特定会话来说，延迟将增加而不会减少。这样的调整会带来延迟，并且视频不能被视为直播分发。
UDP(用户数据报协议)是通过IP网络发送数据报的TCP的替代。为了避免TCP在通过使用拥塞控制机制而质量变化的情况下保持比特率的限制，替代方案是在没有拥塞控制的情况下使用数据的重传和UDP。由于媒体流可以在传输中接受小的数据丢失而不是长的延迟，而TCP不关心延迟而是需要所有数据到达目的地，因此媒体流传输的替代解决方案是使用具有适于媒体流与数据传输相比的需求差异的重传技术的UDP。这样的重传技术有助于视频流通过网络传输，而不会在拥塞的情况下退避。因此，需要这样的重传策略，其中注意避免网络上的其他业务受到影响，同时保护视频流。例如，在典型情况下，接收机检测到大量丢包并请求重传丢包，并且当可用于接收机的实际BW由于更多的设备共享相同带宽而降低时，与基站或热点的不良连接或网络拥塞发生。对丢包连同视频流的重传的请求将暂时消耗比可用容量更多的容量，从而使情况恶化。鉴于上述情况，因此需要用于以智能方式处理通过IP网络媒体分发内的重传的机制。
对于直播TV分发，存在通过使用重传技术来解决这一问题的现有替代方法，其中存在最大可接受延迟。如果超过该延迟，则数据被接受为丢失。这意味着传输存在有界延迟。
另一种常见的方法是降低流的BW，并发送具有较高压缩(即较低BW)(ABR)的视频流。
在直播TV分发中，分发是通过将视频从发送者传送到具有视频流的BW的设备来完成的，该BW是基于设备接收内容的能力来选择(改变)的。例如，如果移动设备从一个具有4G的区域移动到另一个具有3G的区域，则BW减小，因此需要改变视频的BW。另外，从3G到4G，可以选择更高BW的视频流。
在没有(或有最小)中断的情况下处理视频流的BW的变化是一个挑战。它也可以是随时间变化的对设备可用的BW。例如，更多订户进入同一移动小区并且BW被更多用户划分或者Wi-Fi由于信号弱而改变了接入速度。
现今已知的系统通常接受冻结的图片和/或内容的延迟播放。存在使用前向纠错(FEC)的一些先进的系统，该FEC将冗余信息添加到流中以使其对数据丢失更有弹性。然而，这并不好，因为在BW减小的情况下，发送者发送更多的信息，这也可能是冗余的。
发明概述
将有利的是，至少提供一种改进且可靠的数据流传输方法，该方法防止网络中的拥塞，并且适合于在如因特网的IP网络中直播分发媒体内容，诸如TV/视频/音频流。该目的通过如下所定义的根据本发明的方法来实现。
提供了一种自适应地传输数据流的方法，该方法包括：对于被传输到至少一个客户端设备的至少一个输出数据流，分析至少一个客户端设备的相应的接收的数据流的至少一个数据流特性；以及基于所分析的数据流特性而提供针对输出数据流的传输策略。这有利于提供对消耗的BW和相关联的恢复方案(即FEC和/或重传)的准确调整，以就视频质量并且以及对其他服务的影响而言保持最高的可实现性能。根据实施例，分析接收到的数据流的步骤基于从客户端设备获得的与接收到的数据流相关联的信息，该信息可以是隐式的，例如包丢失模式，或者是显式的，例如测量比特率。分析可以连续执行，或者以预定间隔执行。
根据该方法的实施例，传输策略还基于至少一个系统特性。根据该方法的实施例，系统特性是接入技术类型(例如，光纤或无线接入)、客户端设备能力(例如，设备是支持3G、4G还是5G)中的一个。
根据该方法的实施例，通过从一组预定控制方案中选择控制方案来提供传输策略。根据实施例，控制方案的选择基于对设备的接入技术的类型，例如3G、4G、WiFi、CATV或FTTH。
根据该方法的实施例，针对与多个节点或客户端设备组相关联的多个输出数据流执行分析步骤。
根据该方法的实施例，该方法还包括针对多个节点或客户端设备组提供协调的或公共的传输策略。有利的是，可以对于经历不同网络性能的网络子区域不同地选择传输策略。协调多个设备之间的ABR、FEC和重传的策略的好处在于，可以在共享资源的客户端设备之间优化质量和性能。
问题在于在网络的一部分中何时开始出现拥塞状态。这将导致许多客户端丢失包，并使用重传恢复机制开始重新发送包，从而导致甚至更多数据被发送到网络中，导致进一步拥塞。这会产生所谓的雪崩效应。在TCP中，这是通过使用所谓的退避效应来保守地处理的。然而，对于视频的直播流传输，这导致延迟，因此不是最佳的。另一种替代方案是具有重传的UDP，然后恢复到ABR速率下降。然而，如果客户端像正常情况那样独立做出决策，则可能会发生振荡效应。然而，通过监控网络的一部分中的所有客户端或客户端的子集的包丢失特性，可以做出更智能的决策，以在严重拥塞发生之前同时降低多个设备的ABR速率，从而避免网络中的雪崩效应和大振荡。
根据该方法的实施例，该方法还包括对客户端设备进行分组。客户端设备的分组可以基于识别哪些客户端设备正在利用一个或更多个公共网络资源(诸如例如公共基站或聚合网络)。根据实施例，动态地执行客户端的分组，例如，以覆盖从第一基站切换到另一基站的移动设备。
根据该方法的实施例，该方法还包括识别单个客户端设备是否正在利用特定基站/网络资源，这有利于为组中的每个设备选择最佳传输策略(或控制方案)。
根据该方法的实施例，例如当接入技术是具有千兆比特的接入容量的光纤到户(FTTH)时，该组客户端设备连接到作为瓶颈的聚合网络。在这种情况下，聚合网络不能处理所有接入容量的总和，并且在有压力的情况下，可能有必要控制客户端的BW使用。
根据该方法的实施例，客户端的分组由它们在CDN(内容传递网络)上下文中从哪个边缘(出口)流传输服务器服务来确定。
利用本发明的概念，提供了协调的传输策略，并由此提供了对组中的客户端、特定子区域内的客户端或连接到聚合网络的组的BW使用的协调控制，这有利地优化了网络的整体性能。
根据该方法的实施例，预定数据流特性是接收到的数据流的包丢失模式和延迟变化中的至少一个。因此，可以通过确定短突发丢失或长突发丢失的存在，来对例如接收到的数据流中的包丢失模式执行数据流特性的分析。例如，如果丢失模式是更加偶发的(sporadic)，则它可能是无线电接入中随机丢失包的结果，并且不需要减少重传。如果存在更长突发的包丢失，则系统更可能过载，并且有利的是降低ABR水平和/或降低由FEC和重传消耗的BW。
根据该方法的实施例，该方法还包括确定系统特性。
根据该方法或采用该方法的系统的实施例，集中监控单元监控属于一组客户端的所有设备的包丢失特性。
根据该方法的实施例，系统特性是接入技术类型、网络类型和设备能力之一。
根据该方法的实施例，传输策略包括应用重传、FEC和ABR中的至少一种。
根据本发明的方面，提供了在通信网络中的节点，其包括用于执行根据本发明构思的方法的装置。
根据节点的实施例，节点包括用于传输输出数据流的装置(例如，发射机)。
根据该方法的实施例，基于优先级对一组设备中的各个设备进行对该组设备的中央控制。优先级可以基于客户端设备具有的订阅类型或者基于它当前正在接收的内容类型。
本发明方法的实施例优选地通过用于以软件、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或适于执行本发明的方法的其他合适的设备或可编程单元、云服务或虚拟机中的实现(图中未示出)的形式发信号并提供数据输送的软件模块而在分发、媒体内容提供商或通信系统中实现。软件模块和/或数据输送模块可以集成在包括合适的处理装置和存储器装置的节点中，或者可以在外部设备中实现，该外部设备包括合适的处理装置和存储器装置并且被布置为与现有节点互连。该节点优选地布置在边缘节点处，例如与流传输边缘服务器通信，或者集成在流传输边缘服务器中/或构成流传输边缘服务器。
当学习以下详细描述的公开、附图和所附权利要求时，本发明的另外的目的、特征和优点将变得明显。本领域技术人员了解到，可组合本发明的不同特征以创建除了如下所描述的那些实施例之外的实施例。
附图说明
本发明的以上的以及另外的目的、特征和优点，通过如下参照附图的本发明的优选实施例的说明性且非限制性的详细描述将变得更好被理解，在附图中相同的参考标号将用于类似的元件，其中：
图1是示出其中可以采用根据本发明构思的实施例的分发系统的示意性框图；
图2是示出根据本发明构思的方法的实施例的流程图；以及
图3是根据本发明构思的实施例的预定控制方案的示意图。
所有的附图为示意性的、不一定按比例绘制，并通常仅示出为了阐述本发明所必需的部件，其中其他部件可被省略或者仅仅是被建议的。
优选实施例的详细描述
现在参考图1，其是示意性地示出用于例如视频的直播分发的IP类型的分发网络系统100的框图，将鉴于此来描述本发明构思的方面。分发系统100的入口设备50，例如服务器(源)，被布置用于向一个或更多个接收者或客户端设备151、152、153提供媒体内容。媒体内容通过主网络60经由相应的通信链路使用单播或多播作为数据流DS被发送，并且通常被提供为可具有不同的大小的连续的包流，并且可以表示具有标识类型的一些报头或报尾部分的不同类型的包。
在分发网络系统100中，数据流DS从入口设备50到客户端设备151、152、153的数据传输可涉及以视频包(多播视频包)和例如音频包的形式传输例如视频内容或其他媒体内容。数据流DS在流传输边缘服务器(播放服务器)——这里由中央主节点110体现——处被接收，位于不同观看者位置的多个客户端设备151、152、153向该中央主节点110请求显示媒体内容。媒体内容通过相应的通信链路以单独的数据流DS1、DS2和DS3被分发到客户端设备151、152、153，该通信链路可通过计算机网络(例如，LAN、WAN、因特网)、无线网络(例如，蜂窝数据网络)或这些网络类型的某种组合(在图1中示出为次级网络70)来提供。每个客户端设备151、152、153包括用于处理接收到的媒体内容并选择要播放的媒体内容的装置。主分发网络50和次级网络60不需要是专用网络，而是可以与其他服务共享。
为了处理丢失的包和其他类型的错误，通信和分发系统采用各种技术来处理错误接收的信息。客户端设备可以通过除其他技术之外的重传技术来纠正错误接收的信息，这使得错误接收的信息能够被重新传输到接收机，例如通过使用自动重传请求(ARQ)或前向纠错(FEC)技术。例如，FEC技术包括在调制前对数据的卷积或块编码。FEC编码涉及使用一定(更大)数量的代码比特或代码块来表示一定数量的数据比特或数据块，从而增加允许纠正某些错误的冗余。
根据本发明的实施例，分发系统还包括控制设备，该控制设备在此由控制服务器120体现，被布置成与主节点110和客户端设备151、152、153通信。
控制服务器120被布置成检测或接收来自客户端设备151、152、153的分析器数据AD1、AD2、AD3，例如数据流特性(如重传请求的频率和模式)、比特率测量结果和/或设备所连接的当前基站的系统特性、信号强度和/或客户端设备特性等，并且对所接收的分析器数据执行分析。基于来自该分析的信息，控制服务器120确定每个设备应当使用哪种算法来控制ABR、重传、FEC等。根据实施例，该决定在一组设备上完成，但是强加算法，即该组的传输策略(通常)是按设备完成。传输策略可以部分地应用于主节点110中，例如，当每个客户端设备基于控制服务器分发给客户端设备151、152、153/主节点110的传输策略来决定请求重传的数据时，同时控制服务器120可以指示主节点在包括客户端设备151、152、153的一组客户端设备上提供最低可能的ABR水平。
分析器数据分析可以检测例如
-接收到的数据流中较短突发的丢失，这表示次级网络中的暂时拥塞(次级数据网络数据传输的操作按间隔中断)，其可以通过重传来解决。
-较长的突发，其例如可以指示设备已经进入较低的BW，并且针对传输策略所引起的动作是改变到较低的BW视频流(ABR调整)。
-在最低视频BW的较短突发的丢失，这应该导致除重传之外的另一种策略，因为增加的重传可能增加使用次级网络的BW，而实际上需要减小该BW。优选的所引起的传输策略动作是将重传策略改变为不太积极，并且还通过重复视频帧或稍微减慢播放时钟(如果可能的话)来接受增长的缓冲。这将暂时消除直播体验。当次级网络中的状况好转时，就有可能恢复直播。根据实施例，在恢复直播(存在视频丢失)或继续延迟之间的选择被包括在传输策略中。
-重传请求的急剧增加表明视频BW将会减少。传输策略优选地包括在改变视频BW的中间时间，应当使用选择性重传方法来避免在网络的BW降低的同时业务爆炸。选择性重传可以包括例如仅发送音频和I帧而不发送完整的视频流，这将以受控的方式处理恶化的情况。
-ABR算法和重传的策略的另一种输入方式是获取设备所连接的网络类型(光纤、WIFI、4G等)。了解接入类型，可以优化策略。例如，如果光纤网中存在光纤损耗，则原因最可能是城域网中拥塞，这意味着不需要退避，而如果4G网络中存在损耗，则需要更保守的策略，以避免用不必要的业务使网络饱和。
分析器数据根据示例性实施例被选择为包括根据表1的数据流特性。表1还包含接入特性、网络特性、与数据流和/或接入和/或网络特性相关联的指示，以及与(数据流、网络、客户端设备)特性的不同组合相关联(或与指示相关联)的合适的传输策略动作。
表1
Figure BDA0002338999820000091
现在继续参考图2，其是示出根据本发明构思的方法的实施例中的步骤的流程图，该方法用于提供用于在基于包的网络中以自适应方式传输数据流的传输策略。用于传输的数据流DS被表示为表示连续信息流的数据包序列，其中每个数据包包括表示与其相对应的信息流的片段的有效载荷信息集。最初，数据流通过相应的通信链路被传输到分发网络中的客户端设备或节点(步骤S200)。当数据流的实例在不同的客户端设备处被接收时，所接收的数据流DS1、DS2、DS3被监控，并且与预定数据流特性(如延迟、请求数据等)相对应的分析器数据AD(图1中的AD1、AD2、AD3)变为可用(步骤S210)。然后如上所述地分析分析器数据(步骤S230)。基于该分析，提供传输策略(步骤S250)，并将其应用于数据流的继续传输(步骤S200)。因此，分析器数据的分析通常在多个客户端设备上执行，然而，如果仅存在一个设备，则单个设备的分析是可应用的。
利用来自对分析器数据的分析(步骤230)的结果/结论来为输出数据流DS选择合适的传输策略(控制方案)，其针对当前网络条件、系统特性和接收客户端调整。根据该方法的实施例，传输策略是从一组预定控制方案中选择的(步骤S240)(可选)。优选地，基于当前网络条件(网络特性/数据流特性)(NC)、系统特性(AC)和接收客户端(RC)的能力的不同可能组合来提供预定的控制方案，参见图3中的示意图，其中根据不同的网络条件NC、接收客户端(RC)的能力和系统特性(SC)可选择预定的一组可能的控制方案300。在替代实施例中，传输策略通过仿真软件提供。
分析器数据可以从与多个节点或一组客户端设备相关联的多个输出数据流中获得。用于多个节点或该组客户端设备的协调的或可替换的公共传输策略。协调策略的一个示例可以是控制设备发现有多个设备连接到同一移动基站。设备中的一个设备开始报告许多丢弃的包，但具有指示共享容量耗尽的良好信号。策略的一个示例是，控制设备强制较低的ABR水平和/或指示设备仅请求关于诸如音频和完整图像的关键数据的重传。
根据实施例，当传输策略进一步基于网络特性和客户端设备特性中的至少一个时，在接收分析器数据之后或者可选地与接收分析器数据并行地应用确定网络的系统特性的可选步骤(步骤S215)。分析步骤(步骤S230)然后包括分析网络特性和/或客户端设备。确定系统特性和客户端设备的这个步骤(S215)包括以下动作中的一个或更多个：识别利用公共网络资源的客户端设备组，识别单个客户端设备是否正在利用特定基站/网络资源，识别一组客户端设备是否连接到聚合网络。通过识别连接到同一基站或WiFi路由器的设备(例如，通过从每个客户端设备请求/接收基站ID)，最容易构建客户端组。
根据该方法的实施例，当传输策略进一步基于至少一个系统特性时，在接收分析器数据之后/与接收分析器数据并行地应用确定网络的系统特性的可选步骤(步骤S220)。如前所述，系统特性可以是接入技术类型、网络类型和设备能力中的一个或更多个，并且由例如知道其连接到什么接入技术的设备来执行。它还可以报告自己的能力。一组设备连接到哪个聚合网络可以由一组设备使用的IP地址来确定。
尽管在本文中已经参考附图描述了本发明构思的说明性实施例，但是将理解的是，本发明不限于其精确的实施例，而是本领域的技术人员可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下在其中进行各种改变和修改。
如下逐项列出了本申请的示例性方案：
示例1.一种自适应地传输数据流的方法，包括：
对于被传输到至少一个客户端设备的至少一个输出数据流，
分析所述至少一个客户端设备的相应的接收的数据流的至少一个数据流特性；以及
基于所分析的数据流特性为所述输出数据流提供传输策略。
示例2.根据示例1所述的方法，其中，所述传输策略还基于至少一个系统特性。
示例3.根据示例2所述的方法，还包括确定所述系统特性。
示例4.根据示例2或示例3所述的方法，其中，所述系统特性是接入技术类型、网络类型和设备能力中的一个。
示例5.根据任一前述示例所述的方法，其中，所述传输策略通过从一组预定控制方案中选择控制方案来提供。
示例6.根据任一前述示例所述的方法，其中，对与多个节点或一组客户端设备相关联的多个输出数据流执行所述分析步骤。
示例7.根据示例6所述的方法，还包括为所述多个节点或所述一组客户端设备提供协调的或公共的传输策略。
示例8.根据任一前述示例所述的方法，还包括识别利用至少一个公共网络资源的客户端设备组。
示例9.根据任一前述示例所述的方法，还包括识别单个客户端设备是否正在利用特定基站/网络资源。
示例10.根据示例6-9中任一项所述的方法，其中，所述一组客户端设备连接到聚合网络。
示例11.根据示例6-9中任一项所述的方法，其中，所述一组客户端设备由公共控制器或边缘服务器处理。
示例12.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，所述预定数据流特性是所接收的数据流的包丢失模式和延迟变化中的至少一个。
示例13.根据任一前述示例所述的方法，其中，所述传输策略包括应用重传、FEC和ABR中的至少一个。
示例14.一种通信网络中的节点，包括用于执行根据任一前述示例所述的方法的装置。
示例15.根据示例14所述的节点，还包括用于传输所述输出数据流的装置。

Claims (14)

1.一种通过IP因特网协议网络向多个客户端设备自适应地传输数据流的方法，包括：
对于被传输到相应的客户端设备的至少一个相应的输出数据流，
分析所述相应的客户端设备中的至少一个客户端设备的相应的接收的数据流的至少一个数据流特性；以及
基于所分析的数据流特性针对所述至少一个相应的输出数据流通过按客户端设备应用选择的自适应比特率ABR水平来提供传输策略。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传输策略是针对所述多个客户端设备进行协调的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述选择的ABR水平选自所述输出数据流的一组比特率ABR水平。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述传输策略还基于至少一个系统特性。
5.根据任一前述权利要求4所述的方法，还包括确定所述系统特性。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述系统特性是接入技术类型、网络类型和设备能力中的一个。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述传输策略通过从一组预定控制方案中选择控制方案来提供。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，对与多个节点或一组客户端设备相关联的多个输出数据流执行所述分析步骤。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括识别利用至少一个公共网络资源的客户端设备组。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括识别单个客户端设备是否正在利用特定基站/网络资源。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中，所述一组客户端设备连接到聚合网络。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中，所述一组客户端设备由公共控制器或边缘服务器处理。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述数据流特性是所接收的数据流的包丢失模式和延迟变化中的至少一个。
14.一种通信网络中的节点，包括用于执行根据任一前述权利要求所述的方法的装置。
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