组播环境下IPTV快速频道切换方法.pdf

2009年12月 第32卷 第6期 北 京 邮 电 大 学 学 报 Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications Dec 2009 Vol 32 No 6 文章编号 100725321 2009 0620005204 组播环境下IPTV快速频道切换方法 古 强 夏烨晗 邹 华 杨放春 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 北京100876 摘要 为解决组播网络中基于网际互连协议的电视 IPTV 频道切换时间过长的问题 提出一种在组播环境下 IPTV快速频道切换的方法 该方法利用终端的上传带宽 为其他终端提供快速的数据流 在短时间内充满频道切 换终端播放缓存 可减少频道切换时间 理论分析与仿真验证的结果表明 在较高频道切换频率下 该方法用不足 20 的新增带宽 使频道切换时间减小到原有的15 45 关 键 词 组播 基于网际互连协议的电视 频道切换时间 中图分类号 TP393 文献标志码 A An IPTV Fast Channel Change Scheme in Multicast Environment GU Qiang XIA Ye2han ZOU Hua YANG Fang2chun State Key Laboratory of Networking and Switching Technology Beijing University of Posts and Telecommunications Beijing 100876 China Abstract In order to reduce channel change time of Internet protocol television IPTV in Internet protocol IP multicast environment a novel scheme of IPTV rapid channel change in IP multicast en2 vironment is proposed This scheme utilizes terminal s upload bandwidth to supply rapid media stream rate to other terminals and fulfills play2out buffer in channel change termianals for a short time peri2 od so as to reduce the channel change time According to theoretical analysis and simulation results under a highly channel change rate only no more than 20 additional bandwidth is needed to reduce the channel change time to 15 45 of original multicast channel change time Key words multicast Internet protocol television channel switching time channel change time 收稿日期 2009203218 基金项目 国家高技术研究发展计划项目 2008AA01A317 2006AA01Z448 国家重点基础研究发展计划项目 2009CB320406 北京市 教育委员会共建项目专项 国家自然科学基金项目 60672121 作者简介 古 强 1982 男 博士生 E2mail qiang gu bupt 杨放春 1957 男 教授 博士生导师 随着接入带宽的不断增长 IPTV已成为宽带 互联网最重要的多媒体应用之一 截至2008年第3 季度 全球的IPTV用户已达3 948万个 且仍以 1611 的增速快速增长 1 应用前景值得期待 但 根据统计结果 2 在1 000个用户的IPTV组播网 络中 在不同频道间进行切换的平均切换时间为 019 70 s 严重影响了用户体验 QoE quality of experience 本文提出了一种在组播网络中有机结 合peer2to2peer P2P 方法的IPTV频道切换方法 借用P2P网络中充分利用终端的上传带宽的思想 使在播放同一频道的终端为请求加入频道的终端提 供新频道数据 充满播放缓存 减少频道切换时间 1 相关研究 目前 学术界在减小IPTV频道切换时延方面 主要有5类方法 1 预加入组 方法 324 使用户同 时接收2个或2个以上的频道 不支持随机的频道 切换 且总有1路或更多的预加入频道占用的带宽 会浪费 2 Banodkar等 5 在终端收取某视频信息的 同时 将其他频道的信息压缩 多占用约50 的带 宽发送至终端 但视频编码技术复杂 占用带宽也较 多 且其显示时延较长 性能提高有限 3 Cha等 6 研究用户的行为 基于频道热度和用户习惯为用户 提供个性化的节目单 可减少频道切换次数 但可能 导致部分冷门节目不受推荐 未对切换本身的时延 作改进 4 Microsoft公司的IPTV产品 7 在用户发 出切换请求后 与服务器之间建立1个单播连接 以 较快的速率发送数据填充用户的播放缓存 本方法 需新增网络设备 增加投资 且当有大量用户在短时 间内发起频道切换请求时 如广告时段 会造成服 务器负载过大及网络带宽不足的问题 方案的可扩 展性值得商榷 5 文献 8 中研究IPTV频道切换 的方法侧重于特定的接入网络 可针对不同网络的 特点修改协议 实现频道切换时间的改进 2 组播环境下IPTV快速频道切换方 法 现有的IP组播网络中 终端只能被动地从邻近 路由器获取视频数据 路由器发送的速率基本保持 恒定 且不关心哪些用户在观看节目 因而不会为某 一用户以特定的速率传输数据 迅速填充终端的播 放缓存 而终端为了保证播放的流畅性 只有当播 放缓存中的数据到达一定量后 才开始播放 本文 方法的主要思想是借鉴P2P的思想 利用播放目标 频道其他终端的上传带宽 主动从这些终端获取视 频数据 达到多节目源同时下载 迅速填满播放缓 存 减少频道切换时间的目的 211 假设和定义 本文涉及的组播模型是基于IP网络的 为了 排除其他因素的影响 认为该网络所有路由器只处 理IPTV数据 根据目前IPTV部署的情况 也为简 化研究模型 假设网络中有且仅有1套IPTV视频 服务器 可同时提供多个视频频道 各频道均以相同 的平均速率向终端用户发送视频数据 定义1 频道切换时间是指从终端发起频道切 换请求 到切换目的频道的数据充满播放缓存时所 经过的总时间 定义2 终端的稳态是指终端播放状态或频道 切换后 播放缓存已充满 开始正常播放的状态 本 文假设的频道切换须在当前终端处于稳态时发生 212 算法步骤 快速频道切换算法的基本思想如图1所示 当 终端D发起频道切换请求时 向最近的路由器发起 加入组播组的请求 同时 向收看目标频道的终端 A B E发起获取视频信息请求 同时从多点下载 数据 图1 快速频道切换算法示意图 本方法需在传统组播系统上新增2个组件 1 tracker组件 该组件维护终端收看组播频 道的信息 可部署在视频服务器上 也可在单独的服 务器上运行 2 改进终端软件 收看IPTV的终端除具有传 统组播终端的功能外 还需与tracker交互 从其他 终端下载或向其他终端发送数据的能力 算法运行包括3个步骤 步骤1 初始加入频道 当终端新加入某频道 时 加入目的组播组 进入稳态后 通知tracker记录 该终端与收看频道的对应关系 同时 周期性向 tracker请求收看其他频道终端的信息 将返回的信 息存储至本地 步骤2 频道切换 当用户发起频道切换请求 终端向边缘路由器提出频道切换请求 退出原组播 组 加入新组播组 此外 终端从本地读取收看目标 频道的其他终端的信息 并同时向这些终端发起获 取目标频道数据的请求 向不同的终端请求不同的 数据块 被请求的终端以较高的速率发送本地缓存 的部分数据至请求终端 发起请求的终端对收到的 数据进行整合 直至填满播放缓存 若在特定时间 内尚未收到请求的数据块 则向其他终端请求该数 据块 此后的收看数据以传统组播的方式从边缘路 由器获得 步骤3 停止收看 退出组播频道 当用户发起 停止收看的请求后 从当前收看的组播组中退出 同时 终端向tracker发送停止收看请求 tracker从 数据库中清除本终端对应的频道信息 此外 停止 6北 京 邮 电 大 学 学 报 第32卷 从tracker中获得其他终端收看到的频道信息 213 算法分析 根据以上对算法的介绍可知 终端切换时间为 网络传输时延与填充播放缓存的时间的总和 图2 a 为传统组播方式进行频道切换时 播放缓存充满 时刻的状态 图 2 b 为采用本方法后 播放缓存充 满时刻的状态 其中 每个小块表示单位时间视频 数据在缓存中所占的空间 假设发起频道切换请求 时 组播路由器接收到第1块目标频道单位时间的 视频数据块编号为1 第2块为2 依此类推 在此 之前从其他终端接收到的数据按照播放的顺序 以 负数依次排列 图2 某终端播放缓存充满时刻的状态 设播放缓存的容量为Bt 边缘路由器发送组播 数据的平均速率为Rm 以Rm的速率充满Bt所需 的时间为tm 从终端发出频道切换请求 到收到第1 个目标频道的数据包经过的时间为 m 因此 传 统组播方式下 切换频道后 视频数据充满终端播放 缓存所需的时间为 tm Bt Rm m 1 设总频道数为c 总用户数为u 假设其他终端 向切换请求终端发送的平均速率为Ri 终端到达边 缘路由器和其他终端的RTT时间均为 则当终 端切换至某频道时 有k个终端收看该目标频道的 概率为 pk 1 c k c 1 c u k c 1 u k cu 2 当有k个终端可提供目标频道视频数据时 切 换时间应为 tk Bt kRi Rm 3 则频道切换时间的数学期望为 E t u k 0 pkE tk 4 在理想情况下 流媒体分段合理 各终端及边缘 路由器发送的数据同时结束 正好充满播放缓存 设Bi为提供视频信息的终端所发送的数据量 此 时 所需的频道切换时间为 tbest Bi Ri Bm Rm 5 最坏情况下 即其他所有终端均无法提供视频 数据 所有收看的数据必须从边缘路由器获得 此时 的频道切换时间为 tworst tm Bt Rm 6 设pb为从其他终端获取的数据在填充播放缓 存中所占的平均比重 显然有0 pb 1 ta为某时 间段 Ct为每个终端在ta时间段内的平均切换次 数 则本文方法在ta内所占用的平均带宽与传统组 播网络占用的带宽相比为 pbBtuCt tau pbBtCt ta 7 式 7 计算过程中忽略了切换过程中控制信息 所占用的带宽 因为网络的突发性暂时不予考虑 所 示的数据为平均值 根据式 7 的结果 采用本方法在组播网络中进 行频道切换 新增的带宽与原有组播网络相比 只与 播放缓存容量 平均切换次数成正比 与总运行时间 成反比 与其他因素关系不大 即在一定的运行时 间内 频道切换越频繁 播放缓存容量越大 所占的 额外的带宽也越大 3 仿真及结果分析 为验证所提出的快速频道切换方法 采用NS22 软件进行仿真实验 实验选择了100个终端用户 随机收看20个不同的频道 总实验时间为150 s 每 个用户在此时间范围内的平均切换次数为10次 属 于较高频道切换频率 本文方法与传统组播 文献 5 中组播频道切换 时间的对比如图3所示 将终端播放缓存大小设为 可存放3 s的视频数据 由图3可知 文献 5 中切 换频道的性能比传统的组播方式略有提高 而采用 本文方法 绝大多数终端的频道切换时间均在014 113 s内 切换时间减小15 45 在仿真实验的 10 20 s时间段内 频道的切换时间与组播方式相 似 这是因为尚无其他终端收看目标频道的节目 只 能从组播路由器获取视频 实验中频道切换时间小于3 s 分为3个时间范 围 1 切换时间在1 115 s间切换时 从1个终端 获取目标频道数据 2 切换时间约为016 s时 从2 7第6期 古 强等 组播环境下IPTV快速频道切换方法 图3 频道切换时间比较 个终端获取数据 3 在014 015 s内切换时从3个 终端获取 从其他1个终端获取数据的频道切换速 度约比只从路由器获取数据的速度快2 3倍 而从 2个终端获取数据的速度比从1个终端获取数据的 速度快40 60 从3个终端获取数据的速度比 从2个终端获取数据的速度仅快10 30 因为 当获取数据的终端数量过多时 将耗费更多的带宽 和处理资源 且网络传输时延在频道切换时间中所 占的比重将越来越大 因此 切换时连接的其他终 端保持在2 3个即可 同时 根据仿真实验链路的跟踪 并经过计算分 析 采用本文方法后 切换产生的控制信息与填充播 放缓存而产生的新增网络带宽 其平均值仅占传统 组播IPTV业务所占带宽的1819 当减小平均切 换次数 在150 s时间段内 节点平均切换次数为 115次 其新增带宽的平均值仅为218 而文献 5 中的新增带宽占正常节目带宽的50 4 结束语 本文提出了一种组播网络中采用短时间从其他 终端获取数据的IPTV频道切换方法 借用P2P网 络中充分利用终端的上传带宽的思想 在播放同一 频道的终端为新加入频道的终端快速提供新频道视 频数据 迅速充满新加入终端的播放缓存 大大减少 了频道切换时间 有效地提高了用户的QoE 对新 方法进行了理论分析 仿真实验结果表明 在高切 换频率的情况下 新方法仅用不足20 的新增带 宽 使得频道切换时间减小到传统组播网络中频道 切换时间的15 45 参考文献 1 Vanier Fiona World broadband statistics Q3 2008 EB OL 2008212205 http point2topic com dslanalysis php 2 Angilent Technologies Ensure IPTV quality of experi2 ence EB OL 2008210201 http cp literature agi2 lent com litweb pdf 598924051EN pdf 3 Lee Jieun Lee Geonbok Seok Seunghak et al Ad2 vanced scheme to reduce IPTV channel zapping time C 10th Asia2Pacific Network Operations and Manage2 ment Symposium Heidelberg Springer Verlag 2007 2352243 4 Yuna Kim Jae Keun Park Hong Jun Choi et al Re2 ducing IPTV channel zapping time based on viewer s surfing behavior and preference C Broadband Multi2 media Systems and Broadcasting 2008 IEEE Interna2 tional Symposium on Las Vegas Inst of Elec and Elec Eng Computer Society 2008 126 5 Banod