控制器及针对前往网络用户设备的视频数据流的控制方法与流程

本发明涉及传递数据；具体而言，涉及控制器及通过网络前往网络用户设备的视频数据流的控制方法。

背景技术：

通过移动网络传输的数据中的重要部分是具有流模式的视频流量。最新型流技术是HTTP动态自适应流媒体。此项技术由例如HTTP直播流(苹果)、平滑流(微软)、HTTP动态流(Adobe)及DASH(HTTP动态自适应流媒体)标准使用。在此技术中，服务器存储数个视频文件副本，每一视频文件编码有不同的参数，例如不同分辨率及比特率。比特率越高，需用于传输视频的无线电信道越快，且单帧质量将越高。副本分为时间同步的独立片段。此举允许向前倒片，而无需加载全部片段，及必要时允许在不同比特率之间切换。

从用戶端角度来看，视频质量感知优良不仅在于其比特率高，亦在于播放时没有延迟(亦称为失速)。该等延迟在用戶端的输入缓冲器变空时出现，亦即用戶端正在观看视频片段，而观看速度比视频片段通过无线电信道到达的速度更快。在使用移动网络时，这种情况的原因之一是用戶端所连接到的基站具有有限的时间及频率资源。接着，此资源在被大量连接到同一基站的用戶端阻塞时可能耗尽。由于阻塞，对于大多数用戶端而言，无线电信道中的传输率变得比服务器上可用的比特率更低，从而导致播放延迟。

根据现有技术，已知通过网络控制视频数据流的方法。例如，欧洲专利1872536，即与本申请发明最接近的类似发明中描述一方法，该方法用以在服务器在不同的流版本之间切换时控制从服务器到用戶端的数据包传输，具体取决于用戶端缓冲器的状态。用多种比特率对同样的多媒体内容，例如特定视频排序进行预先编码，并存储在服务器上。然而，此方法需要为每一数据流存储大量版本。而且，即使具有大量版本，也不能保证在每一特定情况下都将可用最佳版本。

因此，显然，关于对通过网络到达用户设备的视频数据流的控制，需要一项新的技术解决方案，该解决方案将提供高速度、简便性、高效率、最小质量损失和最高的用户满意度。

技术实现要素：

本发明的目标是创建控制器与控制视频数据传输的方法，该控制器与方法将有可能改变通过无线电信道从基站到用戶端的视频数据传输量，以便优化传输。

所述问题由一专用方法解决，此方法控制到达用户设备的网络数据流。该方法是在数据存储器中存储视频片段，从至少一个网络用户设备接收请求，确定此设备的当前参数，根据该等参数转化存储的视频片段，并将转化的片段发送至用户设备以作为对请求的回应。根据此方法，存储的视频片段是通过对每一片段进行实时转码来改变比特率而实现转化的。

本发明获得的技术效果是播放视频时的延迟(失速)平均次数更少，且供应商芯片和转接网路的负荷更低。该效果是通过改变视频数据量而提供的，此改变是通过视频数据逐段实时转码为比特率来进行的，该等比特率低于服务器上存储的最高质量副本的比特率。

在可能的实施例中的一个实施例中，当已从网络用户设备接收到对该等视频数据的第一请求时，视频片段保存在数据存储器中。

在较佳实施例中的一个实施例中，将视频片段保存在数据存储器中的阶段包括缓存该等片段的阶段。

在另一实施例中，网络用户设备的当前参数包括下列参数中至少一个参数:设备信道的当前容量、用户缓冲器的状态，及费率。

在另一较佳实施例中，存储的视频片段在硬件级别转码。

在另一实施例中，存储的视频片段随着分辨率变更而转码。

在另一较佳实施例中，在填充数据存储器时，根据来自网络用户设备的对已保存视频数据的请求而选择保存在数据存储器中的视频片段。

在另一实施例中，选择是基于来自网络用户设备的对特定视频数据的请求频率而定。具有最高请求频率的视频具有优先权。

在另一实施例中，选择是基于移除视频而定，该等视频的最后收到的请求是最早的请求。

在又一个实施例中，视频片段额外包含音频或/及文本数据。

本文亦通过提出一控制器而解决所述问题，该控制器负责视频数据流向用户设备的网络传输。控制器包含至少一个适用于存储视频片段的数据存储器，及至少一个控制块。控制器的控制块能够接收来自至少一个网络用户设备的请求，及确定至少一个网络用户设备的当前参数。数据存储器中存储的视频片段可通过变更视频片段比特率而改变，变更比特率是通过根据由至少一个控制器确定的用户设备当前参数而实时转码每一片段来进行的。此外，控制器包含网络接口，该网络接口可向至少一个网络用户设备发送已改变的视频片段。

在另一实施例中，至少一个控制块含有至少一个排程器。

在另一实施例中，排程器提供可能性以选择一比特率，该比特率用于根据网络用户设备的确定当前参数而向指定的用户设备发送视频片段，以作为对来自至少一个用户设备的请求的回应。

在另一实施例中，视频流控制器位于网络中，该网络包含至少一个用户设备、至少一个基站、至少一个网关及至少一个内容服务器。

在另一实施例中，控制器经过设计以使得没有用户设备、没有基站、没有网关及没有内容服务器接收任何有关此控制器在网络中的存在的信息。

所述问题亦通过一设备解决，该设备包含能够接收来自至少一个网络用户设备的请求的代理块、用于存储视频片段的缓存块，及可确定至少一个网络用户设备的当前参数的排程器。此外，该设备包含转码块，该转码块可根据用户设备的当前参数，通过改变视频片段比特率及/或分辨率、利用对每一片段进行实时转码来改变存储在缓存块中的视频片段，及该设备包含网络接口，该网络接口可向至少一个网络用户设备发送改变的视频片段。

在又一个实施例中，代理块可在网络级操作。

本发明的该等及其他方面将不对优选实施例、附图及发明摘要进行清楚的后续说明。本发明的一或数个实施方式示例的细节在其他附图及在后续说明书中显示。本发明的其他显著特征、问题及优势将通过说明书、附图及权利要求书将显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的网络逻辑结构及控制器在网络中的定位。

图2示出了根据本发明的设备功能块之间的相互作用。

图3示出了根据本发明运行的代理块的原理。

图4示出了根据本发明运行的缓存块的原理。

图5示出了根据本发明运行的排程器的原理。

图6举例说明了根据本发明实施针对前往网络用户设备的网络视频数据流的控制器。

图7举例说明设备运行所利用的封装。

具体实施方式

图1示出了由两个部分组成的网络逻辑结构。第一部分是负责无线电接入的转接网路1(E-UTRAN)。该部分由基站4(eNodeB)及用户设备3(user equipment；UE)组成。第二部分是核心网络2(演进分组核心(Evolved Packet Core；EPC))，该核心网络2负责提供所需的服务质量(quality of service；QoS)、移动性控制、验证、计费，等等。该等网络的逻辑节点使用标准化通信协议。根据本发明的控制器5置于第一部分与第二部分之间。控制器5处理所谓的接口S1。

代理服务器的常规集中放置及在核心网络中放置缓存仅降低互联网网关的负荷而不能卸载转接网络。本文提出的解决方案使用代理伺服器在转接网路内侧的分布放置，从而有可能降低转接网路信道的负荷。根据本发明的控制器位于转接网路边缘，从而减小转接信道的负荷。因为使用代理块，因此此种放置是可能的。而且，在网络逻辑阶层中的此放置允许运营商在实体网络的多个级别定位控制器5；从基站4到点，该点聚集来自数十个基站4的流量。除此之外，控制器5的硬件和软件平台可扩展处理模块与数据存储系统的数目，从而使运营商有可能在其网络中就效率和低成本而言以最佳方式使用本发明。

在移动网络中，数据在隧道内侧传输。封裝(图7中示出封裝之非限制性格式)从用户设备3发送至基站4，然后通过与服务网关6的隧道連接而传输，在服务网关6，封裝从隧道中被取出及发送至核心网络2。隧道技术针对来自不同客户端经过转接网路的各种类型的流量提供所需的服务质量。隧道由协议S1-AP控制，而隧道内侧的传输由S1-U控制。代理块充当透明代理服务器，亦即代理功能实施以用于隧道自身及隧道内侧的连接。由此，优化及视频流量缓存对用户设备3及具有视频数据的内容服务器8而言是透明的；及对于基站4及服务网关6而言亦如此，而传输封裝的报头没有明显变更。此允许简化控制器5向现有网络的整合，因为无需改变用户设备3、基站4及网关6的配置。

此种放置的另一个优点是传输信道的延迟更小，因为使用了代理服务器。视频数据依据传输控制协议(Transmission Control Protocol；TCP)传输，该协议保证可靠的交付。在此协议的框架中，内容服务器依据混合逻辑信道(亦即由无线电支信道及包括转接网路、核心网络及互联网中某些部分的支信道组成的信道)速率来选择速率以将数据发送至客户端。该两个支信道具有不同特性，因此混合逻辑信道的速率基本上由具有更糟特性的信道(亦即无线电信道)的速率确定，从而影响TCP连接的速度。通过代理伺服器，有可能利用独立选择的TCP参数而为每一支信道提供两个不同逻辑连接。此举可显著减少交付视频数据时的延迟。

在封包网络中，用户数据通过信道传输，以用于具有一定服务质量的IP封包流。用户设备3与外部互联网服务器8的连接被称作端到端承载。端到端承载由转接网路1(E-UTRAN)及核心网络2(EPC)中逻辑节点之间依据如S1-U、TCP、HTTP等协议已形成的数个信道组成。

协议集S1由两个部分组成：S1-U及S1-AP。协议S1-U直接通过IP网络提供S1隧道流的传输，而协议S1-AP则规定信道E-RAB形成于用户设备3与服务网关6之间；具体而言，隧道S1(信道E-RAB的组件)形成于基站4与服务网关6之间。S1隧道流是基站4与服务网关6之间的IP封包流，其中用户设备3的IP封包经隧道传输。

协议S1-U的IP隧道依据协议GTP-U及亦依据UDP传输协议而实施。隧道端点(输入/输出)是基站4与服务网关6(亦即添加的IP报头包含基站4与服务网关6的IP位址)。

图2示出了控制器5块之间的相互作用。根据本发明，控制器5包含代理块11、排程器13、转码块14、缓存块12与网络接口23，该等网络接口可向用户设备3发送视频数据。

代理块11(图3中示出了该代理块11的运行)在网络级操作，拦截并分析通过代理块11的全部封包。换言之，代理块连续扩展基站4与服务网关6之间的隧道級別(IP1)，然后分析嵌入封包以便确定封包类型(TCP、UDP)。由此，网络级操作允许代理块11接入未向代理块11定址的封包。内容服务器8或用户设备3或基站4或服务网关6皆不接收有关代理块11的干扰或存在的任何信息，因为在封包报头处理之后，代理块以特殊方式适配该报头来模仿上述各者从内容服务器8向用户设备3的回应。UDP封包在没有任何变更的情况下发送，但TCP封装则以以下方式处理。当从至少一个网络用户设备3接收到请求时，代理块确定此设备3的当前参数。当用户设备3与内容服务器8之间形成连接时，代理块断开基站4与服务网关6之间的隧道。为此，代理块扫描全部通过的封包，确定封包类型。对于包含嵌入其中的TCP封包的UDP封包而言，报头保存在具有通信表的内存中：IP位址+用户设备端口，及从基站4到达服务网关6并返回的全部隧道数据，数个隧道teID，如IP+基站端口、IP+服务网关端口、众多隧道teID、IP+内容服务器端口，及其他。在隧道形成之前，根据基站4与移动管理实体(mobility management entity；MME)9之间的SCTP流量分析而拦截隧道数目。为了分析此流量，使用额外的句法封包分析器。在报头保存之后，从封包中提取数据。如果数据包含来自用户3到内容服务器8的视频数据请求，则传递此请求以获得对排程器13的服务。如果排程器回复拒绝，则代表用户3将请求传递至内容服务器8。如果排程器返回所请求的视频及为其传输而计算得出的比特率，则代理块11利用视频数据形成封包，根据保存的表适配报头，以模仿从内容服务器8到用户3的回应。

如果数据包含要传递到用户3的文件，则将数据发送到排程器13，该数据将传递至缓存块，且必要时经转码。排程器回复有关传输比特率与转码视频的信息。然后，代理块11利用视频数据形成封包，根据保存的表适配报头，以模仿从内容服务器8到用户3的回应。

缓存块12(图4中示出了该缓存块的运行)包括数据存储器(例如固态驱动器、硬盘驱动器、该两者的可能组合，等等)，从而存储从代理服务器收到的受欢迎信息，及低分辨率和高分辨率的最受欢迎视频。当有关新加载视频的信息到达时，缓存块12根据其自己的视频受欢迎统计资料、来自内容服务器8的元数据、视频时间、视频在网络中的受欢迎程度，及HTML页上对视频的链接量，来决定是否保存该视频(具体而言保存在缓存中)。当接收到来自排程器13的请求时，缓存块12刷新受欢迎程度统计资料，并检查此视频是否包含在缓存中。如果是，则缓存块12将视频放入将要发送至排程器13的队列中。如果在对此视频的首次请求之后，未在缓存中发现该视频，则缓存块12返回对排程器13的拒绝。如果从排程器13收到一视频，则缓存块分析此视频的受欢迎程度统计资料，并决定是否保存该视频。

排程器13(图5中示出了其运行)估计用户设备3信道的当前容量：具体而言，网络状态、支持的用户设备3的缓冲器、其费率、下一传输必需的资源，及转码块14的负荷。然后，对给定用户的比特率作出决定。具体而言，如果信道与转码块14具有某些剩余资源，则排程器13决定在用户所需模式中发送视频数据。如果信道与转码块14的资源不充足，则该等资源根据用户设备优先权而分布。优先级较低的用户设备仅得到剩余资源。根据计算得到的资源，块14转码视频数据。在选择传输率之后，根据来自代理块11对数据搜索或传输的请求，如果请求来自用户3，排程器可请求来自缓存块12的具有所需参数的视频数据。如果已发现数据，则数据必要时将在转码之后被传递至代理块11。如果未发现视频，则排程器将返回拒绝。如果从内容服务器8收到视频，则在可能的转码之后，视频将与有关其向用户3的所需传输速率的信息一同被传递至代理块。转码块14依据来自排程器13的需求，根据用户设备3的当前参数，利用实时转码每一视频片段，来改变保存在缓存块12中或由网络接收到的视频片段流的比特率或分辨率。如果转码块14具有剩余容量，则转码块14将最受欢迎的视频转码至更低比特率，以便在网络过载时，转码块的一部分负荷将移至缓存块12。

根据本发明，当排程器13过载时，排程器13开始按照用户费率(例如金、银及铜)对发送至用户设备3的视频流赋予优先权。由于优先化，时间及频率资源在用户间重新分布，亦即一些用户的信道速率增大及其他用户的信道速率降低。根据动态自适应流协议，用户依据其设备3的信道速率而开始请求其下一个视频片段，具体由排程器13确定。对于一些用户而言，信道速率可能低于内容服务器8上的最小可用比特率。在此情况下，对于该等用户，转码块14开始对所请求的视频数据进行实时转码，从而提供可能匹配信道当前速率的质量。此举使用户设备缓冲器空转的一般次数降至最低，无论用户费率为何。

该种速度只有当使用硬件转码时是可能的，这是本发明的独特特征。与使用软件转码的解决方案相比，本发明亦可提供更低功耗和更高性能。当没有阻塞时，硬件转码亦允许在缓存块12中快速重新编码视频数据至更低的比特率，以便使缓存块12为基站4的阻塞做准备。在此情况下，当阻塞已发生及无线电信道容量不充足时，视频数据将从缓存块12被发送至用户设备。

转码块14建立在视频编解码器的多处理器硬件实施的基础上，从而提供数个视频流的实时转码。在请求来自排程器13时，转码块14开始对来自缓存块12的每一视频片段进行转码，因此将已编码片段传递至代理块11，以将其打包在封包中并发送至用户设备3。在缓存块12中未发现视频的情况下，没有缓存时不可能进行转码：例如，在所请求的视频不受欢迎的情况下。具体而言，排程器13将来自代理块11的视频数据发送至转码块14，该转码块14执行实时逐段转码，及将转码片段返回排程器13，传输过程中没有任何显著延迟。为了成功执行全部功能，转码块14可支持该种数据流格式，如MP2-TS、MP4、WebM，及其他。

当在排程阶段在用户设备3之间重新分布资源时，如果排程器13决定延迟有限的接收视频的流量，则流量延迟可能被添加至传输过程。在此情况下，转码块14的运行被定义如下：转码片段在调度之前可暂时积聚在缓存块12中，或每当发送下一个视频数据封裝之前可启动转码，及延迟时间可用于转码视频片段以用于优先权较高或满意度较低的其他用户设备3。

本发明使用硬件编解码器以用于转码，例如用于新型处理器架构中的h.264格式的编解码器(QuickSync技术)，具体而言，因特尔处理器(Sandy Bridge、Ivy Bridge，例如因特尔Xeon E3-1275)及其他。使用QuickSync技术的Media SDK程序库可在仅一个计算模块上转码高达8个HD视频流或16个从HD到SD的视频流。控制器5可包括数个计算模块，负荷平衡器零星分布在该等模块之间。此允许线性地按比例缩放转码块14性能，从而添加至新计算模块。

转码高速导致更高的缓存效率。可能性看似快速获得数个版本的同一缓存视频，该等视频具有不同的比特率及分辨率。

此外，快速的转码更易于快速对基站4的阻塞作出反应，从而对发送至用户设备3的视频数据执行实时转换，该等用户设备的无线电特定速率低于内容服务器8上的视频最小比特率。

根据本发明，转码块14可支持多种适用于视频数据的流格式。具体而言，某一流格式中之数据可不仅存储视频片段，亦可存储文本(例如副标题)及音频数据(例如音轨)。在转码开始之前，转码块14将特定流格式的视频数据分为数个数据流。转码结束之后，转码块14再次将该等数据流聚合在一起。

本发明支持预测类型的智能缓存算法。预测算法使用关于用户对内容的请求的统计信息，该算法不仅提供关于传递通过特定控制器5的请求的信息，亦提供来自其他控制器5的信息。这确保进入缓存块12的高效率，即使对网络边缘的设备而言。

预言性算法使用关于来自内容服务器8中位置的某一内容的受欢迎程度的多种元信息，使用流量分析方法来积累关于内容下载的统计资料。例如，支持此算法的缓存块积累关于针对社交网络、网页等等上边特定视频的请求量的穿过特定服务器的统计资料。由此，有可能预加载用户近期可能将请求的数据。

当用保存视频数据填充数据存储器中的剩余空间时，有必要再次清除保存的视频数据。根据请求的统计分析，缓存块12可从传输数据中挑选并存储最受欢迎的视频文件，并作出决定以便从存储器中移除最不受欢迎的视频。本发明支持此种缓存策略，如LFU及LRU，该等策略可共同或单独使用。在其他实施例中，本发明提供其他缓存策略的联合或单独使用。LFU策略优先选择具有最高请求频率的视频。LRU策略优先选择近期请求的视频，亦即基于移除上次请求时间最早的视频。由此，本发明通过使用混合解决方案假设受欢迎视频的子集发生频繁变更，该解决方案组合该等策略。

为提供高效率，缓存块12支持来自数个代理块11过程中的并行请求，及来自置于数个计算模块上的数个代理块11的请求。单独硬件设备上的一个缓存块12可支持与不同基站4共同作业的数个代理块11。在实施例中的一个实施例中，代理块、转码块和排程器可在控制块21(图6)中联合。图6示出了根据本发明的控制器5的结构方案，该控制器包含至少一个控制块21、能够存储视频片段的至少一个数据存储器22，及网络接口23，该网络接口23使控制器5与转接网络1和核心网络2连接，以便将视频片段发送至用户设备3。

上文描述充当一示例，且不应被视作限制性。在开放示例不脱离本发明主旨的情况下，专业人员将理解该等开放实例的变更与修正。