ISSN 
下载:
-
虛拟现实(virtual reality, VR)视频是指全景视频，如水平
$360^\circ $ $ \times $ 垂直$180^\circ $ 全景视频、水平$180^\circ $ $ \times $ 垂直$180^\circ $ 全景视频等，用户可借助VR眼镜等虚拟现实设备观看全景视频，并获得身临其境的视觉感受[1]。其沉浸式体验对传输速率、时延和可靠性提出很高的要求。传输过程中的延迟和抖动会造成眩晕等症状，影响用户体验。在无线网络上传输的VR视频也被称为移动VR视频。移动VR视频作为5G无线网络的重要应用，其传输问题在学术界和工业界引起了广泛的关注。在进一步分析移动VR视频传输问题之前，先简要了解一种典型的
$360^\circ $ VR视频的制作、传输与播放流程[1-2]。1) 制作与编码VR视频。一般使用多个摄像机拍摄画面并将抓捕的画面投影到球面空间进行缝合得到全景视频。接着利用等距柱状投影(equi-rectangular projection, ERP) 将二维球面视频图像映射成二维平面矩形视频图像，并切割成多个图像块，然后送进视频编码器进行编码。最终一个完整的VR视频文件被转化为多个可独立编码和解码的分块视频文件。
2) 传输VR视频。在非直播场景下，编码后的VR视频被缓存在数据中心的内容服务器中。移动VR设备在用户观看本地已缓存的VR视频过程中，会提前向内容服务器请求本地未缓存的VR视频。被请求的VR视频经过互联网络、5G核心网络、回传网络和前传网络传输最终抵达移动VR设备[3]。
3) 播放VR视频。请求的VR视频由多个分块视频文件组成。移动VR设备对这些分块视频文件解码，然后将视频图像投影到球面空间，最后渲染展示到设备屏幕上。
用户使用VR设备观看VR视频时，有一定的视角限制，只能看见
$360^\circ $ 全景视野的一部分画面，这部分可见区域也被称为视场角(field of view, FoV)。在流行的移动VR设备中，对于$360^\circ \times 180^\circ $ 的VR视频而言，FoV的大小在$90^\circ \times 90^\circ $ 左右[4]，仅占全景视野的12.5%。于是现有传输方案[5–7]通常仅传输FoV视频文件而非整个全景视频，以降低带宽消耗和请求超时的可能性。FoV视频文件可以看成由多个分块视频文件组成。为了避免用户突然转动头部出现黑块，传输FoV视频文件通常也指以高码率传输FoV内的画面而FoV外的画面采用低码率传输或者直接使用纯色填充。由于核心网络和回程网络充满了不确定性，移动VR设备直接向数据中心的内容服务器请求FoV视频文件同样会使得分发时延过大。5G网络架构中提出的移动边缘计算(mobile edge computing, MEC)技术可应用在VR传输场景下缓解分发时延过大问题[8]。一种实践方案是将MEC服务器部署在基站附近，为在基站信号覆盖范围内的移动VR设备提供缓存服务。在VR视频传输场景下，将热门VR视频缓存到MEC服务器中。当移动VR设备发出对这些VR视频的请求时，靠近该设备的MEC服务器便可以直接处理该请求，降低请求的视频内容经过互联网和核心网再达到基站的时延。除此之外，MEC服务器还可为移动VR设备提供计算服务。播放VR视频前，移动VR设备需要对视频进行解码和投影操作。虽然这部分计算操作的复杂度比较低，但并不是所有移动VR设备都具备符合需求的计算能力[9]。对于计算能力不足的移动VR设备，考虑将其计算任务卸载到邻近的MEC服务器上处理。
根据思科的最新报告显示，到 2023 年，连接到 IP 网络的设备数量将是全球人口的3倍以上，移动数据流量将占到总IP流量的75%以上[10]。单MEC服务器的缓存能力与数据中心海量存储能力相比十分局限，而这日益增多的数据量使得这差异愈发明显。此时单MEC服务器的优势已不再显著。为满足更多用户的需求，多MEC服务器协作传输VR视频正成为一种可行方案。
近年来，越来越多研究人员也对移动VR视频传输问题展开研究。文献[11]提出了基于分块来传输VR视频的方案，但没有考虑到利用MEC技术来加快传输移动VR视频的可能性。文献[2,12]提出了基于MEC网络架构来传输移动VR视频的方案。文献[2]提出了一种基于FoV来传输VR视频的专用网络架构方案。文献[12]把联合优化计算和缓存作为VR视频传输的关键问题，并通过仿真实验证明了方案收益。然而这两项研究都仅在单MEC服务器下工作，没有考虑多MEC服务器协作的潜在可能。
本文提出一种基于多MEC服务器协作的VR视频传输网络架构，阐述多MEC协作缓存和传输VR视频的方式。然后以降低VR视频平均分发时延为优化目标，建立混合整数线性规划(mixed-integer linear programming, MILP)模型，通过求解模型得到缓存方案。最后通过实验证明多MEC协作缓存和传输VR视频可有效降低VR视频的分发时延。
-
基于多MEC协作的VR视频缓存和传输网络架构如图1所示。该传输网络架构由远程内容服务器、5G核心网络、MEC协作域3个部分组成。远程内容服务器主要负责VR视频的前期制作与分发，包括视频拼接缝合、VR视频映射和编码，以及将编码后的视频分发到网络边缘的MEC服务器上。
图 1 多MEC协作缓存和传输移动VR视频架构
在未引入MEC的网络中，被请求的VR视频数据在跨越多个网络后才会抵达移动VR设备。此传输模式将使得分发时延过大和5G核心网络承受较大流量压力。为弥补此传输模式的不足，本文在传统网络中引入MEC服务器并将其部署在基站(base station, BS)附近。单个MEC服务器的缓存能力相较于数据中心是十分有限的，为了满足更多请求，本文提出多MEC协作方式。
因为一个5G基站的覆盖范围比较小(
$ \leqslant 500$ m[13])，一个生活/商业区域通常会部署多个基站，于是可以人为地将这些地理位置相近的多个基站以及部署在其附近的MEC服务器划分成一个协作区域，让其共享存储空间与计算资源。下面简称协作区域为协作域。多MEC协作系统周期性地运行缓存算法，每次选择协作域中负载最低的MEC服务器来计算缓存方案，并将方案下发给其他MEC服务器。收到缓存方案的MEC服务器把与方案中一致的已存内容保留，然后再向其他MEC或者远程内容服务器请求方案中的其余内容。每台MEC服务器中都维护一张资源访问表，该表记录了协作域内每台MEC服务器缓存的内容。当本地缓存未命中时，MEC服务器根据资源访问表将请求转发给缓存了目标内容的MEC服务器，让其来处理请求。
本文将与移动VR设备通信的基站，称为该移动VR设备的Home BS，称部署在Home BS附近的MEC服务器为其Home MEC服务器。在基于多MEC协作缓存和传输的网络架构中，移动VR设备请求的视频将由以下3条路径之一来响应。路径①：Home MEC服务器上缓存命中，由Home MEC服务器来直接响应请求。路径②：Home MEC服务器上缓存未命中，由Home MEC服务器向协作域内缓存了目标视频的MEC服务器请求。路径③：协作域内所有的MEC服务器都没有缓存目标视频，那么Home MEC服务器就向远程内容服务器处请求。通过后两种方式获得的视频都将被回传给Home MEC服务器，最终再由它传输给移动VR设备。3条路径对应的内容分发时延是不同的。对于同一请求来说，路径①的分发时延最低，路径②次之，路径③最长。于是通过多MEC服务器协作，尽可能地让请求在协作域内被处理，会大大降低VR视频平均分发时延，从而提升用户的体验质量。
-
多MEC协作系统可提供服务的移动
$360^\circ $ VR视频集合为$N = \{ 1,2,\cdots,n\} $ 。这些$360^\circ $ VR视频均采用ERP方式投影到二维平面。为了便于移动VR设备请求和服务器端传输，二维平面视频被划分成时长固定为$\Delta t$ 秒的连续视频片段。每个视频片段按行和列划分成$i \times j$ 个可独立编码和解码的分块视频文件。每个VR视频都支持以两种相差较大的码率来编码。对于VR视频$n$ 来说，其持续时长为${d_n}$ ，支持低码率${\rm{lb}}{{\rm{r}}_n}$ 和高码率${\rm{hb}}{{\rm{r}}_n}$ 。于是得到VR视频$n$ 的大小为${S_n} = {d_n} \times {\rm{lb}}{{\rm{r}}_n} + {d_n} \times {\rm{hb}}{{\rm{r}}_n}$ 。协作域内的MEC服务器集合为
$M = \{ 1,2,\cdots,m\} $ 。MEC服务器$m$ 具备${C_m}$ 的缓存空间。一个VR视频的所有分块视频文件将存放在同一个MEC服务器上。在MEC服务器缓存空间限制下得到如下约束不等式：$$ \displaystyle\sum {{x_{m,n}}{S_n} \leqslant {C_m}\;\;\;\;\forall m \in M} $$ (1) 式中，变量
${x_{m,n}} \in \{ 0,1\} $ 表示VR视频$n$ 是否被缓存在MEC服务器$m$ 中。在用户观看
$[t,t + \Delta t]$ 时段的VR视频过程中，移动VR设备预测用户$[t + \Delta t,t + 2\Delta t]$ 的头部运动轨迹并得到预测FoV，接着向Home MEC服务器请求下一视频片段的FoV视频文件。同文献[5–7]的传输方案[5–7]一样，本文对构成FoV的多个分块视频文件采用高码率传输，而对构成非FoV的多个分块视频文件采用低码率传输。用户在球面空间中的FoV投射到二维平面可以近似看成由
$k \times k$ 个分块组成[14]。于是高码率分块占全景画面的比例为$w = {{k \times k} \mathord{\left/ {\vphantom {{k \times k} {i \times j}}} \right. } {i \times j}}$ ， 低码率分块占全景画面的比例为$(1 - w)$ 。服务器端最终需要传输的数据量为$S_n^{{\rm{trans}}} = w \times {\rm{hb}}{{\rm{r}}_n} \times \Delta t + (1 - w) \times {\rm{lb}}{{\rm{r}}_n} \times \Delta t$ 。 -
传输架构中涉及的通信过程可用概括为3段通信过程：1)MEC服务器与移动VR设备之间的通信，简记为MEC-MVRD通信；2)MEC服务器与MEC服务器之间的通信，简称为MEC-MEC通信；3)MEC服务器与远程内容服务器之间的通信，简称为MEC-DC通信。
在MEC-MVRD通信过程中，MEC服务器所在基站到移动VR设备是单跳无线网络，无线电信号在空气中的传播速度近似于光速，且移动VR设备与基站之间的距离不超过1 km，因而它们之间的传播时延可忽略不计。同理，MEC服务器所在的基站之间通过X2接口进行通信[15]，底层物理链路为光纤，是单跳有线网络且距离不超过10 km，由此MEC服务器之间的传播时延也可不用考虑。当MEC服务器负载过高时，数据会排队等待发送。于是MEC-MVRD和MEC-MEC段通信过程引起的时延主要为排队时延和发送视频内容的时延。
由于云端内容服务器到MEC服务器的网络状况比较复杂，包括多跳有线和无线链路，精确计算云端内容服务器到MEC服务器的通信时延比较困难，本文使用平均通信时延
${T_{{\rm{dc}} \to m}}$ 来表示MEC-DC通信过程的引起的时延。在本文中，移动VR设备按照是否有投影计算能力分为计算能力不足的
${U_1}$ 类移动VR设备和计算能力充足的${U_2}$ 类移动VR设备。在播放视频之前，${U_1}$ 类移动VR设备会将投影计算任务卸载到其Home MEC服务器上，从而引起额外计算时延。在MEC服务器$m$ 上执行关于VR视频$n$ 的投影计算任务而产生的计算时延为：$$ T_{m,n}^{{\rm{off}}} = \dfrac{{S_n^{{\rm{trans}}} \times {z_n}}}{{{f_m}}}\;\;\;\;\forall n \in N,m \in M $$ (2) 式中，
${z_n}$ 表示计算VR视频$n$ 每比特数据所会消耗的CPU周期数；${f_m}$ 表示MEC服务器$m$ 的CPU计算频率。在实际中，可配置物理层和更高层来设定所有基站对移动VR设备都具备相同的数据传输速率
${R_1}$ ，各基站之间通信具有相同的数据传输速率${R_2}$ 。从上述分析中可以得到，从服务器端下发FoV视频文件到移动VR设备端的分发时延主要由计算时延、排队时延和发送时延构成。由此可总结出两类移动VR设备请求关于VR视频
$n$ 的FoV视频文件经由3条路径产生的分发时延。${U_1}$ 类移动VR设备的请求通过路径①得到响应引发的分发时延可表示为：$$ T_{{U_1}}^1 = {T_{{\rm{que}}}} + T_{m,n}^{{\rm{off}}} + \dfrac{{D(S_n^{{\rm{trans}}})}}{{{R_1}}} $$ (3) 式中，
${T_{{\rm{que}}}}$ 表示请求的内容在协作域内传输过程中等待发送经历的排队时延；$D(S_n^{{\rm{trans}}}) = \alpha \times S_n^{{\rm{trans}}}$ 表示经过计算膨胀后的数据量，通常$\alpha \geqslant 2$ [9]。${U_2}$ 类移动VR设备的请求通过路径①得到响应引起的分发时延可表示为：$$ T_{{U_2}}^1 = {T_{{\rm{que}}}} + \dfrac{{S_n^{{\rm{trans}}}}}{{{R_1}}} $$ (4) ${U_1}$ 类移动VR设备的请求通过路径②得到响应引起的分发时延可表示为：$$ T_{{U_1}}^2 = {T_{{\rm{que}}}} + T_{m,n}^{{\rm{off}}} + \dfrac{{D(S_n^{{\rm{trans}}})}}{{{R_1}}} + \dfrac{{S_n^{{\rm{trans}}}}}{{{R_2}}} $$ (5) 相比从路径①得到视频内容，从路径②获取视频内容会多出一个发送时延
${{S_n^{{\rm{trans}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{S_n^{{\rm{trans}}}} {{R_2}}}} \right. } {{R_2}}}$ ，即视频内容从协作域内其他MEC服务器中被发送出去的时延。同理，${U_2}$ 类移动VR设备的请求通过路径②得到响应的分发时延可表示为：$$ T_{{U_2}}^2 = {T_{{\rm{que}}}} + \dfrac{{S_n^{{\rm{trans}}}}}{{{R_1}}} + \dfrac{{S_n^{{\rm{trans}}}}}{{{R_2}}} $$ (6) ${U_1}$ 类移动VR设备的请求通过路径③得到响应引起的分发时延可表示为：$$ T_{{U_1}}^3 = {T_{{\rm{que}}}} + T_{m,n}^{{\rm{off}}} + \dfrac{{D(S_n^{{\rm{trans}}})}}{{{R_1}}} + {T_{{\rm{dc}} \to m}} $$ (7) ${U_2}$ 类移动VR设备的请求通过路径③得到响应引起的分发时延可表示为：$$ T_{{U_2}}^3 = {T_{{\rm{que}}}} + \dfrac{{S_n^{{\rm{trans}}}}}{{{R_1}}} + {T_{{\rm{dc}} \to m}} $$ (8) 从1.1节可以得知，MEC服务器
$m$ 服务范围内的移动VR设备向其请求VR视频$n$ 只会从3条路径之一得到响应。下面引入3个请求路径变量来分别表示VR视频$n$ 的3种获取位置。${y_{m,n}} \in \{ 0,1\} $ 表示VR视频$n$ 是否从Home MEC服务器$m$ 处获取，$y_{m,n}^k \in \{ 0,1\} $ 表示VR视频$n$ 是否从协作域内MEC服务器$k$ 处获取，$y_{m,n}^{dc} \in \{ 0,1\} $ 表示VR视频$n$ 是否从远程内容服务器中获取。因为VR视频$n$ 只能从一个位置获取，于是存在约束：$$ \begin{split} &{y_{m,n}} + y_{m,n}^k + y_{m,n}^{dc} = 1\\ &\forall n \in N,m \in M,k \in M \end{split} $$ (9) 引入请求路径变量后，
${U_1}$ 类移动VR设备向MEC服务器$m$ 请求VR视频$n$ 引起的分发时延可整合表示为：$$ T_{m,n}^{{U_1}} = {y_{m,n}}T_{{U_1}}^1 + y_{m,n}^kT_{{U_1}}^2 + y_{m,n}^{dc}T_{{U_1}}^3 $$ (10) ${U_2}$ 类移动VR设备向MEC服务器$m$ 请求VR视频$n$ 引起的分发时延也可整合表示为：$$ T_{m,n}^{{U_2}} = {y_{m,n}}T_{{U_2}}^1 + y_{m,n}^kT_{{U_2}}^2 + y_{m,n}^{dc}T_{{U_2}}^3 $$ (11) -
用户获取视频的平均分发时延是一项衡量用户体验质量的重要性能指标[16]。平均内容交付时延越小，意味着越多的用户请求能由协作域内的MEC服务器满足，用户的体验质量也就越高。于是本文以最小化协作域内VR视频平均内容分发时延(average delivery latency, ADL)为优化目标建立MILP模型，简称为MADL。MADL具体表示如下：
$$ \min L $$ $$ {\rm{s}}.{\rm{t}}.{\text{ }}式(1),式(9) $$ $$ {y_{m,n}} \leqslant {x_{m,n}}\;\;\;\;\forall n \in N,m \in M $$ (12) $$ y_{m,n}^k \leqslant {x_{k,n}}\;\;\;\;\forall n \in N,m \in M,k \in M $$ (13) $$ L = \frac{{\displaystyle\sum\limits_m {\displaystyle\sum\limits_n {\lambda _m^n(r_m^{{U_1}}T_{m,n}^{{U_1}} + r_m^{{U_2}}T_{m,n}^{{U_2}})} } }}{{\displaystyle\sum\limits_m {(r_m^{{U_1}} + r_m^{{U_2}})} }} $$ (14) 约束式(1)确保了每台MEC服务器缓存的VR视频大小总和不会超过其最大存储空间限制。约束式(9)确保了对VR视频n的请求只能在一个地方得到处理。约束式(12)和式(13)共同限制了只有当MEC服务器上缓存了VR视频内容
$n$ 时，才能响应对VR视频内容$n$ 的请求。式(14)表示模型要优化的目标函数，其中，$r_m^{{U_1}}$ 表示${U_1}$ 类移动VR设备在MEC服务器$m$ 上的请求到达率；$r_m^{{U_2}}$ 表示${U_2}$ 类移动VR设备在MEC服务器$m$ 上的请求到达率；$\lambda _m^n$ 表示VR视频$n$ 在MEC服务器$m$ 上的流行程度。 -
在实验参数设定方面，本文依据现实物理情况并参考相似研究来设置实验参数值。设定一个协作域内的MEC服务器数量为10，此协作域的服务范围可完整覆盖一个大型商场[13]，在实际情况中可根据真实需求适当地增加或者减少MEC服务器的数量。每个MEC服务器都具备10 GB的存储空间，计算频率为20 GHz。基站到移动VR设备的数据发送速率为100 Mbps，基站之间的数据发送速率为500 Mbps[17]。在MEC服务器上执行计算任务，每比特VR视频数据需要消耗10个CPU周期[9]，计算后数据量的膨胀系数
$\alpha = 2$ [9]。系统提供了500个不同的
$360^\circ $ VR视频，时长为[1, 5] min，低码率为[3, 8] Mbps，高码率为[15, 32] Mbps。以$\Delta t = 1$ s将$360^\circ $ VR视频经过ERP映射后的平面视频分段，每个视频片段被切分成$4 \times 8$ 个分块，FoV平均由$2 \times 2$ 个分块组成[14]。假设$360^\circ $ VR视频的流行度服从偏斜系数$\gamma = 0.56$ 的Zipf分布[16]，偏斜系数$\gamma $ 表示内容流行度分布的偏斜程度。${U_1}$ 和${U_2}$ 类移动VR设备在每台MEC服务器上的请求分别服从到达率为50和100的泊松分布[3]。通信过程中的排队时延为[1, 3] ms，远程内容服务器传输移动VR设备请求的FoV视频文件到协作域内MEC服务器上的通信时延为[50, 100] ms[18]。 -
将本文的MILP模型与另外两种传统缓存算法(Distributed算法和Self-Top算法[3])进行性能对比。在Distributed算法中，协作域内每台MEC服务器均缓存完全不同的VR视频，以实现在协作域内缓存尽可能多的内容。在Self-Top算法中，协作域内每个MEC服务器都缓存其服务范围内最热门的VR视频。由于地域相似性，一个协作域内的用户对VR视频的偏好是比较近似的，于是在Self-Top算法下每台MEC服务器上缓存的内容具有很高的相似度。
对于MILP模型，本文实验使用商业软件AMPL/Gurobi进行求解，版本号为9.5.0，模型求解精度为MIPGAP=0.005。
对于性能分析，主要以协作域的平均内容分发时延(ADL)作为算法性能的评估指标。在仿真实验中，研究系统参数对缓存性能的影响，包括MEC服务器缓存空间大小、MEC服务器计算频率、VR视频数量、Zipf分布的偏斜系数
$\gamma $ 和移动VR设备请求达到率。 -
图2描述了在单MEC服务器缓存空间变化下3种缓存算法在ADL方面的性能对比。从图2中可以看出，所有缓存算法的ADL都随着MEC服务器缓存空间的增大而减小。这是因为随着缓存空间的增大，更多的VR视频可以被缓存在MEC协作域中，从而更多的请求可以在协作域内直接得到响应。实验结果表明，MADL具有较低的ADL。当协作域内MEC服务器的缓存空间不足以缓存下所有VR视频时，MADL较于Self-Top和Distributed的性能表现更加优越。例如，在单MEC服务器缓存空间从10 G到40 G变化时，MADL下的ADL比Self-Top和Distributed分别低约17%～55%，11%～16%。
图 2 MEC服务器缓存大小变化下缓存算法性能对比
图3描述了在单MEC服务器CPU计算频率变化下3种缓存算法在ADL方面的性能对比。从图3中可看出，所有缓存算法的ADL一开始随着MEC服务器的CPU计算频率增大而减小，随后趋于稳定。这是因为
$ {U_1} $ 类移动VR设备将计算任务卸载到Home MEC服务器上产生的计算时延会随着服务器的计算能力增强而降低。当MEC服务器的计算能力提升到一定程度时，计算时延对最终的分发时延不会造成重要影响。由数值结果可以看出，当MEC服务器的CPU计算频率从5 GHz到50 GHz变化时，MADL下的ADL一直低于Self-Top和Distributed，且差值分别稳定在16%和10%。
图 3 MEC服务器CPU计算频率变化下缓存算法性能对比
图4描述了在VR视频内容数量变化下3种缓存算法在ADL方面的性能对比。从图4中可看出，3种缓存算法的ADL都随着VR视频内容数量的增加而增大。因为MEC服务器的缓存空间有限，随着视频内容的不断增多，越来越多的请求无法从协作域中得到满足。实验结果显示，当视频内容数量从100到500变化时，MADL的ADL比Distributed低约7%～11%。在视频内容数量为100时，MADL的ADL比Self-Top低67%，当视频内容数量为500时，MADL的ADL比Self-Top低18%。
图 4 VR视频内容数量变化下缓存算法性能对比
图5描述了在Zipf分布的偏斜系数
$\gamma $ 变化下3种缓存算法在ADL方面的性能对比。从图5中可看出，所有算法的ADL随着$\gamma $ 的增大而减小并且算法之间的性能差距也在逐渐减小。这是因为随着$\gamma $ 增大，流行的视频变得更加集中。此时少量的视频会占据绝大部分的请求流量，而在协作域中缓存这些少量且热门视频便几乎能满足所有移动VR设备的请求。于是出现随着$\gamma $ 增大3种算法之间的性能差距减小的现象。
图 5 Zipf分布偏斜系数
$\gamma $ 变化下缓存算法性能对比图6和图7分别描述了在计算能力不充足的
${U_1}$ 类和计算能力充足的${U_2}$ 类移动VR设备的请求到达率变化下3种缓存算法在ADL方面的性能对比。从图6中可以看出，随着${U_1}$ 类移动VR设备请求到达率增高，所有算法的ADL也随之增大。由于${U_1}$ 类移动VR设备会将计算任务卸载到Home MEC服务器上，所以当这类设备的请求数增多时，总分发时延将增大，从而使得ADL增大。从图7中可以看出，随着${U_2}$ 类移动VR设备请求到达率增高，所有算法的ADL却降低。${U_2}$ 类移动VR设备发出的请求不会产生额外的计算时延，所以这类设备的请求数增多，将削弱${U_1}$ 类移动VR设备请求带来的高分发时延影响，因而ADL会降低。
图 6
${U_1}$ 类VR设备请求到达率变化下缓存算法性能对比
图 7
${U_2}$ 类VR设备请求到达率变化下缓存算法性能对比 -
为了降低VR视频分发时延以提升用户体验质量，本文提出了一种基于多MEC协作的VR视频缓存和传输网络架构。在考虑协作域内计算能力充足和计算能力不足的两类移动VR设备的请求来决定VR视频的缓存位置的基础上，建立以最小化平均内容分发时延为目标的MILP模型，并通过Gurobi商业求解器得到VR视频的最佳缓存位置。仿真实验证明，本文提出的缓存和传输策略在降低VR视频的平均内容分发时延方面是有效的。
本文研究得到“确定性工业互联网技术研究项目(220481)”支持，在此表示感谢!
Mobile VR Video Caching and Streaming Network Architecture Based on Multi-MEC Collaboration
-
摘要: 针对移动虚拟现实(VR)视频在传统传输架构下分发时延过大问题，提出一种基于多MEC协作缓存和传输的网络架构。首先，考虑到移动VR视频在观看时需要计算处理而移动VR设备并不一定具备相应的处理能力，提出让传输架构中的MEC来承担这部分计算任务。然后，建立以最小化平均分发时延为优化目标的混合整数线性规划缓存模型，通过商业求解器Gurobi来获得移动VR视频的最佳缓存位置。最后，通过数值仿真实验证明，与传统的缓存算法相比较，提出的缓存和传输策略能有效降低移动VR视频的平均分发时延。Abstract: In this paper, a network architecture based on multi-MEC (mobile edge computing) cooperative caching and streaming is proposed to address the problem that the delivery latency of mobile virtual reality (VR) video is too high under traditional delivery architecture. First of all, considering that the mobile VR video needs computing processing when watching and the mobile VR device may not always have the corresponding processing capacity, the MEC in the transmission architecture undertakes the needed computing task. Then, a mixed-integer linear programming (MILP) cache model with the optimization goal of minimizing the average delivery latency is established, and the optimal cache placement for mobile VR videos is obtained through the commercial solver Gurobi. Finally, numerical simulation experiments show that the proposed caching and streaming strategy can effectively reduce the average delivery latency of mobile VR videos when compared with existing caching algorithms.
-
Key words:
- 360° video /
- content delivery /
- mobile edge computing /
- virtual reality
-
[1] 国家广播电视总局. 国家广播电视总局办公厅关于印发5G高新视频系列技术白皮书的通知[EB/OL]. (2020-08-25). [2022-03-17]. https://www.nrta.gov.cn/art/2020/8/25/art_113_52661.html. State Administration of Radio and Television. Announcement of the general office of the state administration of radio and television on printing and distributing 5G high-tech video series technical white papers[EB/OL]. (2020-08-25). [2022-03-17]. https://www.nrta.gov.cn/art/2020/8/25/art_113_52661.html. [2] MANGIANTE S, KLAS G, NAVON A, et al. VR is on the edge: how to deliver 360° videos in mobile networks[C]// Proceedings of the Workshop on Virtual Reality and Augmented Reality Network. New York, NY: Association for Computing Machinery, 2017: 30-35. [3] WANG N, SHEN G, BOSE S K, et al. Zone-Based cooperative content caching and delivery for radio access network with mobile edge computing[J]. IEEE Access, 2019, 7: 4031-4044. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2888602 [4] HOU X, DEY S, ZHANG J, et al. Predictive Adaptive streaming to enable mobile 360-degree and vr experiences[J]. IEEE Transactions on Multimedia, 2021, 23: 716-731. doi: 10.1109/TMM.2020.2987693 [5] GUNTUR R, OOI W T. On tile assignment for region-of-interest video streaming in a wireless LAN[C]// Proceedings of the 22nd International Workshop on Network and Operating System Support for Digital Audio and Video, New York, NY: Association for Computing Machinery, 2012: 59-64. [6] MRAK M, GRGIC M, KUNT M. High-Quality visual experience: Creation, processing and interactivity of high-resolution and high-dimensional video signals[M]. Heidelberg: Springer, 2010. [7] KIMATA H, OCHI D, KAMEDA A, et al. Mobile and multi-device interactive panorama video distribution system[C]//The 1st IEEE Global Conference on Consumer Electronics 2012. [S.l.]: IEEE, 2012: 574-578. [8] SUKHMANI S, SADEGHI M, EROL-KANTARCI M, et al. Edge caching and computing in 5G for mobile AR/VR and tactile internet[J]. IEEE MultiMedia, 2019, 26(1): 21-30. doi: 10.1109/MMUL.2018.2879591 [9] SUN Y, CHEN Z, TAO M, et al. Communications, caching, and computing for mobile virtual reality: Modeling and tradeoff[J]. IEEE Transactions on Communications, 2019, 67(11): 7573-7586. doi: 10.1109/TCOMM.2019.2920594 [10] Cisco. Cisco annual internet report-cisco annual internet report (2018-2023) white paper[EB/OL]. (2020-03-09). [2022-03-11]. https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/executive-perspectives/annual-internet-report/white-paper-c11-741490.html. [11] GADDAM V R, RIEGLER M, EG R, et al. Tiling in interactive panoramic video: Approaches and evaluation[J]. IEEE Transactions on Multimedia, 2016, 18(9): 1819-1831. doi: 10.1109/TMM.2016.2586304 [12] BASTUG E, BENNIS M, MEDARD M, et al. Toward interconnected virtual reality: Opportunities, challenges, and enablers[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(6): 110-117. doi: 10.1109/MCOM.2017.1601089 [13] VERIZON. How far does 5G reach?[EB/OL] . (2020-04-13). [2022-05-01]. https://www.verizon.com/about/news/how-far-does-5g-reach. [14] CHENG Q, SHAN H, ZHUANG W, et al. Design and analysis of MEC- and proactive caching-based 360 mobile VR video streaming[J]. IEEE Transactions on Multimedia, 2021, 24: 1529-1544. [15] NDIKUMANA A, TRAN N H, HO T M, et al. Joint communication, computation, caching, and control in big data multi-access edge computing[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2020, 19(6): 1359-1374. doi: 10.1109/TMC.2019.2908403 [16] HOU T, FENG G, QIN S, et al. Proactive content caching by exploiting transfer learning for mobile edge computing[J]. International Journal of Communication Systems, 2018, 31(11): e3706. doi: 10.1002/dac.3706 [17] ZOMAYA. When to use 20 mhz vs 40 mhz vs 80 mhz[EB/OL]. (2019-07-01). [2022-05-02]. https://www.cbtnuggets.com/blog/certifications/cisco/when-to-use-20mhz-vs-40mhz-vs-80mhz. [18] GSMA. What is the difference in data throughput between LTE-M/NB-IoT and 3G or 4G?[EB/OL]. (2019-10-29). [2022-05-02]. https://www.gsma.com/iot/resources/what-is-the-difference-in-data-throughput-between-lte-m-nb-iot-and-3g-or-4g/. -
点击查看大图
图(7)
计量
- 文章访问数: 4286
- HTML全文浏览量: 1166
- PDF下载量: 38
- 被引次数: 0
